автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука

005013690 На правах рукописи

Иванова Марина Александровна

Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука.

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

005013690

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент Антуфьев В.Т.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Алексеев Г.В.; кандидат технических наук, доцент Вавилов Б.К.

Ведущая организация: ФГБОУ ДПО «Санкт-Петербургский институт управления и пищевых технологий»

Защита диссертации состоится «//» ¿¿гусе+л-^С 2012г. в /4" часов на заседании диссертационного совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9. Тел./факс (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, tf^/ доктор технических наук, профессор B.C. Колодязная

¿7 f

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности выпечки является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое экономическое значение. Выпечка осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как стоимость и свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение. В настоящее время на долю процесса выпечки приходится 70% всех энергозатрат при производстве хлебобулочных изделий.

Относительно высокие потери энергии происходят из-за повышенных температур выпечки и соответственно, упека изделий. Кроме того упек увеличивается из-за принятой системы принудительной конвекции воздуха в пекарной камере.

Известные методы интенсификации теплообмена достигли своего предела и требуют применения новых эффектов. Анализ способов интенсификации теплообмена в других областях пищевой промышленности показывает, что особая роль отводится воздействию ультразвука.

В хлебопекарной промышленности применение ультразвука ограничено (например, при обработке зерна ультразвуком, в производстве сухарей, при создании водомасляных эмульсий для обработки форм перед выпечкой, при нарезке тортов и хлеба).

До настоящего времени научных работ по применению ультразвука для интенсификации процессов выпечки мелкоштучных булочных изделий не обнаружено. Влияние ультразвука на процесс теплообмена между тестовой заготовкой и газовой средой пекарной камеры, а так же влияние на удельные затраты не изучено и требует проведения исследований.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука и соответствующего аппаратурного оформления.

Для достижения поставленной цели определены основные задачи исследования:

-определить возможности модернизации хлебопекарных печей;

- предложить новые способы осуществления интенсификации процесса теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в хлебопекарной печи;

-провести теоретические исследования воздействия ультразвука на тесто в процессе выпечки;

- разработать математическую модель процесса выпечки при наложении ультразвука;

- создать экспериментальную установку и изготовить дополнительные устройства;

- провести эксперименты по выпечке готовых мелкоштучных хлебобулочных изделий по разработанной методике;

- получить экспериментальные зависимости динамики процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки при наложении поля ультразвука на него;

- разработать технические условия на хлебопекарную печь повышенной эффективности, существенно изменяющей темп и качество выпекаемого хлебобулочного изделия.

На защиту выносятся следующие научные положения:

• механизм интенсификации выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарной печи в зависимости от параметров работы воздушного генератора ультразвука;

• математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука;

• методика расчета пекарной камеры с встроенным воздушным генератором ультразвука;

• техническое решение конструкции хлебопекарной печи и вспомогательных устройств.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.

Определены характер процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки и скорости выпечки при наложении поля ультразвука.

Предложен способ выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарных печах с применением воздушного генератора ультразвука.

Предложено техническое решение интенсификации теплообмена между газовой средой и мелкоштучными булочными изделиями в хлебопекарной печи.

Практическая значимость. Разработан малозатратный метод интенсификации теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в пекарных камерах посредством наложения поля ультразвука.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена опытно-промышленная конструкция устройства, повышающего эффективность хлебопекарных печей.

Предложена методика расчета пекарной камеры с установленным в ней воздушным генератором ультразвука.

Производственная апробация работы осуществлялась на ПП №2 ОАО «Каравай» («Кушелевский хлебозавод») в 2011 г.

Результаты работы используются в учебном процессе для специальности «Машины и аппараты пищевых производств», для подготовки бакалавров по направлению: «Технологические машины и оборудование».

Материалы диссертации включены в рабочую программу повышения квалификации профессорско-преподавательского состава университета и других ВУЗов России «Вепольные технологии в пищевой промышленности».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета в 2009-2012 г. и межкафедральных семинарах СПбГУНиПТ(2009-2011 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликованы четыре работы, в том числе две статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Положительное решение по заявке на изобретение № 2011125204/13 от 26.09.2011.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и дополнительно включает 53 таблицы, 36 рисунков, 7 приложений. Библиографический список состоит из 87 наименований, в том числе 10 иностранных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость разработки теории к созданию устройств для интенсификации процессов выпечки при пониженных температурных режимах путем наложения ультразвуковых колебаний и оценки их воздействия на качество изделий.

Известно, что повышение температуры выпечки может привести к нежелательньм изменениям цвета, образованию веществ, имеющих неприятный запах и вкус, большим потерям пищевых веществ, особенно витаминов, снижению усвояемости белков, жиров, углеводов и др. Поэтому необходимо снижение температуры обработки, что возможно по нашему мнению, при ультразвуковой обработке изделий во время выпечки.

