CC BY
55
663.01.011
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА РАЗОГРЕВА ПИЩЕВЫХ СРЕД С РАЗЛИЧНЫМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В ВАРОЧНЫХ АППАРАТАХС Р УБАШКОЙ
С.В. ШИХАЛЕВ, С.А. ЕРМАКОВ, И.Ф. РЕШЕТНИКОВ
Уральский государственный экономический университет
Варочные аппараты с рубашкой относятся к теплообменным устройствам периодического действия. При этом основным процессом, обеспечивающим оптимальную работу данного оборудования, является режим разогрева содержимого варочной емкости аппарата [1]. Отсутствие обоснованных моделей расчета нестационарной теплопередачи в рубашечных аппаратах обусловливает необходимость проведения специальных исследований с целью установления функциональных зависимостей теплотехнических параметров режима разогрева ( температура технологических сред, коэффициенты теплопереноса, поверхностная плотность теплового потока) от времени протекания процесса для пищевых продуктов с различными физико-химическими свойствами и разработку моделей расчета на основании установленных зависимостей.
Как известно [2], варочные котлы широко используются для уваривания различного сырья: карамельной, ирисной, желейной масс, мармеладной начинки, сгущенного молока с сахаром и т. п., а также при приготовлении вторых блюд на предприятиях общественного питания [3]. Поэтому в опытах по разогреву указанных аппаратов в качестве пищевых сред использо-
Рис. 1
вали растворы, отличные по своим физико-химическим свойствам: сахарный раствор с концентрацией сухих веществ от 10 до 20% [4], 5%-й раствор пищевой соли [5], и сопоставляли их с данными по разогреву эталонной жидкости - воды.
Объектом экспериментального исследования были электрические варочные аппараты рубашечного типа емкостью 60 л (КПЭ-60 и КПЭМ-60), которые состояли из варочного сосуда 2 и рубашки 1, покрытой теплоизоляцией 6 (рис. 1). Аппараты установлены на раме 8 и снабжены контрольно-измерительными и регулирующими приборами 3, 7, 9. В экспериментальный стенд также вошли: электрическая схема с приборами и нагревателями 4 для создания тепловой мощности, система термометрии для определения температур содержимого варочного сосуда, парогазовой смеси, а также поверхности крышки в аппаратах.
Измерение температуры технологических сред при разогреве варочного котла производилось хромель-ко-пелевыми батарейными термопарами 10 с термоэлектродами диаметром 0,2 мм. Температура крышки 5 измерялась с помощью контактной термопары 11. Автоматическая фиксация температур при этом осуществлялась одноточечным потенциометром типа КСП-4 12 класса точности 0,25.
Экспериментальные исследования процесса разо -грева аппарата с рубашкой базировались на методе последовательных интервалов [6]. Найденное при условии, что на первом интервале граничная функция постоянна, распределение температуры в теле в конце первого отрезка времени являлось начальным распределением температуры для следующего отрезка времени, где вновь принимается, что граничная функция постоянна. Значение локальной температуры продукта определялось как среднеарифметическое по высоте варочного сосуда с помощью батарейной термопары. Температуру наружной поверхности крышки всех аппаратов на границе выбранного временного интервала Дт замеряли в точке, являющейся геометрическим центром теплоотдающей поверхности [7].
Обработку опытных данных проводили в соответствии с рекомендациями [8].
В результате проведенных экспериментов по разогреву воды в КПЭ-60 (рис. 2) и пищевых продуктов с различными физико-химическими свойствами в КПЭМ-60 (рис. 3) были получены зависимости основных температурных (* - температура содержимого варочного сосуда, • - температура парогазовой смеси,
/, С 100 80 60 40 20
0
-Ж!
0Г"® -ег< г
/ уО г и
Г X 0й и
\ґп лА к*. *-* -х—
л'
к, Вт/(м2 °С)
1000
800
600
400
200
М-
К—___________ ш
---------
ЖІ._________
д, Вт/м 10000
8000
6000
4000
2000
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 т, мин
0
5 10 15 20 25 30 35 40 т, мин
Рис. 2
х - температурный напор «парогазовая смесь-жидкость») и теплофизических (♦ - тепловой поток, • -коэффициент теплопередачи) параметров теплопередачи от времени протекания процесса т.
На рис. 3 приведены опытные данные по разогреву 10%-го (а) и 20%-го (б) сахарного раствора и 5%-го солевого раствора (е).
В соответствии с экспериментальными данными рис. 2, 3 период разогрева рубашечных аппаратов можно разбить условно на 3 этапа.
На 1-м этапе трубчатые электронагревательные элементы нагревали теплоноситель в парогенераторе до температуры насыщения (для котла КПЭ-60 время закипания воды в парогенераторе Тбо = 15 мин, КПЭМ-60 - х60М = 6 мин). В результате происходил быстрый рост температуры парогазовой смеси в рубашке и незначительное увеличение температуры продукта. За этот промежуток времени общий температурный напор At и тепловой поток q у всех аппаратов достигал некоторой максимальной величины.
