автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса обработки пищевых продуктов в пароконвектоматах

На правах рукописи.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ПАРОКОНВЕКТОМАТАХ

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре торгово-технологического оборудования в Российской экономической академии им. Г. В. Плеханова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор К.И. Тарасов

доктор технических наук, профессор Л.С. Кудряшов

доктор технических наук, профессор А.И. Мглинец

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова

Зашита состоится «2» декабря 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.196.07 при Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова по адресу 115998, Москва, Стремянный пер., д.36, кор.2, ауд. 128. тел.237-94-97.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российской экономической академии имени Г.В. Плеханова.

Автореферат разослан «1» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д. т. н., профессор Л.Г. Елисеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Значительный рост числа предприятий общественного питания, наметившийся в последнее время, привел к повышению спроса на технологическое оборудование, применяемое для тепловой обработки пищевых продуктов.

Среди существующего оборудования предпочтение отдается оборудованию, максимально отвечающему требованиям современной кухни:

• Быстрая окупаемость

• Универсальность

• Высокая степень автоматизации

• Минимальные габариты

• Экономичность

По этой причине всё большее распространение получают аппараты с регулируемой паро-воздушной средой (пароконвектоматы), максимально удовлетворяющие всем вышеуказанным 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.

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 специалистам.

В связи с этим важной задачей является изучение режимов термообработки продуктов и исследование их влияния на интенсивность процессов тепло- и массообмена, и требует разработки способов контроля и регулирования параметров греющей среды для пароконвектоматов.

РОС. НЛЦИОНЛЛЬЯНЯ БИБЛИОТЕКА С Петербург ллл 08

Цель и задачи исследования:

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса обработки продуктов, на основе разработанных методов контроля параметров греющей среды и режимов процессов тепловой обработки в аппаратах с регулируемой греющей средой.

Для достижения поставленной цели предполагалось решение следующих задач:

• провести анализ оборудования и технологических режимов, применяемых для тепловой обработки продуктов на предприятиях общественного питания, с целью определения температурных и влажностных режимов, обеспечивающих эффективный процесс тепловой обработки;

• выполнить аналитические исследования тепло- и массообменных процессов в аппаратах с регулируемой средой для определения требований к режимам процесса тепловой обработки;

• провести анализ и выбор датчиков и методов управления параметрами греющей среды, позволяющих обеспечивать требуемые режимы работы аппарата;

• провести экспериментальное исследование выбранных датчиков и методов управления температурой и влажностью, с целью оценки целесообразности их использования для регулирования параметров греющей среды во всем рабочем диапазоне;

• показать эффективность применения полученной системы управления на образцах продукта.

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. Апробация работы:

Основные положения и результаты исследования доложены и обсуждены на научно-практической конференции «Плехановские чтения» (г. Москва 2002 г.) Публикации:

По результатам исследований опубликованы 3 печатные работы, общим объемом 0,4 п.л.

Структура и объем работы:

Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 36 рисунков, библиография включает 90 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

Первая глава посвящена исследованию состояния обработки пищевых продуктов в аппаратах с регулируемыми параметрами греющей среды. Основой теоретических и экспериментальных иследований послужили работы Белобородова В.В., Ботова М.И., Вороненко Б.А.,

Вышелесского А.Н., Липатова Н.Н. (ст.), Мглинца А.И., Ратушного А.С., Тарасова К.И. и др.

Дан обзор традиционно используемого оборудования и описание основных тепловых кулинарных процессов, применяемых в настоящее время. Приведен сравнительный анализ оборудования и аппаратов, в которых происходит регулирование параметров паро-воздушной греющей среды (пароконвектоматов). Рассмотрены режимы работы, дана основная характеристика кулинарных процессов. Представлены данные о факторах, влияющих на качество обработки продуктов, в результате чего доказано влияние температуры, влажности и скорости циркуляции греющей среды на основные показатели качества получаемой после термической обработки продукции. Таким образом, установлена целесообразность проведения исследования в области обработки продуктов в таких устройствах и исследования методов контроля параметров паро-воздушной греющей среды. В конце главы сформулированы цели и задачи исследования.

Разработана программа и схема проведения исследований, представленная на рисунке 1.

Во второй главе проведен аналитический обзор методик и методов исследований режимов термической обработки продуктов в пароконвектомате. Получена математическая модель процессов тепло- и массообмена.

На основе критериев теплового подобия определены необходимые диапазоны изменения скорости движения греющей среды для обеспечения интенсификации процесса теплообмена.

Показано, что расчет процесса нагрева аппарата сводится к решению уравнения вида:

х (1 - ехр(-ают>п,р 2 г) + ехр(-а сот,п,р 2 г)/( !„ -¡М (1)

Приведены общие выражения для рассчета процесса тепло- и массообмена в аппарате с продуктом.

Рис.1. Схема проведения исследований

Однако сложность решаемой задачи и допущения, принятые в ходе проведения расчетов, указывают на необходимость проведения экспериментальных исследований в данной области с целью уточнения влияния отдельных факторов на характер процессов тепло- и массообмена.

