Проектирование пищеварочного котла

Содержание

 

Введение

На предприятиях общественного питания и предприятиях пищевой промышленности широко используется варочное оборудование.

Варка – один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Это процесс гидротермической обработки пищевых продуктов в жидкой среде: воде, бульоне, молоке, соусе и т. п. По температурным решениям процесс варки может быть осуществлен при температурах ниже 100 ^оС, при 100 ^оС, и выше 100 ^оС. Для кипячения больших объемов воды, молока и продолжительного отваривания продуктов используются пищеварочные котлы. Конечно, эти же кулинарные операции можно выполнять и в наплитной посуде, но медленнее и с существенно большими затратами энергии.

Конструкции варочных аппаратов  должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

На крупных предприятиях целесообразно использовать электрическую энергию. Электрическое оборудование, в том числе и электрические пищеварочные котлы, обладают высоким КПД, экономичны и достаточно просты в эксплуатации. А электроэнергия в наше время распространена практически повсеместно.

Целью данной работы является поверочный расчет котла пищеварочного электрического с прямоугольной формой варочного сосуда емкостью V_{в с} = 100 дм³. Основной отличительной особенностью рассматриваемого аппарата является модульность аппарата.

 

1. Аналитический обзор

1.1 Технологические требования к конструкции проектируемого аппарата

1.1.1 Тепловая обработка продуктов

Значение тепловой обработки. В процессе тепловой обработки кулинарная продукция обеззараживается и повышается ее усвояемость. Улучшение усвояемости продуктов, прошедших тепловую обработку, обусловлено следующими причинами:

• продукты размягчаются, легче разжевываются и смачиваются пищеварительными соками;
• белки при нагревании изменяются (денатурируют) и в таком виде легче перевариваются;
• крахмал превращается в клейстер и легче усваивается;
• образуются новые вкусовые и ароматические вещества, возбуждающие аппетит и, следовательно, повышающие усвояемость;
• теряют активность содержащиеся в некоторых сырых продуктах антиферменты, тормозящие процесс пищеварения.

Санитарное значение тепловой обработки связано с тем, что:

• при нагревании микроорганизмы, образующие споры, переходят в неактивное состояние и не размножаются;
• большинство микроорганизмов, не образующих споры, погибает;
• разрушаются бактериальные токсины;
• погибают возбудители многих инвазионных (глистных) заболеваний — финны, трихины и др.;
• разрушаются или переходят в отвар ядовитые вещества,  содержащиеся в некоторых сырых продуктах (грибы, баклажаны, цветная фасоль).

Недостатками тепловой обработки являются:

• потери части растворимых и летучих ароматических, а также вкусовых веществ;
• изменение естественной окраски овощей;
• разрушение ряда биологически активных веществ (витаминов, фенолов и др.);
• нежелательные изменения жиров (окисление, омыление, снижение биологической активности).

 

Процессы, происходящие в продукте при варке

 

Варка — это процесс гидротермической обработки продуктов с целью доведения их до состояния готовности. При тепловой обработке продуктов денатурируются и коагулируются белки, коллаген соединительной ткани мясо-рыбных продуктов переходит в глютин, уничтожается большинство вегетативных форм микробов, инактивируются ферменты.

При варке (в воде, бульоне) происходит равномерное прогревание продуктов  по всему объему до состояния кулинарной готовности при полном их погружении в обогреваемую среду в закрытых или открытых сосудах. В жидкость при этом переходит значительное количество растворимых веществ. Чем больше жидкости, тем больше потери.

Тепловая кулинарная обработка  вызывает в продуктах глубокие физико-химические изменения. Эти изменения могут приводить к потерям питательных веществ, существенно влиять на усвояемость и пищевую ценность продуктов, изменять их цвет, приводить к образованию новых вкусовых и ароматических веществ. Без знания сущности происходящих процессов нельзя сознательно подходить к выбору режимов технологической обработки, обеспечивать высокое качество готовых блюд, уменьшать потери питательных веществ.

