Тепловое оборудования предприятий питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕПЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИТАНИЯ

Учебное пособие

УДК

Кисимов Б.М., Сторожева Е.Д. Расчет теплового оборудования: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.

В учебном пособии приводятся сведения о современном тепловом технологическом оборудовании, получившем наибольшее распространение на предприятиях питания. Описаны их технические особенности и назначение.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271200 - «Технология продуктов общественного питания» факультета коммерции.

Учебное пособие по курсу «Технология продукции общественного питания» для студентов IV курса очной заочной формы обучения по специальности 260501 «Технология продуктов общественного питания».

Учебное пособие предназначено для выполнения контрольных работ.

Одобрено учебно-методической комиссией факультета коммерции.

Рецензенты: Э.В. Филиппов, Н.П. Неклюдова.

Издательство ЮУрГУ, 2006.

Раздел 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ТЕПЛОВОМ ОБОРУДОВАНИИ

1.1 Способы тепловой обработки продуктов

Тепловой обработкой называется технологический процесс, при котором продуктовое сырье или полуфабрикат подвергается воздействию тепловой энергии с целью изменения свойств и придания определенных качеств. В результате теплового воздействия в исходном продукте образуются новые вещества, изменяются вкусовые, физико-химические и физико-механические свойства. Кроме того, действие высокой температуры способствует уничтожению многих болезнетворных и опасных для человека микроорганизмов, благодаря чему тепловая обработка является одним из эффективнейших способов обеспечения безопасности пищевых продукта.

Серьезным недостатком тепловой обработки является то, что она может привести к разрушению витаминов, ферментов и некоторых других полезных для человека веществ.

Потребительские и питательные свойства кулинарных, мучных и кондитерских изделий, в том числе и их безопасность, во многом зависят от способа и режимов тепловой обработки. Например, при тепловой обработке мяса полная денатурация белков, их хорошая перевариваемость ферментами и усвояемость организмом достигается при температуре более 70 0С. Коллагенновые волокна при этой температуре деформируются и приобретают стекловидность, что способствует снижению сопротивления резанию в 56 раз. Вместе с тем, тепловая обработка может привести к потере питательных веществ в среднем на 1060% в зависимости от способа обработки, режимов и используемых источников теплоты.

К основным способам тепловой обработкиотносятся варка и жарка.

Особенностью тепловой обработки при варке является то, что продукт подвергается относительно равномерному нагреву по всему объему. Для этого используют различные конвективные среды - воду, бульоны, молоко или водяной пар температура кипения которых близка к 1000 С, что обеспечивает «мягкий» режим тепловой обработки и исключает вероятность протекания процессов меланоидинобразования, карамелизации и других, нежелательных для варки явлений. Время варки определяется временем достижения такой среднеобъемной температуры продукта, при которой он приобретает необходимые потребительские свойства и становится безопасным. Обычно это диапазон от 70 до 95 0С.

При варке в жидкой конвективной среде неизбежно происходит процесс растворения и перехода в нее различных минеральных веществ из сухих продуктов, что приводит к потере их питательной ценности. При варке бульонов, напитков и каш эти процессы наоборот, играют положительную роль, делая бульоны и напитки более питательными. Иногда варку в конвективной среде используют для удаления из сухих продуктов веществ, представляющих опасность для человека и ухудшающих его органолептические свойства. Интенсивность протекания экстрактивных процессов зависит от времени, тепловых режимов и условий варки. Например, она значительно снижается при варке на пару, однако в этом случае вещества, перешедшие из продукта в конденсат, безвозвратно теряются. Условно к процессу варки можно отнести и тепловую обработку в сверхвысокочастотном (СВЧ) электромагнитном поле, которая отличается высокой скоростью и равномерностью нагрева без использования греющих конвективных сред, что еще в большей степени снижает потери экстрактивных веществ из сухих продуктов.

В отличии от варки, при жарке стремятся создать условия для быстрого и неравномерного нагрева продукта с целью образования корочки на его поверхности. В результате неравномерного нагрева продукта происходит перемещение влаги от поверхности с боле высокой температурой (корочки) в глубь продукта, где температура значительно ниже. Это позволяет существенно сократить потери питательных веществ в процессе тепловой обработки и за счет образования корочки придать продукту специфический вид и вкус. Так как температура образования корочки находится в диапазоне 1201450, то температурный режим жарки значительно выше, чем варки и, в отдельных случаях, может превышать 300 0С. Для нагрева продукта при жарке используют жарочные поверхности, горячий жир и воздух, а также тепловые ИК-лучи. Температура внутри продукта при жарке, как и при варке, находится в диапазоне 7095 0С.

Помимо перечисленных основных способов тепловой обработки продуктов используют вспомогательные способы такие, как припускание, тушение, пассерование и др.

1.2 Основные принципы передачи тепла при нагреве пищевых продуктов

Нагрев продуктов при кулинарной обработке происходит за счет процессов теплообмена путем передачи тепла от более нагретого источника теплоты к менее нагретому продукту. При этом различают три основных способа передачи тепла:

молекулярный теплообмен,

конвективный теплообмен,

лучистый (радиационный) теплообмен.

Молекулярный теплообмен или теплопроводность, как физическое явление представляет собой перенос тепла беспорядочно движущимися частицами внутри вещества при их столкновении друг с другом. В газах и жидкостях такими частицами являются молекулы и ионы, в кристаллических решетках твердых тел - атомы и электроны Основными характеристиками теплопроводности вещества являются:

- коэффициент теплопроводности, представляющий собой количество тепла, переносимое через единицу поверхности в единицу времени при нагреве на 10, Вт/(мК):

а - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость передачи тепла, м2/с.

Теплопроводность вещества зависит от его исходного состояния (начальная температура, влажность и т.д.), а также от особенностей структуры. Например, структура ряда пищевых продуктов характеризуется пористостью. В порах может находиться влага или пар, количество которых в процессе тепловой обработки может меняться. Это приведет к изменению теплофизических характеристик и, следовательно, самого процесса нагрева.