На основе требований к режимам приготовления различных блюд определены требуемые параметры системы управления. Основная рабочая область представлена на рисунке 2. Из графика следует, что рабочий температурный диапазон для большинства режимов работы пароконвектомата находится в диапазоне от 70 до 300 °С. Приведенные данные о требуемой влажности свидетельствуют о том, что её регулирование во всем диапазоне требуется только в диапазоне температур от 70 до 200 °С, в диапазоне температур от 200 до 300°С, регулирование влажности технологически не требуется, или процесс термообработки ведется при её минимальном значении.

100 90 ^ 80

Л1 70 ё 60 о 50

10 О

0 50 100 150 200 250 300 Температура, «С

Рис. 2. Режимы термообработки продуктов, в соответствии с технологией приготовления

С учетом данных по режимам работы пароконвектомата и математической модели процессов теплообмена проведен анализ датчиков температуры и влажности, выпускаемых в настоящее время, и изучены методы управления температурой и влажностью греющей среды. По результатам анализа выбран датчик влажности емкостного типа, работающий в диапазоне температур от -50 до

180 °С. Для того, чтобы датчик мог использоваться во всем диапазоне (от 0 до 300 °С), греющая среда, поступающая к датчику, охлаждается (рисунок 3).

Часть основного потока отделяется и пропускается через канал, стенки которого не покрыты теплоизоляцией, на входе в канал установлена заслонка, позволяющая регулировать поток воздуха, что дает возможность получить необходимый режим охлаждения. Проходя через канал среда охлаждается с температуры Т1, до температуры Т2. В зоне с температурой Т2 установлены датчики температуры и влажности.

Датчики То с

температуры аддааадажж и влажности ТТТТтТТТТТ

Рис.3. Предлагаемая схема охлаждения датчика влажности

Для максимальной точности измерения влажности положение заслонки должно меняться таким образом, чтобы до тех пор, пока температура в камере ниже предельной рабочей температуры датчика интенсивность охлаждения была

минимальной, т.е. разность температур Т1-Т2, была равна нулю. А при Т1 большей, чем максимально допустимая температура датчика Т2 меньше или равна максимально

допустимой температуре датчика, как показано на рисунке 4.

Таким образом, решена задача определения влажности паро-воздушной среды при температурах до 300 °С.

Кроме того, во второй главе рассмотрены основные способы воздействия на температуру и влажность греющей среды. Описаны их основные достоинства и недостатки.

о1 I 11 . !— 1111

40 60 80 100120140160 180200 220 240 260 280 300 Температура в камере, *С

Рис.4. Идеализированный график изменения температуры датчика влажности.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных по выбранной методике. Дано описание экспериментальной установки, описана конструкция основных узлов и дано подробное описание системы управления. Функциональная схема экспериментальной установки показана на рисунке 5.

Конструкция установки соответствует требованиям, сформулированным во второй главе на основе технологии приготовления и математической модели процессов тепло- и массообмена. Для упрощения процесса исследования геометрические параметры рабочей камеры таковы, что в центральной её зоне создается рабочий поток с максимально равномерным распределением контролируемых параметров: температура, влажность, скорость движения греющей среды.

Внутренний объем (2) рабочей камеры, ограниченный перегородками (1), имеет габариты 400x370x360 мм, мощность ТЭНов (7) составляет 4,5 кВт. Вода для увлажнения впрыскивается на крыльчатку вентилятора (3) через форсунку (4), расположенную в верхней части камеры. Капли воды попадают на крыльчатку, разбиваются, переходят в мелкодисперсную фазу, увлекаются потоками воздуха в область ТЭНов, где перегреваются, превращаются в пар и далее поступают в рабочую зону. Подача воды к форсунке происходит от бака, с помощью центробежного насоса, управление питанием насоса осуществляет система управления камерой. Внутри камеры установлены датчики для

измерения температуры греющей среды (Ткам) и температуры внутри продукта (Тпрод).

1 - внутренние перегородки б - потоки воздуха

2 - рабочее пространство пароконвектомата 7 - ТЭНы (3 шт.)

3 * крыльчатка вентилятора 8 * управляющая часть (блок управления,

4 - форсунка для впрыска воды пускатели, двигатель, насос и т.д.)

5 - датчики температуры и влажности 9 - заслонка системы охлаждения

10 - клапан для снижения влажности в камере

Рис. 5. Функциональная схема установки для проведения экспериментов.

Центральный блок системы управления построен на базе специализированного микроконтроллера MSP430F149IPM, выпускаемого фирмой Texas Instruments. Микроконтроллер производит обработку всех данных, поступающих от датчиков и органов управления, выводит основные параметры работы на буквенно-цифровой жидкокристаллический дисплей и цифровые табло, выдает сигналы управления на исполнительные устройства.

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 1.

Таблица 1.

Зависимость скорости движения воздуха врабочем объеме аппарата, от напряжения питания вентилятора.

U пит, В

40

80

120

Частота

-1

вращения, с

110

215

310

Скорость перемещения среды, м/с

1

2

3

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 160 °С. Полученные графики изменения температуры от времени показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Графики изменения температуры в камере при различных скоростях обдува.

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 скорости с 2 до 3 м/с практически не изменилось. По этой причине все дальнейшие эксперименты проводились при скорости движения воздушной среды 2 м/с.

Первая серия экспериментов проводилась с целью получения стабильных температурных режимов, необходимых для проведения последующих исследований.

