Процессы и аппараты в колбасном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессы и аппараты в колбасном производстве

Введение

Мясная промышленность является одной из крупнейших отраслей пищевой промышленности, она призвана обеспечивать население страны пищевыми продуктами, являющимися основным источником белков. Мясные товары являются агропродовольственными продуктами животного происхождения. Известно, что для нормальной жизнедеятельности организма человека в питании его должны содержаться наборы незаменимых аминокислот, большую часть которых поставляют мясные продукты.

Для увеличения выпуска мяса и мясопродуктов ежегодно реконструируются и вводятся мясоперерабатывающие предприятия. Постоянно происходит техническое перевооружение и оснащение предприятий мясной отрасли АПК страны современным технологическим оборудованием, новейшей техникой, комплексно механизируются и автоматизируются производства. Все больше используется вычислительная техника. Проводится большая работа по повышению качества, улучшению и обогащению ассортимента мясных продуктов. Производство качественных мясных продуктов - это комплексная задача. Ее решение зависит от совершенствования комплексной и безотходной технологий переработки сельскохозяйственного сырья, дальнейшей автоматизации и механизации сельского хозяйства и перерабатывающих отраслей, снижение сырьевых, энергетических и трудовых затрат. Анализ питания различных групп населения РФ, проводимый Институтом питания АМН РФ, свидетельствует, что в настоящее время потребление пищевых продуктов не только полностью обеспечивает, но у значительной части населения превышает энергетические потребности. В то же время потребности в белках, в первую очередь в животного происхождения, удовлетворяется лишь на 80%. У значительной части населения отмечается чрезмерное потребление жиров и углеводов, недостаток витаминов и минеральных веществ.

Производство мясных продуктов требует комплексного рационального использования сырья, важным фактором которого является сохранение исходного качества продуктов в процессе переработки. При переработке убойных животных, птицы создаются значительные ресурсы побочного сырья, которые еще недостаточно полно используются на пищевые цели, в том числе и для выработки колбасных изделий. Усиливает пищевую ценность колбасных изделий и использование растительных белков. Конечно, решение этих задач является возможным на современном производстве, способом комплексного использования имеющихся ресурсов. Но совершенствование технологии производства мясных продуктов, расширение ассортимента колбасных изделий способствует более полному удовлетворению потребностей населения. Колбасные изделия, как правило, обладают более высокой питательной ценностью, чем исходное мясное сырье, так как в процессе производства из него удаляются наименее ценные в питательном отношении составные части. Измельчение мяса, добавление в фарш пряностей, специй, других вкусовых и ароматических добавок формирует органолептическую ценность колбасных изделий, повышает их усвояемость.

В настоящее время важным направлением в совершенствовании ассортимента колбасных изделий является выработка их с увеличенным сроком хранения, в удобной расфасовке и упаковке, выработка изделий с наполнителем из растительного сырья.

Колбасные изделия включают различные виды колбас, сарделек, сосисок, шпикачек, мясных деликатесов, ветчины, паштетов и др. По частоте и количеству потребляемых людьми мясных продуктов, судят о благосостоянии населения и здоровье нации

Они занимают четвертую позицию в шкале продуктов, которые пользуются постоянным спросом, уступая только молочным продуктам, фруктам и овощам и хлебобулочным изделиям. В течение последних пяти лет российский рынок колбас активно развивается. Данный сегмент насчитывает около 5000 предприятий, больше половины которых - это небольшие производства (количество персонала не более 300 человек). Стоит отметить, что около одной третьей всех занятых в этом сегменте компаний работают на рынке не более 5 лет, что говорит о постоянно увеличивающемся спросе на колбасные изделия. В общей емкости рынка колбасных изделий на долю колбас приходится около 33%, на долю сосисок - 30%, на долю ветчин - 17%, остальную долю занимают мясные деликатесы. Основной объем российского рынка обеспечивают отечественные производители - более 97% всей продукции. При этом иногда предприятия-производители осуществляет прямые продажи колбасных изделий через свои торговые точки либо непосредственно по розничным точкам.

1. Технология производства продукции

1.1 Требования к сырью и вспомогательным материалам

Для выработки колбасных и соленых изделий используют сырье от здоровых животных без признаков микробиальной порчи и прогоркания жира. Загрязнения, побитости, кровоподтеки, клейма должны быть удалены. Туши без запаха в глубине, но с поверхностным ослизнением, плесенью и побитостями зачищают и промывают горячей (50°С) и холодной водой. Шпик должен быть белого цвета с нормальным запахом, без загрязнений. Температура шпика, предназначенного для измельчения, не должна превышать -1°С, в противном случае он будет деформироваться при измельчении.

