Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса.
1.1. Характеристика тепловых кулинарных процессов и теплового оборудования. 7
1.2. Влияние параметров греющей среды на состав продукта 11
1.3. Пароконвектомат, как универсальный аппарат для ведения кулинарньгх процессов. 18
1.4. Цели и задачи исследования 24
2. Теоретическое обоснование методик исследования пароконвектомата 27
2.1. Математическое моделирование тепло-и массообменных процессов в пароконвектомате 27
2.2. Определение требуемых режимов работы пароконвектомата 46
2.3. Обзор методов измерения температуры 50
2.4. Обзор методов управления температурными режимами 52
2.5. Обзор методов измерения влажности 60
2.6. Обзор методов управления влажностью 70
Экспериментальное исследование методов измерения и регулирования параметров паровоздушной греющей среды. 74
3.1. Лабораторный стенд для исследования процессов обработки пищевых продуктов в пароконвектомате 74
3.2. Описание системы управления экспериментального стендазо
3.3. Исследование термодинамических процессов экспериментальной установки 86
3.4. Экспериментальное исследование методов контроля влажности 101
3.5. Экспериментальное исследование процесса термообработки продукта 109
4. Разработка схемы пароконвектомата с регулируемой влажностью 119
4.1. Функциональная схема аппарата 119
4.2. Предложения по разработке системы управления технологическими процессами и рекомендации по использованию датчиков 126
Заключение. 129
Библиографический список использованной
Литературы
- Влияние параметров греющей среды на состав продукта
- Определение требуемых режимов работы пароконвектомата
- Исследование термодинамических процессов экспериментальной установки
- Предложения по разработке системы управления технологическими процессами и рекомендации по использованию датчиков
Введение к работе
Актуальность работы: Одним из важнейших технологических процессов, применяемых на предприятиях общественного питания является процесс тепловой обработки пищевых продуктов. Значительный рост числа предприятий общественного питания, наметившийся в последние годы, привел к повышению спроса на технологическое оборудование, применяемое для тепловой обработки. В последнее время рынок такого оборудования стремительно разрастается. Однако среди предлагаемого оборудования предпочтение отдается аппаратам, максимально отвечающим таким требованиям современной кухни как:
быстрая окупаемость;
универсальность;
высокая степень автоматизации;
минимальные габариты;
экономичность.
В 70-х годах прошлого века на рынке появились аппараты, получившие название «пароконвектоматы». Эти устройства позволяли вести процесс тепловой обработки в среде сухого воздуха, водяного пара, а также используя комбинацию этих двух режимов. Дальнейшее усовершенствование «пароконвектоматов» привело к созданию аппаратов позволяющих вести процесс приготовления большого количества различных продуктов в одном аппарате в полностью автоматическом режиме. В настоящее время такие устройства нашли широкое распространение на предприятиях общественного питания, ввиду максимального удовлетворения всем вышеперечисленным требованиям.
Универсальность и высокая степень автоматизации таких устройств позволяет добиваться высокого качества приготовления широкого ассортимента продукции. Применение пароконвектоматов ведет к
снижению себестоимости выпускаемой продукции и росту производительности труда.
К сожалению в настоящее время оборудование такого класса представлено на рынке в основном только импортными производителями. Аналоги, выпускаемые отечественными производителями, работают как правило в ручном режиме. Научные разработки, связанные с автоматическим контролем параметров греющей среды, являются интеллектуальной собственностью фирм производителей и не доступны широкому кругу специалистов.
В связи с этим важной задачей является изучение режимов термообработки продуктов в паро-воздушной греющей среде и исследование их влияния на интенсивность процессов тепло- и массообмена, что требует разработки способов контроля и регулирования параметров греющей среды для пароконвектоматов.
Цель и задачи исследования сформулированы в конце первой главы.
Научная новизна состоит в том, что:
обоснована математическая модель процессов тепло- и массообмена для повышения эффективности процесса тепловой обработки пищевых продуктов;
аналитически и экспериментально исследованы тепловые и влажностные режимы и определены основные закономерности протекания тепловых процессов в пароконвектомате;
предложен новый способ управления температурой, не применявшийся ранее, позволяющий с минимальной настройкой добиться требуемого качества регулирования температуры, а также способ управления температурой и влажностью с использованием
разработанного датчика влажности в аппарате с температурой греющей среды до 300 С;
экспериментально определены основные закономерности влияния режимов термообработки на интенсивность тепло- и массообменных процессов в аппаратах с полностью регулируемой греющей средой, позволяющие разработать научно обоснованную систему управления.
