Макароноварка непрерывного действия

Рисунок 13. Способ выпечки хлебобулочных изделий в формах, движущихся прямолинейно на конвейере внутри туннельной печи

Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов на конвейере внутри туннельной печи (Патент RU 2457680). Изобретение относится к технологии пищевых производств и может быть использовано для термической обработки пищевых полуфабрикатов, таких как бифштекс, стейк, котлеты, фрикадельки, для выпечки хлеба, булок, печенья, пряников, для разогрева первых и вторых блюд в емкостях, для сушки сухарей, круп, трав, ягод, грибов. Нагрев полуфабрикатов осуществляют на ленточном конвейере в корпусе туннельной печи (рисунок 14), выполненном из стали 12Х18Н10Т, одновременно разогретым внутри туннеля печи окружающим их воздухом, разогретой внутри туннеля транспортерной лентой и проникающим сквозь стенки туннеля печи снаружи снизу и с боков направленным инфракрасным излучением от инфракрасных зеркальных электроламп ИК3-500. Лампы размещены перпендикулярно плоскостям нижней и боковой поверхностей туннеля печи с зазором между колбой и этими поверхностями в пределах 5-7 мм.

Рисунок 14. Способ нагрева пищевых штучных полуфабрикатов на конвейере внутри туннельной печи

Лампы монтируются так, что нижние выдвигаются из-под днища туннеля, боковые - откидываются от боковых стенок туннеля, с последующей фиксацией, а полуфабрикаты нагревают разогретым окружающим их внутри туннеля воздухом, разогретой внутри трубы транспортерной лентой и проникающим сквозь стенки трубы направленным инфракрасным излучением. Корпус туннеля выполнен из стали 12Х18Н10Т, наружная поверхность трубы сверху покрывают слоем термостойкой теплоизоляции.

Способ непрерывной обработки пищевого продукта, сочетающий микроволновый и паровой методы, установка для реализации этого способа и полученный этим способом продукт (Патент № 2267970). Изобретение относится к пищевой промышленности. Пищевой продукт в виде сырой пасты обрабатывают с помощью установки, включающей, по меньшей мере, один модуль быстрой микроволновой варки и, по меньшей мере, один модуль паровой варки со средней скоростью варки и устройство регулирования интенсивности варки в каждом модуле. Получаемый продукт имеет устойчивую желеобразную структуру.

Предлагается способ непрерывной обработки пищевого продукта в виде сырой пасты, включающий в себя сочетание этапа микроволновой варки и этапа паровой варки, причем микроволновая варка обеспечивает, по существу, быстрое проваривание сердцевины продукта с получением достаточно устойчивой желеобразной структуры, а паровая варка дополняет микроволновую, не приводя к высыханию или растрескиванию сваренного материала.

Способ реализуется с помощью установки типа микроволновой печи, имеющей вход и выход, и включает в себя следующие этапы:

ѕ введение подлежащего варке материала через вход печи;

ѕ перемещение материала от входа печи к ее выходу, причем микроволновую варку проводят таким образом, чтобы волны равномерно распределялись по варочной камере;

ѕ выведение сваренного продукта из печи и охлаждение сваренного продукта.

Микроволновая печь содержит несколько следующих друг за другом варочных модулей и включает в себя:

ѕ первый этап быстрой микроволновой варки, по меньшей мере, в одном модуле микроволновой варки с высокой мощностью микроволнового излучения, как правило, 2-4 кВт на модуль для получения подъема температуры материала до 65-75°С на выходе модуля (модулей) быстрой микроволновой варки, при этом быстрая варка обеспечивает предотвращение искажения форм;

ѕ второй этап умеренной паровой варки с обеспечением подъема температуры в сердцевине продукта до 75-90°С, достаточно медленного для предотвращения его растрескивания при варке и завершения поверхностной варки без высыхания.

Этап умеренной микроволновой варки осуществляется при довольно незначительной мощности, как правило, 1-3 кВт на модуль, для завершения поверхностной варки без искажения форм. Этап умеренной паровой варки обеспечивается создание потока пара, циркулирующего в модулях в том же направлении, что и направление пропускания продуктов через печь, или в противоположном направлении.

Время пребывания продукта в печи с комбинированной микроволновой и паровой варкой составляет 30-120 секунд, при этом температура пара в варочном туннеле равна 75-130°С, а суммарная мощность микроволнового излучения 3-12 кВт с распределением по всей печи при расходе 50-140 кг/час. Кроме того, способ может включать в себя этап формования перед варкой, при этом материал имеет вид формованных порций, как правило, шириной 1-3 см и толщиной 1-5 см, при весе 3-300 г, предпочтительно 3-20 г.

Рисунок 15. Схема установки реализующей способ непрерывной обработки пищевого продукта, сочетающий микроволновый и паровой методы

Для реализации способа используется установка 1 (рисунок 15), содержащая средства обработки подлежащего варке материала, представляющие собой печь 2. Эта печь имеет входную зону 3, зону варки 4 и выходную зону 5. Зона варки имеет камеру 6, образующую варочный туннель. Через печь 2 проходят средства транспортировки типа конвейерной ленты 7, на которую помещен подлежащий варке материал 8, перемещаемый в направлении D от входа к выходу с получением в результате варки продуктов 9.