Для изготовления вареных колбас применяют говядину и свинину в парном, охлажденном и размороженном состоянии, для производства колбас других видов - в охлажденном и размороженном состоянии. Замороженные блоки можно направлять на приготовление фарша без предварительного размораживания. При производстве колбасных изделии используют соевые белки, казеинат натрия, молочно-белковый копреципитат, плазму крови. Для производства всех видов продуктов из свинины применяют охлажденное до 4°С сырье, полученное от свиных полутуш беконной, мясной и жирной упитанности (после удаления шкуры и излишков шпика). К использованию не допускается мясо хряков и свинина с наличием шпика мажущейся консистенции. Изделия из говядины изготовляют из туш I и II категории упитанности в охлажденном или размороженном состоянии. Для выработки продуктов из баранины используют туши I категории упитанности в охлажденном состоянии.

Сырье, направленное на производство соленокопченых изделий, подвергают ветеринарно-санитарной экспертизе. При необходимости сырье дополнительно зачищают. При этом с наружных и внутренних сторон туш и полутуш удаляют возможные загрязнения, кровоизлияния, остатки волос, щетины и диафрагмы, бахрому. Для посола используют пищевую соль не ниже I сорта без механических примесей и постороннего запаха, сахар-песок белого цвета без комков и примесей, нитрит натрия с содержанием нитрита (в пересчете на сухое вещество) не менее 96%.Специи и пряности должны иметь присущие им специфические аромат и вкус и не содержать посторонних примесей.

Кишечные оболочки, применяемые в колбасном производстве, должны быть хорошо очищены от содержимого, без запаха разложения и патологических изменений. Искусственные оболочки должны быть стандартных размеров (диаметр, толщина), достаточно прочными, плотными, эластичными, влага и газопроницаемыми (для копченых колбас), обладать хорошей адгезией, устойчивыми к действию микроорганизмов и хорошо храниться при комнатной температуре. Для каждого вида и сорта колбас используют оболочку определенного вида и калибра.

1.2 Технологическая схема производства вареных колбас

Технологическая схема производства колбасных изделий включает следующие процессы:

- подготовку сырья, измельчение и посол мяса, приготовление фарша, формование батонов, термическую обработку, упаковывание, маркирование, транспортирование и хранение.

Подготовка сырья включает размораживание (при использовании замороженного мяса), разделку, обвалку и жиловку. Размораживание осуществляют в воздухе с использованием паровоздушной смеси тремя способами:

медленный - температура воздуха 0-3°С до 8°С, скорость его движения 0,2 -

0,3 м/сек, продолжительность размораживания 3-5 суток;

ускоренный - температура воздуха 16-20°С, влажность до - 95%,

скорость воздуха 0,2 - 0,5 м/сек, продолжительность размораживания 24-30 часов;

быстрый - в паровоздушной смеси при температуре 20-25°С, влажность 85-90%, скорость движения воздуха 1-2 м/сек, продолжительность размораживания - 12-16 часов.

Разделка - это операция по расчленению туш или полутуш на более мелкие отрубы. Мясные туши разделывают на отрубы в соответствии со стандартными схемами. При специализированной разделке в колбасном производстве всю полутушу используют на выработку колбас. Обвалка - это отделение мышечной, жировой и соединительной тканей от костей. На обвалку поступает мясо, охлажденное или размороженное, с температурой в толще мышц 1 - + 4°С; парное с t не ниже 30°С, остывшее t не выше 12 °С. При использовании парного мяса промежуток времени между убоем животного и составлением фарша не должен превышать 4 часа. Жиловка мяса - это удаление из обваленного мяса жира, сухожилий, хрящей, соединительно-тканных пленок, крупных кровеносных сосудов, а также кровяных сгустков и мелких косточек и разделение мяса по сортам в зависимости от содержания жировой и соединительной тканей.



Рисунок 2.2.1. Технологическая схема производства вареных колбас.