Эксперименты по отработке температурных режимов проводились по следующей схеме: скорость вращения вентилятора на протяжении всех экспериментов оставалась неизменной и соответствовала скорости перемещения греющей среды, равной 2 м/с. Вначале каждого эксперимента камера охлаждалась до температуры окружающей среды (от 25 до 30 °С). На регуляторе устанавливалась требуемая температура, затем запускался процесс её регулирования. Во время процесса регулирования измерялась и фиксировалась температура в центральной области камеры. В результате получены характеристики выхода на заданный режим и поддержания заданной температуры. Исследования проведены в три этапа, сначала были сняты характеристики для нескольких температур, при позиционном управлении с одной ступенью мощности ТЭНов, затем было применено ступенчатое управление мощностью ТЭНов (соотношение мощностей 1:3). Оба способа оказались непригодны для управления пароконвективной средой по следующим причинам:

• максимальное перерегулирование при выходе на установившийся режим составило 20-30°С;

• в системе бесступенчатого управления мощностью ТЭНов колебания температуры в статическом режиме достигали 12 °С;

• при ступенчатом управлении мощностью ТЭНов появилась значительная инерционность отработки возмущающих воздействий (отклонения температуры достигали 30 °С). Для устранения указанных недостатков было предложено

использовать метод управления температурой, не применявшийся ранее для управления температурой в оборудовании для

предприятий общественного питания. Для повышения точности управления в позиционный метод управления внесена корректировка на инерционность системы. Для этого к значению измеренной температуры добавлена поправка, компенсирующая инерционность системы:

, где Теркин - температура, которая сравнивается с заданной, °С;

Тизм - измеренная температура, °С;

¿Ттм

скорость изменения температуры в данный момент

(¡Т

времени, 0С/с;

компенсируемое время запаздывания, с.

Компенсируемое время запаздывания может быть достаточно просто определено экспериментальным путем для любой системы. Для этого следует включить ТЭНы на полную мощность, нагреть среду в камере до заданной температуры, отключить ТЭНы. Затем отслеживать время, в течении которого температура в камере продолжает повышаться. Время в течении которого температура продолжает расти, после выхода на заданный уровень, и есть компенсируемое время запаздывания

Исследования показали, что увеличение компенсируемого времени запаздывания (в определенных пределах) ведет к уменьшению колебаний температуры в статическом режиме, однако при этом увеличивается время выхода на установившийся режим. Уменьшение Дг ведет к уменьшению времени выхода на установившийся режим, но при этом увеличиваются колебания температуры в статике. Зная эти зависимости можно корректировать значение времени запаздывания, полученное экспериментальным путем и таким образом добиваться оптимального соотношения скорости отработки задания и точности поддержания температуры в статическом режиме.

Сравнительная характеристика трех методов регулирования температуры показана в виде графика изменения температуры от времени на рисунке 7.

Рис.7. График изменения температуры при трех различных методах управления.

Как видно из графиков последний метод регулирования температуры (с компенсацией времени запаздывания Дх=2 мин) выгодно отличается от двух предыдущих, скорость прогрева практически не изменилась, но максимальное перерегулирование значительно снизилось и стало сравнимо с колебаниями температуры в статическом режиме, колебания температуры в статическом режиме так же сократились. Кроме того, в отличие от регулирования температуры с регулированием мощности ТЭНов, в третьем методе за счет включения ТЭНов на полную мощность, система быстрее реагирует на возмущающие воздействия, таких как например впрыск воды в камеру для увлажнения.

Кривые регулирования температуры во всем рабочем диапазоне приведены на рисунке 8.

Рис.8. Кривые регулирования температуры во всем рабочем диапазоне.

Результаты испытаний позволяют сделать выводы, что данный метод управления температурой позволяет управлять температурой греющей среды в пароконвектомате со следующими характеристиками:

• диапазон регулирования температуры: 30-300 °С;

• максимальная погрешность поддержания температуры ±4°С;

• максимальное перерегулирование не более 5°С;

• максимальное время выхода на установившийся режим 15 минут.

Эти данные говорят о том, что полученная система управления температурой удовлетворяет необходимым требованиям и может быть использована для дальнейших исследований.

Следующая серия экспериментов посвящена исследованию температурно-влажностных режимов работы.

Для испытаний датчика влажности первоначально были проведены испытания системы охлаждения. Для этого камера выводилась на установившиеся режимы в диапазоне температур от

30 до 300 °С, затем измерялась температура воздуха внутри контура охлаждения. Графическая зависимость температуры датчика влажности от температуры в рабочей камере показана на рисунке 9. Температура датчика влажности принималась равной температуре воздуха в непосредственной близости (2-3 мм) от его поверхности.

О 50 100 150 200 250 300 Температура в камере, "С

Рис.9. Зависимость изменения температуры датчика влажности от температуры в камере (1- реальный график, 2-идеализированны й)

Из графика видно, что реальная температура воздуха после охлаждения не превышает допустимых пределов.

