Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследования 9
1.1 Состав оборудовании малотоннажных пекарен о
1.2 Ра с стой и ос оборудование - 9
1.3 Пекарное оборудование 12
1.4 Анализ материалов и постановка зада'І диссеріации как системного исследошшия . 17
2 Исследование подсистемы «Выпечка» 25
2.1 Общие представлення о процессах выпечки хлеба 25
2.2 Показатели процесса выпечки изделий . 27
2.3 Численные расчеты процесса выпечки 28
2.3 Задачи численных расчетов 28
2.3.2 Физическая модель выпечки 29
2.3.3 Математическая модель выпечки 33
2.4 Расчеты процесса выпечки 48
3 Исследования процесса тердювлажниетнон обработки (ТВО) при выпечке 56
3. 1 Задачи исследований ТВО при выпечке 56
3.2 Экспериментальные исследования ТВО н печах. ФТЛ-2-66,
ЕМБ-090/3 и ПХР-1 в производственных условиях 56
3.3 Численные исследования процесса термо влажности ой обработки 70
3.4 Экспериментальные исследования процесса термовлажностной обработки іта печи ЭШ-ЗМ 73
3.5 Обоснования конструктивных решений по созданию системы ТВО опрыскиванием на печи ПХР-1 77
3.5.1 Основные требования к функциональному устройству системы ТВО опрыскиванием 77
3.5.2 Расчеты параметров основного назначения системы ТВО ---80
3.5.3 Описание устройства печи ПХР-1 и системы ТВО
опрыскиванием горячей водой тестовых заготовок g2
3.5.4 Расчет КПД системы ТВО в печи ПХР-1 86
3.5.5 Выбор температуры среды пекарной камеры в период ТВО - gg
3.5.6 Рекомендации по устройству информационно-управляющей системы малотоннажных печей 83
4 Расчетно-теоретические и экспериментальные исслелования подсистемы «Расстойка» 91
4.1 Требования к расстойной камере и ее устройство 91
4.2 Исследования теплового конвективного движения воздуха в расстойной камере 92
4.3 Энергетический и массовый балансы расстойного помещения . 95
4.4 Независимое регулирование температуры и влажности - . 99
4.5 Изменение температуры и содержания свободной влаги тестовой заготовки в процессе расстойки 102
4.6 Рекомендации по конструктивному устройству расстойного оборудования \ д
5 Исследования информационно-управляющих систем
5.1.Методические аспекты Ю7
5.2 Обоснование требований к автоматизированной ИУС подсистем «Выпечка» и «Расстойка»
Общие выводы
Список использованных источников
- Анализ материалов и постановка зада'І диссеріации как системного исследошшия
- Численные расчеты процесса выпечки
- Численные исследования процесса термо влажности ой обработки
- Исследования теплового конвективного движения воздуха в расстойной камере
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время наша страна находится на пороге вступления во Всемирную Торговую Организацию. Справедливо ожидается, что импортные товары на российском рынке составят серьезную конкуренцию. Уже сейчас импортное оборудование по соотношению цена-качество вплотную приблизилось к отечественному- Учитывая, что отрасль хлебопекарного производства за последнее десятилетие являлась наиболее устойчивой в российской экономике, она оказалась наиболее платежеспособной и поэтому именно рынок хлебопекарного технологического оборудования представляет наибольший интерес для зарубежных машиностроителей. Отечественные предприятия-изготовители хлебопекарного оборудования вынуждены искать способы повышения эффективности выпускаемого оборудования. Принимая во внимание факт значительных энергетических затрат на процессы термовлажностной обработки тестовых заготовок, а также серьезного влияния этих процессов на качество хлебобулочных изделий можно утверждать, что поиск новых технологических решений именно в этой области особенно продуктивен.
Цель работы - совершенствование технологического оборудования термовлажностной обработки (ТВО) тестовых заготовок в период выпечки и расстойки в условиях минипекарен на основе использования результатов научных разработок и выработка рекомендаций по его конструированию.