1.3 Характеристика комплексов оборудования

Линия начинается с комплекса оборудования для предварительного измельчения мясного сырья, в состав которой входят волчки-жиловщики, блокорезки, блокорезка-измельчитель и напольные тележки. В состав линии входят комплекс оборудования для посола мяса, состоящий из смесителя, агрегата для измельчения и посола мяса, а также комплекса оборудования для посола и созревания мяса. Комплекс оборудования для созревания мяса представляет собой камеру, состоящую из стационарных стеллажей и напольных тележек. Ведущим является комплекс оборудования для тонкого измельчения и приготовления фарша, в состав которого входят волчок, куттер, смеситель-измельчитель, мешалка-измельчитель, куттер-мешалка и фаршеприготовительный агрегат. Комплекс оборудования для шприцевания фарша в оболочку состоит из шприца, конвейера для вязки колбас, клипсатора, колбасного агрегата и колбасных рам. Завершающий комплекс состоит из термоагрегата непрерывного действия или термокамеры периодического действия.

Машинно-аппаратурная схема линии производства вареных колбас представлена на рисунке 2.3.1

Рисунок 2.3.1 Машинно-аппаратурная схема линии производства вареных колбас

Устройство и принцип действия линии

После разделки и обвалки мясо направляют на жиловку: отделение соединительной ткани, кровеносных и лимфатических сосудов, хрящей, мелких косточек и загрязнений. Жилованное мясо на предприятиях малой мощности измельчают в волчке 7 и с помощью напольных тележек 2 транспортируют к смесителю 3, в которых производят посол. Посоленное мясо выгружают из смесителя 3 в напольную тележку и транспортируют в камеру созревания 4. На предприятиях средней и большой мощности измельчение и посол мяса осуществляют с помощью посолочного агрегата 5 или комплекса оборудования для посола мяса 6. В первом агрегате измельченное мясо самотеком попадает в смеситель, а во втором -- фаршевым насосом перекачивается по трубопроводу от волчка в весовой бункер смесителя. Посолочные вещества подают автоматические дозаторы в количестве, пропорциональном массе измельченного мяса в деже смесителя. После перемешивания и выгрузки сырье в тележках направляют в камеру созревания 4. При использовании чашечного куттера 7 для тонкого измельчения и приготовления фарша к шприцующей машине 8 фарш транспортируют в напольных тележках, которые с помощью подъемника разгружаются в приемный бункер шприца. В этом случае формование колбасных батонов производят вручную в отрезную оболочку с одним заделанным концом с последующей ручной вязкой батонов шпагатом на конвейерном столе 9 и разгрузкой их в колбасные рамы 10. Для приготовления вареных колбас с более высокой степенью механизации применяют комбинированные машины для приготовления фарша и автоматы для формования колбасных изделий. Смеситель-измельчитель предназначен для смешивания выдержанного в посоле измельченного мяса с рецептурными ингредиентами и последующим его тонким измельчением. Формование вареных колбас с изготовлением оболочки из рулонного материала осуществляют на колбасном агрегате 13. После вязки или наложения петли батоны навешивают на палки, которые затем размещают на рамы 10 и направляют в термокамеру 14 для термической обработки (осадки, обжарки, варки и охлаждения).

1.4 Требования к готовой продукции

В соответствии со стандартом к готовой продукции предъявляются следующие требования:

· поверхность батонов колбасных изделий должна быть чистой, сухой, без повреждений, пятен, слипов, стеков жира или бульона под оболочкой, наплывов фарша над оболочкой, плесени и слизи.

· На оболочке сырокопченых колбас допускается белый сухой налет плесени, не проникшей через оболочку в колбасный фарш.

· Оболочка должна плотно прилегать к фаршу, за исключением целлофановой.

· Вареные и полукопченые колбасы должны иметь упругую, плотную, некрошливую консистенцию. Консистенция мышц соленокопченых изделий упругая или плотная (сырокопченые окорока).

· На разрезе продукта фарш монолитный, кусочки шпика или грудинки равномерно распределены, имеют определенную форму и размеры (в зависимости от рецептуры). Края шпика неоплавлены, цвет белый с розовым оттенком без желтизны, допускается наличие единичных пожелтевших кусочков шпика в соответствии с техническими условиями на каждый вид колбасы. Цвет продуктов на разрезе равномерный, розовый или красный, без серых пятен.

· Колбасные изделия должны иметь приятный запах с ароматом пряностей, без признаков затхлости, кисловатости.

· Вкус в меру соленый у вареных колбас, у полукопченых и копченых колбас -- солоноватый, острый, с выраженным ароматом копчения. Вкус соленокопченых изделий в меру соленый для вареных продуктов, солоноватый -- для сырокопченых. Запах вареных изделий приятный, копченых -- с выраженным ароматом копчения. Колбасы и солено-копченые изделия не должны иметь постороннего привкуса и запаха.