Практическая ценность работы: В результате проведенных исследований сформулированы основные требования к системе управления аппаратов с регулируемой греющей средой, разработаны подходы к решению задач построения системы управления и даны рекомендации по реализации подобных систем, которые могут быть в дальнейшем использованы для создания промышленных образцов эффективного оборудования.
1. Состояние вопроса.
Влияние параметров греющей среды на состав продукта
Представителями наиболее распространенных моносахаридов являются глюкоза, фруктоза, галактоза и манноза; олигосахаридов — дисахарид сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар). К полисахаридам относятся крахмал, клетчатка, гликоген, пектиновые вещества и др.
Наиболее важным для питания человека углеводом является крахмал. В дневном рационе он обычно составляет от 80 до 85% от общего количества углеводов.
Крахмал, входящий в состав разнообразных пищевых продуктов, в результате нагрева клейстеризуется и в большей или меньшей степени подвергается ферментативному расщеплению. В условиях сухого нагрева продуктов имеет место пирогенетическое расщепление крахмала, называемого декстринизацией [25,26].
Большинство пищевых продуктов характеризуются высокой влажностью. Поэтому для нагрева поверхностных слоев до температуры расщепления крахмала (при атмосферном давлении) требуется испарить из них свободную влагу. Последующий нагрев крахмала до 120 С и выше приводит к его расщеплению с образованием высокомолекулярных веществ (пиродекстринов), а так же ряда летучих веществ, содержащих углекислый газ, окись углерода, пары воды. Эти вещества определяют такие органолептические характеристики как аромат и вкус, характерные для жареных и выпеченных изделий.
Продукты растительного происхождения содержат значительное количество углеводов в виде протопектина и некоторые кислоты (нуклеиновую, фосфорную и другие), В результате тепловой обработки протопектин превращается в пектин и в зависимости от свойств исходного сырья (пектина), а так же от условий тепловой обработки получаются пектины, состоящие из полигалактуроновых кислот, различных по степени полимеризации и содержанию метаксильных групп. Расщепление протопектина приводит к уменьшению прочности срединных пластинок паренхимной ткани. Степень завершения этих изменений и определяет продолжительность тепловой обработки большинства пищевых продуктов растительного происхождения. На скорость понижения прочности паренхимной ткани оказывают влияния три основных фактора: температура, реакция среды и исходные свойства продукта.
Наибольшее влияние на скорость процесса оказывает температура. Например снижение температуры со 100 до 95 С замедляет расщепление протопектина срединных пластинок картофеля в 1,5 раза. Незначительное повышение температуры свыше 100 С ускоряет этот процесс в несколько раз [26,27]. При традиционных методах термообработки увеличение температуры в продукте без высушивания до значений, превышающих температуру кипения (свыше 100 С при атмосферном давлении), можно только в герметичных рабочих камерах за счет увеличения давления греющей среды (принцип автоклавирования). Жиры.
Другой широко распространенный ингредиент пищевых продуктов -жиры. Жиры участвуют практически во всех жизненно важных процессах обмена в организме, а также влияют на интенсивность многих физиологических реакций. При исключении из пищи жиров или при их недостатке снижается синтез белков, углеводов, провитамина D, ряда гормонов и т.п., а вследствие этого замедляется рост, понижается сопротивляемость организма к неблагоприятным воздействиям и заболеваниям.
Жиры служат вторым по значению после углеводов источником энергии для организма человека. В рационе здорового человека они должны покрывать около 30% энергозатрат. При окислении 1 г жиров выделяется 38,9 кДж теплоты. Степень усвоения жиров колеблется в пределах от 80 до 98%. Их значение определяется также тем, что они служат единственным источником жирорастворимых витаминов для организма человека.
Источником жиров являются: топленые жиры, маргарин, растительное и сливочное масло. В небольших количествах жиры содержатся в свежих овощах (доли процента), в мясных, рыбных и молочных продуктах - достигает нескольких десятков процентов.