При варке продукты соприкасаются с водой и из них могут извлекаться растворимые вещества. Процесс этот называется диффузией, и подчиняется закону Фика. Согласно этому закону скорость диффузии зависит от площади поверхности продукта. Скорость диффузии зависит от концентрации растворимых веществ в продукте и окружающей среде. Концентрация растворимых веществ в продукте может быть очень значительной. При погружении овощей в воду экстракция растворимых веществ вначале идет с большой скоростью из-за разницы концентраций, а затем постепенно замедляется и при выравнивании концентраций прекращается. Концентрационное равновесие наступает тем быстрее, чем меньше объем жидкости. Этим объясняется то, что при варке продуктов паром потери растворимых веществ меньше, чем при варке основным способом. Поэтому для уменьшения потерь питательных веществ при варке продуктов жидкость берут с таким расчетом, чтобы только покрыть продукт. И наоборот, если надо извлечь как можно больше растворимых веществ (варка говяжьих почек, отваривание некоторых грибов перед жаркой и т. д.), то воды для варки должно быть больше.

Таким образом, уменьшить переход  питательных веществ из продукта в варочную среду можно, не только сократив объем жидкости, взятой для варки, но и замедлив внутреннюю диффузию растворимых веществ в самом продукте. Для этого необходимо создать в продукте значительный градиент температуры, для чего сразу погрузить его в горячую воду. В этом случае в результате термомассопереноса влага и растворенные в ней вещества перемещаются из поверхностных слоев вглубь продукта (термическая диффузия). Термическая диффузия, направленная противоположно потоку концентрационной диффузии, снижает переход питательных веществ в варочную среду. Если надо извлечь как можно больше растворимых веществ, продукт при варке закладывают в холодную воду.

 

1.1.2 Температурные режимы варки как технологического процесса

Скорость прогревания  продуктов в процессе варки зависит  от теплофизических свойств греющей среды и обрабатываемого продукта.

Варка состоит из двух стадий: нагревания жидкой среды до температуры кипения, когда температура в каждой точке аппарата и среды изменяется во времени (нестационарный режим), и собственно варки при кипении, когда температура в упомянутых точках не изменяется во времени (стационарный режим). При этом для максимально быстрого доведения жидкой среды до кипения необходим сильный нагрев аппарата, а для собственно варки, т. е. доведения продуктов до готовности, наоборот, слабый нагрев, обеспечивающий получение так называемого тихого кипения, так как интенсивное кипение вызывает эмульгирование жиров и помутнение бульонов.

При интенсивном кипении  происходит перемещение частиц жидкости, обусловленное парообразованием, тогда как при «тихом кипении» парообразование практически не влияет на перемещение частиц жидкости и последние двигаются в основном вследствие наличия разности плотности самой жидкости. Бурное кипение в большинстве случаев отрицательно сказывается на качестве пищи: бульоны делаются мутными, продукты деформируются, увеличиваются потери ароматических веществ и витаминов и т. д.

Доведение же до готовности различных каш, макарон и других консистентных блюд происходит за счет аккумулированного тепла, для чего за 15—20 мин до окончания варки отключают и слабый нагрев.

Изменение режима тепловой обработки (сильный, слабый и аккумуляционный нагревы) содержимого варочного сосуда в процессе варки различных блюд графически представлено на рис. 1. После доведения жидкой среды до кипения и закладки продуктов температура ее снижается. После вторичного закипания нагревательный элемент переключают на слабый нагрев («тихое кипение»), а за  10—15 мин до окончания варки полностью отключают. Содержимое варочного сосуда доводится до полной готовности за счет тепла, аккумулированного аппаратом.

После этого температура содержимого  в варочном сосуде снижается. Это снижение характеризуется скоростью охлаждения в °С/ч. Наилучший эффект по экспериментальным данным в процессе приготовления блюд получается при скорости охлаждения, равной 2 °С/ч, и при термическом сопротивлении слоя изоляции котла примерно 0,19 м*°С/Вт.

Инерционные свойства пищевых продуктов, изоляции и др. характеризуются коэффициентом       температуропроводности  а;   при   прочих   равных условиях быстрее нагреется или охладится то тело, которое   обладает   большим   коэффициентом  температуропроводности. Значение а для  пищевых продуктов колеблется в пределах (0,5—3,0)  * 10³ (м²/с). Коэффициент температуропроводности а определяется из соотношения:

а = λ / (с * ρ),

где  λ — коэффициент  теплопроводности, Вт/ (м°С);

с — теплоемкость, кДж/(кг°С).

