Проектирование пищеварочного котла

Как правило, варку в жидкости при  атмосферном давлении проводят в  двух режимах. При первом режиме жидкость доводят до кипения, далее температуру жидкостей несколько снижают (на 2...3°С) и продолжают варку при слабом (тихом) кипении. Второй режим заключается в том, что жидкость с продуктом доводят до кипения, выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем прекращают подвод теплоты. Кулинарная готовность продукта достигается за счет теплоты, аккумулированной аппаратом, жидкостью и продуктом.

Наиболее характерный график изменения  температуры жидкости в рабочей емкости варочного аппарата приведен на рис. 2. На этом графике участок 1—2 соответствует нагреву жидкости до кипения; 2—3 — сильное кипение; 3—4 — закладка продукта; 4—5 — нагрев до кипения; 5—6 — сильное кипение; 6—7 — снижение температуры; 7—8 — слабое кипение; 8— 9 — отключение аппарата (аккумулирование теплоты).

Рис. 2. Изменение температуры  жидкости в варочном сосуде — кривая А и температуры продукта — кривая В

Продолжительность нагрева  жидкости до кипения зависит от множества  факторов: начальной температуры жидкости, величины коэффициента теплопередачи, поверхности нагрева, температурного напора. В свою очередь величина коэффициента теплопередачи зависит от свойств жидкости, режима ее движения, наличия термических сопротивлений и др. Продолжительность нагрева жидкости до кипения без учета тепловых потерь может быть определена из выражения

τ = G c (t_к - t_н) / k S,

где G — количество жидкости, кг;

с — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК);

t_к, t_н — соответственно температура кипения и начальная температура жидкости;

k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

S — рабочая поверхность  варочного аппарата, м²;

Δt_ср — температурный напор, К.

Нагрев продуктов осуществляется от кипящей жидкости. Внутри продукта теплота переносится от поверхности к центру за счет теплопроводности. Большинство пищевых продуктов имеют относительно низкий коэффициент теплопроводности, чем объясняется длительный период их варки. Продолжительность прогрева продуктов существенно зависит от степени их измельчения.

На рис. 3 показана динамика изменения температуры кусков кости при варке костных бульонов. Так, уменьшение размера кости с 20 до 4 см способствует сокращению продолжительности нагрева, при прочих равных условиях, примерно в 2 раза. Увеличение степени измельчения кости приводит также к интенсификации экстрагирования из них водорастворимых веществ и жира, а также к снижению удельных расходов электроэнергии на варку бульонов (рис. 4).

Рис. 3.   Динамика    температуры    в    кусках костей:                          Рис. 4. Зависимость удельного расхода

              1 — целый эпифиз, 2 — 1/2 эпифиза,                                                    электроэнергии на варку костного бульона

              3 — 1/4 эпифиза; 4 — 1/8 эпифиза; 5 — вода                                            от степени измельчения костей

1.1.4 Требования к материалу рабочей камеры

Материалы, из которых  изготавливают части аппаратов, контактирующие с продуктами, должны быть химически стойкими, нейтральными, не подвергаться коррозии, хорошо очищаться и быть стойкими к моющим средствам. Для изготовления деталей машин и аппаратов, непосредственно контактирующих с продуктами, применяют легированные стали марок Х12, 9ХС, 9ХВТ и высоколегированные коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали марок Х18Н9; Х18Н9Т, 1X13 и др. Сталь — это сплав железа с углеродом (до 2 %). В легированных сталях содержание легирующих элементов может составлять до 45 %. В названия марок стали входят буквенные индексы, обозначающие легирующие элементы (X — хром, Н — никель, Т — титан, В — вольфрам, С — кремний и т. д.), и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, сталь марки 12ХНЗ содержит 1,2 % углерода и 3 % хрома и никеля.

Лучшим металлом для  изготовления частей и узлов аппаратов, соприкасающихся с продуктом, является нержавеющая сталь. Следует избегать использования для этих целей алюминия. Это связано с тем, что алюминий накапливается в организме человека и практически не выводится из него. Наукой установлен факт, что алюминий, накопленный в организме человека, может стать одной из причин старческого слабоумия.

