CC BY
51
ОБОРУДОВАНИЕ yyi
ТЕМА НОМЕРА AA|
ВЕКА
УДК 641.526.7
Обжарочные аппараты
малой производительности
В.А. Шуляк, д-р техн. наук, проф., А.В. Буглак, асп.
Могилевский государственный университет продовольствия, Республика Беларусь, г. Могилев
Ключевые слова: кондуктивная тепловая обработка; кондитерская промышленность; обжаренные орехи; обжарочные аппараты.
Тепловая обработка - один из важных процессов в пищевой промышленности, так как от ее эффективности зависят конкурентные возможности конечного продукта (качество, себестоимость). Требования к проведению любого теплового процесса жестко ограничены повышенной стоимостью энергоресурсов и качественными показателями готовых полуфабрикатов. Задача эффективного проведения тепловой обработки сводится не только к выбору способа осуществления самого процесса, но и к созданию оборудования, позволяющего его реализовать.
Кондуктивная тепловая обработка -чрезвычайно распространенный способ подвода тепла при сушке и обжарке, применяемый в пищевой и других отраслях промышленности (целлюлозно-бумажной, химической, мясомолочной, текстильной и др.). Этот метод используется для сушки сыпучих, листовых, рулонных, волокнистых и других влажных материалов. Кондуктивная сушка отличается достаточно высокой эффективностью, экономичностью и позволяет получать продукт высокого качества. Однако ей присущи и недостатки: высокая металлоемкость оборудования, большие габариты и большая тепловая аккумулирующая способность, ограничения по толщине высушиваемого материала и температуре греющей поверхности. Одна из разно-
видностей кондуктивной сушки - обжарка, которая широко распространена в кондитерской, пивоваренной и других отраслях пищевой промышленности для тепловой обработки сыпучих пищевых материалов (арахис, миндаль, фундук, семечки, солод, кофе, какао и др.). В результате обжарки происходят сложнейшие физико-химические превращения в ядрах и формируются особый вкус, цвет, аромат и структура, обеспечивающие как нормальное протекание последующих технологических операций, так и качество готовых изделий.
В кондитерской промышленности в качестве добавок и основного сырья широко применяют обжаренные орехи. Из них изготавливают различные наполнители для конфет, пралине, которые получены из дробленых ядер обжаренных орехов. По способу производства и по ряду свойств ореховые конфетные массы сходны с шоколадными. Они содержат не менее 30 % жира, влаги в них на 1-1,5 % больше, чем в шоколадных массах. Дисперсность при надлежащей обработке на пятивалковых мельницах мало отличается от дисперсности шоколада. Используемые для производства ореховых конфет ядра миндаля, арахиса, кешью, фундука высококалорийны, содержат ценные минеральные вещества, витамины, белки, жиры и углево-
ды, обусловливая высокую пищевую ценность ореховых конфет. Помимо составных частей орехов в них содержатся крахмал, сахара, в том числе сахароза, редуцирующие сахара, раффиноза, стахиоза, пентозаны и другие углеводы. При обжарке орехов температура теплоносителя составляет 130... 170 °С, температура самих ядер орехов не должна превышать 120.125 °С. В результате обжаривания содержание влаги в ядрах орехов уменьшается от 4-7 до 2,5-3,0 %, что увеличивает их хрупкость. Кроме того, при обжарке происходят химические преобразования состава ядер (реакция меланоиди-нообразования), вызывающие изменения вкуса, аромата и цвета орехов. В процессе обжарки уничтожается бактериальная флора, что повышает стойкость полуфабрикатов и продукции при хранении [1].
В настоящее время на кондитерских предприятиях используется преимущественно импортное оборудование, которое отличается высокой стоимостью и не всегда обеспечивает требуемое качество готового продукта. Например, при проведении процесса в обжароч-ных аппаратах при больших затратах энергии не обеспечивается равномерная обжарка продукта, вследствие чего отдельные частицы подгорают, а другие не достигают требуемой степени готовности, что негативно сказывается
Рис. 1. Классификационная схема
Рис. 2. Обжарочные аппараты: а - цилиндрический обжарочный аппарат PROBAT тип Burns Thermalo 24; б - сушилка вибрационная инфракрасного нагрева СВИ-1000
на последующих технологических операциях. Так, при последующем измельчении такого продукта фракционный состав может включать до 30 % мучки, которая является отходом и стоит ниже закупочной цены исходного материала. Поэтому проблема разработки энергоэффективных, недорогих аппаратов для обжарки и измельчения орехов весьма актуальна для кондитерской промышленности.