Подлежащий варке материал 8 вводят через зону подвода 10 типа загрузочной воронки, в которой материал находится в виде сырой пасты при температуре 0-10°С. Выходящий из воронки 10 материал подают на устройство формования, обеспечивающее превращение сырой пасты в формованные порции шириной и толщиной по 2-3 см. Затем эти формованные сырые порции окрашивают в опрыскивателе 11, после чего они поступают непрерывным потоком на вход печи, укладываясь на конвейер 7, как правило, в несколько параллельных линий по стрелке D. После прохождения через варочный туннель 6, открытый на входном конце 12 и на выходном конце 13, порции оказываются сваренными с сохранением формы, которую они имели до варки, но приобретают при этом вид устойчивого геля в ожидании охлаждения для некоторых последующих этапов процесса, например расфасовки или нарезки.

Печь 2 содержит:

ѕ генератор 14 микроволн;

ѕ парогенератор 15.

Микроволновая варка происходит по всей длине туннеля 6. В этом туннеле предусмотрены расположенные последовательно в направлении от входа к выходу первый модуль 16, второй модуль 17 и третий модуль 18 с длиной соответственно L1, L2, L3. Скорость прохождения в направлении D может составлять, например, 3 м/мин при времени нахождения продукта под действием микроволновой энергии и пара порядка 30-120 сек, температуре пара в туннеле 75-130°С, давлении, вырабатываемом парогенератором, от 5 до 5,5 бар и суммарной мощности микроволнового излучения 3-12 кВт, распределяемой по всему объему печи.

Каждый модуль 16, 17, 18 снабжен двумя генераторами 19 микро-волновой энергии, размещенными в стенке 20 печи. В первом модуле 16 длиной L1, равной 1 метру, имеет место микроволновая варка с мощностью 2-4 кВт, обеспечивающая быстрое проваривание продукта, в сердцевине которого на выходе из этого модуля достигается температура 65-75°С.

Во втором модуле 17 длиной L2, равной 1 метру, имеет место менее быстрая варка, чем в первом модуле, причем в этом модуле одновременно ведутся умеренная микроволновая и паровая варка. Мощность микроволнового излучения составляет здесь 1-3 кВт, что меньше, чем в первом модуле 16.

В третьем модуле 18 длиной L3, равной 1 метру, имеет место одновременная умеренная микроволновая и паровая варка, как и во втором модуле 17. Мощность микроволнового излучения составляет здесь 1-3 кВт, что меньше, чем во втором модуле 17.

Благодаря паровой варке, ведущейся во втором модуле 17 и в третьем модуле 18, удается достичь необходимой температуры порядка 75-90°С в сердцевине транспортируемого материала.

Генераторы 19 каждого модуля присоединены к главному генератору 14 через разветвленный главный канал 21. Для проведения паровой варки пар направляют противотоком по отношению к направлению прохождения продуктов. Пар, вырабатываемый парогенератором 15, направляется по паропроводу 22 ко входному патрубку 23, выполненному в стенке 20 третьего модуля 18 в зоне его конца 2. Пар распределяется в туннеле по всему пространству вокруг продуктов, обеспечивая их гомогенное проваривание, и выводится через выходной патрубок 24 в стенке второго модуля 17 в отводной паропровод 25 на входе этого модуля. Таким образом, паром обрабатываются как второй модуль 17, так и третий модуль 18.

В результате создана печь длиной порядка 5 метров, гораздо более компактная, чем печи, в которых ведется исключительно паровая варка, имеющие длину 15-20 метров. Кроме того, такая печь непрерывного действия может быть без труда введена в традиционные производственные линии. Подобная линия может включать в себя несколько параллельно действующих печей для варки продуктов разных размеров и форм, например одну печь для формованных порций и одну для ленты, подлежащей нарезке на нужные куски после варки и охлаждения.

Варочная емкость, используемая в микроволновой печи (варианты) (Патент RU 2236162). Варочная емкость, используемая в микроволновых печах, которая устанавливается в камеру для приготовления пищи на пару способом микроволнового нагрева. Данная конструкция варочной емкости позволяет производить быстрое распаривание продуктов. Варочная емкость включает нижний корпус, содержащий воду и выполненный из проницаемого для микроволнового излучения материала. Пластина для размещения пищевого продукта посажена ее кромкой на верхнюю кромку нижнего корпуса таким образом, что она отнесена от дна нижнего корпуса и выполнена из непроницаемого для микроволнового излучения материала. В пластине для размещения пищевого продукта выполнено множество сквозных отверстий для прохождения сквозь нее пара. Крышка накрывает нижний корпус и выполнена из непроницаемого для микроволнового излучения материала. В крышке выполнено выпускное отверстие для пара. Крышка посажена ее нижней кромкой на верхнюю кромку нижнего корпуса таким образом, что нижняя кромка крышки отнесена от кромки пластины для размещения пищевого продукта на заданный интервал, таким образом, допуская проникновение заданного количества микроволнового излучения под крышку.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание варочной емкости, используемой в микроволновых печах, благодаря которой способом микроволнового нагрева производится пар, и пищевой продукт быстро распаривается при помощи пара.

