Проектирование пищеварочного котла

Содержание

Введение

На предприятиях общественного питания и предприятиях пищевой промышленности широко используется варочное оборудование.

Варка – один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Это процесс гидротермической обработки пищевых продуктов в жидкой среде: воде, бульоне, молоке, соусе и т. п. По температурным решениям процесс варки может быть осуществлен при температурах ниже 100 ^оС, при 100 ^оС, и выше 100 ^оС. Для кипячения больших объемов воды, молока и продолжительного отваривания продуктов используются пищеварочные котлы. Конечно, эти же кулинарные операции можно выполнять и в наплитной посуде, но медленнее и с существенно большими затратами энергии.

Конструкции варочных аппаратов  должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

На крупных предприятиях целесообразно использовать электрическую энергию. Электрическое оборудование, в том числе и электрические пищеварочные котлы, обладают высоким КПД, экономичны и достаточно просты в эксплуатации. А электроэнергия в наше время распространена практически повсеместно.

Целью данной работы является поверочный расчет котла пищеварочного электрического с прямоугольной формой варочного сосуда емкостью V_{в с} = 100 дм³. Основной отличительной особенностью рассматриваемого аппарата является модульность аппарата.

1. Аналитический обзор

1.1 Технологические требования к конструкции проектируемого аппарата

1.1.1 Тепловая обработка продуктов

Значение тепловой обработки. В процессе тепловой обработки кулинарная продукция обеззараживается и повышается ее усвояемость. Улучшение усвояемости продуктов, прошедших тепловую обработку, обусловлено следующими причинами:

• продукты размягчаются, легче разжевываются и смачиваются пищеварительными соками;
• белки при нагревании изменяются (денатурируют) и в таком виде легче перевариваются;
• крахмал превращается в клейстер и легче усваивается;
• образуются новые вкусовые и ароматические вещества, возбуждающие аппетит и, следовательно, повышающие усвояемость;
• теряют активность содержащиеся в некоторых сырых продуктах антиферменты, тормозящие процесс пищеварения.

Санитарное значение тепловой обработки связано с тем, что:

• при нагревании микроорганизмы, образующие споры, переходят в неактивное состояние и не размножаются;
• большинство микроорганизмов, не образующих споры, погибает;
• разрушаются бактериальные токсины;
• погибают возбудители многих инвазионных (глистных) заболеваний — финны, трихины и др.;
• разрушаются или переходят в отвар ядовитые вещества,  содержащиеся в некоторых сырых продуктах (грибы, баклажаны, цветная фасоль).

Недостатками тепловой обработки являются:

• потери части растворимых и летучих ароматических, а также вкусовых веществ;
• изменение естественной окраски овощей;
• разрушение ряда биологически активных веществ (витаминов, фенолов и др.);
• нежелательные изменения жиров (окисление, омыление, снижение биологической активности).

Процессы, происходящие в продукте при варке

Варка — это процесс гидротермической обработки продуктов с целью доведения их до состояния готовности. При тепловой обработке продуктов денатурируются и коагулируются белки, коллаген соединительной ткани мясо-рыбных продуктов переходит в глютин, уничтожается большинство вегетативных форм микробов, инактивируются ферменты.

При варке (в воде, бульоне) происходит равномерное прогревание продуктов  по всему объему до состояния кулинарной готовности при полном их погружении в обогреваемую среду в закрытых или открытых сосудах. В жидкость при этом переходит значительное количество растворимых веществ. Чем больше жидкости, тем больше потери.

Тепловая кулинарная обработка  вызывает в продуктах глубокие физико-химические изменения. Эти изменения могут приводить к потерям питательных веществ, существенно влиять на усвояемость и пищевую ценность продуктов, изменять их цвет, приводить к образованию новых вкусовых и ароматических веществ. Без знания сущности происходящих процессов нельзя сознательно подходить к выбору режимов технологической обработки, обеспечивать высокое качество готовых блюд, уменьшать потери питательных веществ.