· Мясопродукты должны содержать определенные количества соли, влаги, крахмала, нитрита в соответствии со стандартом.

2. Механизм протекания процесса

Теплообмен -- самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым. Теплота (количество теплоты) -- энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена. К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными. Теплопередача -- теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку.

Теплоноситель -- движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты. В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов.

В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов -- аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.

Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью. Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

3. Оборудование для проведения процесса

УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называют теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.

Рисунок 4.1 Термокамера для термической обработки колбасных изделий

Термокамера -- оборудование для термической обработки (термообработки) колбасных изделий, изделий из мяса, птицы или рыбы. Основные процессы: сушка, обжарка, варка, копчение, охлаждение (душирование). Термокамера представляет собой металлический шкаф (обычно из нержавеющей стали) с термоизолированными стенками. Посредством нагревательных элементовТЭНов в термокамере поддерживается требуемая для термообработки температура. Необходимая влажность поддерживается впуском пара через форсунки. Термокамера как правило оснащена дымогенератором, вырабатывающим дым из заложенных в него опилок древесины лиственных пород (ольха, бук). Управление термокамерой осуществляется через компьютер, в котором заложены шаги цикла термообработки



Рисунок 4.2 Термокамера:

1 - дверь; 2 - смотровое окно; 3 - запорное устройство; 4 - уплотнение; 5 - полезный объем; 6 - вентилятор; 7 - пульт сигнализации и управления; 8 - нагнетательный канал; 9, 11 - решетки; 10 - теплоизолированный корпус; 12 - вентилятор; 13 - электродвигатель; 14 - испаритель; 15 - электронагреватель; 16 - холодильный агрегат

Термокамеры выполняют в виде прямоугольного блока, в котором скомпонованы собственно камера с теплоизоляцией, холодильное оборудование, пульт сигнализации и управления. Камера имеет теплоизолированный корпус 10, выполненный из коррозионно-стойкой стали, дверь 1 на петлях с резиновым уплотнением 4 попериметру, запорным устройством 3 и смотровым окном 2 с многослойным остеклением. Корпус изолируется эффективным температуростойким теплоизоляционным материалом (пенополиуретан, стекловата), толщину которого определяют исходя из рекомендуемой плотности теплового потока 16-20 Вт/м2. Теплоизоляция может быть расположена как внутри, так и снаружи несущего нагрузку корпуса камеры. Внутреннее расположение теплоизоляции исключает ее увлажнение при работе и уменьшает число тепловых мостиков в местах опоры корпуса. Но при этом увеличиваются размеры камеры.

Варочный котел

Принципиальная схема устройства электрического варочного котла показана на рисунке 4.3



Рисунок 4.3 Принципиальная схема устройства электрического варочного котла: 1 - парогенератор; 2 - паровая рубашка; 3 - тепловая изоляция; 4 - корпус; 5 - кожух; 6 - варочный сосуд; 7 - крышка; 8 - клапан-турбинка; 9 - двойной предохранительный клапан; 10 - манометр; 11 - наполнительная воронка; 12 - клапан уровня

Рисунок 4.4 Электрический котел КПЭ-250:

1 -крышка; 2 - варочный сосуд; 3 - теплоизоляция; 4 -пароводяная рубашка; 5 -станция управления; 6 - клапан-турбинка ; 7 - патрубок; 8 - противовес 9 -кран уровня; 10 - пароотводная трубка; 11 - вентиль (отвода пара); 12,13 - рукоятки вентилей подачи воды; 14 -наполнительная воронка; 15 -двойной предохранительный клапан; 16 - электроконтактный манометр; 17 - отражатель; 18 - двухстенная крышка; 19 - прижимные болты; 20 - сливной кран; 21 - наружный корпус; 22 - постамент.

Котел (рисунок 4.4) состоит из варочного сосуда, выполненного из нержавеющей стали, наружного корпуса из листовой конструкционной стали, облицовки и постамента. Замкнутое пространство между варочным сосудом и наружным корпусом служит пароводяной рубашкой. В пространстве между наружным корпусом и облицовкой уложена теплоизоляция. К нижней части наружного корпуса приварен корпус парогенератора, в котором на отдельном щитке смонтированы шесть трубчатых электронагревателей (тэнов).

