Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Современное состояние теории и практики создания хлебопекарных печей 14
1.1. Анализ методики теплового расчета хлебопекарных печей 14
1.1.1. Определение продолжительности выпечки хлебобулочных изделий 14
1.1.2. Определение расхода теплоты на выпечку. 17
1.1.2.1. Вычисление температуры ВТЗ 21
1.1.2.2. Расчет влагоотдачи от ВТЗ 25
1.1.2.3. Определение теплоемкости ВТЗ 30
1.1.2.4. Оценка эндотермического эффекта, возникающего при увлажнении ВТЗ . 36
1.1.3. Расчет общего расхода теплоты в проектируемой печи 41
1.1.4. Расчет теплообмена в пекарной камере и системе обогрева хлебопекарных печей ' 44
1.1.4.1. Расчет теплообмена в пекарной камере 44
1.1.4.2. Расчет теплообмена в системе обогрева печей 51
1.1.5. Выводы по анализу методики теплового расчета хлебопекарных печей 53
1.2. Анализ конструкций современных хлебопекарных печей 55
1.2.1. Тоннельные однокамерные печи 57
1.2.2. Тоннельные многокамерные печи : 65
1.2.3. Тупиковые однокамеоные печи 70
1.2.4. Тупиковые ярусные печи. 73
1.2.5. Боксовые печи 78
1.2.6. Выводы по анализу конструкций современных хлебопекарных печей 81
Глава 2. Техника и методика экспериментальных исследований 83
2.1. Автоматизированная система научных исследований АСНИ "Хлеб" 83
2.1.1. Экспериментальная камера АСНИ "Хлеб" 84
2.1.1.1. Устройство для измерения скорости среды экспериментальной камеры 87
2.1.1.2. Устройство для измерения гигротермических параметров среды экспериментальной камеры. 88
2.1.1.3. Устройство для измерения температуры объектов исследования и плотности теплового, потока на их поверхности 93
2.1.1.4. Весоизмерительное устройство экспериментальной камеры 95
2.1.2. Устройства связи, ввода и вывода информации АСНИ "Хлеб" .96
2.1.3. Принцип действия АСНИ "Хлеб" 99
2.1.4. Градуировка измерительных каналов АСНИ "Хлеб" и окон-чатальная обработка результатов измерений 100
2.1.4.1. Градуировка каналов измерения скорости среды экспериментальной камеры и определение ее значения анемомет-рическим методом 103
2.1.4.2. Градуировка канала измерения температуры среды экспериментальной камеры и определение ее значений методом экранированной термопары с отсосом 105
2.1.4.3. Градуировка канала измерения влажности среды экспери- ментальной камеры и определение ее значений психромет рическим методом 106
2.1.4.4. Градуировка каналов измерения температуры объектов исследования и плотности теплового потока на их поверхности 108
2.1.4.5. Градуировка канала измерения массы объектов исследования 110
2.1.5. Объекты исследования и определение их готовности к выпечке 111
2.1.6. Определение геометрических характеристик объектов исследования 117
2.2. Установка для изучения технологических особенностей РК выпечки хлебобулочных изделий 120
2.3. Устройство для определения степени блеска поверхности хлебобулочных изделий 124
2.4. Установка для моделирования теплообмена в технологической камере хлебопекарных печей 128
Глава 3. Зонально-суперпозиционный метод расчета интенсивности РК энергоподвода в хлебопекарных печах ..135
3.1. Точность уравнений, применяемых для расчета радиаци онной составляющей энергоподвода в хлебопекарных печах 138
3.1.1. Точность уравнений, применяемых для расчета радиационной составляющей энергоподвода в хлебопекарных печах, содержащих плоские теплопередающие устройства 138
3.1.2. Точность уравнений, применяемых для расчета радиационной составляющей энергоподвода в хлебопекарных печах, содержащих цилиндрические теплопередающие устройства 142
3.1.3. Уточненный подход к вычислению угловых коэффициентов излучения при наличии в технологической камере трубных пучков 149
3.2. Вычисление конвективной составляющей энергоподвода при выпечке хлебобулочных изделий. 152
3.3. Оценка температуры среды технологической камеры хлебопекарных печей 160
3.4. Выводы по главе 3 161
Глава 4. Исследование внешнего и внутреннего тепломассооб мена при выпечке хлебобулочных изделий 163