 

                                      

Рис.   1.   Изменение   режима   тепловой  обработки    содержимого  варочного  сосуда   в   процессе  варки  овощей,   бульонов,   супов   и  т.   д.:

А — включение сильного нагрева; АВ — доведение жидкой среды (воды, бульона, молока) до кипения при сильном нагреве; В — момент закипания и момент загрузки продуктов в кипящую жидкость; ВС — доведение содержимого сосуда до кипения после закладки продуктов при сильном нагреве; С — переключение на слабый нагрев («тихое кипение»); D — отключение нагревательного элемента за 10—15 мин до окончания варки; DE — доведение содержимого сосуда до кулинарной готовности за счет аккумулированного тепла; Е — момент достижения продуктом готовности (окончание тепловой обработки,   выгрузка   продукта   из   сосуда)

Варка пищевых продуктов осуществляется как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Варку  продуктов  при  нормальном   атмосферном   давлении   производят   в   негерметизированных   сосудах    (пищеварочные котлы), при этом температура кипения жидкой среды близка к 100°С. Пары кипения, образующиеся в процессе варки, направляются из сосудов непосредственно в помещение или в специальный пароотвод.

Варку продуктов при повышенном давлении осуществляют в герметически закрытых сосудах—автоклавах и других компрессионных   аппаратах.   Их   применяют   для   интенсификации процесса приготовления пищи (варка каш, бобовых и др.), а также для выварки костей при приготовлении костного или мясо-костного бульонов. Внутри автоклава избыточное давление достигает 200 кПа; при этом температура кипения жидкой среды составляет 133° С (определяется по абсолютному давлению Р_абс = Р_ман + Р_бар).

Для увеличения в жидкой среде концентрации сухих веществ (при приготовлении концентрированных соусов, бульонов и т. п.) используют процесс выпаривания — удаления воды из продукта. При этом необходимо учитывать состав продукта и те изменения, которые может вызвать в нем тепловая обработка. Под воздействием высоких температур особенно резким изменениям подвергаются белки, поэтому выпаривать воду из продуктов, богатых белками, приходится при температурах, значительно ниже 100°. В этих условиях процесс необходимо вести в замкнутом сосуде при пониженном давлении, которое поддерживается особыми устройствами.

Сосуды, работающие при пониженном давлении, называются вакуум-аппаратами. Последние полностью сохраняют  пищевые свойства продукта и ускоряют процесс выпаривания. Например, при нормальном атмосферном давлении с 1 мг поверхности нагрева в течение одного часа выпаривается 5 кг воды, при тех же условиях нагрева при абсолютном давлении в вакуум-аппарате 148 мм рт. ст. (20 кПа) и температуре кипения 60,8° С — 25,7 кг, т. е. процесс протекает в пять раз интенсивнее. Температура кипения жидкой среды в вакуум-аппарате также определяется по абсолютному давлению в нем.

На продукты с небольшим содержанием  белка пониженное давление оказывает менее существенное влияние. При варке таких продуктов воду можно выпаривать в обычных пищеварочных котлах с вытяжными вентиляционными зонтами.

Но необходимо строго выдерживать  продолжительность проведения технологического процесса, так как разрушение витаминов происходит прямо пропорционально длительности процесса.

1.1.3 Технологические требования к пищеварочным аппаратам

Конструкции варочных аппаратов  должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением (от исходного в сырье) пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты. Технологические цели в процессах варки различных продуктов предопределяют технологические требования к группам аппаратов и их конструкциям. Для пищеварочных котлов основной технологической целью является получение готового продукта с высокими органолептическими качествами при максимальном сохранении веществ в исходном сырье и его биологической ценности. Следуя из этого основными технологическими требованиями к  конструкции аппарата становятся нагрев продукта при температуре     не     выше 100 °С, с регулированием режима варки в пределах температуры кипения и отключение нагрева перед окончанием процесса.