При варке продукты соприкасаются с водой и из них могут извлекаться растворимые вещества. Процесс этот называется диффузией, и подчиняется закону Фика. Согласно этому закону скорость диффузии зависит от площади поверхности продукта. Скорость диффузии зависит от концентрации растворимых веществ в продукте и окружающей среде. Концентрация растворимых веществ в продукте может быть очень значительной. При погружении овощей в воду экстракция растворимых веществ вначале идет с большой скоростью из-за разницы концентраций, а затем постепенно замедляется и при выравнивании концентраций прекращается. Концентрационное равновесие наступает тем быстрее, чем меньше объем жидкости. Этим объясняется то, что при варке продуктов паром потери растворимых веществ меньше, чем при варке основным способом. Поэтому для уменьшения потерь питательных веществ при варке продуктов жидкость берут с таким расчетом, чтобы только покрыть продукт. И наоборот, если надо извлечь как можно больше растворимых веществ (варка говяжьих почек, отваривание некоторых грибов перед жаркой и т. д.), то воды для варки должно быть больше.

Таким образом, уменьшить переход  питательных веществ из продукта в варочную среду можно, не только сократив объем жидкости, взятой для варки, но и замедлив внутреннюю диффузию растворимых веществ в самом продукте. Для этого необходимо создать в продукте значительный градиент температуры, для чего сразу погрузить его в горячую воду. В этом случае в результате термомассопереноса влага и растворенные в ней вещества перемещаются из поверхностных слоев вглубь продукта (термическая диффузия). Термическая диффузия, направленная противоположно потоку концентрационной диффузии, снижает переход питательных веществ в варочную среду. Если надо извлечь как можно больше растворимых веществ, продукт при варке закладывают в холодную воду.

1.1.2 Температурные режимы варки как технологического процесса

Скорость прогревания  продуктов в процессе варки зависит  от теплофизических свойств греющей среды и обрабатываемого продукта.

Варка состоит из двух стадий: нагревания жидкой среды до температуры кипения, когда температура в каждой точке аппарата и среды изменяется во времени (нестационарный режим), и собственно варки при кипении, когда температура в упомянутых точках не изменяется во времени (стационарный режим). При этом для максимально быстрого доведения жидкой среды до кипения необходим сильный нагрев аппарата, а для собственно варки, т. е. доведения продуктов до готовности, наоборот, слабый нагрев, обеспечивающий получение так называемого тихого кипения, так как интенсивное кипение вызывает эмульгирование жиров и помутнение бульонов.

При интенсивном кипении  происходит перемещение частиц жидкости, обусловленное парообразованием, тогда как при «тихом кипении» парообразование практически не влияет на перемещение частиц жидкости и последние двигаются в основном вследствие наличия разности плотности самой жидкости. Бурное кипение в большинстве случаев отрицательно сказывается на качестве пищи: бульоны делаются мутными, продукты деформируются, увеличиваются потери ароматических веществ и витаминов и т. д.

Доведение же до готовности различных каш, макарон и других консистентных блюд происходит за счет аккумулированного тепла, для чего за 15—20 мин до окончания варки отключают и слабый нагрев.

Изменение режима тепловой обработки (сильный, слабый и аккумуляционный нагревы) содержимого варочного сосуда в процессе варки различных блюд графически представлено на рис. 1. После доведения жидкой среды до кипения и закладки продуктов температура ее снижается. После вторичного закипания нагревательный элемент переключают на слабый нагрев («тихое кипение»), а за  10—15 мин до окончания варки полностью отключают. Содержимое варочного сосуда доводится до полной готовности за счет тепла, аккумулированного аппаратом.

После этого температура содержимого  в варочном сосуде снижается. Это снижение характеризуется скоростью охлаждения в °С/ч. Наилучший эффект по экспериментальным данным в процессе приготовления блюд получается при скорости охлаждения, равной 2 °С/ч, и при термическом сопротивлении слоя изоляции котла примерно 0,19 м*°С/Вт.

Инерционные свойства пищевых продуктов, изоляции и др. характеризуются коэффициентом       температуропроводности  а;   при   прочих   равных условиях быстрее нагреется или охладится то тело, которое   обладает   большим   коэффициентом  температуропроводности. Значение а для  пищевых продуктов колеблется в пределах (0,5—3,0)  * 10³ (м²/с). Коэффициент температуропроводности а определяется из соотношения:

а = λ / (с * ρ),

где  λ — коэффициент  теплопроводности, Вт/ (м°С);

с — теплоемкость, кДж/(кг°С).