Указанный технический результат достигается тем, что варочная емкость, используемая в микроволновых печах, содержит нижний корпус, содержащий воду и выполненный из проницаемого для микроволнового излучения материала, и пластину для размещения пищевого продукта, посаженную ее кромками на верхнюю кромку нижнего корпуса таким образом, что она отнесена от дна нижнего корпуса, выполненную из непроницаемого для микроволнового излучения материала и имеющую множество сквозных отверстий для прохождения пара, крышку, накрывающую нижний корпус, выполненную из непроницаемого для микроволнового излучения материала, имеющую выпускное отверстие для пара, посаженную ее нижней кромкой на верхнюю кромку нижнего корпуса таким образом, что нижняя кромка крышки отнесена от кромки пластины для размещения пищевого продукта на заданный интервал, допуская проникновение заданного количества микроволнового излучения под крышку.

Вдоль верхней кромки нижнего корпуса может быть выполнен первый уступ для удерживания кромки пластины для размещения пищевого продукта, и второй уступ может быть выполнен вдоль верхней кромки нижнего корпуса выше первого уступа для удерживания нижней кромки крышки, которая имеет площадь поперечного сечения, превышающую площадь поверхности пластины для размещения пищевого продукта, при этом пластина для размещения пищевого продукта и крышка удерживаются на верхней кромке нижнего корпуса таким образом, что их кромки отнесены друг от друга.

Интервал между кромкой пластины для размещения пищевого продукта и нижней кромкой крышки может составлять 5 мм или менее. В пластине для размещения пищевого продукта может быть сформировано, по меньшей мере, одно углубление, имеющее заданную глубину, обеспечивающее, таким образом, помещение пищевых продуктов сферической формы, таких как яйца. Каждое сквозное отверстие, выполненное в пластине для размещения пищевого продукта, может иметь диаметр 1,8 мм. Величина интервала между кромкой указанной пластины для размещения пищевого продукта и нижней кромкой крышки может составлять 5 мм или менее.

Варочный аппарат с индуктивным нагревом и способ его работы (Патент РФ № 2321189). Изобретение относится к варочным аппаратам для использования в кухонных аппаратах. Способ управления варочным аппаратом с индукционным нагревом включает следующие шаги: получив низковольтный сигнал при работе в режиме повышенной мощности, аппарат регулирует выходную мощность таким образом, чтобы инвертор работал только в области с переключением при нулевом напряжении. Если подаваемое на схему входное напряжение является низким, то аппарат компенсирует входное напряжение, используя меньшее их двух напряжений: блокирующего напряжения и генерируемого микропроцессором управляющего выходного сигнала. Варочный аппарат с индукционным нагревом содержит средство для получения напряжения питания, блок инвертора с переключателем и катушку, на которую ставится варочная емкость и через которую проходит ток. Варочный аппарат содержит также соединенные в цепь детектор входного напряжения, детектор низкого напряжения, ограничитель уровня мощности, компенсатор входного напряжения, выходной контроллер, импульсный генератор и микропроцессор, подключенный к компенсатору входного напряжения. Техническим результатом является предотвращение возникновения потерь мощности, связанных с излишними операциями переключения, а также приводит к увеличению долговечности варочных электроприборов.



Рисунок 16. Схема, иллюстрирующая варочный аппарат с индуктивным нагревом в соответствии с изобретением

Как правило, кухонная электроплита (называемая также варочным аппаратом) содержит: основной корпус, имеющий плату управления, способную после получения команды от пользователя определить наличие напряжения питания; варочную емкость, вставляемую в основной корпус, в которую помещается пища; и варочный нагреватель, смонтированный в нижней части варочной емкости или на внутренней стороне основного корпуса и предназначенный для приготовления пищи, помещенной в варочную емкость.

Устройство индуктивного нагрева содержит катушки в основном корпусе, в котором с определенным зазором размещается варочная емкость, изготовленная из магнитного материала, и делает возможным генерировать в материале варочной емкости вихревые токи при воздействии магнитного поля, генерируемого катушками при протекании по ним тока, вызывая нагревание варочной емкости. С использованием вышеописанной схемы индуктивного нагрева было разработано множество кухонных электроприборов, например кастрюли для варки риса, верхние варочные панели и электрические варочные котлы и т.д.

Инвертор для применения в вышеупомянутых варочных аппаратах с индуктивным нагревом, включаемый или выключаемый переключателем в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), подает на катушку высокочастотный ток большой мощности, и установленная на катушку емкость нагревается.

Рисунок 17. Прототип изобретения

Обычная схема варочного аппарата с индуктивным нагревом. Согласно генерирования обычного напряжения питания переменного тока; выпрямитель 2 для выпрямления напряжения питания переменного тока; блок фильтра 3 для сглаживания напряжения питания, после выпрямителя 12; и блок инвертора 4 для получения из блока фильтра 3 сглаженного напряжения питания, включения переключателя и подачи на катушку напряжения питания с большой выходной мощностью. К блоку питания переменного тока 1 подсоединен детектор 5 входного напряжения, контролирующий напряжение, подаваемое на инвертор. Компенсатор 6 входного напряжения с помощью микропроцессора варочного аппарата корректирует выходное напряжение в соответствии с колебаниями контролируемого входного напряжения.