Многие страны (Китай, Индия, Индонезия и др.) предлагают на экспорт полуфабрикаты орехов (арахис, миндаль, кешью и т. п.). Лидирующее место по выращиванию, переработке и экспорту занимает Китай. На рынке представлены целые линии китайского оборудования для переработки орехов, включающие оборудование для обрушивания, сушки, обжарки, измельчения, прессования и упаковки. Также следует отметить высокотехнологичное оборудование концерна PROBAT, который занимает первое место в Европе по производству оборудования для тепловой обработки сыпучих материалов.
Существует широкое многообразие оборудования для обжарки сыпучих материалов, которое отличается как своим конструктивным исполнением, так и видом используемого теплоносителя [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Аппараты для осуществления кондуктивного теплопод-вода можно разделить по следующим признакам: производительность, геометрия теплообменной поверхности, способ перемешивания, вид используемого теплоносителя, давление в рабочей камере. На рис. 1 представлена классификационная схема обжароч-ных аппаратов по основным признакам.
Наиболее широкое распространение по своему конструктивному исполне-
нию получили цилиндрические обжа-рочные аппараты ТНА-240 [4], PROBAT [5] (рис. 2, а), Got-Hot и др., а также шаровой обжарочный аппарат «Сирокко» [2]. В таких аппаратах основной рабочий орган - вращающийся цилиндрический или шаровой барабан, через стенки которого к продукту подводится тепло. Основной недостаток таких конструкций - наличие застойных зон около боковых стенок барабана, что приводит к чрезмерному перегреву продукта и, как следствие, к пережогу. Также эти аппараты отличаются большими затратами энергии на процесс и низким коэффициентом теплоиспользования из-за наличия воздушной прослойки между корпусом и нагревателем.
Одна из последних разработок в этой области - вибрационные сушилки
с инфракрасными излучателями. На рис. 2, б представлена вибрационная установка непрерывного действия с инфракрасным нагревом СВИ-1000, разработка инженерного центра VIBROMASH (Казахстан). Она предназначена для жарки, сушки или термообработки семечковых, зерновых или бобовых культур в цельном или измельченном виде [7].
На основании всего изученного материала нами были сформулированы новые направления в конструировании современных обжарочных аппаратов. Ими должны стать: увеличение коэффициента теплоиспользования, уменьшение затрат энергии на процесс обжаривания, улучшение процесса перемешивания, устранение застойных зон и опасности пережогов, упрощение конструкции [8].
Для количественной оценки эффективности известных обжарочных аппаратов их можно сравнить по удельным показателям [9,10]. Основной показатель - удельные затраты энергии д, равные отношению потребляемой тепловой и электрической энергии N к производительности аппарата О.
q = N/G.
(1)
График на рис. 3 построен на основании анализа технических характеристик (табл. 1) различных обжарочных аппаратов иностранного (ТНА-240, «Сирокко», PROBAT и др.) и российского производства, производительность которых составляла от 15 до 1500 кг/ч. Аппараты имели различный вид используемого теплоносителя (газ, электричество), поэтому удельный расход энергии
1,2 ♦ я.;
* 0,8
™ 0,6
2 0,4
0,2
К-8
АОА-ЗО
0,35 0,3 0,25 к 0,2 " 0,15 0,1 0,05
0
АОА-70
БОС-100"
* п.-,! ^N*. осм-100
♦ СОА-50 ^S- « АО-100 ♦ ♦
АЖС
УОБ
100 150
кг/ч
150 300 450 600 750 900 Производительность,кг/ч
1050
1200
1350
1500
Рис. 3. Удельные затраты энергии
0
0
ОБОРУДОВАНИЕ уу| ВЕКА
ТЕМА НОМЕРА ДД|
Таблица 1
Техническая характеристика аппаратов
Марка аппарата Производительность, кг/ч Установочная мощность, кВт
K-5 15 17,8
K-8 УОБ 24 30 21,1 4 0
АОА-30 СОА-50 30 50 20,0 8 0
K-20 АОА-70 55 70 17,8 24 9
СОАУ-100 K-30 80 95 25 21,1
ЖЖС СНГ 1ПП 100 1ПП 13,1 9П 7
БОС- I00 ОСМ-100 V I00 110 20,7 23,5 "Ж Р,
K-ÖU АО-100 1 1ПА I2U 150 25,6 23,1 П
ЦОА АОА-150 15 и 150 ТГА 15,0 33,9 ээ г\
БОС-250 PROBAT KR-300 250 700 о пп 33,и 12,0 л
«Сирокко» СОА ТНА-240 800 1000 1500 13,0 48,5 42,0
1 П А-240 СВИ-1000 250 19,1
4 5 6 7 И 9
Рис. 4. Сушильно-обжарочный аппарат
пересчитан в киловатт-часах по удельной теплоте сгорания топлива.