За количественную характеристику процесса переноса теплоты наиболее удобно принимать удельный тепловой поток q, оценивающий количество теплоты, проходящее через единицу площади продукта, Вт/м2Молекулярный теплообмен описывается законом Фурье

=, (1)

где - изменение температуры в процессе теплообмена;

- изменение координаты в направлении нормали к изо терме;

- толщина продукта, в которой происходит передача тепла;

- разница температур по толщине в процессе теплообмена.

Конвективный теплообмен представляет собой перенос тепла отдельными элементарными объемами сред (жидкостью, паром, газом и др.) на границе их раздела с другими средами или твердыми поверхностями.

Конвективный теплообмен описывается законом теплоотдачи Ньютона

, (2)

где к - коэффициент поверхностной теплоотдачи конвекцией;

t - разница температур между средами.

Коэффициент поверхностной теплоотдачи зависит от свойств граничных поверхностей контактирующих сред, а также от характера теплообмена.

, (3)

где Nu - критерий Нуссельта, зависящий от определяющих критериев условий теплообмена;

- коэффициент теплопроводности конвективной среды;

l - определяющий геометрический размер граничной поверхности конвективного теплообмена.

Конвективный теплообмен может быть свободным и вынужденным.

Теплообмен, протекающий при свободном движении элементарных объемов сред под действием гравитационных сил, называется свободной конвекцией. Он характеризуется определяющими критериями Грасгофа Gr и Прантля Pr. Первый учитывает интенсивность конвективных потоков, возникающих в следствие разностей плотностей и температур конвективных сред, второй - их физические константы (коэффициенты температуропроводности и вязкости). При таком теплообмене более нагретые жидкие или газообразные слои поднимаются вверх, перенося тепло, а менее нагретые опускаются вниз.

Принудительное движение сред под действием внешних сил на границе теплообмена называется вынужденной конвекцией и оценивается при помощи определяющих критериев Прандтля Pr и Рейнольдса Re, учитывающего динамику теплового потока. Теплообмен в условиях вынужденной конвекции протекает более интенсивно. Это объясняется высокими значениями к. Например, коэффициент поверхностной теплоотдачи при свободной конвекции в газах находится в пределах к =530 Вт/м2К, а при вынужденной к = 100500 Вт/м2К.

Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии. Тепловая энергия более нагретого тела превращается в лучевую в виде электромагнитных волн ИК-диапозона, проходит через пространство и попадая на менее нагретую поверхность поглощается, отражается или пропускается ею. Интенсивность нагрева при лучистом теплообмене зависит от оптических свойств нагреваемого тела, которые делятся на отражающие (R), поглощающие (А) и пропускающие (D). Оптические свойства тел характеризуются коэффициентом, называемым степенью черноты . Количество теплоты, передаваемое телу при лучистом теплообмене можно определить, используя закон Стефана-Больцмана

, (4)

где Т1 и Т2 - абсолютные температуры соответственно нагреваемого тела и источника ИК-излучения;

S1 и S2 - площади соответственно нагреваемого тела и поверхности излучения;

1 и 2 - степень черноты соответственно нагреваемого тела и поверхности излучения.

В большинстве случаев, при тепловой обработке продуктов одновременно имеет место не один, а несколько из перечисленных выше способов теплообмена, протекающих с разной интенсивностью. При этом, оборудование должно обеспечивать наиболее благоприятные условия для осуществления тех или иных способов тепловой обработки. Например, при варке определяющим должен быть молекулярный теплообмен, обеспечивающий равномерный прогрев продукта по всему объему. При жарке наоборот, предпочтительными являются конвективный или лучевой теплообмен, обеспечивающие неравномерный и достаточно интенсивный нагрев поверхности продукта. Важную роль при этом играют теплофизические свойства, как самих продуктов, так и других участников теплообмена (стенок варочной или жарочной емкости, нагревательного устройства, пара, жидкости и т.д.).

1.3 Источники теплоты, используемые для тепловой обработки продуктов

Источники теплоты, применяемые в тепловом оборудовании, укрупнено делятся на следующие основные типы:

твердое и жидкое топливо;

газообразное топливо;

электронагреватели.

К твердому топливу относятся уголь, дрова, торф, горючие сланцы. Уголь является высококалорийным видом твердого топлива. Его температура горения в окислительной атмосфере может достигать более 2000 0С. Остальные виды твердого топлива обладают более низкой калорийностью и их температура горения не превышает 10001200 0С.

Твердое топливо является самым дешевым и доступным из всех источников теплоты, но характеризуется рядом серьезных недостатков. К основным из них относятся:

высокая зольность и в связи с этим низкие экологические и санитарные характеристики;

опасность выделения угарного газа при неполном сгорании топлива;

низкий КПД (не более 30%);

сложность регулирования и поддержания заданной температуры тепловой обработки;

высокая пожароопасность и др.

Тепловое оборудование, работающее на жидких продуктах нефтепереработки - мазуте, солярке, керосине и др. - отличается от твердотопливного более высоким КПД, возможностью плавной регулировки тепловложения в продукт, меньшими габаритами и др.

В настоящее время тепловое оборудование, работающее на твердом и жидком топливе, применяется редко, в основном для организации питания в полевых условиях, на железнодорожном и водном транспорте, а также в населенных пунктах, где отсутствует электро и газоснабжение.

К газообразному топливу относятся природные газы. Природными называют газы, заключенные в недрах земной коры. Они состоят в основном из метана (90...98 %) и добываются либо из чисто газовых месторождений, не содержащих нефти, и считаются «сухими», либо из нефтегазовых месторождений.

Газы, сопутствующие нефти в месторождениях и содержащие кроме метана легко конденсирующиеся тяжелые углеводороды, называют «жирными».

Из жирных природных газов получают сжиженные газы отделением тяжелых углеводородов пропана и бутана. Данные газы конденсируются при давлениях более 0,6 МПа (6 атм). Поэтому их хронят и транспортируют к потребителю в специальных цистернах или баллонах. При снижении давления жидкость испаряется и в газообразном состоянии сжигается в горелках.