Иными словами, если детектор 5 входного напряжения обнаруживает, что входное напряжение больше опорного входного напряжения, то компенсатор 6 входного напряжения понижает напряжение генерируемого микропроцессором управляющего выходного сигнала инвертора. И наоборот, если детектор 5 входного напряжения обнаруживает, что входное напряжение меньше опорного входного напряжения, то компенсатор 6 входного напряжения повышает напряжение генерируемого микропроцессором управляющего выходного сигнала инвертора таким образом, что он корректирует управляющий выходной сигнал инвертора в соответствии с колебаниями входного напряжения. Выходной контроллер 7 формирует сигнал управления частотой, способный регулировать рабочую частоту блока инвертора 4 в соответствии с уровнем выходного напряжения, генерируемого компенсатором 6 входного напряжения, и генерирует сигнал постоянной выходной мощно Таким образом, выходной контроллер 7 задает рабочую частоту, предотвращая работу блока инвертора 4 на резонансной частоте, связанной с материалом варочной емкости, благодаря чему повышается КПД, и управляет преобразователем в соответствии со схемой переключения при нулевом напряжении (ZVS).

Однако когда в обычный варочный аппарат с индуктивным нагревом ставится варочная емкость или когда на варочный аппарат с индуктивным нагревом подается низкое входное напряжение, резонансная частота отличается от частоты, определенной микропроцессором, так что трудно гарантировать работу инвертора в режиме переключения при нулевом напряжении. Изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем. Целью изобретения является создание варочного аппарата с индуктивным (индукционным) нагревом и способа его работы, включающего детектор низкого напряжения и ограничитель уровня выходной мощности для того, чтобы схема инвертора могла работать в режиме переключения при нулевом напряжении, даже если на аппарат, работающий на большой выходной мощности, подается низкое напряжение питания.

Проточный индукционный нагреватель жидкости. (Патент РФ № 2267869) Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для животноводческих помещений, производственных мастерских, предприятий по переработке жидких пищевых продуктов, в сфере обслуживания, быту.

Целью предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости, повышение коэффициента полезного действия и уменьшение конструктивной сложности. Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом проточном индукционном нагревателе жидкости:

1) совмещены магнитопровод и нагревательный элемент, функцию которых выполняет обмотка из нескольких слоев стальной ленты, наложенная на змеевик, изготовленный из тонкостенной трубы из нержавеющей стали (змеевик служит продуктопроводом, по которому протекает нагреваемая жидкость);

2) используется область сильных магнитных полей с напряженностью 25-40 кА/м; 3) в тепловыделении участвует весь объем ферромагнетика.



Рисунок 18. Проточной индукционный нагреватель жидкости

Проточной индукционный нагреватель жидкости представлен на рис.18, с разрезом по сечению А-А - на рис.19. Нагреватель состоит из обмотки индуктора 1 и сердечника, которым является трубчатый тонкостенный змеевик 3 из нержавеющей стали с наложенной на него обмоткой из стальной ленты 2. Внутри трубы змеевика помещена проволочная спираль 4 из нержавеющей стали.

Рисунок 19. Проточной индукционный нагреватель жидкости, сечение А-А

На змеевик наложена обмотка из стальной ленты такой толщины, чтобы не появилась негативно влияющая на коэффициент мощности отраженная от внутренних стенок трубы электромагнитная волна. На этот сердечник наложена тороидальная обмотка индуктора, что позволяет сконцентрировать магнитный поток внутри тороида. В результате, значительно уменьшаются потоки рассеяния и не оказывается негативное воздействие сильных полей на обслуживающий персонал. Для увеличения коэффициента теплоотдачи и теплового КПД в просвет трубы введена проволочная спираль из нержавеющей стали, приводящая к дополнительной циркуляции жидкости.

Подобное конструктивное решение позволяет снизить металлоемкость нагревателя до 2-2,5 кг/кВт и повысить тепловой КПД до 98-99%. Кроме того, изменяя расположение витков змеевика по отношению друг к другу и их число, можно при заданной мощности, определяемой площадью внешней поверхности обмотки из стальной ленты, изготовлять нагреватели с заданной разностью температур между внутренней стенкой змеевика и нагреваемой жидкостью.

Проточной индукционный нагреватель жидкости работает следующим образом: на первичную обмотку (обмотку индуктора) подается переменное напряжение. Созданный обмоткой переменный магнитный поток замыкается в сердечнике нагревателя, состоящем из трубчатого змеевика и наложенной на него обмотки из нескольких слоев стальной ленты такой толщины, чтобы не возникала отраженная электромагнитная волна, уменьшающая коэффициент мощности нагревателя. Переменный магнитный поток порождает в обмотке из стальной ленты индукционный ток, в результате прохождения которого происходит нагревание сердечника. Дополнительный нагрев происходит в результате перемагничивания материала ленты (потери на гистерезис).

Варочный аппарат с индукционным нагревом. (Патент РФ № 2303337).

В данном изобретении поставлена задача создать варочный аппарата с индукционным нагревом, который точно определяет изменение температуры загружаемой кастрюли путем оценки ее инфракрасного излучения. Причем температура кастрюли определяется на основе теплопередачи, исключая, тем самым возможное влияние внешних источников света, что позволяет предотвратить непреднамеренный нагрев.