Следует помнить, что наличие в варочной среде металлов с переменной валентностью, таких как железо, медь, способствует разрушению витаминов.

1.1.5 Основы интенсификации тепловых процессов для повышения качества продукта

В совершенствовании  технологии производства кулинарной продукции значительное место занимает интенсификация тепловых процессов, требующих больших затрат времени, труда, топливно-энергетических ресурсов. Поэтому конструкция любого теплового аппарата должна как можно полнее соответствовать технологическим требованиям тепловой обработки продуктов.

В основу разработки новых  процессов и аппаратов и их модернизации должна быть положена научно обоснованная классификация способов тепловой обработки, которые по механизму передачи теплоты обрабатываемому продукту подразделяются на поверхностные (кондуктивные), объемные и комбинированные. Если говорить подробнее о пищеварочных котлах, являющихся темой данного проекта, то тепловая обработка продуктов в них производится путем поверхностной передачи теплоты.

В традиционных способах обработки обычно выделяют основные способы, целью которых является доведение продукта до кулинарной готовности, и вспомогательные, осуществляемые в различных целях: получение полуфабрикатов, создание или устранение определенных специфических свойств пищевого сырья; интенсификация последующих основных процессов тепловой обработки и др. В пищеварочных котлах производится обработка продуктов основным способом – варкой. При этом технологической средой является жидкость (бульон или вода), температура которой поддерживается на уровне 100 ⁰С, так же как и рабочего объема аппарата, а тепература рабочей поверхности аппарата несколько выше – 102 – 105 ⁰С, температура поверхности и глубинных слоев продукта в момент окончания процесса составляет 95, 80 ⁰С.

Физическая сущность поверхностных способов тепловой обработки представляется сложным комплексом взаимосвязанных физико-химических, тепломассообменных, биохимических и других процессов, протекающих в массе продукта при подводе к нему теплоты, в основном с поверхности, конвекцией и теплопроводностью. Характерной особенностью этих способов является встречная направленность градиентов температуры и влаги в продукте, вследствие которой поток влаги  из  продукта  препятствует  проникновению теплоты в продукт (рис. 5).

Рис. 5. Направление потоков теплоты и влаги при поверхностных способах тепловой обработки продуктов:

1 - емкость;   2—технологическая   среда    (вода, бульон); 3—продукт.

Продукт (например, мясо), подвергаемый варке в воде, претерпевает ряд сложных структурно-физических и химических изменений. Если продукт с начальной температурой 20 °С погружают в воду с температурой 100°С, то поверхностные слои прогреваются сравнительно быстро, а температура глубинных слоев повышается постепенно; поток теплоты на протяжении всего процесса варки направлен от поверхности вглубь продукта (соответственно градиент температуры имеет противоположное направление). Последовательный прогрев слоев продукта сопровождается фазовыми превращениями (испарение свободной влаги) и биохимическими реакциями (денатурация белков, разрушение коллагена в соединительной ткани и т. д.), приводящими к существенному изменению структуры и теплофизических свойств продукта. Это, в свою очередь, влияет на динамику тепломассопереноса в процессе варки, поскольку приповерхностные слои являются «термическим сопротивлением» для проникновения теплоты в глубинные слои. Уменьшение влагосодержания приводит к снижению коэффициента теплопроводности слоев продукта, что также препятствует его дальнейшему нагреванию. Все эти факторы обусловливают большую продолжительность традиционных (поверхностных) способов тепловой обработки продуктов.

В то же время большая  длительность обработки ухудшает органолептические показатели и пищевую ценность готового изделия, поскольку в обрабатываемом продукте с течением времени разрушаются витамины, теряются, уходя в технологические жидкости, минеральные вещества, претерпевают существенные изменения аминокислотный состав белков и жирнокислотный состав жиров.