Сжиженные газы применяют в тех случаях, когда предприятия лишены системы централизованного газоснабжения, а также на передвижных предприятиях общественного питания, работающих в «полевых» условиях. Системы газоснабжения предприятий общественного питания работают при давлениях до 2000 Па (0,2 атм) и относятся к системам низкого давления. Основой системы является газопровод - разветвленный канал из стальных труб, транспортирующий газ от входа в здание к аппаратам.

По сравнению с твердым и жидким топливом природные газы имеют следующие основные преимущества:

большая теплотворная способность (температура горения в окислительной среде может достигать 3000 0С);

высокий КПД (до 70%);

возможность плавного регулирования температурного режима;

низкая тепловая инерционность;

возможность автоматизации работы оборудования;

лучшие санитарно-гигиенические условия работы оборудования;

меньшие габаритные размеры оборудования по сравнению с твердотопливным.

Благодаря перечисленным преимуществам газовое тепловое оборудование в настоящее время распространено достаточно широко. Главными недостатками газообразного топлива являются взрывоопасность и вредное воздействие на здоровье человека в случае утечки газа или его неполного сгорания.

Наибольшее распространение получило тепловое оборудование с электронагревателями различных типов. На его долю приходится более 90% всего теплового оборудования предприятий общественного питания. Это объясняется следующими основными достоинствами:

экологическая чистота,

безопасность и надежность эксплуатации,

простота регулировки и автоматизации работы и др.

Вместе с тем, температура нагрева наиболее распространенных резисторных электронагревателей составляет не более 400500 0С, что значительно ниже температуры горения твердого, жидкого и газообразного топлива. Тепловое оборудование с резисторными электронагревателями характеризуется высокой тепловой инерционностью, в большинстве случаев оно не обеспечивает плавной регулировки тепловложения в продукт. В связи с перечисленным, такое оборудование уступает газовому по производительности и функциональным возможностям. Лучшими характеристиками обладает оборудование с СВЧ и ТВЧ-нагревателями. Однако, оно распространено гораздо меньше прежде всего из-за более высокой стоимости.

1.4 Классификация теплового оборудования

Тепловое оборудование предприятий общественного питания классифицируется по следующим основным признакам:

по технологическому назначению;

по способу обогрева;

по источнику тепла;

по принципу работы;

по конструктивному решению;

по степени автоматизации.

По технологическому назначению различают универсальное и специализированное тепловое оборудование.

К универсальному относят такое оборудование, на котором можно производить все виды тепловой обработки. Наиболее в полной мере этому соответствуют различные виды кухонных плит. Относительно недавно появилась новая группа тепловых шкафов, позволяющих производить многие виды тепловой обработки, в том числе варку на пару, жарку в сухом и влажном паре, тушение, бланширование, выпекание и др. Такие шкафы получили название пароконвектоматов. Условно их также можно отнести к универсальному тепловому оборудованию.

Специализированное оборудование подразделяется на варочное, жарочное, водогрейное и вспомогательное.

К варочному относятся различные виды пищеварочных котлов, пароварочных аппаратов, варочных устройств и т.д.

К жарочному оборудованию относятся сковороды, фритюрницы, жарочные (пекарные) шкафы, различные виды грилей и др.

К водогрейному оборудованию относятся водонагреватели, кипятильники, кофеварки, аппараты для приготовления горячих напитков и др.

К вспомогательному оборудованию относят тепловое оборудование, предназначенное для поддержания температуры готовой продукции при раздаче и реализации готовой продукции: мармиты, тепловые стойки, диспенсоры и т.д.

По способу обогрева тепловое оборудование делится на контактное и поверхностное.

Примером контактного оборудования являются пароварочные аппараты, жарочные и пекарные шкафы, фритюрницы и др., в которых продукт нагревается при непосредственном контакте с теплоносителем - паром, горячим воздухом или жиром. К контактному оборудованию относятся и теплообменники Такое оборудование характеризуется высокой производительностью благодаря тому, что нагрев продукта происходит одновременно и равномерно по всей его поверхности.

Оборудование с поверхностным способом обогрева делится на оборудование с непосредственным и косвенным нагревом.

В оборудовании с непосредственным обогревом передача тепла осуществляется через разделительную стенку. К такому оборудованию относятся сковороды, твердотопливные или газовые пищеварочные котлы с непосредственным обогревом и др. Его основным недостатком является неравномерность нагрева.

В оборудовании с косвенным нагревом теплообмен между источником тепла и продуктом происходит через промежуточные теплоносители - воду, водяной пар, минеральное масло и т.д. Такой способ теплообмена применяется в некоторых типах пищеварочных котлов и сковород, у которых промежуточный теплоноситель находится в замкнутой полости между источником теплоты и рабочей камерой. Это создает более равномерное температурное поле, но имеет большую тепловую инерционность.

По источникам тепла различают огневое, газовое, паровое и электрическое тепловое оборудование.

По принципу работы различают оборудование периодического, непрерывного и комбинированного действия.

По конструктивному исполнению тепловое оборудование делится на несекционное, секционное, немодулированное и модулированное.

Несекционное оборудование характеризуется различной мощностью и размерами, что затрудняет его рациональное размещение в рабочих помещениях, ограничивает возможности механизации и автоматизации технологических процессов.

Секционное оборудование предусматривает изготовление отдельных легко заменяемых и собираемых секций с различной мощностью и технологическими возможностями. Секционное оборудование позволяет применять единый размер - модуль, за который в нашей стране принята единица М =100 мм. Длина и ширина отдельных секций должна быть кратной этой величине. Обычно ширина напольного оборудования составляет 4М, высота 850 мм. Исключение составляют жарочные и пекарные шкафы вертикального исполнения высота которых обычно составляет 1650 мм.

По степени автоматизации различают неавтоматическое, автоматическое и полуавтоматическое тепловое оборудование. При эксплуатации неавтоматического оборудования контроль за его безопасной работой и соблюдением теплового режима производится обслуживающим персоналом. В полуавтоматическом оборудовании безопасность работы обеспечивается автоматически, а тепловой режим вручную. В автоматическом оборудовании и то и другое делается автоматически. В наилучшей степени автоматизации поддается газовое и электрическое тепловое оборудование.