4.1. Закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве открытой части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий...164
4.1.1. Изменение парциального давления пара на открытой поверхности ВТЗ подовых хлебобулочных изделий 169
4.1.2. Изменение толщины и скорости образования корки при прогреве открытой части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий 173
4.2. Закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве контактной части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий 179
4.2.1. Закономерности контактного теплообмена при выпечке подовых хлебобулочных изделий 180
4.2.2. Закономерности контактного массообмена при выпечке по-довых хлебобулочных изделий 188
4.2.3. Особенности коркообразования при прогреве контактной части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий 192
4.3. Внутренний теплоперенос при выпечке подовых хлебобуло чных изделий 194
4.3.1. Изменение интенсивности внутреннего теплопереноса при выпечке пшеничных хлебобулочных изделий 198
4.3.2. Изменение теплофизичесих свойств ВТЗ пшеничных хлебобулочных изделий 207
4.3.3. Теплопотребление в процессе РК выпечки пшеничных хлебобулочных изделий 213
4.4. Закономерности тепломассообмена, возникающего при увлажнении ВТЗ подовых хлебобулочных изделий 219
4.5. Особенности тепломассообмена, возникающего при выпечке формового хлеба 229
4.6. Выводы по главе 4 237
Глава 5. Оптимизация режима РК выпечки хлебобулочных изде лий и прогнозирование технологических затрат, обусловленных влагоотдачей от ВТЗ 239
5.1. Определение продолжительности выпечки и величины упека на основе теории подобия физических явлений 239
5.2. Влияние режима РК выпечки хлебобулочных изделий на показатели их качества и величину упека. 245
5.2.1. Влияние продолжительности РК выпечки на показатели качества хлебобулочных изделий и величину упека 245
5.2.2. Влияние температуры РК выпечки на показатели качества хлебобулочных изделий и величину упека 250
5.3. Комплексное определение оптимальных значений параметров процесса РК выпечки хлебобулочных изделий 251
5.4. Прогнозирование технологических затрат, обусловленных влагоотдачей от ВТЗ 254
5.5. Обоснование оптимального режима увлажнения тестовых заготовок хлебобулочных изделий на начальном этапе их выпечки 259
5.6. Выводы по главе 5 264
Глава 6. Математическое моделирование переноса энергии и массы в хлебопекарных печах с РК системой обогрева 265
6.1. Математическое моделирование энергоподвода и тепломас сообмена при РК выпечке хлебобулочных изделий 265
6.1.1. Методика расчета геометрических характеристик ВТЗ..266
6.1.2. Методика расчета ТФХ среды технологической камеры..271
6.1.3. Методика расчета внешнего тепломассообмена при прогреве открытой части ВТЗ 273
6.1.4. Методика расчета внешнего тепломассообмена при прогреве контактной части ВТЗ 279
6.1.5. Методика расчета внутреннего теплопереноса в зоне фазового перехода ВТЗ 279
6.1.6. Методика расчета материального и теплового баланса РК выпечки 280
6.1.7. Общая методика матетематического моделирования энергоподвода и тепломассообмена при РК выпечке хлебобулочных изделий 281
6.2. Математическое моделирование теплопередачи в каналь.ных хлебопекарных печах 288
6.2.1. Методика расчета геометрических характеристик теплопе-редающих устройств 292
6.2.2. Методика расчета теплообмена в технологической камере 295
6.2.3. Методика расчета температуры рабочей стенки и продуктов сгорания 296
6.2.4. Методика расчета теплообмена в теплопередающих устройствах 298
6.2.5. Общая методика математического моделирования теплопе-редачи в канальных хлебопекарных печах 301
Глава 7. Практическая реализация выполненных исследований 310
Заключение 328
Литература. 330
Приложения 358
- Оценка эндотермического эффекта, возникающего при увлажнении ВТЗ
- Устройство для измерения температуры объектов исследования и плотности теплового, потока на их поверхности
- Вычисление конвективной составляющей энергоподвода при выпечке хлебобулочных изделий.
- Закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве контактной части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий
Введение к работе
Одно из важных мест в производстве жизненно необходимых продуктов питания занимает хлебопекарная отрасль агропромышленного комплекса. Эта отрасль обеспечивает практически полное удовлетворение потребности населения Российской Федерации в массовых сортах хлебобулочных изделий, но вместе с тем, качество вырабатываемых в настоящее время хлебобулочных изделий нуждается в существенном улучшении. Его улучшения можно достигнуть повышением эффективности отдельных стадий хлебопекарного производства, в частности основной из этих стадий - выпечки. Она осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение.
В этой связи повышение эффективности выпечки в современных хлебопекарных печах является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое народно-хозяйственное значение. Ее решение требует проведения комплексных научных исследований, направленных на углубленное изучение закономерностей и механизма протекания выпечки, изыскания обоснованных методов оптимизации этого процесса, а также на создание энергосберегающих конструкций хлебопекарных печей с наиболее распространенной радиа-ционно - конвективной (РК) системой обогрева.
Именно в этом направлении проводились исследования, составляющие содержание настоящей работы, которая выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР Министерства Хлебопродуктов РФ, научно-технической программой Минвуза РФ "Продовольствие" и отраслевой программой "Создание новых машин, приборов и оборудования". Часть из этих исследований представлена в кандидатских диссертациях И.Д. Кравченко, О.М. Аношиной и М.Ф. Аднодворцева.
Исходя из актуальности проблемы повышения эффективности выпечки, в современных хлебопекарных печах, цель намеченных исс-ледований заключалась в улучшении качества широкого ассортимента хлебобулочных изделий при рациональном использовании сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие научно-исследовательские задачи:
- установить закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве открытой и контактной части выпекаемых тестовых заготовок (ВТЗ) подовых и формовых видов хлебобулочных изделий;
- установить закономерности внутреннего тепломассообмена, возникающего в зоне фазового перехода ВТЗ хлебобулочных изделий;
- провести комплексное исследование влияния режима РК выпечки на показатели качества хлебобулочных изделий и технологические затраты, обусловленные тепломассообменом в хлебопекарных печах;
- уточнить методику теплового расчета хлебопекарных печей и осуществить ее практическое использование при создании энергосберегающей техники выпечки хлебобулочных изделий.
Решение этих задач объединялось единым замыслом, состоящим в повышении эффективности выпечки хлебобулочных изделий на основе комплексного использования закономерностей формирования их качества и управления интенсивностью энергоподвода в хлебопекарных печах с РК системой обогрева. Формой релизации такого замысла явились следующие научные положения настоящей работы:
- обоснование зонально-суперпозиционного метода расчета интенсивности РК энергоподвода в хлебопекарных печах; обоснование аналитического метода определения интенсивности внешнего и внутреннего тепломассообмена при РК выпечке хлебобулочных изделий;
- обоснование обобщенного метода оптимизации параметров этого процесса и прогнозирования технологических затрат, необходимых для его ведения;
- обоснование зонно-итерационного метода математического моделирования переноса энергии и массы в хлебопекарных печах с РК системой обогрева.
Новизна вышеотмеченных научных положений выражается в том, что впервые экспериментальным путем была оценена степень точности приближенных методов расчета РК теплообмена в технологической камере хлебопекарных печей, содержащих плоские и цилиндрические теплопередающие устройства. Кроме этого
- установлены закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве открытой и контактной части ВТЗ подовых и формовых видов хлебобулочных изделий. Получены обобщенные уравнения для определения скорости влагоотдачи от ВТЗ и места размещения в них зоны фазового перехода;
- установлены закономерности внутреннего тепломассообмена в зоне фазового перехода ВТЗ. Получено дифференциальное и обобщенное уравнение для определения коэффициента внутреннего переноса теплоты, предложенного для оценки температурного поля ВТЗ как влажных капиллярно-пористых тел с переменными геометрическими и теплофизическими характеристиками;
- научно обоснованы обобщенные методы оптимизации режима РК выпечки хлебобулочных изделий и прогнозирования технологических затрат, необходимых для ее ведения;
- создана комплексная математическая модель взаимосвязанного переноса энергии и массы в хлебопекарных печах с РК системой обогрева, основанная на численном методе частичного решения сопряженной задачи прогрева ВТЗ и численном методе определения количества передаваемой теплоты в отдельные зоны выпечки технологической камеры.