Методика исследований.
1. Разработка математической модели и численные расчеты процессов передачи теплоты и переноса влаги в выпекаемых и расстаиваемых изделиях.
2. Экспериментальное исследование термовлажностной обработки тестовых заготовок паром и опрыскиванием горячей водой в начале выпечки,
3. Создание и исследование опытно-промышленных образцов хлебопекарных роторных печей и расстойных камер.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработка математической модели и методики численного расчета процессов теплопередачи и термодиффузии в выпекаемом и расстаиваемом изделии, основанной на использовании метода крупных частиц
2. Предложение дозовой оценки температурного воздействия на каждый элемент выпекаемого изделия и на изделие в целом для оценки степени завершенности процессов выпечки.
3. Установление эквивалентности термовлажностной обработки выпекаемого изделия паром и опрыскиванием его поверхности горячей водой.
4. Разработка требований к информационно-управляющей подсистеме «Выпечка».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель, методика и программа численных расчетов процессов передачи тепла, переноса свободной влаги в глубине и на поверхности выпекаемых и расстаиваемых изделий. Результаты расчетов.
2. Показатель завершенности выпечки изделия в целом и в каждом элементе выпекаемого изделия в виде дозы температурного воздействия.
3. Представления о процессах, происходящих на поверхности выпекаемого изделия в период пароувлажнения, и предложение замены его опрыскиванием поверхности выпекаемого изделия горячей водой.
4. Рекомендации по рациональному конструированию роторных хлебопекарных печей и расстойных камер.
5. Рекомендации по совершенствованию и устройству информационно-управляющих систем для подсистемы «Выпечка».
Практическая ценность работы:
1. В разработке рекомендаций по конструированию роторных хлебопекарных печей, расстойных камер и информационно-управляющих систем для подсистемы «Выпечка».
2. Предложении по замене пароувлажнения на малотоннажных хлебопекарных печах опрыскиванием поверхности выпекаемых изделий горячей водой, что позволяет экономить энергетические и водные ресурсы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1-й Международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания», г. Орел, 1998 г.; на 2-й и на 3-й Международных научно-практических конференциях «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», г. Орел, 1999 и 2002 гг.; на Международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», г. Орел, 2001г.; на 1-й Международной интернет-конференции «Энергосберегающие технологии», г. Орел, 2002 г.; на конференциях Национальной академии прикладных наук, г. Москва, 1999 и 2002 гг.; на Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств», г. Краснодар, 2002 г.; в ОАО «Шебекинский машзавод»; в Научно-производственной пекарне ОрелГТУ; в ОАО Брянский хлебокомбинат «Каравай».
Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 1 - в центральной печати и 1 — учебное пособие, полностью раскрывающих ее содержание.
Структура и объем диссертации.
Структура диссертации соответствует логике научного исследования и включает в себя введение, пять глав, основные выводы, список использованных источников, приложения. Основной текст изложен на 126 страницах машинописного текста, приложение на 21 страницах. Список использованной литературы включает 141 наименования.
Анализ материалов и постановка зада'І диссеріации как системного исследошшия
Приведенное в данном разделе описание применяющихся систем тер-мовлажностной обработки тестовых заготовок в составе оборудования малотоннажных пекарен позволяет сделать следующие выводы [27].
1. Существуют различные виды и схемы устройства систем термо-влажностной обработки тестовых заготовок в составе оборудования малотоннажных пекарен, но все они не соответствуют нормируемым технологическим требованиям.
2. В расстойных камерах малотоннажных пекарен отсутствует возможность: - поддержания нормируемых технологических параметров вне зависимости от температуры окружающей среды. - независимого друг от друга поддержания температуры и влажности среды.