Для теплового оборудования отечественного производства принята буквенно-цифровая индексация.

Первая буква обозначает технологическое назначение оборудования: К котел, П плита, Ф фритюрница, Ш шкаф и т.д.

Вторая буква обозначает один из важнейших признаков классификации: ПС плита секционная, КН кипятильник непрерывного действия, КП котел пищеварочный.

Третья буква означает тип энергоносителя: КПТ котел пищеварочный твердотопливный, КНЭ кипятильник непрерывного действия электрический Модульное оборудование обозначается буквой М в конце буквенной маркировки. Например, АПЭСМ аппарат пароварочный электрический секционный модульный

Цифрами обозначаются основные типоразмеры или технико-экономические характеристики. Например. КПЭ-60 котел пищеварочный электрический вместимостью 60 дм3, КНТ-200 кипятильник непрерывного действия твердотопливный производительностью 200 кг/ч.

Раздел 2. ТИПЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1 Классификация и характеристика основных видов электронагревателей

В зависимости от способа нагрева все электронагреватели теплового оборудования делятся на три основных вида:

электронагреватели непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую;

преобразователи электрической энергии в электромагнитные колебания с промежуточным нагревом (ИК-излучатели);

преобразователи электрической энергии в электромагнитные колебания (СВЧ-генераторы и ТВЧ-индукторы).

Для приготовления пищи на предприятиях общественного питания в основном используется тепловое оборудование с электронагревателями первого вида. ИК и СВЧ оборудование как правило применяются для сушки и разогрева продуктов.

2.1.1 Электронагреватели непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую

Электронагреватели первого вида могут быть жидкостными и металлическими. Принцип их работы основан на прохождении электрического тока через проводник с большим удельным электросопротивлением, что сопровождается выделением определенного количества теплоты. По закону Джоуля-Ленца

, (5)

где Q - количество теплоты. выделяемое в проводнике;

I - величина электрического тока;

U - напряжение;

R - электросопротивление проводника;

t - время прохождения тока.

Жидкостные электронагреватели представляют собой электролит (обычно водный раствор соды) через который пропускают электрический ток. Для этого в раствор электролита погружают стальные или медные пластины-электроды, подключенные к источнику тока. Тепловая мощность электронагревателей зависит от удельного сопротивления электролита, площади омываемых им пластин и расстояния между ними. Несмотря на простоту действия, жидкостные нагреватели не получили широкого распространения на предприятиях общественного питания. Их главным недостатком является нестабильность нагрева в следствии зависимости удельного сопротивления электролита от его концентрации.

Электронагреватели с металлическим сопротивлением (резистивные) по степени герметичности делятся на открытые, закрытые и герметичные. Они нагреваются за счет пропускания электрического тока через проволоку навитую в виде спирали и изготовленную из специального сплава - нихрома, обладающего большим электросопротивлением Наибольшее распространение получили открытые электронагреватели, конфорки и герметичные трубчатые электронагреватели (ТЭНы).

Открытые электронагреватели представляют собой проволочную спираль, электроизолированную от корпуса и других частей оборудования керамическими изоляторами (рис. 2.1).



Рис. 2.1 - Открытый электронагреватель 1 канавки для укладки спирали, 2 клеммы для подключения к электросети, 3 нагревательная спираль, 4 керамическое основание

Диаметр проволоки спирали обычно составляет 0,40,8 мм. Достоинствами таких устройств является простота конструкции, быстрый выход на рабочие режимы и хорошие условия теплопередачи. Температура нагрева спирали может достигать 800 0С. К недостаткам открытых спиралей относятся низкий уровень электроизоляции и недолговечность вследствие окисления кислородом воздуха, Их рабочий ресурс не превышает 1500 часов. В настоящее время открытые электронагреватели в основном оснащают некоторые разновидности электрогрилей (тостеры, ростеры, шаурма и др.). В этом случае они выполняют роль ИК-излучателей.

Конфорки представляют собой закрытые электронагреватели с плоской рабочей поверхностью, на которую устанавливают наплитную посуду. Из-за снижения интенсивности взаимодействия с воздухом рабочий ресурс конфорок в 2…3 раза выше, чем открытых спиралей. Ими оборудуют электроплиты. Температура нагрева конфорок обычно находится в диапазоне 2007000С. Для предприятий питания отечественными производителями выпускаются электорконфорки размерами 417295 мм и площадью 0,12 м2, а также круглые диаметром 280 мм и площадью 0,06 м2.

Конструкция прямоугольной конфорки представлена на рис.2.1.

Рис. 2.2 - Конструкция прямоугольной конфорки: 1 чугунная плита, 2 ребра, 3 нагревательная спираль, 4 нагревательная спираль, 6 стальной лист с прокладкой из алюминиевой фольги, 7 стальной кожух, 8 воздушная прослойка, 9 изоляция из двух слоев фольги и листового асбеста, 10 электроколодка, 11 электроконтакты

ТЭНы являются самым распространенным видом электронагревателей для теплового оборудования предприятий питания, что прежде всего объясняется высоким рабочим ресурсом - свыше 9000 часов. Они имеют трубчатый герметичный металлический корпус внутри которого размещена проволочная нагревательная спираль. Между спиралью и стенками корпуса имеется слой электроизоляции из кварцевого песка или периклаза, обладающих хорошей теплопроводностью для снижения перепада температур между спиралью и поверхностью корпуса. Для токоподвода к спирали используют контактные стержни, к которым крепятся провода от питающей электросети (рис.2.2).

ТЭНы изготовляют различной конфигурации с длиной трубки до 2,5 м и номинальной мощностью в зависимости от рабочей среды соответственно:

воздушные - от 0,2 до 1,2 кВт;

водяные - от 0,3 до 5 кВт,

масляные - от 0,3 до 0,8 кВт.