На данное время такие инновационные разработки для усовершенствования оборудования хлебопекарных предприятий не получили широкого распространения.

Проведён анализ существующих методов выпечки и предложены способы её интенсификации. Актуальное значение имеет рационализация процесса выпечки за счет интенсификации методов теплоподвода. Установлено, что в частности актуальным является применение ультразвука (УЗВ) в качестве фактора интенсификации процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий. При этом увеличивается скорость достижения необходимой температуры на поверхности и внутри тестовой заготовки, повышения экологической безопасности и экономической эффективности хлебопекарных печей. В то же время автором показано отсутствие методик расчета ультразвуковых устройств хлебопекарных печей.

Экспериментальные исследования проводились в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.

Аналитическая часть работы

Аналитический обзор методов интенсификации выпечки мелкоштучных булочных изделий, разработка математической модели процесса выпечки при наложении ультразвука Анализ возможности модернизации хлебопекарных печей путем применения существующих ультразвуковых устройств с учетом вариантов применения ультразвука в пищевой промышленности.

J 1

Экспериментальная часть работы

Разработка методики проведения экспериментальных исследований Проектирование и изготовление экспериментальной установки

Проведение экспериментальных исследований

Проведение выпечки на лабораторной установке с применением воздушного генератора ультразвуковых волн. Проведение выпечки в электрической ротационной печи «М1уе го11-п» с воздушным генератором ультразвука на производственной площадке №2 ОАО «Каравай»

ж

Математическая обработка экспериментальных данных, получение расчетных _ зависимостей, подтверждение математической модели.

Разработка методики расчета и технических условий на хлебопекарную печь повышенной эффективности для выпечки мелкоштучных булочных изделий при наложении ультразвука

Рисунок 1.- Структурная схема исследования

Объектом исследований был выбран процесс тепло - и массопередачи в мелкоштучном булочном изделии с наложением колебаний высокой частоты в пекарной камере печи тупикового типа.

Предметом исследований явилось устройство для формирования ультразвука определенного спектра и аппаратура для процесса выпечки мелкоштучного булочного изделия с его применением.

Теоретические исследования ресурсосберегающей технологии и специального оборудования для реализации процессов выпечки мелкоштучных изделий из пшеничного теста.

Широкое применение ультразвука может быть объяснено воздействием следующих специфических эффектов, присущих ультразвуковым колебаниям:

• кавитационного эффекта;

• разрушающего действия на пограничный слой между воздухом и жидкой фазой на поверхности теста;

• образования микропотоков;

• повышение диффузионной проницаемости теста за счет капиллярного

эффекта.

Высокочастотные колебания от ультразвукового генератора волн в воздухе создают турбулизацию пограничного слоя, приводящего к интенсивному теплообмену поверхности мелкоштучного булочного изделия с воздухом пекарной камеры. Возникающие акустические течения - один из основных механизмов воздействия ультразвука на прогрев хлеба. Акустические потоки отличаются малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного пограничного слоя и увеличению градиентов температуры, определяющих скорость переноса тепла или массы. В потоке воздуха с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

Исследования показывают, что ламинарный слой у поверхности изделия уменьшается, что приводит к интенсификации теплообмена выпекаемого изделия с воздухом пекарной камеры. Кроме того, передвижение каждой волны возмущения способствует понижению давления у поверхности, и подсосу новых порций воздуха - теплоносителя. Вторая полуволна наоборот создает избыточное давление, выраженное в виде незначительной вибрации изделия, что благоприятно сказывается на распределении и измельчении пузырьков газов в выпекаемом тесте и даже первоначально на эффективности жизнедеятельности дрожжей. Естественно, мелкоштучное булочное изделие, в данном случае плюшка «Московская», при этом будет выпекаться быстрее и равномернее даже при более низкой температуре выпечки, так как ультразвук многократно отражается от стен камеры и булочных изделий, и проникает во все трещины и раковины плюшки, снижая термическое сопротивление тепло - и массопереносу. Таким образом, физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи и скорость теплообмена.

Мякиш также подвергается автоколебаниям на глубину до нескольких сантиметров, что также способствует интенсивному проникновению тепла внутрь мелкоштучного булочного изделия. При этом возрастает в несколько десятков раз скорость перемещения жидкости в обрабатываемом тесте. Происходит совместное воздействие на жидкость теплом и высокими знакопеременными градиентами давления. Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Усиление

тепломассообмена за счет капиллярного и вибрационного эффекта приводит к более равномерной пористости мякиша.

При этом частицы изделия получают ускорения до 5 § при мощности УЗВ около 0,5 Вт/ м2 поверхности мелкоштучного булочного изделия. Таким образом, ультразвуковые генераторы существенно увеличивают производительность хлебопекарных печей и повышают качество мелкоштучных булочных изделий.