Рис.   1.   Изменение   режима   тепловой  обработки    содержимого  варочного  сосуда   в   процессе  варки  овощей,   бульонов,   супов   и  т.   д.:

А — включение сильного нагрева; АВ — доведение жидкой среды (воды, бульона, молока) до кипения при сильном нагреве; В — момент закипания и момент загрузки продуктов в кипящую жидкость; ВС — доведение содержимого сосуда до кипения после закладки продуктов при сильном нагреве; С — переключение на слабый нагрев («тихое кипение»); D — отключение нагревательного элемента за 10—15 мин до окончания варки; DE — доведение содержимого сосуда до кулинарной готовности за счет аккумулированного тепла; Е — момент достижения продуктом готовности (окончание тепловой обработки,   выгрузка   продукта   из   сосуда)

Варка пищевых продуктов осуществляется как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Варку  продуктов  при  нормальном   атмосферном   давлении   производят   в   негерметизированных   сосудах    (пищеварочные котлы), при этом температура кипения жидкой среды близка к 100°С. Пары кипения, образующиеся в процессе варки, направляются из сосудов непосредственно в помещение или в специальный пароотвод.

Варку продуктов при повышенном давлении осуществляют в герметически закрытых сосудах—автоклавах и других компрессионных   аппаратах.   Их   применяют   для   интенсификации процесса приготовления пищи (варка каш, бобовых и др.), а также для выварки костей при приготовлении костного или мясо-костного бульонов. Внутри автоклава избыточное давление достигает 200 кПа; при этом температура кипения жидкой среды составляет 133° С (определяется по абсолютному давлению Р_абс = Р_ман + Р_бар).

Для увеличения в жидкой среде концентрации сухих веществ (при приготовлении концентрированных соусов, бульонов и т. п.) используют процесс выпаривания — удаления воды из продукта. При этом необходимо учитывать состав продукта и те изменения, которые может вызвать в нем тепловая обработка. Под воздействием высоких температур особенно резким изменениям подвергаются белки, поэтому выпаривать воду из продуктов, богатых белками, приходится при температурах, значительно ниже 100°. В этих условиях процесс необходимо вести в замкнутом сосуде при пониженном давлении, которое поддерживается особыми устройствами.

Сосуды, работающие при пониженном давлении, называются вакуум-аппаратами. Последние полностью сохраняют  пищевые свойства продукта и ускоряют процесс выпаривания. Например, при нормальном атмосферном давлении с 1 мг поверхности нагрева в течение одного часа выпаривается 5 кг воды, при тех же условиях нагрева при абсолютном давлении в вакуум-аппарате 148 мм рт. ст. (20 кПа) и температуре кипения 60,8° С — 25,7 кг, т. е. процесс протекает в пять раз интенсивнее. Температура кипения жидкой среды в вакуум-аппарате также определяется по абсолютному давлению в нем.

На продукты с небольшим содержанием  белка пониженное давление оказывает менее существенное влияние. При варке таких продуктов воду можно выпаривать в обычных пищеварочных котлах с вытяжными вентиляционными зонтами.

Но необходимо строго выдерживать  продолжительность проведения технологического процесса, так как разрушение витаминов происходит прямо пропорционально длительности процесса.

1.1.3 Технологические требования к пищеварочным аппаратам

Конструкции варочных аппаратов  должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением (от исходного в сырье) пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты. Технологические цели в процессах варки различных продуктов предопределяют технологические требования к группам аппаратов и их конструкциям. Для пищеварочных котлов основной технологической целью является получение готового продукта с высокими органолептическими качествами при максимальном сохранении веществ в исходном сырье и его биологической ценности. Следуя из этого основными технологическими требованиями к  конструкции аппарата становятся нагрев продукта при температуре     не     выше 100 °С, с регулированием режима варки в пределах температуры кипения и отключение нагрева перед окончанием процесса.

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

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

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

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

τ = G c (t_к - t_н) / k S,

где G — количество жидкости, кг;

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

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

k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

S — рабочая поверхность  варочного аппарата, м²;

Δt_ср — температурный напор, К.

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

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

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

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

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

1.1.4 Требования к материалу рабочей камеры

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

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

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

1.1.5 Основы интенсификации тепловых процессов для повышения качества продукта

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.2 Обзор серийно-выпускаемых пищеварочных аппаратов

1.2.1 Требования, предъявляемые к пищеварочным котлам

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

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

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

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

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

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

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