По графику видно, что наилучшие показатели имеют аппараты с большой производительностью. Это объясняется тем, что с ростом производительности резко падают затраты энергии на 1 кг готового продукта. Данные аппараты экономически выгодны, но только на производствах с большим объемом переработки. Уравнение кривой, описывающей связь между удельными затратами энергии и производительностью, имеет вид:
q = 15,751 б-1. (2)
В настоящее время с развитием малых предприятий по переработке пищевых продуктов наиболее широкое распространение получили аппараты сравнительно небольшой производительности (до 200 кг/ч), с малой занимаемой площадью, и они же имеют сравнительно низкие показатели удельного расхода энергии (от 0,1 до 0,35). При данной конъюнктуре рынка именно в повышении эффективности этого класса аппаратов возможен наибольший экономический эффект.
Малые перерабатывающие предприятия стремятся переработать такие продукты, технологический процесс которых не несет в себе большого количества стадий и которые требуют меньшего количества оборудования, затрат при хранении и транспортировке. К таким продуктам можно отнести арахис, кешью, миндаль, семечки, фундук, фисташки и т. д. Полные линии для приготовления посыпных кондитерских изделий включают несколько технологических процессов (отделение орехов от оболочки, их подсушивание, калибровка, обжаривание до 30 % готовности, бланширование, обжаривание до 100 % готовности, фасовка). Наиболее важный из этих процессов - обжаривание. Для малого бизнеса целесообразно использовать не все вышеуказанные операции, так как все они для малых объемов переработки экономически невыгодны, а лишь две последние. Обычно в процессе сушки и обжаривания до 30 % готовности арахис теряет 10-12 % от первоначальной массы. Плюс при отборе сырья нужного калибра в виде отходов теряется 8-12 % его массы. Поэтому намного выгоднее и удобнее будет перерабатывать уже обработанный бланшированный арахис, чем покупать сырой и самим перерабатывать его до необходимой кондиции.
На основании вышеприведенных требований к аппаратам на кафедре
прикладной механики Могилевского государственного университета продовольствия были запатентованы, спроектированы и изготовлены два обжарочных аппарата малой производительности периодического действия. Аппараты отличаются принципом действия и конструктивным исполнением.
На рис. 4 показан вакуумный су-шильно-обжарочный аппарат ротационного типа [11], который позволяет получать цельные, гранулированные и порошковые продукты высокого качества из материалов растительного происхождения с новыми потребительскими свойствами. Установка позволяет резко сократить время сушки, обжарки и энергозатраты на процесс в целом. Аппарат состоит из сушильной камеры 6 с теплообменной рубашкой, патрубка для отвода паров 4, вакуумного насоса 1, конденсатора 2, привода 5, измельчителя 9, герметизируемого патрубка 7 для загрузки-выгрузки высушиваемого материала, патрубка подвода и отвода теплоносителя 11, шестеренного насоса 12, нагревательного бака 10, смотрового окна 8, пульта управления 3.
На данной установке проведены исследования процессов кондуктивного теплообмена различных сыпучих пищевых материалов, а также затрат мощности на перемешивание для различных процентов загрузки объема барабана. На рис. 5 представлены кривые прогрева рабочей камеры аппарата в различных точках. Время прогрева поверхности барабана до 100°С составляет 1,5 ч.
Сушка и обжарка под вакуумом позволяют лучше сохранить вкусовые качества готового продукта. Геометрия теплообменной поверхности аппарата позволяет осуществлять перемешивание за счет естественной циркуляции материа-
Рис. 6. Аппарат обжарочный
ла без образования застойных зон. На данный аппарат получен патент [12].
Второй обжарочный аппарат (рис. 6) представляет собой цилиндрический ротационный барабан, который позволяет получать продукты из различного сырья [13]. Теплоносителем в данном аппарате выступают нагревательные элементы, закрепленные в нижней части обжарочного барабана и погруженные непосредственно в слой продукта. Аппарат состоит из цилиндрического барабана 10, роликовых опор 2, привода 1, нагревательных элементов 13, опорных дисков 12, неподвижных торцевых стенок 5, упругих элементов 4, вентилятора 6, патрубка отвода отработанного воздуха 7, устройств загрузки и выгрузки 3, 14, рамы 15, винтовой спирали 11, венцовой шестерни 9, бандажа 8.