Испарение влаги с поверхности теста, образование зоны испарения и углубление ее во внутренние слои — все это создает условия для обратного перемещения влаги: от центра к поверхности в конце выпечки. При выпечке мучных изделий в ультразвуковом поле продолжительность этого процесса значительно^ сокращается по сравнению с традиционным способом. Насыщенный вкус и аромат пшеничного мелкоштучного булочного изделия, а также его реологические свойства, превышающие качество при обычной выпечке, позволяют рекомендовать применение ультразвука для внедрения в промышленное хлебопечение. Постановка эксперимента. Выбор методов исследования и описание математического аппарата для планирования эксперимента. Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.

Булочка в первом приближении - тело сферической формы. Поэтому начальные условия для симметрического тела и работают законы симметрии и физической ограниченности температуры в центре тела I (г,т); и(г,т) д( ,д2( 2 5/. ер ди

0)

ди ,д2и 2 ди, ,д21 2д!

(1>0,0< г <Я)

I (Г, 0)=1о=СОП81 (3)

и (г, 0) =и0=сопз1 (4)

тт)._дЩ0,т)

дг дг ''>

г (0,т) <оо; и (0,т) <оо (6)

Теплообмен между поверхностью шара и окружающей средой происходит по закону конвекции:

(с ='„ соз(й)г)

со = 2ку = —

атп^ + атг^ + 1п[щК,г)-ир]-- 0 (8)

Краевая задача (1)-(8) решена аналитическим методом интегрального преобразования Лапласа и получено общее решение в следующем виде:

Т = = Т(Х, Л, В/ , Рс1, ¿и)

у-г -р - а«т-ш ^ т а»

(10)

р

Ж

о»

Здесь (1) - уравнение теплопереноса, (2) - уравнение массо-(влаго-) переноса (уравнение диффузии); Равенства (3) и (4) описывают равномерные распределения температуры и влагосодержания в момент начала тепловой обработки продукта, (5)- граничные условия первого рода, (6) - граничные условия третьего рода для уравнения (2).Равенство (7) - условие симметрии, неравенство (8) - условие ограниченности температуры и влагосодержания в центре шара.

Распределения полей влагосодержания и температуры получены в следующем безразмерном ввде:

т =

¡(г.т) - (д _ еК0Ьи 1 -Ьи

и„

бмСЦ„Х)_. ХСОБ^

еКпЬи

1 -¿и

1 + ]ГЛ/и

бш (тяХ)

тлХ.

2 В1т

тяХ.

-I

у, соз(аг) + уг зш(ог-)_

(П)

(12)

> 2(-1)" вт(тлХ)е

-{тх^'Гц

(тяг)2 • V 2 V 2 Здесь цп- последовательные положительные корни характеристического уравнения.

4,=

25/„(5/„ -1)

" Рп(т„г-тт+МпгУ 2(-1 )-2», тя тгг .„. . тя'

—7= СОБ + (В1„ -1)5111-= •>1т Vт

(13)

(14)

Pd

Pd,

Pd,

yi = cosJ~sKj—X) cos(J~X) + ch.

, [Pd . ¡Pd IPdv. . lPdv. , y2 = sm~ \

Pd . Pd Pd . . . Pdv

IYsmvT WT )siniT ); ^

Pd [Pd , [Pdv. . . ¡Pdv.

Ycos^Y iT )smiY ( )

Полученные в ходе исследований экспериментальные данные обработаны с помощью программы Microsoft Excel, входящей в пакет программ Microsoft Office 2007.

Рисунок 2. - Лабораторная установка по выпечке мелкоштучных булочных изделий с применением воздушного генератора ультразвукового излучения.

При подборе ультразвукового устройства рассматривались две модели одинаковой выходной мощностью 400 Вт при подаче воздуха с давлением Ризб.= 2-105Па, но с разной частотой ультразвука: 20 ± 0,5 кГц и 26 ±0,5 кГц. Генератор ультразвука с более низкой частотой, например 16-18 кГц, не безопасен для человека с экологической точки зрения, так как находится в зоне восприятия человеческим слухом, а так же он менее эффективен при воздействии на пограничный ламинарный слой изделия.

Известное выражение для определения толщины пограничного слоя выглядит следующим образом [1]:

8 = (18)

Толщина пограничного слоя тем тоньше, чем больше частота колебаний ультразвука.

Ультразвуковой генератор с частотой 26 ±0,5 кГц обладает высокой способностью к разрушению ламинарного слоя, но значительно хуже чем генератор с частотой 20 ± 0,5 кГц влияет на каппилярный эффект в тесте, т.к. высокие частоты имеют значительные потери в пористых структурах.

Поэтому в дальнейших испытаниях решили применять ультразвуковой генератор с частотой 20 ± 0,5 кГц

Лабораторная установка по разработке ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука представлена на рис. 3.