Рисунок 20. Блок-схема варочного аппарата с индукционным нагревом

Варочный аппарат с индукционным нагревом содержит загрузочную кастрюлю 1 (рис.20), содержащую воду, который расположен на верхней поверхности 2В, т.е. первой поверхности верхней плиты 2, изготовленной из керамики, которая является прозрачной и пропускает инфракрасное излучение. Нагревательная катушка 3, заключенная в корпус, расположена под нижней поверхностью 2А, т.е. под второй поверхностью верхней плиты 2, и осуществляет индукционный нагрев кастрюли 1. Нагревательная катушка 3 является одной кольцевой нагревательной катушкой, имеющей отверстие в центре. На рис.20 нагревательная катушка 3 показана в виде двух элементов, причем поперечное сечение участка витков обмотки показано условно. Инвертор 4 подает ток высокой частоты в нагревательную катушку 3. Детектор 5 инфракрасного излучения определяет величину инфракрасного излучения, имеющего заданный диапазон частот, и формирует на выходе ток, соответствующий этой величине. Детектор 5 инфракрасного излучения расположен у центра нагревательной катушки 3 под этой нагревательной катушкой 3 и окружен отражающим цилиндром 5а, имеющим отрытый верх. Термодетектор 6 определяет изменение температуры нижней поверхности кастрюли 1 на основании изменения тока, поступающего из детектора 5 инфракрасного излучения. На основании выходного сигнала термодетектора 6 детектор 7 кипения определяет, что температура кастрюли 1 становится стабильной, то есть что вода в кастрюле 1 кипит. Термистор 9, т.е. термодатчик, контактирует с нижней поверхностью 2А верхней плиты 2, при этом получает тепло от верхней плиты 2 за счет теплопроводности и тем самым определяет температуру нижней поверхности 2А верхней плиты 2. Термодетектор 10, соединенный с термистором 9, определяет температуру нижней поверхности 2А верхней плиты 2 на основании сопротивления термистора 9. Детектор 11 кипения определяет кипение воды в кастрюле 1 на основании выходного сигнала термодетектора 10. Контроллер 8 нагрева управляет выходным сигналом нагрева из инвертора 4 на основании выходных сигналов детекторов 7 и 11 кипения.

Контроллер 8 нагрева принимает выходной сигнал операционного блока 12, содержащего выключатели 12а, 12b и 12с, приводимые в действие пользователем для ввода команд. Выключатель 12а представляет собой клавишу включения и выключения нагрева, предназначенную для запуска и останова операции нагревания. Выключатель 12b представляет собой клавишу кипячения воды, предназначенную для того, чтобы пользователь мог ввести «команду кипячения воды» и запустить автоматически последующее кипячение воды. В этой последовательности нагревание начинается выдачей заданного выходного сигнала, пользователя информируют о кипении воды в кастрюле 1 посредством индикатора (не показан) при обнаружении кипения, выходной сигнал нагрева из инвертора 4 уменьшается в течение заданного периода времени, чтобы поддержать кастрюлю 1 теплой, а после истечения этого заданного периода времени нагревание прекращается. Выключатель 12с представляет собой клавишу автоматической варки риса, предназначенную для того, чтобы пользователь мог ввести «команду варки риса» и запустить автоматически варку риса. В этой последовательности нагревание начинается выдачей заданного выходного сигнала, пользователь информируется о завершении операции варки риса в воде, когда определяется, что рис в кастрюле 1 готов, и выходной сигнал нагрева уменьшается, чтобы поддержать кастрюлю 1 теплой.

Индукционная бытовая плита. (Патент РФ № 2084083).

Сущность изобретения заключается в следующем. При плоской спиральной обмотке зоны нагрева имеет кольцеобразную форму со средним диаметром, примерно равным среднему диаметру обмотки. Радиально укрепленные на катушке сердечники ферритового материала пространственно искажают магнитное поле и повышают напряженность магнитного поля в сторону нагреваемого объекта, а выполнение сердечников с увеличивающейся толщиной от центра к наружному краю компенсирует краевой эффект при использовании равномерной посуды, что существенно повышает КПД и упрощает конструкцию. Изобретение поясняется чертежом.

На изолирующую пластинку 1 установлена нагревательная обмотка 2 и несколько ферритовых сердечников 3, укрепленных радиально снизу на нагревательную обмотку. Толщина сердечников увеличивается от центра к внешнему краю.

Катушка выполнена в виде плоской спирали из многожильного провода, что уменьшает потери.

Благодаря разделенному расположению сердечников улучшается фокусировка электромагнитного поля в заданном направлении, а изменение толщины сердечников позволяет использовать разномерную посуду без снижения КПД устройства.

Рисунок 21. Чертеж, поясняющий изобретение

3.2 Анализ патентной информации

Рассматривая отобранные патенты, следует отметить, что в подавляющем большинстве патентов непрерывность обработки достигается за счет перемещения продукта от зоны загрузки в зону тепловой обработки и далее - в зону выгрузки. При этом могут предлагаться различные средства перемещения продукта: транспортерные ленты, шнеки, передвижные контейнеры (котлы, кастрюли) и др. В некоторых патентах (например, патент RU 2468730) перемещается только некоторая часть продукта (вода). Но все же в подавляющем большинстве аппаратов непрерывной обработки перемещение продукта осуществляется устройствами на основе транспортерной ленты (цепи).

Существенным признаком, общим для всех патентов на аппаратуру и способы непрерывной тепловой обработки пищевых продуктов, является стремление минимизировать тепловые потери и общий расход тепловой энергии. Это достигается за счет теплоизоляции как зоны тепловой обработки, так и всего аппарата в целом, путем рекуперации тепловой энергии, оптимизацией процессов обработки (обработка продукта «по частям», минимизация обрабатываемой массы продукта, использование минимально необходимой температуры обработки и т.д.), применением комбинированных источников тепловой энергии (СВЧ нагрев и пар, горячая вода и острый пар и т.п.), другими путями.