Для испытания датчика влажности, второй датчик влажности, по конструкции аналогичный первому, был установлен внутри рабочего объема камеры. Камера выводилась на заданный температурный режим работы от 70 до 180 °С. После выхода на установившийся режим влажность в камере постепенно повышалась от 20 до 95%, при этом фиксировались показания датчика, установленного в рабочем объеме (1), и датчика, работающего с охлаждением (2). Результат испытаний показан на рисунке 10 в виде графиков зависимости показаний датчика влажности с охлаждением от показаний датчика в рабочем объеме, при разных температурах.

Испытания показали, что датчик влажности с охлаждением работает в указанном диапазоне температур, абсолютная

погрешность измерения в диапазоне испытаний составила не более 5%, относительно тестового датчика. Это говорит о том, что система измерения влажности с охлаждаемым емкостным датчиком может применяться для измерения и регулирования влажности в пароконвектоматах.

Анализ результатов, приведенных на рисунке 10, показывает, что при увеличении разности температур в камере и в системе охлаждения показания датчиков влажности начинают расходиться. При этом наибольшее расхождение проявляется в области значений влажности, близких к 100%, где влажность среды приближается к точке насыщения. Максимальное расхождение наблюдается, при температуре в камере 180 °С (влажности 95%), и температуре в системе охлаждения 138 °С и составляет 5%.

Рис.10. Сравнительные результаты испытаний датчиков влажности.

Экспериментальные данные также показывают, что при значениях влажности меньше 60% погрешность в показаниях датчиков практически отсутствует. А так как в диапазоне температур выше 200 °С, измерение влажности либо не требуется, либо влажность необходимо измерять до 30%, то данный способ измерения может быть использован во всем рабочем диапазоне температур пароконвектомата.

Кроме того, исследован еще один способ косвенного определения влажности.

Экспериментально установлено, что температура среды в системе охлаждения также меняется в зависимости от влажности в рабочей камере. При температурах среды в рабочей камере близких к 180 °С, температура в системе охлаждения менялась в пределах 18-20 °С, при низких температурах это изменение уменьшалось до 8-10 °С.

Указанное изменение температуры прежде всего связано с тем, что влажный воздух отдает в систему охлаждения больше энергии за счет конденсации воды на стенках радиатора и отдачи скрытой теплоты парообразования, точно так же как это происходит при передачи теплоты в продукт, описанной в главе 1.

Отсюда следует, что содержание пара в греющей среде так же может быть определено по температуре внутри системы охлаждения.

Для выявления зависимости перепада температур между камерой и охладителем от влажности проведена серия экспериментов для того, чтобы получить обратную зависимость и следовательно новый способ измерения влажности, работающий во всем диапазоне температур и состоящий из элементов, способных работать при температурах до 300 °С.

Эксперименты проводились по следующей схеме.

При постоянной скорости циркуляции греющей среды камера выводилась на заданный температурный режим, после этого постепенно повышалась влажность в камере путем впрыска воды, затем влажность постепенно понижалась путем подачи сухого воздуха и отвода влажного, фиксировалась разность температур в камере и охладителе, соответствующая каждому значению влажности при данной температуре.

Зависимость разности температур от влажности в камере при различных температурах камеры показана на рисунке 11.

90

I —^-1во -с'

8-о 60

I•

о

80

70

О

О

20

40

60

80

100|

Влажность, %

Рис.11. Зависимостьразности температур в камере и охладителе от влажности.

Как видно из графиков, разность температур действительно связана с влажностью, а следовательно и может быть использована, для контроля влажности. Кроме того, экспериментальные исследования показали корреляцию разности температур со скоростью циркуляции среды и температурой окружающей среды, что несомненно должно быть учтено при создании промышленной системы управления на базе предложенного датчика влажности.

Основные преимущества такого датчика перед емкостным датчиком с охлаждением следующие: простота конструкции, надежность, возможность измерения влажности выше 30%, при температурах больше 180 °С. Основные недостатки: необходимость учета дополнительных факторов (скорость циркуляции воздуха, температура окружающей среды), зависимость показаний от конструкции охладителя.

Используя разработанные методы измерения влажности была проведена серия экспериментов по регулированию влажности. Исследования проводились по следующей схеме: камера выводилась на заданный температурный режим, устанавливалось различное значение влажности в камере,

фиксировались изменения показаний датчиков влажности во времени. Для регулирования влажности применялся позиционный метод регулирования.

Первая серия экспериментов показала, что при низких температурах (до 90 °С), происходит сильное перерегулирование влажности в камере, связанное с низкой влагоудерживающей способностью воздуха. При снижении интенсивности подачи воды сильно замедлились процессы выхода на заданный уровень при высоких температурах (выше 150 °С). Для устранения этих недостатков введено регулирование интенсивности подачи воды в камеру в зависимости от температуры. Интенсивность подачи плавно менялась от 30% при температуре в камере 30 °С, до 100%, при температуре в камере 150 °С, интенсивность подачи воды при температурах выше 150 °С постоянна и составляет 100%. Разработанная система управления позволила регулировать влажность во всем диапазоне с точностью 5%.

Для обоснования эффективности применения разработанной системы управления для тепловой обработки продуктов проведена серия экспериментов с продуктом.

Куски свиной вырезки массой 180±5 г (размерами 30x60x70 мм) помещались в рабочую камеру, внутри кусков устанавливались датчики, измеряющие температуру на поверхности и в центре куска, термообработка проводилась при разных значениях влажности и температуры, и велась до достижения температуры в центре куска, равной 72 °С, по результатам определялась продолжительность обработки и потери массы.