Практическую значимость настоящей работы составляют:
Уточненная методика теплового расчета хлебопекарных печей, позволяющая комплексно определять оптимальные параметры РК выпечки; технологические затраты, обусловленные влагоотдачей от ВТЗ; переменную температуру и массу их составных частей; количество передаваемой теплоты в отдельные зоны технологической камеры при соответствующем расходе первичной энергии.
Новые энергосберегающие конструкции хлебопекарных печей, обеспечивающих улучшение качества хлебобулочных изделий посредством зонного регулирования энергоподвода и применения РК систем обогрева с развитой поверхностью теплообмена (авторские свидетельства 1005746, 1110432, 1316618, 154036, 1581250, 1722849). Шесть из этих конструкций печей внедрены на хлебопекарных предприятиях г. Москвы и Московской области.
Новые устройства для увлажнения ВТЗ посредством конденсации отсепарированного и равномерно распределенного пара (авторское свидетельство 1166773), измерения влажности высокотемпературных парогазовых сред бесфитильным психрометрическим датчиком (авторское свидетельство 1300366), а также определения степени блеска поверхности хлебобулочных изделий на основе применения лазерного генератора и интегрирующей сферы (авторское свидетельство 1755126).
Новый способ определения готовности тестовых заготовок к выпечке, основанный на измерении характерного размера последних и сопоставлении значения этого размера с оптимальным (авторское свидетельство 1471123).
Экспериментальные данные по эффективным теплофизическим свойствам ВТЗ пшеничных хлебобулочных изделий, полученные непосредственно при ведении РК выпечки.
Ниже раскрывается содержание настоящей работы, включающей семь глав, заключение, список использованной литературы и приложения .
Оценка эндотермического эффекта, возникающего при увлажнении ВТЗ
Численные значения коэффициентов т, пик в соотношении (1.6) принимаются по данным [150]. Несколько иное соотношение для расчета продолжительности выпечки можно получить, основываясь на полуэмпирическом уравнении М.С. Смирнова [221, 223]. Оно описывает характер изменения температуры центральной области выпекаемых изделий в виде функции гиперболического тангенса: Множитель Р здесь находится по значению любой известной температуры центральной области выпекаемых изделий в момент времени p. Вводя обозначение и полагая в уравнении (1.7) tueH - tHcn» приходим к выводу, что Приведенные соотношения (1.2), (1.6) и (1.11) теоретически верно отражают влияние факторов, которые определяют продолжительность выпечки, но для практических расчетов эти соотношения не совсем пригодны из-за отсутствия четких и ясных рекомендаций по нахождению числа Ві при выпечке хлебобулочных изделий, их определяющего размера 1оп и коэффициента С. По этой причине продолжительность выпечки аналитическим путем, как правило, не устанавливается, а принимается ориентировочно по данным инструкций [97,217]. Частично их содержание отражено в приложении 1.1, согласно которому продолжительность выпечки для каждого вида хлебобулочных изделий характеризуется конкретным диапазоном изменения. Причем включает ли этот диапазон оптимальное значение определяемого параметра - ответить однозначно сложно, учитывая, что в настоящее время наметилась тенденция увеличению продолжительности выпечки [29].