Характерной чертой большинства предлагаемых способов и средств непрерывной обработки пищевых продуктов является ориентация этих способов и средств на полную (либо, как минимум, частичную) автоматизацию. Причем для большинства патентуемых устройств автоматизация прямо декларируется в патенте.

Отдельной темой анализа патентов является рассмотрение путей и способов использования новых, не традиционных, способов нагрева продуктов обработки. В том числе, в комбинации с традиционными способами. Весьма интересным в этом плане оказался патент № 2267970 «Способ непрерывной обработки пищевого продукта, сочетающий микроволновый и паровой методы, установка для реализации этого способа и полученный этим способом продукт». В этом же контексте следует отметить и патент RU 2236162 «Варочная емкость, используемая в микроволновой печи (варианты)». По-видимому, сочетание быстрого начального нагрева продукта с помощью СВЧ источника энергии и его последующая обработка (например, доваривание) с использованием традиционных средств (горячая вода, пар, разогретый жир) является весьма перспективным направлением.

Новым и быстро набирающим популярность способом нагрева является использование индукционных нагревателей. Главным отличием таких нагревателей является то, что в аппаратах на их основе переменное электромагнитное поле преобразуется в тепловое непосредственно в металлическом корпусе варочной емкости. За счет этого максимально сокращается время нагрева, уменьшаются потери тепла, повышается КПД плавной регулировки подводимой мощности, при этом изменение температуры нагрева происходит практически мгновенно.

Выводы, полученные в данном разделе, а так же результаты рассмотрения промышленных образцов макароноварок и анализа тенденции развития варочного оборудования, полученные во второй главе, положим в основу разработки требований к проектируемой макароноварке непрерывного действия.

4. Назначение, технические характеристики и концепция построения макароноварки непрерывного действия

Прежде чем приступать к разработке конструкции макроноварки непрерывного действия, рассмотрим возможные области ее применения, назначение и концепцию построения. Исходя из этого, определим необходимые технические характеристики и основные параметры проектируемого аппарата.

4.1 Назначение и основные требования

«Родиной спагетти является Италия, и они широко используются в итальянской кухне, часто подаются с томатным соусом. Являются основой многочисленных итальянских блюд…» [12]. В настоящее время итальянская кухня признана не только одной из лучших в мире, но является одной из самых модных. Поэтому разработка автоматизированного и высокопроизводительного устройства для приготовления одного из основных блюд этой кухни - спагетти - является актуальной задачей.

При разработке концепции построения и выработке технических требований к такому устройству будем исходить из того, что оно будет использоваться в ресторанах для среднего класса, (ресторанах «средней руки»), в ресторанах класса ниже среднего, рассчитанных на население низкого уровня платежеспособности, а так же в довольно перспективных и востребованных в последнее время ресторанах формата Fast Casual^*). В расчетах будем исходить из того, что заведение имеет 72 посадочных места.

Будем считать [13], что заполняемость ресторана в среднем составляет 70%. Ресторан работает с 9.00 до 23.00. Среднее время пребывания посетителя 60 минут. Так как предполагается, что ресторан ориентирован на итальянскую кухню и меню состоит в основном из соответствующих блюд, то будем считать, что 90% посетителей будут заказывать спагетти либо другие макаронные изделия. Следовательно, за рабочий день должно быть приготовлено примерно 650 порций макарон. Причем время ожидания не должно быть более 7 - 10 минут.

Вес одной порции спагетти 250г. Следовательно, за рабочий день (14 часов) макароноварка должна будет сварить не менее 65кг макаронных изделий (или, в пересчете на готовые продукты, 162,5кг сваренных изделий). Таким образом, производительность макароноварки должна быть не менее 12кг готовых макаронных изделий в час. С учетом пиковых нагрузок, будем считать, что необходимая производительность аппарата 20кг готовых изделий в час.

Так как площадь кухни ресторана на 72 посадочных места составляет примерно 130-150м², то с учетом необходимости выделения производ-ственных площадей под другое оборудование площадь, занимаемая макароноваркой (без учета вспомогательных площадей и площадей рабочих мест обслуживающего персонала), не должна превышать 2 - 2,5м². При ширине аппарата 1м его длина не должна превышать, таким образом, 2-2,5 м.

4.2 Концепция построения

Исходя из изложенных выше основных требований и назначения проектируемого аппарата, а так же с учетом выводов о состоянии и тенденциях развития оборудования для тепловой обработки пищевых продуктов, в основу концепции построения аппарата положим следующие принципы:

1. Непрерывность процесса варки. Варка продукта (макаронных изделий) при необходимости должна осуществляться непрерывно с момента включения аппарата до полной его остановки.

2. Порционность варки. Продукт загружается, варится и выгружается в готовом виде дискретными частями, приблизительно равными или кратными одной порции.

3. Перемещение продукта от места загрузки к месту выгрузки с прохождением через зону подогрева и варки при помощи транспортера с устройствами порционного перемещения. Маршрут (траектория) перемещения должен включать в себя следующие участки:

ѕ участок порционной загрузки на средство транспортировки;

ѕ зону увлажнения, нагрева и варки;

ѕ зону стекания излишней влаги;

ѕ зону выгрузки.