Рис. 2.3 - Конструкция и внешний вид трубчатых электронагревателей: а) ТЭН в разрезе; б) типы ТЭНов по конфигурации; 1 - трубчатый корпус, 2 - нагревательная спираль, 3 - электроизоляционный слой, 4 - контактный стержень, 5 - штуцер для крепления ТЭНа к корпусу оборудования, 6 - фарфоровый изолятор, 7- термостойкий герметик

2.1.2 Электронагреватели с промежуточным нагревом

К электронагревателям второго вида относят ИК-излучатели. В принципе, источником ИК-излучения является любое тело, имеющее температуру поверхности выше абсолютного ноля. В связи с этим, главное отличие электронагревателей первого и второго вида заключается в том, что нагрев при использовании конфорок и ТЭНов происходит в основном за счет конвекции, а при использовании ИК-генераторов - за счет радиации или лучистого теплообмена.

Тепловая обработка с использованием ИК-излучателей основана на способности продуктов поглощать лучистую тепловую энергию. В соответствии с законом Стефана-Больцмана количество теплоты Q, передаваемое посредством излучения от более нагретого тела к менее нагретому, может быть определено по уравнению

, (6)

где 1 и 2 - степень черноты обменивающихся лучистым теплом тел;

с0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;

F - поверхность излучения;

- время нагрева;

Т1 и Т2 - соответственно температура более и менее нагретого тела

- средний угловой коэффициент, который зависит от геометрической формы и взаимного расположения в пространстве участвующих в теплообмене поверхностей.

Пищевые продукты, как объекты инфракрасного нагрева характеризуются терморадиационными (А - поглощательные, R - радиационные и D -пропускными) и оптическими (a - коэффициент поглощения, s - коэффициент рассеивания и k - коэффициент суммарного ослабления) свойствами. Кроме того, они способны по разному пропускать, отражать и рассеивать лучистую энергию в зависимости от длины волны. Чем больше длина волны, тем ниже температура поверхности излучения нагревателя и меньше глубина проникновения тепловых волн в нагреваемый продукт и наоборот - с уменьшением длины волны температура нагрева и глубина проникновения повышается. Для большинства продуктов глубина проникновения инфракрасного излучения невелика. В результате этого основной нагрев происходит в поверхностном слое, что приводит к образованию характерной поджаристой корочки и моделирует процесс жарки. Длинноволновые ИК-излучатели используют в мармитах для поддержания температуры готового продукта в процессе реализации.

К электронагревателям с промежуточным нагревом используемым в тепловом оборудовании относят такие, основной спектр излучения которых состоит из электромагнитных тепловых волн длиной max= 0,77-8 мкм. По современной классификации в зависимости от длины волны ИК-излучатели делятся на светлые и темные.

К светлым относят ИК-излучатели, 90% тепловых волн которых имеют длину в диапазоне max= 0,77-4 мкм. Такой диапазон входит в спектр видимого излучения и рабочие поверхности излучателей характеризуются свечением от темно-малинового до ярко-красного цвета, а их температура может составлять от 500 до 25000С. Основу конструкции электрических ИК-нагревателей, как и нагревателей первого вида, представляет проволочная спираль. Отличие ИК-излучателей заключается в наличии дополнительных конструктивных элементов и приемов, повышающих плотность и интенсивность теплового потока. Для этого используют прозрачные корпуса и различные типы отражателей теплового потока. Наибольшее распространение среди светлых ИК-излучателей в тепловом оборудовании получили:

Биспираль на керамической трубке, состоящая из крепежного отверстия 1, керамической трубки 2, нихромовой спирали 3 и контактных пластин 4 (рис 2.4,а). В процессе работы керамическая трубка нагревается и становится дополнительным источником ИК-излучения, повышая интенсивность и равномерность теплового потока. Открытая нихромовая спираль имеет температуру 1000-12000С. Главный недостаток - низкий рабочий ресурс (не более 3000 часов) в следствии окисления воздухом;

Кварцевые инфракрасные излучатели с йодным наполнителем типа КИ и КИО (рис 2.4, б и в) являются самыми надежными и эффективными электрическими ИК-излучателями. В герметичной кварцевой трубке создается вакуум, что позволяет использовать высокотемпературную вольфрамовую спираль. Кварцевое стекло обладает низким коэффициентом преломления света, что повышает концентрацию теплового потока. Этому способствует и пары йода, которыми заполняется полость трубки. Кварцевые ИК-излучатели состоят из ввода 1, цоколя 2, фольгового звена 3, молибденового ввода 4, герметичной кварцевой трубки 5, спирали из вольфрамовой проволоки 6 и вольфрамовой поддержки 7. Температура нагрева вольфрамового излучателя достигает более 2500 0С;

Сушильная лампа ИКЗ, состоящая из цоколя 1, внутреннего покрытия 2, нихромовой или вольфрамовой спирали 3, стеклянной колбы 4 (рис 2.4, г). Обычно применяется в аппаратах для сушки продуктов;

Закрытый кварцевый генератор с хромоникелевой спиралью, состоящий из вывода 1, керамического изолятора 2, спирали 3 и кварцевой трубки 4 (рис 2.4, д). Имеет более высокий рабочий ресурс по сравнению с биспиралью на керамической трубке.

Рис. 2.4 - Конструкция основных типов ИК-генераторов

Достаточно широко в качестве светлых ИК-излучателей используются и открытые проволочные спирали (см. п.2.1.1).

К темным ИК-излучателям относят такие, 90% тепловых волн которых имеют длину max более 4 мкм. Чаще всего в качестве таких нагревателей используют обычные ТЭНы с температурой нагрева до 500 0С.

2.1.3 СВЧ- генераторы

СВЧ-гененраторы относмятся к электронагревателям 3 вида, в которых преобразование электрической энергии в электромагнитные колебания происходит без промежуточного нагрева.

Нагрев пищевых продуктов в СВЧ-поле является сложным процессом. Его основу составляют поляризационные явления, возникающие под действием внешнего электромагнитного поля, в которое помещен продукт, как диэлектрик. Дипольные молекулы и атомы, образовавшиеся в результате поляризации, под действием высокочастотного переменного электромагнитного поля начинают интенсивно перемещаться, совершая колебательные и вращательные движения. В результате механических сил трения, возникающих между молекулами при их перемещении под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, энергия, затраченная на поляризацию, по всему объему продукта превращается в теплоту. Такой нагрев практически не зависит от теплопроводящих свойств продукта, что обеспечивает высокую скорость и равномерность. Количество теплоты p, выделяемое в единице объема продукта за единицу времени при воздействии на него СВЧ-поля можно определить, как

, (7)

где - относительная диэлектрическая проницаемость материала;

- частота колебаний поля;

Е - напряженность поля;

- угол диэлектрических потерь.