Она смонтирована таким образом, что имеется возможность проводить комплексные исследования по определению влияния ультразвукового излучения на процессы, происходящие при выпечке мелкоштучных булочных изделий. В качестве генератора ультразвукового излучения применяется типовой воздушный генератор мощностью 400 Вт, с частотой излучения ультразвука 20кГц при давлении на входе 2-10 Па.

Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. -Схема лабораторной установки по выпечке мелкоштучных булочных изделий в поле действия ультразвука: 1 - компрессор; 2 - блок подготовки воздуха; 3 - трубопроводы; 4 - камера пекарная; 5 - ультразвуковой генератор; 6 - сетчатый противень;7 - мелкоштучное булочное изделие;

8 - регулятор нагрева пекарной камеры; 9 - включатель нагрева пекарной камеры; 10 - цифровой мультиизмеритель VC 890С+; 11 - бесконтактный термометр CHY - 611;12-.шумомер TESTO 816;13 - гигрометр Center 315;

14 - треть октавный анализатор 01 024;15,16 - переносной измерительный комплекс К - 50

Установка (рис.3) представляет собой модель тупиковой хлебопекарной печи. В пекарной камере 4 установлен ультразвуковой генератор 5 воздушного типа. Сжатый воздух подается на генератор от компрессора 1 через блок подготовки воздуха 2 по трубопроводу 3.

Цифровой прибор 10 марки VC 890С+ с помощью термопар регистрирует изменения температуры внутри тестовой заготовки в период ее выпечки. Бесконтактный термометр CHY - 611 обеспечивает фиксирование изменения температуры в пекарной камере жарочного шкафа в период всего процесса выпечки.

В качестве выпекаемого изделия была взята плюшка «Московская» (ГОСТ 24557-89)

Результаты исследований. Результаты исследований показали, что применение ультразвука в период выпечки мелкоштучных булочных изделий позволяет:

• получить на тестовых заготовках более тонкую и равномерную корочку. Интенсивный прогрев мякиша приводит к тому, что вода, содержащаяся в порах теста, быстрее превращается в пар и делает мякиш более рыхлым и объемным;

• существенно ускорить повышение температуры в период клейстеризации мякиша (до нескольких градусов в минуту). Это происходит из-за снижения термического сопротивления тепло - и массопереносу и частично за счет поглощения части акустической энергии, толщина пристенного слоя воздуха уменьшается с 3-5 мм до 0,3-0,6 мм;

• уменьшить температуру выпечки на 12%;

• уменьшить время выпечки на 15% по сравнению со стандартной технологией.

На рис. 4 показана зависимость температуры внутри выпекаемой тестовой заготовки (ВТЗ) от времени выпечки мелкоштучных булочных изделий в поле ультразвука, которое уменьшается на 12 %.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Время выпечки т, мин.

Рисунок 4. - График зависимости температуры внутри ВТЗ от времени: ф - без применения ультразвука ■ - с применением ультразвука

На рис. 5 показана зависимость температуры поверхности ВТЗ во время выпечки в условиях контрольного образца, из которого видно, что температура корочки превышает необходимую конечную температуру. При этом происходит ее излишнее подсушивание и подгорание. В связи, с этим температуру в печи необходимо снижать на 18-25 °С.

Время выпечки т.мин.

Рисунок 5. - График зависимости температуры поверхности ВТЗ от времени: ф - без применения ультразвука В - с применением ультразвука

По результатам проведенных исследований процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий в присутствии ультразвука мощностью 0,5 Вт/см2 поверхности изделия получены аппроксимационные зависимости:

-для температуры внутри ВТЗ от времени выпечки (рис.4) с ультразвуком: t, = -0,135 т2 + 7,716 х + 16,373; R2=0.928; (19) без ультразвука: t, = -0,139 т2 + 7,044 т + 17,22; R2=0.951; (20)

-для температуры поверхности ВТЗ от времени выпечки (рис.5) с ультразвуком: t2= 0,177 т2 + 1,091 т + 50,53; R2=0.845; (21)

без ультразвука: t2 = 0,110 х2 +1,511 т + 43,05; R2=0.878; (22)

Характерно, что при выпечке в печах, оснащенных ультразвуковым генератором, снижается время выпечки и, как следствие, уменьшается упек мелкоштучных булочных изделий по сравнению с изделиями, выпеченными в обычных печах.

■2

Время выпечки т.мин.

Рисунок 6. - График зависимости упека от времени выпечки.