Однако чрезмерное увеличение ее продолжительности, так же как и сокращение - не является целесообразным, с точки зрения качества получаемой продукции. В связи с чем необходимо изыскать такой метод определения продолжительности выпечки, который позволит объективно и точно устанавливать оптимальное значение этого параметра. Начальный этап теплового расчета хлебопекарных печей связан не только с определением оптимального значения продолжительности выпечки, но и с вычислением расхода теплоты в этом процессе. Согласно существующим представлениям о механизме протекания выпечки [29,75,124], в его первой стадии теплота расходуется в основном на прогрев массы ВТЗ, вещество которых постепенно становится упругим мякишем. При этом часть теплоты затрачивается на поверхностное испарение влаги, осложняемое явлением термов-лагопроводности - перемещением влаги из периферийных слоев ВТЗ в их центральную область. Во второй стадии процесса выпечки расход теплоты на испарение влаги становится преобладающим по сравнению с ее затратами на окончательный прогрев массы ВТЗ, состоящих уже не только из мякиша, но и корки.
Приближенно [138,2043 общий расход теплоты на выпечку 0вЫП вычисляют по формуле где Шм - масса мякиша в составе готовых изделий, кг; см - его удельная теплоемкость, кДж/(кг-С); tM - соответственно температура по окончании выпечки, С; tT - температура теста перед выпечкой, С; 1% - масса корки у готовых изделий, кг; ск - ее удельная теплоемкость, кДж/(кг-С); tK - соответственно температура, С; Шисп - масса испарившейся влаги, кг; Ьвл - ее удельная энтальпия при температуре теста, кДж/кг; hnn - энтальпия пара перегретого до температуры среды пекарной камеры, кДж/кг; Пиз - общее количество изделий выпекаемых в печи. Из структуры формулы (1.12) видно, что прогрев ВТЭ характеризуется различным изменением температуры их составных частей. Это различие обусловлено, с одной стороны, несовпадением тепло-физических свойств теста, мякиша и корки, а с другой - возникновением при выпечке сложного комплекса внутренних процессов физической, коллоидной, физико - химической и биохимической природы. В итоге в объеме ВТЗ формируется температурное поле, которое не наблюдается у обычных однородных тел. Довольно полное представление о нем дают экспериментально полученные температурные кривые - для центральной области ВТЗ и для их поверхностного слоя. В качестве примера на рис. 1.1 показаны типичные температурные кривые выпечки пшеничных хлебобулочных изделий, приведенные в относительной форме. Из рис. 1.1 видно, что температурная кривая центральной области ВТЗ отличается явно выраженным перегибом. Он соответствует моменту времени, при котором происходит вышеотмеченный переход теста в мякиш. Однако более существенным является не столько это, сколько предельность изменения температуры центральной области ВТЗ, вследствие наличия у них значительного количества влаги.
Устройство для измерения температуры объектов исследования и плотности теплового, потока на их поверхности
Для измерения температуры объектов исследования - выпекаемых тестовых заготовок, применяли индивидуально изготовленные термопары с миниатюрным рабочим спаем. Материалом для их изготовления служили хромель-копелевые термоэлектроды, позволявшие выполнить рабочий спай термопар с диаметром не более 0,5 мм. В зависимости от назначения термопар их рабочий спай оставляли либо свободным, либо заделывали в теплопроводную пластинку. В первом случае термопары использовали для измерения температуры внутри объектов исследования, а во втором - на поверхности последних .
Устройство для измерения температуры внутри и на поверхности объектов исследования показано на рис. 2.4. Оно состоит из металлического кольца 1, частично погруженного в выпекаемую тестовую заготовку 2. На этом кольце упруго закреплен остроконечный стержень 3 с блоком внутренних термопар 4, размещенных вдоль стержня на расстоянии 10 мм друг от друга. Количество термопар 4 подобрано таким образом, чтобы их показания давали полное представление об изучаемом температурном поле.
Кроме стержня 3 на кольце 1 упруго закреплен проволочный прижим 5. Своим теплоизолированным концом он обеспечивает надежный контакт термопары 6 с поверхностью выпекаемых тестовых заготовок. При необходимости в состав описываемого устройства включают миниатюрный датчик плотности теплового потока 7 слоистого типа [73]. Он также снабжается прижимом 5, закрепленном на кольце 1.
Устройство, показанное на рис. 2.4, изготавливалось в нескольких экземплярах с целью размещения его на верхней и нижней поверхности выпекаемых тестовых заготовок, а также на боковой -при изучении температурного поля формовых видов хлебобулочных изделий.