Варочный сосуд закрывается откидной, закрепленной на валу шарнира двустенной крышкой, уравновешенной противовесом. Плотное прилегание крышки обеспечивается прокладкой из термостойкой пищевой резины, уложенной в канавке крышки, и накидными винтами. Для слива промывочных вод из варочного сосуда имеется сливной кран с сеткой. Каждый котел оборудован контрольно-измерительными приборами и арматурой: электроконтактным манометром, грузовым предохранительным клапаном, заливной воронкой с краном, клапаном-турбинкой, краном уровня и электродом «сухого хода», смонтированным в корпусе парогенератора. Котел оборудован трубопроводами холодного и горячего водоснабжения, служащими для заполнения варочного сосуда водой и его санобработки. Электроконтактный манометр - это контрольно-измерительный прибор, с помощью которого автоматически регулируется нагрев котла в зависимости от давления пара в пароводяной рубашке. Предохранительный клапан состоит из двух клапанов: верхнего - парового - для сброса давления из пароводяной рубашки при повышении его сверх 0,5 кгс/см и нижнего - воздушного - для пропуска воздуха в пароводяную рубашку при остывании котла и устранения тем самым вакуума. В предохранительном клапане в процессе его эксплуатации возможно прикипание клапанов, что может привести к взрыву котла или его смятию. Для предупреждения аварии в предохранительном клапане предусмотрен рычаг, с помощью которого производится подрыв клапанов. Заливная воронка с краном предназначена для заполнения парогенератора водой. Кран воронки служит воздушным клапаном, так как используется для выпуска воздуха из пароводяной рубашки котла в момент его разогрева. Клапан-турбинка с отражателем и пароотводной трубкой, смонтированные на крышке котла, служат для отвода из варочного сосуда пара, образуемого в результате кипения содержимого котла.

Кран уровня служит для контроля за верхним уровнем воды в парогенераторе. Нижний уровень воды автоматически контролируется с помощью электрода «сухого хода», подключенного к схеме защиты. ищеварочный котел может поставляться со съемной подставкой под раздаточный бачок и вставкой-вкладышем для варки мяса, рыбы и овощей на пару. Электрокотел снабжен автоматическим управлением тепловым режимом и защитой тэнов от «сухого хода». Двухступенчатое регулирование нагрева осуществляется по давлению пара в пароводяной рубашке. Разогрев содержимого котла происходит на полной мощности, варка - на . Элементы автоматического управления тепловым режимом котла и система защиты тэнов от «сухого хода» смонтированы в специальном шкафу станции управления.

4. Основные кинетические закономерности процесса

Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).

Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи

(1)

которое для установившегося процесса имеет вид

(2)

где dQ -- количество переданной теплоты;

К -- коэффициент теплопередачи между средами;

F-- площадь поверхности теплообмена;

Дt_ср -- разность температур между средами -- движущая сила процесса;

dф -- продолжительность процесса.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (в кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку площадью 1 м² в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1 град.

Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле:

(3)

Чтобы воспользоваться уравнением (3), необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю разность температур и коэффициент теплопередачи между средами. Наибольшую трудность представляет расчет средней разности температур между теплоносителями, которая определяется по начальным и конечным температурам теплоносителей и осложняется продольным перемешиванием теплоносителей. Сложность возникает также при определении коэффициента теплопередачи, который зависит от режима движения теплоносителей, а также от условий, в которых протекает теплопередача.

Передача теплоты может осуществляться теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

Теплопроводность

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается. Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью. Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной изотермической поверхности к другой. Наибольшее изменение температуры происходит по нормали к изотермическим поверхностям. Предел отношения изменения температуры Дt к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали Дl называется температурным градиентом:

(4)

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768--1830) и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры , времени dф и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

(5)

где л -- коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природ и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением вод и глицерина, наоборот, л уменьшается с повышением темперы. Для большинства твердых тел л увеличивается с повышением температуры. Коэффициент теплопроводности для некоторых металлов, применяемых в пищевом машиностроении, составляет [в Вт/(м-К)]: сталь, чугун -- 45; сталь нержавеющая -- 17...21; алюминий -- 200; медь -- 350; латунь -- 85; свинец -- 35. Для газов коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,0058...0,5 Вт/(м-К), для жидкостей - 0,08...0,7Вт/(м-К). Для теплоизоляционных материалов коэффициент теплопроводности изменяется от 0,0116 до 0,006 Вт/(м-К). Дифференциальное уравнение теплопроводности, называемое также уравнением Фурье, описывает процесс распространения теплоты в среде. Его выводят на основе закона сохранения энергии и записывают в следующем виде:

(6)

где -- коэффициент температуропроводности, м²/ч или м²/с;

с -- удельная теплоемкость материала, кДж/(м-К);

с -- плотность материала, кг/м³.