По химической природе жиры как животного так и растительного происхождения представляют собой триглицериды - соединения глицерина и различных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (пальмитиновой, олеиновой, стеариновой, линолевой, линоленовой, капроновой, лауриновой, арахиновой и других), которые и определяют их свойства [25,26,27].
Пищевая ценность жира обусловлена, главным образом, усвояемостью и содержанием высокопредельных жирных кислот.
Характер и степень изменения жиров при тепловой обработке зависят от температуры и продолжительности нагрева. Кроме того на их изменения оказывают влияние вода, воздух, а также вещества, способные вступать с жиром в химическое взаимодействие [27,28].
При температурах 220-240 С для большинства пищевых жиров характерно быстрое окисление и последующее полное термическое разложение с образованием смолистых веществ и газообразных продуктов, не имеющих пищевой ценности и даже более того, содержащих токсические и канцерогенные вещества. Предельная температура для пищевых жиров при тепловой обработке, исключающая их термическое разрушение, 160-190С.
Определение требуемых режимов работы пароконвектомата
Для постановки задачи при создании системы управления первое, что необходимо определить это какие параметры, в каких диапазонах и с какой точностью необходимо контролировать. В современных пароконвектоматах таких параметров три: температура, влажность и скорость перемещения паро-воздушной среды. Что определяет требования к этим параметрам? Конечно же технология приготовления продуктов [9,10,12,25,26,31,33-35,55,69,85-90], которая в свою очередь диктуется такими факторами как качество получаемого продукта, потери при приготовлении и затраты на приготовление.
В зависимости от того, при каких условиях должен готовиться продукт, определяются требования к режимам работы системы управления.
На основании данных, изложенных в главе 1, разделе 1.1 (режимы приготовления продуктов) и разделе 1.2 (изменении состава продуктов под действием различных температур), а также с учетом данных, изложенных в разделе 2.1, можно сделать следующие предварительные выводы по требуемым режимам работы конвективного аппарата: при температурах от 80 до 100 С необходимо производить регулирование влажности во всем диапазоне температур; хотя наиболее часто используются режимы с повышенным содержанием влаги в воздухе, режимы варка, тушение и др. при температурах от 100 до 200 С требуется регулирование влажности во всем диапазоне; в данном диапазоне температур происходит большинство кулинарных процессов, в которых требуется различная влажность воздуха, начиная от варки на пару при 100% влажности и кончая выпечкой при использовании сухого воздуха. при температурах свыше 200 С приготовление ведется в сухом воздухе и регулирование влажности не требуется, эти режимы используются для предварительного разогрева, для кратковременной обработки поверхности при высокой температуре, для образования корочки, придающей продуктам определенный внешний вид и вкусовые качества, а также предотвращающей испарение влаги из центральных слоев продукта.
Кроме того, если рассмотреть рецептуры приготовления основных блюд, предлагаемые фирмами-изготовителями пароконвектоматов, с регулируемой влажностью, и в частности фирмой Rational, можно заметить ту же тенденцию в выборе температурно-влажностных режимов. Данные о режимах приведены в таблице 1.
Полученные данные накладывают условия на измерительную систему и систему управления аппарата и показывают необходимые диапазоны регулирования температуры и влажности в рабочем объеме пароконвектомата. Кроме того, используя данные, полученные по диапазонам регулирования скорости движения греющей среды (раздел 2.1.1), можно приступить к выбору датчиков и методов управления параметрами греющей среды для экспериментальной установки.
В настоящее время в пищевой промышленности наибольшее применение нашли температурные датчики двух типов: термоэлектрические датчики (термопары) терморезистивные датчики
В термоэлектрических датчиках разность температур на двух концах датчика преобразуется в термо ЭДС. Основной недостаток данного метода измерения состоит в том, что датчик дает не абсолютную температуру, а разность и для определения температуры надо знать температуру на концах электрода, подключаемых к прибору, что вносит дополнительную погрешность в измерение температуры. Кроме того, существенное влияние на погрешность измерения вносит неоднородность проводников, из которых изготовлена термопара. Преимуществом такого метода измерения является то, что термопара имеет сравнительно небольшой диаметр, по этой причине датчик обладает низкой температурной инерцией и меньшими габаритными размерами.