Поскольку все измерения устройством, показанным на рис. 2.4, основаны на регистрировании термо-ЭДС, его подключали к соответствующему многоканальному усилителю, связанному с ЭВМ. Этот усилитель термостатировали вместе с нерабочими спаями термопар, принадлежащих как описанному ЕЫПЮ устройству, так и устройству, описанному в разделе 2.1.1.2. Для введения поправки на температуру нерабочих спаев термопар применяли электронный термометр, который входил в состав блока управления термостатированием - БУТ. При разработке весоизмерительного устройства экспериментальной камеры АСНИ "Хлеб" исходили из того, что основной интерес в проводимых опытах представляет не столько масса объектов исследования, сколько ее изменение в сравнительно небольшом диапазоне.
Наилучшим образом для этой цели подошли рычажные весы, конструкция которых схематично показана на рис. 2.5. Из него видно, что в разработанном весоизмерительном устройстве роль рычага выполняет коромысло 1. Одна его часть связана с подиком экспериментальной камеры 2, а другая - с масляным демпфером 3. Опорные узлы этого устройства тщательно обработаны, а масса его противовеса 4 подобрана так, чтобы чувствительность весоизмерительного устройства составляла 0,05 г.
При измерении массы объектов исследования 5, СЕерх указанного выше значения, происходит отклонение противовеса от положения равновесия. Это отклонение в виде угла поворота а воспринимается ферродинамическим преобразователем б, подключенным к стабилизатору переменного напряжения 7. Генерируемый ферродинамическим преобразователем электрический сигнал последовательно пропускается через прецизионный выпрямитель 8 и фильтр низких частот 9. Затем он направляется в ЭВМ, а также на вход показывающего прибора 10 через узел коррекции нуля и выбора предела измерений 11. Согласно выполненным оценкам (раздел 2.1.4.5), погрешность измерений разработанным весоизмерительным устройством не превышала 0,12 г.
Передача информации от измерительных устройств экспериментальной камеры АСНИ "Хлеб" в ЭВМ, а от нее к другим элементам этой системы осуществляется в цифровой форме с помощью устройств связи, показанных на рис. 2.6. Одним из таких устройств является аналого-цифровой преобразователь (АЦП) типа "Искра- 15- 11". На рис. 2.6 он обозначен как элемент U1. Этим элементом передается информация ЭВМ от первичного ВМ и вторичного UM датчиков измеряемой массы; первичного BW и вторичного UW датчиков скорости среды экспериментальной камеры; датчиков ее температуры ВТ и влажности ВВ; датчиков температурного поля объектов исследования ВК и плотности теплового потока на их поверхности;
Отмеченные датчики в совокупности с элементом U1 образуют соответствующие измерительные каналы, харктеристики которых приведены в разделе 2.1.4.
Вычисление конвективной составляющей энергоподвода при выпечке хлебобулочных изделий.
Таким образом задача по вычислению угловых коэффициентов излучения на основе предлагаемого подхода сводится к предварительному нахождению эмпирического коэффициента г , который входит в уравнения (3.24) и (3.25).
Величину этого коэффициента находили графоаналитическим методом, реализуя его в следующей последовательности. Задаваясь неизвестной величиной коэффициента г, вначале вычисляли угловые коэффициенты излучения по соотношениям (3.28). Затем по уравнению (3.12) определяли соответствующие значения плотности потока результирующего излучения (срБ)рас- Представляя их графически как функцию коэффициента г, по экспериментальному значению плотности потока результирующего излучения (с[Т,в)экс устанавливали величину искомого коэффициента. Результаты его определения для модели технологической камеры, содержащей однорядный пучок труб, представлены в таблице 3.3. Анализ этих данных показал, что величина коэффициента г» при переносе энергии излучением от однорядного пучка труб, находится в пределах от 0,9 до 1,3 , составляя в среднем 1,1.
Исходя из этого, нами еще раз были вычислены угловые коэффициенты излучения на основе предлагаемого подхода (таблица 3. 4.) После чего установили, что при использовании уравнения (3. 12) погрешность расчета радиационного теплообмена в технологической камере, содержащей трубные пучки, не превышает 6% (таблица 3.5).