3. Системам паровлажностной обработки тестовых заготовок, используемым в настоящее время в пекарном оборудовании малотоннажных пекарен, свойственен ряд недостатков: - очень малый КПД. На поверхности изделий конденсируется 1- 5% пара, остальной пар удаляется из печи по вентиляционным газоходам [4, 11]; - при использовании сетевого пара сложно поддерживать жесткие требования к его давлению, которое должно находиться в узких в пределах 0,105-0,140 МПа [28]; - при использовании аккумулирующих теплоту парогенераторов отсутствует возможность их использования без предварительного разогрева, а период их действия и вырабатываемое количество пара ограничены; - жесткие ограничения по температуре поверхности тестовых заготовок, если превышена температура точки росы, конденсация пара невозможна.
Практически отсутствуют публикации по научному обоснованию устройств термовлажностной обработки тестовых заготовок в условиях малотоннажных пекарен. Имеющиеся рекомендации по их устройству основаны на констатации успешного функционирования того или иного образца оборудования в ограниченных условиях эксплуатации и не подкрепляются теоретическими обобщениями и объяснениями.
Дальнейшее совершенствование малотоннажных пекарен требует устранения выявленных недостатков. Это и является целью данной диссертации, которую мы формулируем следующим образом: совершенствование оборудования термовлажностной обработки тестовых заготовок на основе использования результатов научных разработок. В результате решения данной проблемы повысится эффективность оборудования термовлажностной обработки (ТВО) в малотоннажных пекарнях.
Оборудование ТВО в малотоннажных пекарнях работает с использованием различных принципов и функциональных схем, относящихся к компетенции различных научных дисциплин. Здесь имеют место теплотехнические закономерности выпечки хлебобулочных изделий в печах; обеспечения параметров микроклимата в расстойном оборудовании; закономерности коллоидной химии формирования структуры тестовых заготовок в процессе замеса теста; биохимические закономерности и др.
Объединение таких разнородных по областям научного знания вопросов в единый комплекс является прерогативой системного подхода [29-31]. Задачей системного подхода является выявление и исследование интегральных свойств системы, не сводимых к сумме свойств ее элементов.
Применительно к достижению цели, поставленной в данной работе, новым интегральным свойством системы «Малотоннажная пекарня» является возможность получения хлебобулочных изделий высокого качества. Оно достигается согласованием параметров устройств расстойки и выпечки при специальном устройстве контрольно-измерительной системы. Несогласованное функционирование элементов системы не может обеспечить достаточного качества хлебобулочных изделий.
Системные исследования предполагают членение исследуемой системы на элементы с установлением связей между ними. Каждое членение раскрывает определенный аспект системы для последующего раскрытия ее целостного характера.
Приступая к членению системы «Малотоннажная пекарня», рассмотрим вначале ее операторную модель, представленную на рисунке 1.6. Здесь она изображена в виде черного ящика, на вход которого подаются воздействия, которыми можно управлять. Это - потоки сырьевых ингредиентов, электроэнергии, теплоты и др., а также параметры организации труда (обеспеченности приспособлениями, рабочей силой и др.). На выходе системы регистрируются выходные параметры, характеризующие потоки готовой продукции и отходов, параметры качества продукции и др.
Численные расчеты процесса выпечки
Математическая модель явления должна описывать явления [3,37-39]: - отдачу теплоты от окружающей среды поверхности теста-хлеба при наличии оттекающего от изделия стефановского потока пара [81,133,134]; - передачу теплоты в объеме теста-хлеба теплопроводностью, осложненную явлениями одновременно протекающих процессов испарения и перетекания влаги [3,4,20, 36]; - изменения структуры теста-хлеба под действием теплоты [40-42, 53]. Без учета этих явлений результаты расчетов перестают быть адекватными.