Наибольшее распространение получают терморезистивные датчики. В основе датчиков лежит свойство различных проводников менять свое сопротивление в зависимости от их температуры. Для измерения высоких температур (выше +200 С) в основном применяют платиновые датчики импортные PtlOO или отечественные ЮОП. Данные датчики обладают высокой стабильностью и сравнительно низкой стоимостью, при высокой точности зависимости сопротивления от температуры. Минимальный внешний диаметр таких датчиков 2 мм.
Для определения температуры по измеренному значению сопротивления применяются стандартные полиномы, представленные в ГОСТах и ТУ на чувствительные элементы датчиков.
Исследование термодинамических процессов экспериментальной установки
Питание вентилятора осуществляется от регулируемого источника постоянного тока. С помощью анемометра АП-1 получена зависимость скорости движения воздуха в рабочем объеме от напряжения источника, представленная в таблице 2. Полученный диапазон изменения скорости движения греющей среды соответствует требованиям, полученным из математической модели в главе 2.
Для проведения исследований предварительно было определено влияние движения воздуха на скорость разогрева камеры. Для этого при различных скоростях обдува производился разогрев камеры до температуры в 160 С. Полученные кривые изменения температуры от времени показаны на Рис. 3.7.
Данные, представленные на графиках, показывают, что при изменении скорости обдува с 1 до 2 м/с время прогрева камеры уменьшилось на 1 минуту. А при увеличении с 2 до 3 м/с практически не изменилось. По этой причине все дальнейшие эксперименты проводились при скорости движения воздушной среды 2 м/с.
Двухпозиционный метод управления описан в разделе 2.4. Так как этот метод является наиболее простым в реализации и настройке, то он является наиболее часто используемым в пищевом оборудовании.
Для отработки температурных режимов пароконвектомата была проведена серия экспериментов с управлением температурой по данному методу. Обе группы ТЭНов были соединены параллельно, на регуляторе выставлялась требуемая температура (80, 160, 240 С), гистерезис поддержания температуры устанавливался 1 С. Затем производился запуск установки. В результате производился разогрев камеры до заданной температуры, выход на установившийся режим и поддержание заданной температуры. Измерения в каждом эксперименте производились в течении времени до 35 минут, после каждого эксперимента камера охлаждалась до температуры 30 С. После проведения экспериментов были получены данные, представленные в таблице 3. Кривые изменения температуры от времени показаны на рисунке 3.8.
По полученным дынным видно, что из-за инерционности системы автоматики и того, что мощность ТЭНов выбрана с большим запасом, при выходе на установившийся режим происходит значительное перегревание среды в камере. А так же заметны значительные колебания температуры при работе в стационарном режиме. Из-за того, что в первоначальный момент времени ТЭНы включены постоянно, нагрев рабочей камеры происходит за минимальное время. Вследствие чего данный метод регулирования температуры обладает наибольшим быстродействием при нагреве. При работе на низких температурах, в частности при 80 С, из-за сильного перегрева и хорошей тепловой изоляции, камера очень долго находится в перегретом состоянии, что недопустимо, т.к. фактически температурный режим приготовления продуктов будет в значительной степени отличаться от заданного. Кроме того, перегрев камеры выше заданной температуры приводит к затрату лишней энергии. После троекратного повторения эксериментов было установлено, что вышеуказанные недостатки данного метода управления сохранились.
Все вышеуказанные замечания говорят о том, что данный метод управления в чистом виде не подходит для применения в пароконвектомате и требует доработок или применения других методов управления. Однако данная серия экспериментов позволяет получить предельные динамические характеристики системы нагрева камеры, так как при проведении этих экспериментов мощность нагревательных элементов не регулируется. Из полученных данных видно, что скорость изменения температуры практически во всем температурном диапазоне постоянна и составляет 20-25 С/мин, при этом интенсивность охлаждения камеры значительно отличается при разных температурах, например при температуре 250 С она составляет 5С/мин, а при 80 С около 1,5 С/мин. Такие данные позволяют предположить, что в реальном аппарате требуется установка специальных систем, обеспечивающих интенсификацию процесса охлаждения камеры при окончании работы или смене технологического режима.