без применения ультразвука с применением ультразвука

Как видно из рис. 6, при выпечке в печах с ультразвуковым генератором упек снижается на 18-20%, что положительно влияет на качество готового продукта, так же получены аппроксимационные зависимости:

с ультразвуком: Муп= - 0,202 т2+3,042т-3,297; R2=0.968 (23)

без ультразвука: Муп= - 0,0875 т2+2,294т-3,738; R2=0.956 (24)

Рисунок 7. - Органолептические показатели выпекаемых мелкоштучных булочных изделий с наложением ультразвука и по традиционой технологии.

А)

Б)

Рисунок 8. - Визуальный эффект применения ультразвука в период выпечки мелкоштучных булочных изделий.А.-выпечка без применения ультразвука; Б.-выпечка с применением ультразвука.

Таким образом, при выпечке мелкоштучных хлебобулочных изделий в поле действия ультразвука наблюдается:

- повышение качества готового изделия;

- снижение времени выпечки;

- увеличение выхода готового изделия;

- сокращение энергозатрат.

Выпечка мелкоштучных булочных изделий при наложении ультразвука экспериментально и в соответствии с расчетами, приведенными в разделе технико-экономического обоснования, позволила

снизить энергозатраты на 20%, увеличить производительность печи на 15%; экономический эффект составит 95 тысяч рублей в год.

ВЫВОДЫ

Решение поставленной научной задачи обеспечено реализацией ряда частных задач по обоснованию теоретических положений и выработке практических рекомендаций. Получены следующие основные результаты:

1. На основании проведенных исследований выявлены возможности совершенствования технологии и предложен способ повышения эффективности выпечки тестовой заготовки в тепловом аппарате с применением воздушного генератора ультразвука частотой 20 кГц.

2. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что выпечка мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука позволяет уменьшить энергозатраты на 20% , сократить продолжительность выпечки на 15% и температуру выпечки на 12%

3.Разработана математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука.

4. Установлено, что хлебобулочные изделия, выпеченные в пекарной камере с наложением поля ультразвука, не уступают по органолептическим показателям, изготовленным по традиционной технологии.

5. Разработано техническое задание на конструкцию теплового аппарата и воздушного генератора ультразвука повышенной эффективности.

6. Экономический эффект от проведенных научно-технических мероприятий из-за снижения затрат энергии и потерь на усушку составил около 95 тыс.руб. в год на одну хлебопекарную печь.

7.Разработаны технические условия для создания типового комплекта ультразвукового устройства для печей предприятий хлебопекарной промышленности, в частности на ОАО «Каравай» ПП №2, обеспечивающими более высокие экономические показатели.

Условные обозначения: а<, - коэффициент температуропроводности, м2/час; 1:(г,т)-температура на поверхности тела амплитуда температурных колебаний, вызванных

ультразвуком, °С; V начальная температура;и (г,т)- влагосодержание;Ш-начальное влагосодержание, кг/(кг абс.сух.вещества); г- радиус тела, мм; со -круговая частота, 1/сек;у-циклическая частота;Т- период колебаний, сек;у0 -плотность сухой части влажного тела, кг/м3;С<,- удельная теплоемкость тела, Дж/(кг-К);е - критерий фазового превращения; а т - коэффициент массопереноса, м /час;Л - значение координаты на поверхности тела, м; р -удельная теплота фазового превращения, Дж/кг; а - коэффициент теплообмена, ккал/м час.град.;Р - коэффициент массообмена, м/сек;^ -температура среды, °С;Т - безразмерная температура; X - безразмерная координата^ - критерий Фурье; Вц - критерий Био; Рс1 - число Предводителева; Ьи - число Лыкова;©- безразмерное влагосодержание; v -коэффициент кинематической вязкости, м2/с; f-частота колебаний, Гц; 11] -

квадрат амплитуды колебательной скорости, мм/с; 1 - температура, °С; т -время, мин.; М^ - масса упека, % СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванова М.А. , Антуфьев В.Т., Горшков Ю.Г. Исследования по разработке технологии выпечки бараночных изделии в поле ультразвука // Материалы XII Всерос. науч.-практ. конф. «Современное хлебопекарное производство: перспективы развития». - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2011.- С.7-11

2. Иванова М.А., Антуфьев В.Т Воздействие ультразвука на выпечку мелкоштучных хлебобулочных изделий // Хлебопродукты.2011.-№5-С.50-51

3. Иванова М.А., Антуфьев В.Т. Возможности применения ультразвука в хлебопекарной промышленности // Разработка и внедрение ресурсо - и энергосберегающих технологий и устройств: сборник статей II Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011,- С.58-61.

4. Иванова М.А. Антуфьев В.Т.Влияние ультразвука на показатели готового мелкоштучного хлебобулочного изделия. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. - Электрон, журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011.- №1.-сент.2011

Подписано к печати 29.0Z.IZ Формат 60x80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. л. 1.0 Тираж 80. экз. Заказ № СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

61 12-5/2113

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

ИВАНОВА Марина Александровна

Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука.

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель к.т.н., доцент Антуфьев В.Т.