Диэлектрические свойства материалов зависят от их природы, влажности, температуры и частоты колебаний поля. Так, для таких упаковочных материалов, как полиэтилен и второпласт = 2-2,2, а для большинства пищевых продуктов = 30-60. Поэтому при нагреве продуктов в СВЧ-поле упаковочные материалы и воздух не нагреваются. Повышение влажности продукта приводит к увеличению его диэлектрической проницаемости, так как относительная диэлектрическая проницаемость воды составляет 80. С ростом частоты колебания СВЧ-поля снижается глубина его проникновения в глубь продукта. В связи с этим возникает необходимость подбора определенной толщины продукта, чтобы избежать перегрева его отдельных слоев.

Главным достоинствами СВЧ-нагрева является относительно равномерный нагрев продукта по всему объему, что ускоряет тепловую обработку по сравнению с традиционными методами в 6 и более раз. Равномерность нагрева позволяет условно относить такой способ тепловой обработки к варке. Его широко используют для быстрой разморозки небольших объемов продуктов. Это же является и главным недостатком способа, так как он не позволяет получить поджаристой корочки на поверхности продукта, характерной для жарки. Поэтому СВЧ-нагрев рекомендуется применять в комбинации с ИК и другими традиционными способами нагрева.

Рис. 2.5 - Схема конструкции магнетрона

Устройство для создания СВЧ-поля в тепловом оборудовании называется магнетроном (рис.2.5). Принцип его действия упрощенно можно представить следующим образом. Между катодом 1 и анодом 2 при подаче напряжения в

3-4 кВ создается электрическое поле под действием которого электроны движутся от катода к аноду по кратчайшему расстоянию. Вдоль оси магнетрона проходят силовые линии мощного магнитного поля, создаваемого внешними постоянными магнитами 3, которые изменяют траекторию движения электронов и заставляют их совершать вращательное движение в зазоре между катодом и анодом, образуя электродное облако 4. Электроны, проходя вблизи щелевых зазоров резонаторов 5, меняют направление движения, создавая в проволочных перемычках 6 сверхвысокочастотное электромагнитное поле, которое с помощью волновода 7 генерируется в пространство рабочей камеры микроволновой печи и нагревает продукт.

2.1.4 ТВЧ-генераторы

ТВЧ-генераторы также относятся к электронагревателям 3 вида. Принцип нагрева ТВЧ-генераторами основан на том, что в металлах, помещенных в высокочастотное электромагнитное поле, возникают вихревые индукционные токи. Это приводит к быстрому нагреву металлов в следствии их электросопротивления. Особенностью индукционного нагрева является то, что тепловая энергия Q экспотенциально уменьшается в зависимости от глубины проникновения электромагнитного поля по уравнению (7). Поэтому при ТВЧ-нагреве быстрому нагреву подвергаются только поверхностные слои.

, (8)

где Н0 - напряженность магнитного поля на поверхности металла.;

z - координата толщины металла;

- глубина проникновения электромагнитного поля;

- коэффициент излучения.

Рис. 2.6 - Структурная схема ТВЧ-нагрева

Структурная схема использования ТВЧ-нагрева представлена на рис. 2.5. Установка состоит из выпрямителя 1, который подключен к сети переменного тока, высокочастотного преобразователя 2, блока управления 3, индуктора 4 и диэлектрической конфорки 5 на которую устанавливается наплитная посуда 6.

Индукционные конфорки обладают рядом существенных преимуществ, по сравнению с резистивными:

- высокая надежность (ресурс исчисляется десятками тысяч часов);

- низкая тепловая инерционность (дно наплитной посуды нагревается одновременно с включением конфорки);

- высокий к.п.д. и низкий расход электроэнергии;

- рабочая поверхность конфорки сильно не нагревается, что исключает вероятность ожогов, имеющих место при работе с обычными конфорками;

- возможность полной автоматизации работы оборудования с ТВЧ-нагревом.

2.2 Способы подключения электронагревателей

При работе теплового электрооборудования с целью обеспечения заданных режимов тепловой обработки продуктов необходимо производить регулировку мощности электронагревателей. Исходя из того, что мощность электронагревателей ее регулировку обычно производят путем изменения общего сопротивления электронагревателя R, так как регулировка напряжения связана с увеличением габаритов и стоимости оборудования.

В электрооборудовании, предназначенном для работы от однофазной электрической сети напряжением 220 В, используют электронагреватели, состоящие из двух секций проводников с одинаковым сопротивлением R0. Регулировку мощности производят путем различного соединения этих секций (рис.2.6):

- для сильного нагрева - параллельно ();

- для среднего нагрева включают только одну секцию (R=R0);

- для слабого нагрева секции включают последовательно (R=2R0).

Тогда тепловая мощность Р электронагревателя при различных способах подключений секций проводников будет соответствовать

сильный нагрев - , (9)

средний нагрев - , (10)

слабый нагрев - , (11)

Рис. 2.7 - Схема регулировки мощности конфорок, включенных в однофазную сеть напряжением 220 В

Соотношение мощностей электронагревателей такого типа при различных способах подключения соответствует

Рсил. Рср. Рслаб. = 4 2 1, (12)

В оборудовании, предназначенном для подключения к 3х фазной электросети, используют электронагреватели с тремя секциями сопротивлений. Тепловая мощность электронагревателей в этом случае определяется, как

Р=3Рф=3UфIфcos ф, (13)

где Рф, Uф, и Iф - соответственно межфазные мощность, напряжение, ток и угол смещения.