Учитывая, что в хлебопекарных печах находят применение не только однорядные трубные пучки, величину коэффициента г определяли также для четырехзонной модели технологической камеры, -содержащей трубные пучки коридорного (табл. 3.6) и шахматного типа (табл. 3.7). Для случая переноса энергии излучением от коридорного трубного пучка коэффициент г оказался равным 0,7-0,8, а от шахматного - 0,8-0,9. Соответствующие экспериментальные данные, которые использовали при нахождении величины коэффициента у приведены в приложениях 3.7 - 3.12.
Принимая во внимание осложнение процесса переноса энергии в гоподвода в этих установках необходимо определять с учетом влияния массообмена на теплообмен. Наиболее приемлемым средством учета влияния массообмена на теплообмен, в условиях РК выпечки хлебобулочных изделий, является первое суперпозиционное соотношение, предложенное Л.А. Минухиным С146]. Его вид приводится ниже:
Здесь NuT - теплообменное число подобия Нуссельта; NuT,0 - такое же число, но соответствующее предельным условиям конвективной теплоотдачи, не осложненной массообменом; Ргт - теплообменное число Прандтля, определяемое в зависимости от параметров среды технологической камеры [42]; nw - массообменное число, которое играет такую же роль, что и число Рейнольдса при диффузионном перемещении потока вещества. Его значение определяется тождеством где з - плотность потока диффузионно переносимого вещества, кг/(м2-с); Лс - коэффициент динамической вязкости среды технологической камеры, Н-м/с. Из соотношения (3.29) следует, что определение интенсивности конвективной составляющей энергоподвода, при выпечке хлебобулочных изделий, сводится к известному решению алгебраического квадратного уравнения после предварительного нахождения чисел подобия Flw и NuT. о- От точности нахождения второго из них во многом зависит погрешность определения интенсивности конвективной составляющей энергоподвода по уравнению (3.31):
Здесь Хс - коэффициет теплопроводности среды технологической камеры, Вт/(М С). Исходя из того, что сведения о нахождении числа подобия NuT,o применительно к процессу выпечки в литературе отсутствуют, его значение устанавливали экспериментально. С этой целью в установке, описанной в разделе 2.4, физически моделировали энергоподвод при выпечке хлебобулочных изделий. При этом вместо плоского водяного калориметра в экспериментальной установке размещали аналогичное устройство, но по форме иммитирующее круглые подовые хлебобулочные изделия с высотой 110 мм и диа метром 205 мм. Поверхность этого устройства тщательно полировали для сведения к минимуму влияния теплового излучения на результаты опытов. Внутренние поверхности установки закрывали листами алюминиевой фольги.
Обработку полученных экспериментальных данных выполняли в следующем порядке. Применяя тождество (2.13), сначала находили общую плотность теплового потока на открытой тепловоспринимаю-щей поверхности калориметра q0TK- Затем по уравнению (3.32) оценивали часть этой плотности, обусловленной радиационным теплообменом: где пр - приведенная степень черноты полированных поверхностей калориметра и установки; Тизл усредненное значение температуры излучющих поверхностей установки, К; Т0тк - усредненное значение температуры открытой тепловос-. принимающей поверхности калориметра, К. По разнице q0TK и qTK находили соответствующую часть плотности теплового потока, обусловленную конвективным теплообменом После чего получали информацию о значении коэффициента теплоотдачи, не осложненной массообменом
Закономерности внешнего тепломассообмена при прогреве контактной части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий
Закономерности тепломассобмена, возникающего при прогреве контакнои части ВТЗ подовых хлебобулочных изделий, также как и при прогреве открытой их части, выявляли путем проведения пяти опытных выпечек (приложения 4.6 - 4.10). Условия проведения опытных выпечек и полученные при этом экспериментальные данные, представлены соответственно в таблице 4.4 и на рис. 4.6. Они отражают характер изменения температуры пода в зоне его соприкосновения с поверхностью ВТЗ опытных изделий tCon; температуры их контактной поверхности ЬКон; плотности теплового потока на
Анализ полученных экспериментальных данных по контактному теплообмену показал, что температуры поверхностей соприкосновения пода tcon и ВТЗ хлебобулочных изделий tKOH существенно рзличаются между собой (рис. З.ба). С увеличением интенсивности соответственно возрастает, имея более высокие значения, для изделий с меньшей массой.