Санкт-Петербург 2012

Содержание

стр.

Глава 1. Состояние, цели и задачи исследования...........................16

1.1. Современное состояние технологии и оборудования для выпечки

хлебобулочных изделий...................................................................16

1.1.1.Особенности влияния свойств теста на эффективность

технологического процесса производства хлебобулочных изделий.............20

1.1.2. Рационализация технологии выпечки хлебобулочных

изделий.......................................................................................26

1.1.3.Современное состояние оборудования для выпечки хлебобулочных изделий...................................................................28

1.2,Обоснование эффективности влияния ультразвука на скорость и

качество выпечки мелкоштучных изделий............................................36

1.2.1 .Анализ состояния ультразвуковой техники и технологий в пищевой промышленности..............................................................36

1.2.2.Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях....................................................................38

1.2.3. Перспективы повышения качества производства мелкоштучных булочных изделий под воздействием ультразвука..................................................................................43

Выводы...............................................................................49

Глава 2. Теоретические исследования ресурсосберегающей технологии и специального оборудования для реализации процессов выпечки мелкоштучных изделий из пшеничного теста.......................................50

2.1. Теоретическое обоснование усовершенствования технологии производства мелкоштучных изделий из пшеничного теста с применением ультразвука................................................................................ 50

2.1.2 Особенности способа и конструкции устройств для выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука...........59

2.1.3. Математическое моделирование энергоподвода и тепломассообмена при выпечке хлебобулочных изделий при наложении поля ультразвука.................................................................................66

2.1.4.Сравнительная характеристика хлебобулочных изделий после реализации выпечки в поле ультразвука по сравнению с традиционной технологией..................................................................................79

Выводы...............................................................................74

Глава 3. Постановка эксперимента. Выбор методов исследования и описание математического аппарата для планирования

эксперимента...............................................................................75

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования.....................75

3.2 Объект исследования. Теоретические основы создания экспериментальной установки..........................................................76

3.2.1 Теоретические основы создания экспериментальной установки....................................................................................87

3.3 Комплексная экспериментальная установка для выпечки мелкоштучных булочных изделий......................................................89

3.4 Методика проведения эксперимента......................................91

3.4.1 Планирование многофакторного эксперимента................91

3.4.2. Определение числа измерений....................................98

3.4.3 .Произвоственная апробация........................................98

3.5 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований..............................................................................100

3.5.1. Проверка воспроизводимости экспериментов...............101

3.5.2. Определение порога чувствительности приборов..........103

3.5.3. Определение метрологического показателя..................104

3.5.4. Математическая обработка экспериментальных данных полученных в ходе исследования.....................................................104

3.6 Эколого-технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений....................................................................107

3.6.1. Технико-экономическое обоснование выпечки мелкоштучных булочных изделий в поле ультразвука...........................107

3.6.2. Экологические аспекты использования ультразвуковых технологий.................................................................................112

Выводы.............................................................................115

Список литературы................................................................116

Приложение 1. Оборудование, приборы и измерительные устройства, применявшиеся для проведения эксперимента.

Приложение 2.Таблица замеров при выпечке.

Приложение 3 .Заявка на изобретение способа выпечки мелкоштучных хлебобулочных изделий (Иванова М.А., Антуфьев В.Т., Горшков Ю.А.)

Приложение 4. Акт апробации результатов эксперимента на площадке №2 ОАО «Каравай».

Приложение 5. Акт внедрения в учебный процесс.

Приложение 6. Графический способ определения корней характеристического уравнения ( ч = 1 для шара.

ч*' в», - 1М

Приложение 7. Технические условия на изготовление устройства воздушного генератора ультразвука для хлебопекарных печей.

Условные обозначения:

Т|о — ньютоновская вязкость, Па-с; г)1 - пластическая вязкость, Па-с; Ж- влажность тела,%; Д- градиенты скорости;

a, Ь - коэффициенты, константы, зависящие от сорта муки, из которой замешено тесто;

г)Эф - эффективная вязкость, Па-с; р - давление, Па;

b,(3,а - эмпирические коэффициенты (Ь=0,424;для теста из муки первого сорта (3=178 с2,а=0,224;для теста из муки второго сорта (3=82 с2,а=0,28)

Р - давление ,Па;

С - скорость распространения ультразвука, м/с; I - интенсивность ультразвука, Вт/см2; 8 - толщина пограничного слоя, м;

V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

частота колебания, Гц; ач- коэффициент температуропроводности, м2/час; 1:(г,т)-температура на поверхности тела ,°С;

1т- амплитуда температурных колебаний, вызванных ультразвуком, °С; Ц- начальная температура; и (г,т)- влагосодержание;

Ш- начальное влагосодержание, кг/(кг абс.сух.вещества);

г- радиус тела, мм;