Уравнение теплопроводности позволяет решать вопросы, связанные с распространением теплоты теплопроводностью в условиях как установившегося, так и неустановившегося процесса. При решении конкретных задач уравнение теплопроводности должно быть дополнено соответствующими уравнениями, описывающими начальные и граничные условия. В качестве примера рассмотрим установившийся процесс передачи теплоты теплопроводностью через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Пусть температура стенки со стороны горячего теплоносителя равна t_ст.1, а со стороны холодного -- t_ст.2; теплопроводность материала стенки л; толщина стенки д. Как видно из рисунке 5.1, температурное поле одномерно и температуры изменяются только в направлении оси ox.

Рисунок 5.1 Схема процесса передачи теплоты через плоскую стенку теплопроводностью

Уравнение, описывающее теплопроводность плоской стенки при установившемся режиме, имеет вид:

, (7)

где -- тепловая проводимость стенки.

Величина, обратная тепловой проводимости стенки, называется термическим сопротивлением стенки.

B случае двухслойной стенки, например эмалированной, или многослойной, можно аналогично получить

 (8)

где п -- количество слоев стенки.

Конвективный теплообмен (теплоотдача)

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).

При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа -- в основном конвекцией. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного теплообмена приведена на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 Схема конвективного теплообмена

Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа. Скорость естественной конвекции определяется физическими свойствами жидкости или газа, разностью температур между горячими и холодными частицами и объемом, в котором протекает процесс.

Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала, в котором движется поток. При вынужденной конвекции теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при естественной.

Основной закон теплоотдачи -- закон Ньютона гласит: количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t_ст и ядра потока t_f (или наоборот) и продолжительности процесса dф:

} (9)

где б -- коэффициент теплоотдачи, , который показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности в 1 м² к омывающему ее потоку или от потока к поверхности теплообмена, равной 1 м², в единицу времени (1 ч) при разности температур поверхности теплообмена и ядра потока 1 К.

Если коэффициент теплоотдачи имеет постоянное значение вдоль всей поверхности теплообмена (б=const), уравнения (9) принимают вид

} (10)

в зависимости от того, передается теплота от стенки к омывающему стенку потоку или наоборот. Значение коэффициента теплоотдачи, который определяет скорость конвективного теплообмена, зависит от многих факторов: режима движения жидкости (газа), физических параметров жидкости (газа), формы и размера поверхности теплообмена и др. Коэффициент теплоотдачи рассчитывают по критериальным уравнениям, которые получают методами теории подобия из дифференциального уравнения конвективного теплообмена, дополненного уравнениями, характеризующими условие на границе раздела потока и стенки аппарата. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплопередачи рассчитывают на основании коэффициентов теплоотдачи, вычисленных по критериальным уравнениям.

Рассмотрим процесс теплопередачи между теплоносителями, разделенными стенкой (рисунок 5.3). Пусть температура горячего теплоносителя t_f, холодного -- t_f2. Температуры поверхностей стенки соответственно t_ст1 и t_ст2. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителя б₁, холодного -- б₂.

При установившемся процессе количество теплоты Q, передаваемое в единицу времени через площадку F от ядра потока горячего теплоносителя к стенке, равно количеству теплоты, передаваемому через стенку теплопроводностью и от стенки к ядру потока холодного теплоносителя. Это количество теплоты можно определить:

в первом случае по закону Ньютона

;

во втором случае по закону Фурье

в третьем случае по закону Ньютона

.

Рисунок 5.3 процесс теплопередачи между теплоносителями, разделенными стенкой

Из этих уравнений получают разности температур или частные температурные напоры:

Складывая левые и правые части этих уравнений, получают разность температур теплоносителей, или общий температурный напор:

 (11)

Отсюда

(12)

Из сопоставления уравнений (2) и (12) получаем:

(13)

Или

(14)

Величина , обратная коэффициенту теплопередачи, называется общим термическим сопротивлением теплопередачи и обозначается R (R=r₁+ r_ст + r₂). Величины и называются частными термическими сопротивлениями r₁ и r₂, а -- термическим сопротивлением стенки r_ст. В случае многослойной стенки в уравнение (13) вместо подставляется сумма термических сопротивлений каждого слоя стенки. Тогда:

 (15)

где п -- количество слоев стенки; i -- порядковый номер слоя.