Таким образом, кондуктивные (поверхностные) способы имеют следующие  недостатки: большая длительность процессов, существенные затраты топливно-энергетических ресурсов, высокая трудоемкость.

Поэтому сокращение длительности тепловой обработки продуктов, нахождение рациональных температурных режимов воздействия на продукты являются основным путем улучшения качества продукции и интенсификации производства.

1.2 Обзор серийно-выпускаемых пищеварочных аппаратов

1.2.1 Требования, предъявляемые к пищеварочным котлам

Технологические требования заключаются в максимально возможном соответствии режима работы, параметров, устройства рабочей камеры, загрузочного и разгрузочного устройства аппарата физическим и химическим изменениям, происходящим в пищевых продуктах при их тепловой обработке, которая существенно влияет на качество готового продукта.

Под технологическими параметрами понимают температуру и давление в аппарате и т. д. При этом необходимо, чтобы конструктивные и эксплуатационные показатели аппарата обеспечивали оптимальные режимы технологического процесса, т. е. прохождение процесса должно осуществляться   за    возможно   минимальный   промежуток времени с получением наилучшего результата (высокие органолептические показатели, максимальное сохранение пищевых, ароматических и вкусовых веществ, максимальный выход и другие качественные показатели готового продукта).

Эксплуатационные  требования. Данные требования выражают соответствие режима работы, конструктивных  особенностей  машины  или  аппарата  его  рациональной эксплуатации. Эксплуатационные требования к аппаратам предусматривают в качестве непременного условия   простоту   их   обслуживания   с   минимальной затратой   труда;   устойчивость   к   коррозии,   которая может   возникнуть   при   воздействии  обрабатываемых продуктов,   окружающей   среды   и   моющих   средств; доступность аппарата для осмотра, чистки, ремонта; бесперебойность и бесшумность в работе. Эксплуатационные   требования   предопределяют   необходимость автоматизации контроля и регулирования технологического процесса. Автоматизация обеспечивает постоянство заданного технологического режима в аппарате, упрощает его обслуживание, ведет к уменьшению численности обслуживающего персонала и способствует повышению качества кулинарной продукции.

Конструктивные  требования. Сущность этих требований заключается в соответствии конструкции аппарата современным условиям машиностроения. Конструктивные требования, предъявляемые к аппаратам, связаны с их проектированием, изготовлением, транспортировкой и монтажом. Важными конструктивными требованиями являются:

• технологичность, т. е. соответствие конструкции и материалов технологии машиностроения в условиях массового производства. Технологичность аппаратов должна выдерживаться в течение всего цикла его производства — начиная от заготовки деталей и кончая испытанием готовых машин и аппаратов;
• унификация и нормализация деталей и узлов, максимальное использование стандартизированных деталей и изделий. Соблюдение этих требований повышает серийность и технологичность оборудования;
• секционность, которая улучшает условия его эксплуатации, облегчает разработку, перемещение и сборку при монтаже и ремонте;
• техническое совершенство, работоспособность и надежность. Техническое совершенство аппарата характеризуется периодом, в течение которого аппарат по своим основным показателям соответствует современному уровню развития техники. Под надежностью машины или аппарата понимается их способность выполнять свои технологические функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных  пределах  в течение требуемой   наработки.

Наработка — это продолжительность  или объем работы машины или аппарата, измеряемые в единицах времени или весовых (объемных) единицах по перерабатываемому сырью.

• Надежность машины или аппарата зависит от их безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Количественно она может быть оценена как произведение вероятности безотказной работы в течение заданного времени и коэффициента оптимального технического использования машины или аппарата.
• Безотказность характеризует способность аппарата сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.
• Долговечность — это способность машины или аппарата сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Долговечность характеризуется ресурсом или сроком службы до одного из видов ремонта.
• Ремонтопригодность   характеризует   приспособленность аппарата к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей.
• Сохраняемость отражает свойство машины или аппарата сохранять эксплуатационные показатели в процессе их хранения и транспортировки.