со - круговая частота, 1/сек;

V - циклическая частота;

Т - период колебаний, сек;

Уо - плотность сухой части влажного тела, кг/м3;

Сч- удельная теплоемкость тела, Дж/(кг-К);

s - критерий фазового превращения; am — коэффициент массопереноса, м2/час; R - значение координаты на поверхности тела, м; р - удельная теплота фазового превращения, Дж/кг;

■Л

а - коэффициент теплообмена, ккал/м час.град.;

ß - коэффициент массообмена, м/сек;

tc - температура среды, °С;

Т - безразмерная температура;

X - безразмерная координата;

F0 - критерий Фурье;

Biq - критерий Био;

Pd - число Предводителева;

Lu - число Лыкова;

0- безразмерное влагосодержание;

v - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

f - частота колебаний, Гц;

Ui - квадрат амплитуды колебательной скорости, мм/с; ху - средняя оценка i-oro показателя;

х - средняя оценка по всему комплексу показателей; а2 - сумма квадратов отклонений; а- среднеквадратическое отклонение; V - коэффициент вариации Р - доверительная вероятность; 8 - точность;

St-Доли средней квадратичной ошибки; S2{y> - дисперсия воспроизводимости; f0 —число степеней свободы; щ - число повторностей;

1;с - критерий Стьюдента; Ь - значение коэффициента регрессии;

¿ф} - среднее квадратичное отклонение коэффициента регрессии; N - число опытов плана;

I - число коэффициентов в уравнении регрессии; Яг / /г = - дисперсия неадекватности;

/ /0 = 5'02 - дисперсия воспроизводимости, характеризующая ошибку опыта; к- количество исследуемых факторов; т1— результат ьго наблюдения; Ш - число наблюдений;

нормируемое отклонение измерений от их среднего значения, зависящее от значения доверительной вероятностир(1 = ±2 8); 1вп - температура верхней поверхности ВТЗ, °С; 1вн - температура внутри ВТЗ, °С;

qвп - тепловой поток на верхнюю поверхность ВТЗ, Вт/м2; т - время выпечки ВТЗ, мин; в - критерий Кохрена;

о - среднеквадратическое отклонение при повторении измерений; У' - средняя величина измеряемого параметра; п - количество повторений измерений;

II - температуры внутри выпекаемой тестовой заготовки, °С;

температуры поверхности выпекаемой тестовой заготовки, °С; Муп- масса упека тестовой заготовки, кг; Рп - производительность печи с подом, кг/час; N1 - общее количество хлебобулочных изделий; g - масса тестовой заготовки, кг; 1;п - продолжительность выпечки, мин; Р1 - расход электроэнергии, кВт/ч;

Пчас- производительность оборудования, кг/час;

Ьф- время эффективной работы оборудования в смену, мин.;

1;см- длительность смены, мин.;

^.з,- подготовительно-заключительное время мин.;

Ксмгод- количество смен работы в году;

Цод- трудоемкость 1т продукции, мин.;

Кчел.- количество человек, обслуживающих оборудование в смену;

1:см- длительность смены, мин.;

Осм- объем продукции за смену, т.

Тс. час.- средняя часовая тарифная ставка рабочих, руб.;

Кг капитальные вложения на проект, руб.;

Пгод- прибыль на годовой объем производства, руб.

Введение.

В современном промышленном производстве хлебных продуктов наиболее характерным является выпуск мучных хлебобулочных изделий. Их изготавливают из смеси различных видов муки с добавлением улучшителей, воды, дрожжей, поваренной соли, сахара, и других ингредиентов.

Актуальной проблемой выпуска мелкоштучных булочных изделий является продолжительность технологического процесса. Выпечка является одной из важнейших стадий производства хлебобулочных изделий. Она осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение.

В этой связи повышение эффективности производства мелкоштучных булочных изделий является актуальной научно-технической задачей, имеющей большое экономическое и социальное значение. Ее решение требует проведения комплексных научных исследований, направленных на углубленное изучение закономерностей и механизма протекания процесса выпечки, разработки обоснованных методов проведения этого процесса.

Целью выполненной работы является разработка режимов оптимизация процесса и аппаратурного исполнения технологии выпечки в поле ультразвука пшеничных мелкоштучных хлебобулочных изделий из муки высшего сорта, как менее затратной и простой в реализации.

Решение затронутых вопросов невозможно без проведения исследований по созданию новых процессов и аппаратов для выработки мелкоштучных булочных изделий. Этим исследованиям, затрагивающим проблемы как фундаментального, так и прикладного характера посвящены работы значительного числа отечественных и зарубежных специалистов. Задачи фундаментального характера рассмотрены в трудах Ауэрмана Л.Я., Лыкова A.B., Михеева М.А., А.А.Михелева и др.