Сложные коллоидные и микробиологические процессы в объеме теста-хлеба, протекающие под действием нагрева [40-43,53, 58, 59], в нашей модели физических явлений проявляются в виде изменений его физических параметров. В принятой методике связанные с этими процессами параметры изменяются в зависимости от дозы воздействия температуры. Выделение воды из белковых веществ теста, происходящее при их денатурации и сверты вании, учитывается в наших расчетах заданием общего количества воды [43, 44], испаряющейся при выпечке.
Сложный процесс выпечки, включающий перечисленные явления, не может быть рассчитан аналитически. Аналитическое решение даже существенно более простых процессов, например молекулярной теплопроводности при зависящих от температуры теплофизических характеристиках продукта, является большим достижением в области теплотехники [48]. В противоположность этому численное решение данной задачи вполне осуществимо без каких-либо упрощений. Для решения подобных задач разработаны эффективные методы [45-49, 54, 138, 139], а выдающийся отечественный математик А.Н. Колмогоров предсказывал практически полное вытеснение аналитических численными методами при решении большинства практических задач вследствие их сложности.
Математическая модель процесса выпечки включает две системы уравнений, описывающих процессы на границе теста-хлеба и в его глубине. Обе системы уравнений составлены нами как одномерные в связи с тем, что основные факторы физической модели действуют одинаково независимо от мерности пространства, и потому качественный характер получаемых решений во всех случаях остается одинаковым. Количественные же результаты все равно приходится согласовывать с экспериментальными данными введением поправочных коэффициентов, хотя бы вследствие приближенности принимаемых значений теплофизических констант. При решении дифференциальных уравнений в частных производных учитываются традиционные требования по обеспечению точности и устойчивости результатов.
Особенностью разработки подобных моделей является то, что часть учитываемых процессов протекает относительно быстро, а часть — значительно медленнее. Медленные процессы, как правило, описываются уравнениями в частных производных, а быстрые алгебраическими зависимостями. В этой ситуации математическая модель строится в виде уравнений в частных производных, описывающих медленные процессы, с граничными уело виями, включающими алгебраические выражения, описывающие быстрые процессы, протекающие синхронно с изменениями медленно меняющихся параметров.
В данном случае медленно меняющимися процессами являются теплопроводность молекулярная и термовл аго про водность. Все остальные явления можно считать протекающими относительно быстро.
Эта особенность разделения уравнений позволяет решать системы составленных уравнений в соответствии со следующей процедурой.
1. Из рассчитываемого изделия (хлеба подового из муки пшеничной I сорта массой 1 кг) выделяется одномерная цепочка расчетных ячеек, занимающая пространство от границы до геометрического центра изделия. В данном случае цепочка расчетных ячеек совпадает с вертикальной осью изделия, т.к. является кратчайшим расстоянием от поверхности до центра изделия. Эта цепочка делится на несколько равных по размерам расчетных ячеек.
2. Выбирается шаг расчета по времени, обеспечивающий устойчивость решения. Решение ищется в пространстве двух параметров - координата и время.
3. Все производные дифференциальных уравнений передачи теплоты и массы паров воды аппроксимируются конечно-разностными выражениями, пригодными для численных расчетов.
4. Задав в начальный момент времени (j = 0) все параметры в расчетных ячейках, значения параметров в j-й момент времени в ячейке і (і = 0, 1,..., n-I) находим из решения уравнений тепло- и массопереноса.
5. Прежде, чем приступить к расчету параметров в тот же момент времени tj для ячейки i+1, уточняем параметры і -ой ячейки системы, используя ее алгебраические уравнения. Рассчитываются и запоминаются: доза D температурного воздействия, набранная ячейкой к моменту времени TJ; уточняются теплофизические характеристики ячейки в соответствии с набранной дозой Djj; определяется количество влаги, испарившейся и оставшейся в ЯЧеЙКе К МОМеНТу ВремеНИ Tj.
Численные исследования процесса термо влажности ой обработки
Конвективная составляющая поверхностной плотности теплового потока определяется законом Ньютона-Рихмана [3, 33]: qK = а - (t, - to), Вт/м2 , (2.8) где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); tc, t0 - температуры окружающей среды (воздуха) в печи и наружной поверхности выпекаемого изделия, С.