Структурная схема макароноварки непрерывного действия, построенной по таким принципам, представлена на рисунке 16. Транспортировка продукта (макаронных изделий) осуществляется с помощью скребкового цепного транспортера движущегося с линейной скоростью v_л. Индукционный нагреватель на схеме показан условно. На схеме так же не показан фильтр, в котором происходит отделение крахмала и очистка воды. Этот фильтр следует расположить на обратной трубе, по которой вода из варочной ванны возвращается в емкость для кипячения. Так же не показан патрубок для долива воды взамен выкипевшей. Его следует установить там же.

Предполагается, что циркуляция воды будет происходить, во-первых, за счет разности температур в начале и в конце варочной ванны и, во-вторых, благодаря перемещению скребкового транспортера. Если же этого будет недостаточно, в обратной трубе (после фильтра) можно установит насос (например, шестеренчатый).



Рисунок 16. Структурная схема макароноварки непрерывного действия

4.3 Выбор материалов для изготовления деталей макароноварки

Рационально теперь определить, из каких материалов наиболее рационально изготавливать основные детали аппарата. Прежде всего, поскольку мы имеем дело с пищевым оборудованием, все материалы должны удовлетворять требованиям санитарной безопасности. Кроме того, основная часть деталей аппарата будет работать при температуре примерно 100?С. Следовательно, материалы должны быть термостойкими. Естественно, все материалы должны удовлетворять обычным конструктивным требованиям прочности, твердости, износоустойчивости и т.п.

В качестве материала для изготовления варочной ванны можно использовать традиционную «пищевую нержавейку», например, сталь 08Х18Т1 или 08Х18Тч. Последняя, по сравнению со сталью 08Х18Т1, обладает несколько большей пластичностью и полируемостью. Можно так же использовать алюминиевые сплавы, такие как АК7, АК5М2, АК9, АК12. Хотя теплопроводность сплавов алюминия примерно в 5 раз выше, чем стали, однако в данном случае их использование может быть оправданным. Изготовить изделие сложной формы, каким является варочная ванна, из алюминиевого сплава может оказаться проще, чем из легированной стали. Кроме того, применение алюминиевых сплавов обеспечивает существенное снижение массы конструкции.

Для осуществления индукционного нагрева к дну варочной ванны с внешней стороны следует плотно прикрепить тонкую плиту из ферритной нержавеющей стали AISI430. Крепление можно реализовать с помощью сварки, заклепочного соединения и др. способами. Для улучшения теплопроводности стыка можно, по-видимому, использовать термопасты типа КПТ-8.

Скребки и звенья цепи транспортера можно изготавливать из полимерных материалов. Например, из полипропилена. Полипропилен обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и другим неорганическим агрессивным средам. При комнатной температуре не растворяется в органических жидкостях, при повышенных температурах набухает и растворяется в некоторых растворителях, например, в бензоле, четыреххлористом углероде, эфире. Полипропилен имеет низкое влагопоглощение. Характеризуется хорошими электроизоляционными свойствами в широком диапазоне температур, имеет хорошие механические свойства.

Таблица 2. Свойства полипропилена

Плотность, г/см	0,90-0,92
Предел прочности при разрыве, кг/см2	260-400
Отностительное удлинение при разрыве, %	200-700
Температура плавления, 0С	160-170
Температура стеклования, 0С	-10...-20
Степень кристалличности, %	50-75
Морозостойкость, 0С	-10 и ниже
Теплопроводность, кал/секЧсмЧград	0,00033
Удельная теплоемкость, Дж/(кг•К)	4,187•103 •(0,40-0,50)
Коэффициент объемного расширения при 20 0С	0,00033
Влагопоглощение за 30 сут при 20 0С, %	0,03
Тангенс угла диэлектрических потерь при 10^6 Гц	(3-5)10^-4
Диэлектрическая проницаемость при 10^6 Гц	2,2
Удельное объемное электрическое сопротивление, ОмЧсм	10^17
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом	10^16
Электрическая прочность на переменном токе на пластинах толщиной 1 мм, кв/мм	30-35

В качестве материала для изготовления других элементов транспортера, а так же валов и прочих деталей аппарата, работающие под нагрузкой, будем использовать легированную конструкционную сталь, например, 40Х или 20ХН4ФА, обладающую более высокой коррозионной стойкостью. Для изготовления остальных деталей аппарата можно использовать любые подходящие конструкционные материалы: сталь, алюминиевые сплавы и др.

4.4 Основные технические характеристики

На базе рассмотренной выше концепции построения аппарата и основных требований, предъявляемых к нему, определим важнейшие технические характеристики разрабатываемой макароноварки:

1. Размеры варочной ванны.

2. Ориентировочная линейная скорость движения транспортера.

3. Габариты контейнера.

4. Ориентировочные размеры и форма элементов цепного транспортера.

Известно [25], что производительность Q скребкового транспортера определяется соотношением

(1)

где - площадь поперечного сечения скребка;

- линейная скорость движения транспортера;

ц - коэффициент заполнения;

в - коэффициент наклона;

г - удельная масса перемещаемого груза.

Необходимая производительность аппарата (транспортера), как было показано в п. 4.1, равна 20 кг/ч. Скорость движения транспортера v_л определяется протяженностью зоны варки и временем обработки ф_обр

(2)

Откуда

(3)

Будем считать, что коэффициенты заполнения и наклона равны единице. Время обработки продукта в зоне варки - =7мин, удельная масса готового продукта г ? 100ч200 кг/м³. Из конструктивных соображений площадь поперечного сечения скребка положим равной 0,03 м².