Необходимо отметить, что коэффициент теплопередачи всегда меньше минимального коэффициента теплоотдачи.

Движущая сила теплообменных процессов

Движущая сила теплообменных процессов -- разность температур теплоносителей. Под действием этой разности теплота передается от горячего теплоносителя к холодному.

а -- при прямотоке; б -- при противотоке

Рисунок 5.4 Схемы изменения температур теплоносителей:

Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках. На рис. 4. показан характер изменения температур теплоносителей при прямотоке и противотоке. Один из теплоносителей G₁ охлаждается от температуры до , а другой G₂ нагревается от до .

Как видно из рисунка 5.4, движущая сила при теплопередаче между двумя теплоносителями не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль теплообменной поверхности. Например, при прямотоке (см. рис. 4, а) при входе теплоносителей в теплообменник локальная движущая сила максимальна:

,

а на выходе из аппарата минимальна:

Такая же картина наблюдается и при противотоке. Поэтому при расчетах процессов теплопередачи пользуются средней движущей силой процесса.

Количество теплоты, которое передается в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному на бесконечно малом элементе теплообменной поверхности (см. рис. 4, а), определяется по основному уравнению теплопередачи (1):

(16)

В результате теплообмена на этом элементе поверхности температура горячего теплоносителя понизится на:

(17)

а температура холодного теплоносителя повысится на:

(18)

где G₁ и G₂ -- массовые расходы соответственно горячего и холодного теплоносителей;

с₁ и с₂ -- удельные теплоемкости соответственно горячего и холодного теплоносителей.

Изменение температуры теплоносителей найдем, вычитая из уравнения (17) уравнение (18):

(19)

Подставляя значение dQ из основного уравнения (16) теплопередачи в равенство (19), после преобразования получим

(20)

Количество теплоты Q, переданное в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному на всей теплообменной поверхности F теплообменника, определяем из уравнения теплового баланса:

(21)

Подставляя значения G₁c₁ и G₂c₂ из уравнения (21) в уравнение (20), получаем:

(22)

В результате интегрирования уравнения (22) при постоянном К получаем:

(23)

или

(24)

Из сравнения уравнений (23), (24) и основного уравнения теплопередачи (2) получают соотношение для расчета средней движущей силы процесса теплопередачи

(25)

Это отношение справедливо и для случая противоточного движения теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

При небольших изменениях температур теплоносителей, когда Дt_min/Дt_max ?0,5, среднюю разность температур вычисляют как среднеарифметическую:

при этом ошибка не превышает 5 %.

При перекрестном и смешанном потоке теплоносителей среднюю движущую силу вычисляют по формуле (25), вводя коэффициент е_Дt;

который определяется по графикам в зависимости от схемы потоков и соотношения температур теплоносителей.

5. Расчет параметров процесса

Определить толщину слоя изоляции аппарата, если внутри его температура =150⁰С. Изоляционный слой - совелит. Температура наружной поверхности слоя изоляции не должна превышать 40С. Температура окружающего воздуха =20⁰С

Решение

Определим коэффициент теплоотдачи от поверхности слоя теплоотдачи в окружающую среду по формуле:

=9,74+0,07,

9,74+0,07 (40-20)=11,1 Вт/м(к)

Удельный тепловой поток

q =(-) =11,1(40-20)=222Вт/л,

но тепловой поток можно выразить через термическое сопротивление слоя изоляции

q=(150-120)=0,057 м,

Где б=0,098 Вт/(м)- коэффициент теплопроводности совелита.

Заключение

вареный колбаса технологический оборудование

Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Термическая обработка является одной из основных технологических операций при производстве колбасных изделий. Очевидно, что качество готовой продукции, находится в зависимости от соблюдения технологических требований к этой операции, а также совершенства применяемого оборудования.

Эффект теплового воздействия, на обрабатываемый продукт, является величиной, зависящей как от температуры, так и от продолжительности нагрева. В связи с этим, выбор параметров процесса с гарантированным достижением состояния готовности и снижения уровня микробиологической обсемененности, является ответственной задачей, решение которой определяет безопасность и качество готового продукта.

Размещено на Allbest.ru