Различают два способа подключения к 3х фазной сети - "треугольником" и "звездой" (рис.1.6 и 1.7). Соотношения между фазными и линейными параметрами электрической сети для каждого из способов подключения соответствуют

для "звезды": ; , (14)

для "треугольника": ; ,

Тогда:

при соединении "звездой" -, (15)

при соединении "треугольником"-, (16)

Таким образом, соотношение тепловой мощностью при соединении "треугольником " и "звездой" будет равным

Р Р = 3 1, (17)

Более удобно для регулировки тепловой мощности электронагревателей при подключении к 3х фазной сети использовать какой-то один способ подключения. Так, при подключении 3 секций электронагревателей к 3х фазной сети с напряжением 220 В обычно используют способ "треугольника" (рис. 2.8), а с напряжением 380 В - "звездой" (рис.2.8) фазной сети переменного тока напряжением 220 В.

Рис. 2.8 - Схема соединения треугольником

Рис. 2.9 - Схема соединения звездой в 3 х фазной сети переменного тока напряжением 380 В

При наличии 6 электронагревателей подключение к 3х фазной сети переменного тока с напряжением 220 В можно производить по схеме, представленной на рис. 2.9. Соотношение между тепловой мощностью при сильном и слабом нагреве во всех указанных способах составит 6 1. Возможны и другие варианты регулировки мощности электронагревателей

Рис. 2.10 - Схема соединения звездой в 3 х фазной сети переменного тока напряжением 380 В

2.3 Газовые горелки

В последнее время все большее распространение получило газовое оборудование. Газ главный альтернативный по отношению к электрической энергии энергоноситель. Основное преимущество газообразного топлива перед электричеством малая инерционность нагрева, возможность плавного регулирования нагрева, относительная дешевизна вырабатываемой теплоты. Единица теплоты, полученной в результате горения газа на сегодняшний день более чем в 6 раз дешевле, чем при использовании электрической энергии.

Устройства, обеспечивающие сжигание газа в целях получения теплоты, называют газовыми горелками. На предприятиях питания и торговли применяют в основном инжекционные горелки. В этих устройствах предварительно перемешиваются газ и необходимый для горения воздух. Воздух подается в специальный смеситель за счет кинетической энергии мощной высокоскоростной струи газа, вытекающего через специальное отверстие малого сечения («сопло»). В состав горючей смеси входит 3070% воздуха, необходимого для полного сжигания. Сгорание в этом случае происходит в виде факела (рис. 2.10), выходящего из сопла горелки 1 и состоящего из двух зон. Во внутреннем конусе 2 (светлом и прозрачном) сгорание происходит за счет кислорода воздуха подготовленной горючей смеси (первичный воздух), а во внешнем конусе 3 - за счет дополнительного воздуха (вторичный воздух), поступающего из вне через поверхность факела.

Рис. 2.11 - Структура факела инжекционной газовой горелки

Инжекционные газовые горелки устроены следующим образом (рис.2.11); газ по трубопроводу 1 из газовой магистрали поступает в смеситель 2. В смесителе газ смешивается с кислородом воздуха, образуя горючую смесь, и поступает в насадку 3, которая равномерно распределяет смесь по множеству огневых отверстий 4. Форма огневых отверстий насадок может быть разнообразной. В зависимости от этого они делятся на кольцевые, трубчатые, щелевые и т.д.).

Факел бывает устойчивым только в определенном диапазоне давлений газа перед горелкой, который регулируется специальным пробковым краном. Если давление очень высокое, то горение становится шумным, факел пульсирует относительно огневого канала и может погаснуть. Это явление называют «отрывом» факела. При малых давлениях газа факел может проникнуть внутрь горелки - наступает «проскок» пламени. В пределах от проскока до отрыва пламени сгорание газа происходит устойчиво и качественно. В отдельных случаях, имеет место неполное сгорание, характеризующееся высоким коптящим факелом или отрывом пламени. В этом случае следует отрегулировать положение регулятора первичного воздуха 6 и добиться устойчивого горения прозрачного голубого факела.

Тепловая мощность (Вт) газовых горелок определяется по формуле

, (18)

где Bг - объемный расход газа, м3/с;

Qнр - низшая рабочая теплота сгорания газа, Дж/м3.

Теплотой сгорания называют количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1м3 горючего газа, если он поступает в горелку при нормальных условиях (атмосферном давлении 760 мм рт.ст. и температуре 0°С).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.12 - Схема инжекционных газовых горелок: а) конфорочная горелка, б) трубчатая конфорка

Расход газа можно плавно регулировать ручкой 5 газового запорно-peгулировочного крана. Диапазон регулирования от «проскока» до «отрыва» факела горелки называют пределом тепловой мощности. Некоторые газовые грили и плиты оснащаются инфракрасными горелками. Инфракрасные (ИК) газовые горелки (рис. 2.13) называют беспламенными или, что более правильно, микрофакельными. Они обеспечивают высококачественное сжигание газа вследствие инжекции всего воздуха, необходимого для горения. Газ сгорает в огневых отверстиях малого диаметра 0,81,5 мм. При этом факел состоит лишь из внутреннего конуса; он прозрачен и практически не виден. Теплота нагреваемым предметам передается ИК-излучением от керамических насадок 2 или плиток 3, внутри которых расположены огневые каналы. Температура нагрева керамических плиток может достигать 8501000 0С. Регулирование мощности микрофакельных (ИК) горелок можно только в дискретном режиме «Включено» «Выключено», что снижает другие их положительные качества.

Рис. 2.13 - Инжекционные горелки инфракрасного излучения: а) - принципиальная схема устройства; б) - открытая ИК-горелка из 6 плиток, 1 - рефлектор, 2 - керамическая насадка, 3 - керамическая плитка для насадки безпламенной горелки

Раздел 3. ВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Пищеварочные котлы

Пищеварочные котлы предназначены для приготовления первых блюд, каш, варки овощей, кипячения молока и т.д. в технологических жидкостях (вода, молоко, бульон), являющихся компонентами кулинарной продукции. Независимо от способа действия варочного аппарата, процесс варки основан на проходящих под действием теплоты и влаги физико-химических превращениях веществ, входящих в продукт. Кроме того, при варке бульонов имеют место процессы экстрагирования (извлечения) питательных веществ из твердой фазы в жидкую.