Прикладные исследования по созданию новых технологий и оборудования для пищевых производств освещены в работах Панфилова В.А., Арета В.А., Горбатова A.B., Кретова И.Т., Острикова А.Н, Маслова A.M., Мачихина С.А., Николаева Л.К., Стабникова В.Н., Алексеева Г.В., Пеленко В.В., Громцева С.А.,Андреев А.Н.

Для создания нового эффективного оборудования и реализации на нем современной технологи необходимо научное обоснование рабочих процессов, протекающих в машинах и аппаратах, в частности на стадии выпечки.

Системное исследование вопросов ресурсосбережения и повышения качества пищевого сырья с учетом достижений фундаментальных и прикладных исследований широко применяется в наше время, так, например, совершенствование технологического оборудования, применяемого для выпечки хлебобулочных изделий осуществляется по следующим основным направлениям:

- повышение качества, надежности и долговечности машин и механизмов;

- создание высокопроизводительных, универсальных аппаратов, удобных для применения в механизированных и автоматизированных поточных линиях;

- снижение массы машин и механизмов, уменьшение их габаритных размеров.

При значительном разнообразии выпускаемых хлебопекарных печей, их конструкции проработаны недостаточно. В частности:

- печи являются наибольшими потребителями электроэнергии;

- большая часть тепла, вырабатываемая печами, уходит в окружающую среду, поэтому требуется усиленная вентиляция помещения;

- печи являются основным источником выделения угарного газа, азотистых и сернистых веществ;

В современных условиях в процессе выпечки хлебобулочных изделий важную роль играет скорость выпечки. Поэтому поиск новых путей, возможностей в решении данного вопроса, прежде всего с использованием новых технологий, является той составляющей, над которой работают многие учёные. Также постоянно возрастает необходимость в оборудовании повышенной производительности при его достаточной компактности.

Таким образом, рассматриваемая в настоящей работе задача совершенствования ресурсосберегающих процессов и аппаратов переработки пищевого сырья путем разработки безреагентной технологии ускоренной выпечки пшеничных мелкоштучных хлебобулочных изделий из муки высшего сорта, как менее затратной и простой в реализации, представляется

весьма актуальной.

В настоящее время в связи с возникшими энергетическими и экологическими проблемами актуальность необходимости

совершенствования процессов и аппаратов очевидна и не требует доказательств.

Актуальность работы. Повышение эффективности выпечки является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое экономическое значение. Выпечка осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как стоимость и свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение. В настоящее время на долю процесса выпечки приходится 70% всех энергозатрат при производстве хлебобулочных изделий.

Относительно высокие потери энергии происходят из-за повышенных температур выпечки и соответственно, упека изделий. Кроме того упек увеличивается из-за принятой системы принудительной конвекции воздуха в пекарной камере.

Известные методы интенсификации теплообмена достигли своего предела и требуют применения новых эффектов. Анализ способов

интенсификации теплообмена в других областях пищевой промышленности показывает, что особая роль отводится воздействию ультразвука.

В хлебопекарной промышленности применение ультразвука ограничено (например, при обработке зерна ультразвуком, в производстве сухарей, при создании водомасляных эмульсий для обработки форм перед выпечкой, при нарезке тортов и хлеба).

До настоящего времени научных работ по применению ультразвука для интенсификации процессов выпечки мелкоштучных булочных изделий не обнаружено. Влияние ультразвука на процесс теплообмена между тестовой заготовкой и газовой средой пекарной камеры, а так же влияние на удельные затраты не изучено и требует проведения исследований.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука и соответствующего аппаратурного оформления.

Для достижения поставленной цели определены основные задачи исследования:

-определить возможности модернизации хлебопекарных печей;

- предложить новые способы осуществления интенсификации процесса теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в хлебопекарной печи;

-провести теоретические исследования воздействия ультразвука на

тесто в процессе выпечки;

- разработать математическую модель процесса выпечки при

наложении ультразвука;

- создать экспериментальную установку и изготовить дополнительные

устройства;

- провести эксперименты по выпечке готовых мелкоштучных хлебобулочных изделий по разработанной методике;

- получить экспериментальные зависимости динамики процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки при наложении поля ультразвука на него;

- разработать технические условия на хлебопекарную печь повышенной эффективности, существенно изменяющей темп и качество выпекаемого хлебобулочного изделия.

На защиту выносятся следующие научные положения:

механизм интенсификации выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарной печи в зависимости от параметров работы воздушного генератора ультразвука;

• математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука;

• методика расчета пекарной камеры с встроенным воздушным генератором ультразвука;

• техническое решение конструкции хлебопекарной печи и вспомогательных устройств.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.

Определены характер процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки и скорости выпечки при наложении поля ультразвука.

Предложен способ выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарных печах с применением воздушного генератора ультразвука.

Предложено техническое решение интенси