Лучистая составляющая поверхностной плотности теплового потока qn: Чл=єпр-а-(т -Т:) (2.9) где Тст - температура стенок пекарной камеры, К; Т0 - температура поверхности выпекаемого изделия, К; а - постоянная Стефана-Больцмана; т = 5,76 10s Вт/(м2 К4); Є„Р - приведенный коэффициент степени черноты и взаимного облучения теплообменивающихся поверхностей, ч = 1 F, Гл V (2-Ю) Єсг, Єо - степень черноты стенок пекарной камеры и поверхности выпекаемого изделия; Ft/FCT — отношение площадей взаимного облучения выпекаемого изделия и стенок пекарной камеры.
Величина пр также может считаться феноменологическим коэффициентом для лучистого теплопереноса и на этом основании может определяться экспериментально, а в расчетных исследованиях подбираться с учетом сопутствующих соображений [39].
Конденсационная составляющая поверхностной плотности теплового потока q , при выпечке с пароувлажнением: где — массовая плотность потока влаги, конденсирующейся на поверх ности изделия, кг/(м с).
Нахождение величины — является основной задачей изучения конденсационного теплового потока, передающегося выпекаемому изделию. Примем феноменологический метод ее определения.
Обобщенной силой» определяющей интенсивность конденсации влаги на поверхности выпекаемого изделия, является относительная разность (At) между температурой точки росы (t ) и температурой поверхности изделия ( ) М=, TP_ V . (2.12) V-тр Wjnax В соответствии с феноменологическим подходом к явлению расход конденсирующегося пара I —] связан с обобщенной действующей силой процесса выражением dm n А — = P-Atf (2.13) где р - коэффициент конденсации пара (он должен либо браться по справочным данным, либо подбираться в процессе расчета) [39], кг/(м2 с); где Дт иДт- шаг расчета по времени и приращение массы воды на поверхности изделия. Выражение для суммарного теплового потока к выпекаемому изделию теперь преобразуется к виду q = a-(tc0)-hcnp-a-(T "T ) + Flo4tTp"t0) T, (2.15) где Тст - абсолютная температура стенок пекарной камеры, К; Вт F o-приведенный коэффициент, FI0 = - , ( Tp.o)«« м2-К
Нестационарное уравнение тепло-влагопроводности должно описывать теплоперенос внутри выпекаемого изделия за счет перетекания воды в нем. Его вывод иллюстрируется рисунком 2-2.
Если внутри выпекаемого изделия выделить произвольный элемент объема размером Дх вдоль оси х, то в нем и в примыкающих к рассматриваемому элементу (номер і) слева и справа элементах с номерами (і-l) и (Ї+1) средние температуры можно обозначить как tj_i; tj и tj+i. Если через эти элементы слева направо движется водяной поток с массовым расходом G, то он вносит в ї-й элемент теплосодержание Jj.ij, а вытекает - JJ+JJ AJi-y-F-AT-G-c.-Oi-yy); AJi+IJ = F-Дт-G-св-(t,jjtl.), Дж, (2.16) где F - площадь поперечного сечения выделенного элемента, м2; Дт - шаг по времени расчета, с; j - индекс шага расчета по времени; cQ - теплоемкость воды, Дж/(кг-град), Разность этих теплосодержаний остается внутри і-го элемента и расходуется на изменение его температуры, т.е.
Исследования теплового конвективного движения воздуха в расстойной камере
Качество ТВО при выпечке в экспериментах оценивалось глянцем (блеском) и колером поверхности, а также по удельному объему готовых изделий.