Различают два основных режима варки в жидкостях при атмосферном давлении:

Режим 1 - доведение содержимого варочного сосуда до кипения на полной мощности, а затем автоматическое переключение на пониженную мощность (1/6 часть) для продолжения варки процессом «тихого кипения». Этот режим используется при варке супов, борщей и других первых блюд;

Режим 2 - доведение содержимого варочного сосуда до кипения при максимальной мощности и полное отключение нагревателей. Доваривание происходит за счет аккумулированной теплоты продуктов без расхода энергии. Этот режим используется для варки каш, кипячения молока и варки напитков.

Нагрев осуществляется от кипящей жидкости внутрь продукта за счет его теплопроводности и зависит от теплофизических характеристик конвективной среды и самих продуктов. Так как большинство продуктов имеет низкий коэффициент теплопроводности, то с целью повышения производительности и уменьшения энергозатрат перед варкой продукты желательно измельчать.

Основные технологические требования, предъявляемые к пищеварочным котлам, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением питательных веществ при минимальных затратах времени и потребляемой энергии, снижении трудозатрат обслуживающего персонала и обеспечении безопасной работы.

Рис. 3.1 - Внешний вид пищеварочных котлов: а) модулированный неопрокидывающийся котел, б) опрокидывающийся немодулированный котел КПЭ-60

В настоящее время на предприятиях общественного питания эксплуатируются пищеварочные котлы различных типов, отличающиеся способом обогрева, вместимостью, способом установки, видом энергоносителя и некоторыми другими признаками. На рис.3.1. представлен внешний вид некоторых моделей современных пищеварочных котлов.

В зависимости от способа обогрева различают пищеварочные котлы с косвенным и непосредственным обогревом. Несмотря на простоту устройства, пищеварочные котлы с непосредственным обогревом в настоящее время практически не применяются. Это связано с такими их недостатками, как низкий КПД, сложность регулировки теплового режима, пригоранием продукта и др. Нагрев продуктов в котлах с косвенным обогревом происходит с помощью пароводяной рубашки, которая обеспечивает более равномерный подвод тепла к стенкам варочной емкости, что снижает вероятность пригорания продукта и повышает производительность

По способу установки различают котлы опрокидывающиеся, неопрокидывающиеся и со съемной варочной емкостью. Опрокидывающиеся котлы имеют объем варочной емкости не более 60 дм3 и оборудованы устройством для поворота варочной емкости относительно горизонтальной оси вращения. Это делает их более удобными при выгрузке готовой продукции и санитарном обслуживании.

По вместимости на предприятиях питания в настоящее время используются котлы емкостью от 40 до 250 дм3. В линейный ряд отечественных производителей входят котлы емкостью 40, 60, 100, 160 и 250 м3.

В зависимости от давления в варочном сосуде различают пищеварочные котлы, работающие при атмосферном давлении, и автоклавы, работающие при повышенном давлении (автоклавы).

По геометрическим параметрам пищеварочные котлы классифицируются на немодулированные, модулированные и котлы под функциональные емкости. Большинство производителей технологического оборудования для предприятий питания практически полностью перешли на выпуск модулированных пищеварочных котлов, входящих в состав тепловых линий. Модулированные и немодулированные котлы имеют цилиндрическую форму варочной емкости, а котлы под функциональную емкость - прямоугольную.

По типу энергоносителя основная масса пищеварочных котлов относятся к электрическим. Реже применяют газовые котлы. Котлы, работающие на твердом топливе, в настоящее время применяются крайне редко.

Пищеварочные котлы, выпускаемые отечественными производителями, маркируются следующим образом:

у немодулированных котлов после букв КП указывается вид теплоносителя, а затем вместимость в дм3 ;

у секционных модулированных котлов к буквенным индексам добавляется индекс М;

пищеварочные котлы под функциональную емкость имеют буквенный индекс, состоящий из буквы к и буквы с указанием вида энергоносителя.

Например, маркировка КПЭМ-60 означает; котел пищеварочный, модулированный, объем варочной емкости 60 дм3.

Устройство со съемным варочным сосудом маркируется, как УЭВ-40;

Автоклавы обозначаются буквой А АЭ-60.

3.1.1 Устройство и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие пищеварочных котлов, все они имеют схожую конструкцию и принцип действия. Их устройство рассмотрим на примере обобщенной схемы электрического пищеварочного котла (рис. 3.2).

Рис. 3.2 - Схема электрического пищеварочного котла

Котел представляет собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрического варочного сосуда 1, пароводяной рубашки 2 в нижней части которой находится парогенератор 3, внешнего ограждения 4, слоя теплоизоляции 5 и крышки 6. В зависимости от емкости котла и его назначения крышки могут быть герметичными и негерметичными. Герметичными крышками оснащаются котлы с объемом варочной емкости от 160 дм3 и выше, а также в автоклавы, работающие при избыточном давлении в варочной емкости. Такие крышки имеют более прочную конструкцию и плотно прижимаются к варочной емкости с помощью резиновых прокладок и специального крепления. Кроме того, Они оснащены клапаном-турбинкой для поддержания оптимального давления при варке за счет удаления излишков пара из варочной емкости. В настоящее время на предприятиях питания в основном используют котлы с негерметичными крышками.

В парогенераторе находятся ТЭНы 7 количеством от 3 до 9 в зависимости от емкости и мощности котла. Перед началом работы через заливочную воронку 8 производят заполнение парогенератора кипяченой или дистиллированной водой. Для контроля за уровнем воды в парогенераторе имеется кран уровня 9 и датчик защиты от «сухого хода» 10..В парогенераторе образуется пар, который поступает в пароводяную рубашку. Соприкасаясь с холодными стенками варочного сосуда он конденсирует, отдавая тепло и превращаясь в воду вновь стекает в парогенератор. Датчик «сухого хода» и корпус парогенератора включены в электрическ ую цепь. При оголении тэнов электрическая цепь между датчиком и корпусом прерывается, что является сигналом для автоматического отключения тэнов и включения сигнальной лампочки на панели приборов.