Режимы, при которых производилась термообработка, показаны в таблице 2.

Таблица 2.

Температура, °С Влажность, % Скорость, м/с

1 100 100 2

2 160 не регулируется (20%) 2

3 160 80 2

4 160 80 3

Полученные в результате экспериментов характеристики процесса тепловой обработки представлены в таблице 3.

Графики изменения температуры в центральной части продукта от времени показаны на рисунке 12.

Рис.12. Графики изменения температуры в продукте при разных режимахтермообработки

Из полученных данных видно, что при повышении температуры термообработки со 100 до 160 °С (сравниваются режимы 1 и 3) продолжительность термообработки при более высокой температуре снизилась на 6 минут, что составляет около 25%. Если сравнивать режимы с регулированием влажности и без регулирования при температуре 160 °С (реж. 2 и 3), время термообработки снизилось на 9 минут, что составляет около 33%. Повышение скорости движения воздушной среды с 2 до 3 м/с (реж 3 и 4) ускорило процесс термообработки на 1 минуту.

Потери массы при всех режимах термообработки примерно одинаковы и составляют около 20% (разброс прежде всего связан с неоднородностью исходного сырья). Для сравнения, по литературным данным, при классических методах термообработки свинины в крупных кусках потери массы составляют 30-40%.

При использовании режимов 3 и 4, наблюдается больший нагрев поверхностных слоев продукта чем при режимах 1 и 2, но

несмотря на это продукт не нагревается выше температуры 100 °С, что исключает перегрев поверхности продукта. __Таблица 3.

Номер режима

1 2 3 4

Продол жител ьность термообработки, мин 24 27 18 17

Потери массы в продукте, % 17,5 17,3 17,4 17,2

Максимальная температура поверхности продукта, °С 89 87 96 99

Максимальный перепад температуры в продукте, °С 40 30 53 55

В четвертой главе даны рекомендации по разработке аппаратов с регулируемыми параметрами греющей среды. Даны рекомендации по конструкции аппарата, по использованию датчиков влажности и принципам построения системы управления.

Предложенная функциональная схема приведена на рисунке 13. В состав схемы входят следующие модули: корпус, система управления, датчики температуры и влажности, центробежный вентилятор, нагревательные элементы, система увлажнения и осушения воздуха, клапаны для переключения потоков воды и воздуха, блок управления, который осуществляет управление всеми исполнительными устройствами, а так же анализирует сигналы, поступающие с датчиков.

Применение данной схемы вместе с методами измерения и контроля температуры и влажности, исследованными в третьей главе, позволяет повысить эффективность обработки продуктов.

Рис. 13. Функциональная схема пароконвектомата.

В заключении обобщены основные результаты, полученные при проведении исследований, и сделаны выводы по целесообразности проведения и направлении дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен аналитический анализ аппаратов и основных режимов используемых в тепловом оборудовании предприятий общественного питания. Анализ показывает необходимость регулирования температуры и влажности греющей среды на различных этапах тепловой обработки. Регулирование влажности во всем диапазоне от 0 до 100% требуется в диапазоне температур от 70 до 200 °С. В диапазоне температур от 200 до 300 °С регулирование влажности не требуется или требуется в ограниченных пределах (до 30 %).

2. Проведены теоретические исследования процессов тепло-и массообмена в аппаратах с регулируемой средой, в результате чего с учетом требований к режимам термообработки подобраны датчики и разработана конструкция экспериментального стенда. На основе анализа предложено использование емкостного датчика влажности с системой охлаждения.

3. Проведены исследования температурных и влажностных режимов экспериментальной установки, опробованы различные способы измерения и регулирования основных контролируемых параметров. Получена работоспособная система управления для аппаратов с регулируемой паровоздушной греющей средой, позволяющая регулировать температуру в диапазоне от 70 до 300 °С, с точностью 5 °С и влажность в диапазоне от 20 до 100 %. Эти данные позволили сделать вывод о возможности использования предложенной системы управления для пароконвектоматов.

4. Проведена серия экспериментов с продуктом. Экспериментальные исследования показали эффективность применения подобных устройств на предприятиях общественного питания. Полученные данные указывают на повышение интенсивности теплообменных процессов при повышении влажности и увеличении скорости движения греющей среды. Потери массы продукта составили не более 20 %, что в 1,5 раза меньше, чем при традиционных способах тепловой обработки.

5. С учетом полученных данных предложена функциональная схема аппарата с регулируемой греющей средой, даны рекомендации по созданию системы управления и использованию датчиков температуры и влажности.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Захаров А.А, Тарасов К.И., Захаров А.Н.. Приборы для контроля параметров технологических процессов. //Мясная индустрия. - 2001 - № 1. 0,2 п'л. (лично автором 0,12 п.л.)

2. Захаров А.А., Тарасов К.И., Ботов М.И. Проблемы повышения эффективности процесса обработки продуктов в пароконвектоматах. Пятнадцатые международные плехановские чтения. Тезисы докладов профессорско-преподавательского состава. - М: Издательство Российской экономической академии имени Г.В. Плеханова, 2002. - 0,06 п.л. (лично автором 0,04 п.л.)