Так например, с увеличением температуры свободной поверхности пода от 100 до 200 С температурная разность AtKoH» в среднем за процесс выпечки подовых хлебобулочных изделий с начальной массой 0,5 кг возрастает с 11 до 28 С. Если изменяется масса этих изделий, например от 0,2 до 0,8 кг, то при температуре свободной поверхности пода 150 С, температурная разность AtKOH уменьшается с 23 до 12 С.
Наличие температурной разности в зоне контакта ВТЗ хлебобулочных изделий объясняется возникновением в процессе выпечки контактного термического сопротивления, обусловленного своеобразными свойствами ВТЗ и фазовым переходом влаги в перегревающийся пар.
Применяя известное уравнение теплопроводности нам удалось установить это сопротивление. Оказалось, что его величина довольно хорошо согласуется с температурой соответствующей поверхности ВТЗ tKOH (рис. 4.7). По мере увеличения этой температуры контактное термическое сопротивление также возрастает, достигая максимального значения в момент наиболее интенсивного обезвоживания поверхностного слоя ВТЗ, т.е. тогда, когда температура tKOH равна 100- 110 С. При дальнейшем повышении температуры контактной поверхности, анализируемое сопротив ление уменьшается с тенденцией стабилизации. Она наступает при температуре контактной поверхности ВТЗ, равной 125-135 С. Кроме этой температуры на величину контактного термического сопротивления влияет масса выпекаемых изделий. С ее увеличением контактное термическое сопротивление уменьшается, очевидно вследствие повышения степени прижатия изделий к поду.
Таким образом изменение контактного термического сопротивления в процессе выпечки подовых хлебобулочных изделий имеет В этом уравнении численные значения коэффициентов а и b меняются дискретно (табл. 4.5) в зависимости от диапазона изменения температуры контактной поверхности выпекаемых изделий и их начальной массы.
С физической точки зрения, выявленный характер изменения контактного термического сопротивления ВТЗ подовых хлебобулочных изделий можно объяснить, принимая во внимание научные исследования В.В. Красникова [240] по кондуктивной сушке капиллярно-пористых материалов. Их анализ позволяет предположить, что контактное термическое сопротивление, возникающее при выпечке хлебобулочных изделий, создается эффективной паровой прослойкой. Ее толщина, как определяющий размер условного контактного зазора Окон, с термическим сопротивлением RT связана соотношением где Хп - коэффициент теплопроводности эффективной паровой про-слоки, Вт/(м-С) .
Согласно имеющимся в литературе данным [70] , значение коэф-фициета теплопроводности Хп в процессе выпечки изменяется малосущественно (приложения 4.6 - 4.10). В этой связи между кон-тактным термическим сопротивлением RT и условным контактным зазором 5КОн должна существовать однозначная, практически прямоп-ропорциональная зависимость.
Основываясь на тождестве (4.31), можно сделать вывод о том, что в начале выпечки образования контактного зазора по всей видимости не происходит (рис. 4.8), поскольку поверхностному слою ВТЗ хлебобулочных изделий присущи адгезионно-пластичные свойства, а образованию пара в зоне контакта в значительной степени препятствует явление термовлагопроводности. По мере прогрева и подсушивания поверхностного слоя ВТЗ, его адгезионно-пластичные свойства довольно быстро исчезают, переходя в упругие свойства мякиша. При температуре контактной поверхности превышающей 55 С, наступает момент отделения выпекаемых хлебобулочных изделий от пода с появлением контактного зазора, заполняемого паром. С увеличением температуры контактной поверхности приблизительо до 105 С упругие свойства поверхностного слоя ВТЗ хлебобулочных изделий усиливаются при одновременном повышении интенсивности парообразования.