В результате экспериментов получены и многократно подтверждены следующие результаты: хлеб, выпеченный в увлажняемой паром среде, имел блеск (глянец) поверхности до у = 5,5 %\ колер до Е5-29; удельный объем 304 мл/100 г. Контрольные образцы выпекались в той же печи, но без увлажнения. Получены следующие результаты: блеск (глянец) поверхности составил только у - 2,5 %; колер Е5-22; удельный объем 274 мл/100 г На основании изложенного сделаны следующие выводы:
1, Температура среды в зоне пароувлажнения должна ограничиваться величиной 110... 120 С. При ее повышении ухудшался вначале блеск (гля нец), а потом и цвет (колер) выпекаемых изделий [3, 4],
Для уменьшения этой температуры до 105 С проводились два мероприятия: устанавливались теплозащитные экраны и организовывалась паровая завеса, создающая препятствие для проникновения горячего воздуха из глубины печи в зону пароувлажнения. Третий распределитель пара использовался в основном для создания этой завесы. Всякое уменьшение расхода пара на создание этой завесы вызывало ухудшение глянцевитости выпекаемых изделий, а существенное уменьшение расхода пара ухудшало и их колер. В результате экспериментов подобран расход пара, при котором колер и глянец получались наилучшими,
2. При соблюдении условия тщательного сепарирования водяных ка пель из пара, его можно направлять непосредственно на поверхность выпе каемых изделий. Никаких дефектов поверхности при этом не наблюдалось.
3 Качество выпекаемых изделий существенно изменялось под воздействием случайных возмущений: - колебания давления пара в сети; - изменения тяги в вентиляционном коробе; - колебания температуры среды в пекарной камере.
Первый из этих факторов действует через расход пара в системе и это влияние очевидно. Второй фактор сопровождается подсасыванием горячего воздуха из глубины печи в вентиляционный короб, что приводило к смещению локальных зон пароувлажнения в сторону вентиляционного короба [65], т.е. мимо обрабатываемых тестовых заготовок. Третий фактор также влияет на исследуемое явление путем изменения температуры взонеТВО [12, 14] На основании первого из этих выводов следует, что условия для возникновения глянца выпекаемых изделий создадутся уже в самой начальной стадии выпечки - в процессе пароувлажнения.
Объяснением неблагоприятного влияния повышенной температуры пара на увлажнение тестовых заготовок может явиться следующее. При контакте с поверхностью выпекаемого теста-хлеба, перегретый пар (температурой tri 100 С) передает часть энтальпии изделию і = сп.(ія-100)+г,Дж/кг; (3,7) где Си — средняя теплоемкость пара, Дж/(кг К); г - теплота конденсации воды, Дж/кг. При этом учтем, что тепловой поток, подчиняясь закону Ньютона-Рихмана, определяется выражением q = ot-(t„0), Вт/м2, (3.8) где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-град); t0 - температура поверхности выпекаемого изделия, С В первую очередь выпекаемому изделию передается часть энтальпии (Аіп) определяющаяся перегревом пара, Дїп=сп -(tn-100), Дж/кг; (3,9) и только после полного ее исчерпания реализуется перенос части энтальпии (Діф), определяющейся теплотой фазового перехода (Aq,,) где Aqn - тепловой поток определяющийся перегревом пара, Вт/м2.
В первый из этих периодов теплопередачи увлажнения поверхности выпекаемого изделия не происходит. Поэтому количество пара, используемого для пароувлажнения, может оцениваться его способностью увлажнять хлеб- Для ее характеристики мы вводим коэффициент % (коэффициент увлажняющей способности пара). Определим его выражением: хН при q Aqn или при t0 t 0 при qAqn или при t0 tTp где XrLp. - температура точки росы на поверхности изделия, tr.p = 82,5 С Коэффициент увлажняющей способности пара изменяется от нуля до единицы. При х = 0 никакой увлажняющей способностью пар не обладает. При его контакте с тестовой заготовкой пар не конденсируется. При % = 1 вся теплота конденсации пара передастся выпекаемому изделию.