3. Захаров А.А. Подходы к разработке универсального аппарата для обработки кулинарных изделий. Экономика и технология: Межвузовский сборник научных трудов. Вып 14. - М.: Изд-во Рос. экон. акад., 2002. - 0,15 п.л.

Тираж 100 экз. Зак. 208

0 0 0 «Полиграфсервис» 109316 Москва, ул. Талалихина, 26

»208 0 3

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Характеристика тепловых кулинарных процессов и теплового оборудования.

1.2. Влияние параметров греющей среды на состав продукта

1.3. Пароконвектомат, как универсальный аппарат для ведения кулинарных процессов.

1.4. Цели и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРОКОНВЕКТОМАТА

2.1. Математическое моделирование тепло- и массообменных процессов в пароконвектомате

2.2. Определение требуемых режимов работы пароконвектомата

2.3. Обзор методов измерения температуры

2.4. Обзор методов управления температурными режимами

2.5. Обзор методов измерения влажности

2.6. Обзор методов управления влажностью h ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАРОВОЗДУШНОЙ ГРЕЮЩЕЙ СРЕДЫ.

3.1. Лабораторный стенд для исследования процессов обработки пищевых продуктов в пароконвектомате

3.2. Описание системы управления экспериментального сткнда

3.3. Исследование термодинамических процессов экспериментальной установки

3.4. Экспериментальное исследование методов контроля влажности

3.5. Экспериментальное исследование процесса термообработки продукта

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПАРОКОНВЕКТОМАТА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ

4.1. Функциональная схема аппарата

4.2. Предложения по разработке системы управления технологическими процессами и рекомендации по использованию датчиков

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.

Основные результаты и выводы

1. Проведен аналитический анализ аппаратов и основных режимов, используемых в тепловом оборудовании предприятий общественного питания. Анализ показывает необходимость регулирования температуры и влажности греющей среды на различных этапах тепловой обработки. Регулирование влажности во всем диапазоне от 0 до 100% требуется в диапазоне температур от 70 до 200 °С. В диапазоне температур от 200 до 300 °С регулирование влажности не требуется или требуется в ограниченных пределах (до 30 %).

2. Проведены теоретические исследования процессов тепло- и массообмена в аппаратах с регулируемой средой, в результате чего с учетом требований к режимам термообработки подобраны датчики и разработана конструкция экспериментального стенда. На основе анализа предложено использование емкостного датчика влажности с системой охлаждения.

3. Проведены исследования температурных и влажностных режимов экспериментальной установки, опробованы различные способы измерения и регулирования основных контролируемых параметров. Получена работоспособная система управления для аппаратов с регулируемой паро-воздушной греющей средой, позволяющая регулировать температуру в диапазоне от 70 до 300 °С, с точностью 5 °С и влажность в диапазоне от 20 до 100 %. Эти данные позволили сделать вывод о возможности использования предложенной системы управления для пароконвектоматов.

4. Проведена серия экспериментов с продуктом. Экспериментальные исследования показали эффективность применения подобных устройств на предприятиях общественного питания. Полученные данные указывают на повышение интенсивности

129 теплообменных процессов при повышении влажности и увеличении скорости движения греющей среды. Потери массы продукта составили не более 20 %, что в 1,5 раза меньше, чем при традиционных способах тепловой обработки.

5. С учетом полученных данных предложена функциональная схема аппарата с регулируемой греющей средой, даны рекомендации по созданию системы управления и использованию датчиков температуры и влажности.

Заключение.

1. Липатов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств: Учеб.для студ. вузов, обуч. по спец. 1011 «Технология и организация обществ, питания». М.: Экономика, 1987. - 272 с.

2. Липатов Н.Н., Ботов М.И., Муратов Ю.Р. Тепловое оборудованиепредприятий общественного питания. -М.:Колос, 1994. 431 с.

3. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевыхпроизводств. -М.: Агропромиздат, 1991. 432 с.

4. Золин В.П. Технологическое оборудование предприятийобщественного питания: Учеб. для нач. проф. образования. М.: ИРПО; Изд. центр «Академия», 1998. - 256 с.

5. Вышелесский А.Н. Тепловое оборудование предприятийобщественного питания. Учебник для технол. фак. торг. вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М., «Экономика», 1976. 399 с.

6. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств:

7. Учебник для средних специальных учебных заведений. -М.-.Колос, 1999.-335 с.

8. Бабакин Б.С., Тихонов Б.С., Юрчинский Ю.М. Совершенствованиехолодильной техники и технологии. М.: Тип. ЦНИИТЭИтяжмаш, 1993.- 175 с.

9. Техническая термодинамика. Под ред. Крутова В.И. Учебник длявтузов. М., «Высш. школа», 1971. 472 с.

10. Химический состав пищевых продуктов. Справочные таблицысодржания аминокислот, жирных кислот, витаминов, макро и микроэлементов, органических кислот и углеводов. Редактор Якубович Е.И. - М.: «Пищевая промышленность», 1979. - 247 с.

11. Сборник технологических нормативов: Сборник рецептур блюд икулинарных изделий для предприятий общественного питания. Редактор Турчинова B.C. М.: ТОО «Пчелка», 1994. - 616 с.

12. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: «Высш. школа», 1973. 359 с.

13. Справочник технолога общественного питания/ А.И. Мглинец,

14. Г.Н.Ловачева, Л.М. Алешина и др. М.: Колос, 2000. - 416 с.

15. Захаров А.А. Подходы к разработке универсального аппарата дляобработки кулинарных изделий. Экономика и технология: Межвузовский сборник научных трудов. Вып 14. М.: Изд-во Рос. экон. акад., 2002. - 220 с.

16. А.В Лыков. «Теория теплопроводности», М., Гостехтеориздат,1952.

17. М.А. Михеев, И.М. Михеева. «Основы теплопередачи», М., Энергия, 1973.

18. В.Е. Куцакова, А.Н. Богатырев «Интенсификация тепло- и масообмена при сушке пищевых продуктов», М., Агропромиздат, 1987.

19. Пароконвектомат новые возможности старой кухни, Дмитрий Тихомиров. Эксперт, №9, сентябрь 2001.

20. Как в русской печи. номер 4(38).

21. Оборудование для ресторанов, баров, профессиональных кухонь: пароконвектоматы Unox. Торговое оборудование в России, №1, январь 2001.

22. Конструкция современных пароконвектоматов, М.И. Ботов, С.В. Подольский. Пищевая промышленность №7, 1995.23. "Choosing a Humidity Sensor", Denes К. Roveti. Sensors July 2001.

23. Reliable humidity measurement at extreme temperatures. Special Demands in Bakery Applications. Vaisala news. 151/1999.

24. Козьмина Е.П. "Технология производства изделий из теста в общественном питании", "Экономика", М., 1969.

25. Козьмина Е.П. и др. "Технология производства продуктов общественного питания", "Экономика", М., 1975.

26. Козин Н.Н. "Товароведение пищевых жиров, молока и молочных продуктов", "Экономика", М., 1968.

27. Беляев М.И. Тепловые процессы и качество продукции в общественном питании. "Экономика", М., 1979.

28. Лыков А.В. "Кинетика и динамика процессов сушки иувлажнения", "Гизлегпром", "М.-Л.", 1938.

29. Лыков А.В. Тепломассообмен. -М.: Энергия, 1978. 480 с.

30. Покровский А.А. О биологической ценности продуктовпитания.

31. Вопросы питания, №3, 1975.

32. Покровский А.А., Ертанов И.Д. Атакуемость пищевых продуктовпротеолитическими ферментами. Вопросы питания, №3, 1965.

33. Липатов Н.Н. Принципы проектирования состава исовершенствование технологии многокомпонентных мясных и молочных продуктов, дисс. на соискание уч. ст. д.т.н., М., 1988.

34. Липатов Н.Н., Башкиров О.Н. Организмические подходы кформированию интегральных критериев оценки объектов пищевых производств, -Доклады РАСХН, Углич, 2002 г.

35. Лисицын А.Б., Тарасов К.И., Ботов М.И., Полуфабрикаты.

36. Проблемы и перспективы., М., ВНИИМП им В.М. Горбатова, 2001.

37. Минухин JI.A. Рассчеты сложных процессов тепло- и массообменав аппаратах пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1986.

38. Психрометрический измеритель влажности газопылевых потоков.

39. Подгорный Ю.В. Пирог В.П., Приборы и системы, управление, контроль, диагностика. №10. 2000.

40. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматическийконтроль и регулирование влажности. M.-JL: Энергия, 1965.39. ГОСТ 6651-94

41. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизирваные системыуправления технологическими процессами. Изд. 3-е перераб. и доп., Л.:Политехника, 1991. -269 с.

42. Фёдоров В.Г. Основы тепломассометрии. Киев: Высшая школа,1978.- 184 с.

43. Практикум по автоматике и системам управленияпроизводственными процессами. /Под ред.И.М.Масленникова. -М.:Химия, 1986.-335 с.

44. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Клюев С.А. Наладка средствавтоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие под ред. Клюева С.А. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 368 с.

45. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.- 599 с.

46. Бражников A.M. Определение величины возмущений,действующих на систему автоматического регулированиятемпературы «точки росы». Водоснабжение и санитарная техника, 1969, №7, с. 30-33.

47. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1964. 490 с.

48. Бражников A.M., Карпычев В.А., Пелеев А.И. Аналитическиеметоды исследования процессов термической обработки мясопродуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974. - 234 с.

49. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука,1968.-488 с.

50. Кирпичёв М.В., Михеев М.А., Энгельсон J1.C. Теплопередача.

51. M.-JL: Госэнергоиздат, 1940. 420 с.

52. Эккерст Э.Р. Введение в теорию тепло и массообмена. -М. -Л.:

53. Госэнергоиздат, 1957. -288 с.

54. Пелеев А.И. Определение длительности тепловой обработкимясопродуктов. Теплофизические основы процессов. Мясная индустрия СССР, 1963, № 6, с. 14-18.

55. Пелеев А.И. Основное уравнение тепловой обработкимясопродуктов. Теплофизические основы процессов. Мясная индустрия СССР, 1964, № 1, с. 45-49.