Предложения по разработке системы управления технологическими процессами и рекомендации по использованию датчиков
Как уже отмечалось в первой главе диссертации основным преимуществом пароконвектоматов по сравнению с традиционными аппаратами является возможность контроля основных параметров греющей среды, позволяющая в автоматическом режиме создавать различные условия приготовления блюд в одном аппарате.
К основным параметрам греющей среды относятся температура, влажность и скорость перемещения греющей среды. Как показали исследования интенсивность происходящих тепло- и массообменных процессов в аппарате, качество получаемой продукции и эффективность тепловой обработки в наибольшей мере зависит именно от этих параметров (от скорости их изменения, точности поддержания заданных значений и распределения их по объему).
По проведенным вычислениям для щелевой камеры с противнями стандартного размера скорость перемещения греющей среды должна лежать в диапазоне 1-3 м/с. Такая скорость обеспечивает интенсивный процесс теплообмена при турбулентном режиме движения греющей среды и в результате приводит к получению равномерного распределения температурных полей внутри аппарата, что в свою очередь позволяет увеличить загрузку и тем самым повысить производительность, снижая себестоимость производимой продукции. Конкретные параметры системы перемещения греющей среды (размеры вентилятора, скорость вращения, габаритные размеры каналов, через которые проходит греющая среда, конфигурация системы обеспечивающей циркуляцию греющей среды) в большей мере будут зависеть от конструкции реального аппарата.
Требования по температурным и влажностным режимам определяются двумя составляющими: требуемой технологией приготовления продуктов, обеспечивающей правильный процесс тепловой обработки; данными, полученными в результате анализа математической модели и проведенным экспериментам, позволяющими установить тенденцию влияния основных параметров греющей среды на интенсивность процессов тепло- и массообмена, и позволяющими обеспечить эффективный процесс тепловой обработки.
Как наиболее типичные примеры, показывающие требования по изменению температуры и влажности в камере, рассмотрим технологию приготовления мясных изделий и приготовления изделий из птицы, обеспечивающую эффективный процесс тепловой обработки как с точки зрения интенсификации процессов тепло- и массообмена, так и с точки зрения обеспечения минимальных потерь массы продукта.
На Рис. 4.1 показаны графики изменения температуры и влажности для приготовления мясных изделий из свинины.
На этапе I ведется прогрев камеры до температуры 220-К260 С, при этом идет прогрев поверхностного слоя продукта. Прогрев продолжается до температуры кипения жидкости в поверхностном слое, затем на этапе II происходит испарение влаги из поверхностного слоя, температура камеры поддерживается постоянной, увлажнение в камеру не подается, лишняя влага отводится.
На этапе III происходит прогрев поверхностного слоя выше температуры кипения воды, на поверхности продукта образуется корочка, препятствующая в дальнейшем испарению влаги из внутренних слоев продукта, снижая тем самым потери массы продукта.
После обработки поверхности продукта необходимо быстро остудить камеру, не дав перегреться поверхностным слоям, и обеспечить интенсивный прогрев внутренних слоев, обеспечивающий кулинарную готовность и необходимый пастеризационный эффект -этап IV. Для этого температура в камере снижается до 80-И 20 С, уровень влажности поднимается до уровня 50- 80 %, обеспечивающего интенсивный процесс теплообмена и в тоже время не приводящего к размоканию корочки на поверхности. Такой процесс приготовления обеспечивает максимальный выход продукта при минимальном времени приготовления.
Следует заметить, что если на этапе II вести термообработку так же как и для мяса, то тепловое сопротивление кожи после испарения из неё влаги значительно возрастет, что существенно замедлит процесс теплообмена на последующих этапах, по этой причине обработка поверхностных слоев ведется на заключительных этапах.
Как следует из приведенных примеров в подобных аппаратах требуется контроль температуры и влажности в широких пределах. Кроме того аппарат должен обеспечивать как режимы быстрого набора и снижения температуры, так и режимы, обеспечивающие снижение и повышение влажности в камере,
Нагрев камеры, как правило, обеспечивается электрическими нагревателями, ввиду большей доступности и безопасности электрической энергии по сравнению например с газом. Охлаждение камеры может быть обеспечено за счет отвода греющей среды из камеры, кроме того в режимах, где при охлаждении допускается повышение влажности, интенсификация процесса снижения температуры может быть достигнута за счет впрыска в камеру воды.