д, Вт/м 10000 8000 6000 4000 2000
/ >4
/♦ ДО
( л
>
к, Вт/(м2 ■ °С) 1000 800 600 400 200
0
5 10 15 20 25 30 т, мин
Ї, С 100 80 60 40 20
д, Вт/м2 10000 8000 6000 4000 2000
♦ 4 >-4_ н *
4
+ % ЛКг ч
і к
к, Вт/(м2- °С) 1000 800 600 400 200
0 5 10 1 5 2 0 2 5 3 0 35 40 т, мин
0
10 15 20 25 30 35 т,
0 мин
и С 100 80 60 40 20
п
-<ґ о ^ □
и'] Ґ V
р г г
У
*1 х-х X
5 10 15 20 25 30 35 40 т, мин
д, Вт/м 12000 10000 8000 6000 4000 2000
0
Т*** <* ¿яь* ЭЙ?* «г*
к, Вт/(м ■ С)
1200
1000
800
600
400
200
0
5 10 15 20 25 30 35 40 т, мин
а
0
б
5
е
0
Рис. 3
Момент закипания воды в парогенераторе можно считать началом 2-го этапа разогрева - процесса теплопередачи в аппарате. Конденсируясь на теплопередающей поверхности, пар при атмосферном давлении начинал вытеснять воздух из рубашки котла и интенсивно нагревать содержимое варочного сосуда. Значение температурного напора «парогазовая смесь-жидкость» уменьшалось. На этом этапе процесс теплопередачи осуществлялся при постоянном тепловом потоке q до момента окончания продувки (х60 = 36 мин, Т60М = 30 мин).
Закрытие продувочного штуцера является началом заключительного этапа режима разогрева аппарата. В этот период наблюдается снижение теплового потока q, как это видно из рис. 2, 3, вызванное затратами тепла на повышение температуры кипения теплоносителя в парогенераторе до температуры насыщения при максимально допустимом давлении в рубашке аппарата. Однако при этом наблюдается интенсификация коэффициента теплопередачи к с одновременным понижением температурного напора « парогазовая смесь-жидкость».
Полученные экспериментальные данные позволяют вплотную подойти к созданию методики теплотехнического расчета варочных аппаратов косвенного
обогрева при изменении физико-химических параметров пищевых продуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Минухин Л.А., Шихалев С.В., Решетников И.Ф. Не -
стационарная теплопередача в рубашечном аппарате // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2006. - № 5. - С. 56-59.
2. Драгилев А.И., Сезанаев Я.М. Оборудование для про -изводства сахарных кондитерских изделий. - М.: ИРПО; Изд. центр «Академия», 2000. - 272 с.
3. Хохлов Р. Тест драйв: пищеварочные котлы // Ресторан -ные ведомости. - 2003. - № 6. - С. 70-73.
4. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств / С.М. Гребенюк, Н.С. Михеева, Ю.П. Грачев и др. - М.: Агропромиздат, 1987. - 304 с.
5. Румянцев А. В. Сборник рецептур блюд и кулинарных изделий : Нормат. документация для предприятий обществ. питания: Учеб.-метод. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во « ДиС», 2000. - 1016 с.
6. Шумаков Н.В. Метод последовательных интервалов в теплометрии нестационарных процессов. - М.: Атомпромиздат, 1979. -216 с.
7. Вышелесский А.Н., Литвина Л.С. Лабораторный практикум по тепловому оборудованию предприятий общественного пи -тания. - М.: Экономика, 1973. - 168 с.
8. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. - М.: Химия, 1968. - 824 с.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила 03.12.07 г.
664.002.5
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСТР УДЕРА
С.П. ВАСИЛЕВСКАЯ
Оренбургский государственныйуниверситет
Экструдирование является наиболее энергоемким из механических процессов. В автогенном режиме механическая энергия совершает работу в экструдируемом полуфабрикате, вызывая в нем требуемые преобразования. В основном эти преобразования характерны для биополимеров [1]. Существующие математические модели движения полуфабриката в рабочем пространстве одношнекового прессующего механизма, как правило, описывают, какая часть затрачиваемой работы расходуется на создание давления экструдиро-вания. Такую оценку дает коэффициент полезного действия процесса экструдирования [2]. Однако он не позволяет оценить технологическое воздействие на полуфабрикат. Рассмотрим критерий расхода энергии на технологические преобразования в полуфабрикате.
Наибольшее распространение получили одношнековые экструдеры с постоянными по длине параметрами шнека. Схема такого экструдера, состоящего из загрузочного устройства 1, шнекового корпуса 2, матрицы 3, шнека 4 и насадки на конце шнека 5, показана на рис. 1.
Рабочее пространство внутри шнекового корпуса диаметром Бс можно разделить на четыре зоны: канал шнека глубиной И*; полость насадки на конце шнека
(компрессионного затвора) высотой Ис; полость утечек высотой И; фильера матрицы диаметром йт и длиной 2т (рис. 1).
В фильерах матрицы полуфабрикат отдает накопленную им механическую энергию. В полости компрессионного затвора полуфабрикат как отдает эту энергию, так и получает ее. Аналогичная картина наблюдается в полости утечек. Однако это явление захватывает незначительную часть полуфабриката и непосредственно не влияет на его состояние, поэтому будем им пренебрегать. Основной зоной рабочего пространства, обеспечивающей передачу механической энергии полуфабрикату, является канал шнека.
Механическую энергию, передаваемую единице объема полуфабриката в канале шнека, можно охарак-