56. Пелеев А.И. Методы исследования тепловых аппаратов мяснойпромышленности с распределенными параметрами. Известия ВУЗов, Пищевая технология, 1967, № 6, с. 107-110.

57. Пелеев А.И., Бражников A.M. Тепло и массообмен притермической обработке мяса и мясопродуктов паровоздушной смесью. М.: ЦНИТИпищепром, 1965. - 62 с.

58. Беляев М.И., Винокуров Г.А., Черевко А.И. Производствополуфабрикатов для предприятий общественного питания. М.: Экономика, 1985.

59. Структурно-механические характеристики пищевыхпродуктов/Под ред. А.В. Горбатова. -М.: Агропромиздат, 1985.

60. Беляев М.И. Оборудование предприятий общественного питания,изд. «Экономика», 1990 г.

61. Федоткин И.М. Интенсификация теплообменных процессов ваппаратах пищевых производств. Автореферат диссертации доктора техн. Наук, Киев, 1969 г., 540 с.

62. Ананьев В.И. Исследование влияния режима тепловой обработкина качество запеченых мясопродуктов. Автореферат кандидатской диссертации. М.: ВНИИМП, 1974, 22с .

63. Сургуладзе P.M., Алгоритмы для управления процессами сушкинекоторых пищевых продуктов, сб. «Автоматизация процессов сушки в промышленности и сельском хозяйстве», М.: Машгиз, 1963.

64. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М.: Машгиз, 1957 г. -244с.

65. Михеев М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия,1973.-318 с.

66. Варгатик И.Б. Справочник о теплофизических свойствах газов ижидкостей. М.: Наука, 1972. -720 с.

67. Богачев М.К. и др. Механическое оборудование предприятийобщественного питания, изд. «Экономика», 1981 г.

68. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованиюпроцессов тепло- массообмена. -М.: Высшая школа, 1974, 328 с.

69. Кес В.М. Конвективный тепло и массообмен. М. Энергия, 1972.- 364 с.

70. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учебник длявузов. 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2002. - 302 с.

71. Кириллин В.А, Сычев В.В, Шейндлин А.Е. Техническаятермодинамика. Учебник для учащихся ВУЗов, 2-е изд. М.: Энергия, 1974.-488 с.

72. Вода в пищевых продуктах. Под ред. Дакуорта Р.Б. Пер. с англ.

73. М.: Пищевая промышленность, 1980. 376 с.

74. Чернеева Л.И. Исследование тепловых свойств пищевыхпродуктов. М. Пищепромиздат, 1971 г., 300 с.

75. Ивашов В.И. Влияние регулируемой среды на тепло имассоперенос в процессах пищевых производств. Диссертация доктора технических наук. М. 1980 г., 370 с.

76. The role of temperature and humidity Meat, 1967, № 4.

77. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.:

78. Высшая школа, 1967. -775 с.

79. Павленко В.Г., Гордеев О.И. Математические методы обработкиэкспериментальных данных. Новосибирск: 1972. - 137 с.

80. Карандеев К.Б., Специальные методы электрических измерений,1. Госэнергоиздат, 1963.

81. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.

82. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планированиеэксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.-279 с.

83. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованиюпроцессов тепло- и массообмена. М.: Высшая школа 1974. - 327 с.

84. Теоретические и практические основы развития процессов иаппаратов пищевых производств. Федоров Николай Евстигнеевич (1901-1974). «100 лет» Научные труды М.: МГУПБ, 2001. -149с.

85. Дорохин В.А. Тепловое оборудование предприятийобщественного питания. Киев: Вища школа, 1987. - 407 с.

86. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М. Энергия 1977 г.240 с.

87. Белобородов В.В., Гордон Л.И. Тепловое оборудованиепредприятий общественного питания. Учебн. Пособие для техн. Фак. Торг. вузов. - М.: Экономика, 1983. - 304 с.

88. Лазарев В.Г., Пийль Е.И. Синтез управляющих автоматов. Изд. 3-еперераб. и доп., М.: Энергоатомиздат, 1989. - 328 с.

89. Ботов М.И. Тапловое и механическое оборудование предприятийторговли и общественного питания: Учеб. для нач. проф. образования. М.: «Издательский центр «Академия», 2002 г.- 464 с.

90. Мглинец А.И., Ловачева Г.Н., Алешина Л.М. и др. Справочниктехнолога общественного питания. М.: Колос, 2000 г. - 416 с.

91. Сборник нормативных и технологических документов,регламентирующих производство кулинарной продукции, издание 2-ое с изменениями и дополнениями. IV часть. Под общ. ред. Лапшиной В.Т. М.: «Хлебпродинформ», 2003 г. - 672 с.

92. Сборник технологических нормативов. Сборник рецептур блюд икулинарных изделий для предприятий общественного питания. II часть. Под общ. ред. Лугля Н.А. М.: «Хлебпродинформ», 1997 г. - 560 с.

93. Сборник технологических нормативов. Сборник рецептур блюд икулинарных изделий диетического питания. Для предприятий общественного питания. Под общ. ред. Лапшиной В.Т. М.: «Хлебпродинформ», 2002 г. - 632 с.

94. Технологические инструкции по производству кондитерскихизделий. /Сост. Шиков В. А. М.: ОАО «Издательство «Экономика», 1999. -286 с.