Основная особенность аппарата -нагревательные элементы, установленные непосредственно в слое продукта, что позволяет улучшить процесс теплосъема с поверхности нагревателей и увеличить коэффициент теплоиспользования. Энергия равномерно распределяется по всему объему хорошо перемешиваемого продукта, что обеспечивает равномерное обжаривание. Продукт не нужно интенсивно перемещать для лучшего обогрева, что способствует уменьшению внутреннего трения и пылеобразова-ния.
Обжарочный аппарат работает следующим образом. Исходный продукт через загрузочное устройство 3 поступает в барабан 10 и покрывает нагревательные элементы 13 ровным слоем. Барабану сообщается вращательное движение от внешнего привода 1 и происходит обжаривание продукта, но торцевые стенки 5 при этом неподвижны. Это приводит к тому, что энергия распределяется непосредственно по всему объему продукта, непосредственно стенки аппарата не обогреваются, уменьшаются потери в окружающую среду. Продукт начинает перемещаться при помощи винтовой спирали 11 из нижней части барабана в верхнюю, а затем самотеком стекает вдоль нагревательных элементов обратно. При этом упругие элементы 4 обеспечивают равномерное обтекание продукта вокруг нагревательных элементов с наложением вибрации. В процессе обжаривания вентилятором 6 из барабана удаляются пары влаги через патрубок отвода отработанного воздуха 7. После окончания процесса обжаривания приводу сообщается реверсивное движение и происходит выгрузка через устройство выгрузки 14. На конст-
рукцию данного обжарочного аппарата получен патент [14].
Аппараты малой и средней производительности найдут широкое применение на малых и среднетоннажных кондитерских фабриках, а также в сфере малого бизнеса. Повышение эффективности этого класса аппаратов возможно за счет улучшения циркуляции материала, увеличения коэффициента теплоиспользования, повышения равномерности нагрева и автоматизации процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология кондитерских изделий/Под ред. Г.А. Маршалкина. - М.: Пищевая промышленность, 1978.
2. Рапопорт А.Л., Сосновский А.Б. Технология кондитерского производства. - М.: Колос, 1984.
3. Какао, шоколад, пралине (конфеты). Сырье, производство, контроль качества: монография/Пер. с нем. -М.: Пищевая промышленность, 1966.
4. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остри-ков А.Н. Машины и аппараты пищевых производств: в 2 т. - М.: Высшая школа, 2001.
Б. Минифай Б.У. Шоколад, конфеты, карамель и другие кондитерские изделия/Пер. с анг.; под ред. Т.В. Савенковой. - СПб.: Профессия, 2005.
6. Никель С.А. Обжа-рочный аппарат непрерывного действия//Пи-щевая промышленность. 2002. № 8. С. 22.
7. Сушилка вибрационная инфракрасного нагрева СВИ-1000//ТОО «ВИБРОМАШ УК» эксклюзивный дилер завода «Электровибромашина» [Электронный ресурс]. -2009.
8. Буглак А.В., Шуляк В.А. Интенсификация процесса обжарки сыпучих пищевых материалов/Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 3 ч. -Могилев: Бел.-Рос. ун-т, 2007, ч. 1, с. 113.
9. Буглак А.В., Шуляк В.А. Новые направления в конструировании об-жарочных аппаратов/ Сб. научных работ студентов высших учебных
заведений Республики Беларусь «НИРС, 2006».- Минск: Изд. центр БГУ, 2007.
10. Буглак А.В., Шуляк В.А. Сравнение удельной энергетической эффективности различных обжарочных аппаратов/Тез. докл. VI Междунар. научн.-техн. конф. - Могилев: УО МГУП, 2007.
11. Буглак А.В., Киркор М.А. Сушиль-но-обжарочный аппарат/Тез. докл. VI Междунар. науч. конф. студентов и аспирантов.- Могилев: УО МГУП, 2008.
12. Вакуумная сушилка: пат. 8101 Респ. Беларусь МПК7 F26 B 5/04, 11/04 Д.В. Довидович, В.А. Шуляк; Заявитель УО МГУП- № 20030861; заявл. 2003.09.10; опубл. 2005.03.30// Афщмны бюл./Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасцг 2006. № 2. С. 118.
13. Буглак А.В., Шуляк В.А. Создание новой конструкции обжарочного аппарата для тепловой обработки сыпучих пищевых материалов/Тез. докл. VI Междунар. научн.-техн. конф. - Могилев: УО МГУП, 2007.
14. Обжарочный аппарат: пат. 10683 Респ. Беларусь МПК7 А 23 N 12/08 А.В. Буглак, В.А. Шуляк; заявитель МГУП -№20060318; заявл. 10.04.2006.