Теперь можно определить протяженность зоны варки и, тем самым, габариты варочной ванны.

м

Ширина ванны определяется длиной основного вида макаронных изделий, который предполагается варить в макароноварке, - спагетти. В сухом виде длина классических спагетти 25 см, диаметр 2мм. В процессе варки длина спагетти изменяется незначительно. Скребок транспортера рационально сделать в виде трапеции, как это показано на рисунке 17. Тогда, исходя из принятой площади скребка, его высота (и, следовательно, глубина варочной ванны) будет примерно 100 мм. Основные размеры варочной ванны показаны на рисунке 18, а ее внешний вид в сборе с изоляционной и нагревательной плитами - на рис. 19.

Рисунок 17 Размеры скребка

Рисунок 18. Продольный профиль и основные размеры варочной ванны

Рисунок 19. Внешний вид варочной ванны

По построенной в ходе проектирования 3D модели варочной ванны был рассчитан ее объем. Он оказался равным V_в.вар=20 л.

Таким образом, определены назначение, концепция построения и основные технические характеристики разрабатываемого аппарата. Кратко рассмотрим теперь индукционные способы нагрева и их использование в пищевом производстве.

5. Тепловой баланс аппарата и расчет потребной мощности индукционного нагревателя

Расчет толщины теплоизоляции

Перед тем, как определять составляющие теплового баланса аппарата, определим параметры теплоизоляции: материал и толщину. Специальный теплоизоляционный материал будем применять для уменьшения потерь тепла варочной ванной.

Дно ванны закрыто стеклянной изолирующей пластиной. Так как стекло, помимо электроизоляционных, обладает и неплохими теплоизоляционными свойствами, дополнительных мер теплоизоляции дна ванны предпринимать не будем. Слоем теплоизоляционного материала покроем ее боковые поверхности и крышку. В качестве теплоизоляции используем достаточно новый и прогрессивный материал альфоль - ленту гофрированной бумаги с наклеенной на нее фольгой. Ее объемный вес - 8 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,055 Вт/м•К, предельная температура применения 550єС.

При расчете будем следовать методике, изложенной в [32]. Положим температуру наружной поверхности кожуха аппарата в стационарном режиме t_ст = 40°С. Температуру стенок и крышки варочной ванны принимаем равной температуре кипящей воды t_к=100°С.

Определим коэффициент теплоотдачи кожуха окружающей среде. Воспользуемся эмпирической формулой [32]

, (6)

где - температура воздуха в помещении, примем 25єС;

для стационарного режима ;

для нестационарного

7)

Нас интересует стационарный режим. Для него

10,75 Вт/м²К

Толщина теплоизоляции

, (8)

где л - коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции (для альфоли л_из=0,059+0,00026•t_{ср. из}, Вт/м•К)

t₁ - температура внутренней поверхности изоляции, °С, которую с достаточной степенью точности можно принять равной температуре стенки наружного котла;

t_нар - температура кожуха, °С.

Находим коэффициент теплопроводности мятой (гофрированной) альфоли:

70

л_из=0,059+0,00026•70=0,0772

= 0,029 м?30 мм

Из 3D модели аппарата общий вес теплоизоляции из альфоли 0,124 кг.

Тепловой баланс аппарата

Как известно [16], основными расчетными уравнениями в конструкторских расчетах тепловых аппаратов являются уравнения теплопередачи и теплового баланса. Основное уравнение теплопередачи:



, (9)

где Q -- тепловая нагрузка аппарата, Вт;

К -- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);

F--поверхность теплопередачи, м ;

?t_cp -- средняя разность температур (движущая сила теплообмена), °С.

Уравнение теплового баланса:

, (10)

где Q -- количество теплоты подведенной в аппарат, Вт;

--полезно используемая теплота, Вт;

-- суммарные потери теплоты, Вт.

Уравнение теплопередачи (9) показывает процесс прохождения теплоты через поверхность нагрева. Уравнение теплового баланса (10) отражает фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. Анализ этого уравнения позволяет выявить непроизводительные потери теплоты и определить наиболее рациональные режимы эксплуатации проектируемого аппарата.

Работа теплового аппарата состоит из периода разогрева и стационарного периода. Нестационарный период разогрева характеризуется изменениями температур отдельных элементов аппарата прежде, чем температуры этих элементов достигнут определенного постоянного значения. Стационарный период - это работа аппарата при постоянной температуре всех элементов. Поэтому тепловой баланс аппарата составляется на период разогрева (нестационарный режим) и на стационарный период, который является собственно периодом тепловой обработки продукта.

Запишем слагаемые теплового баланса для каждого из режимов:

разогрев (нестационарный режим):



, (11)

варка (стационарный режим):

. (12)

где - полезно используемая теплота;

- потери теплоты на испарение;

- затраты тепла на разогрев скребков транспортера;

- разогрев доливаемой воды;

- потери теплоты на разогрев конструкций;

- потери теплоты на разогрев теплоизоляции аппарата;

- потери тепла в окружающую среду ограждением .

Будем считать, что полезными затратами теплоты в период разогрева являются затраты на разогрев воды, находящейся в варочной ванне, до температуры кипения t_кип=100С. Тогда полезное количество теплоты в период разогрева будет

,

где - затраты тепла на разогрев воды;

- затраты тепла на разогрев скребков транспортера.

,кДж (13)

где с - удельная теплоемкость воды;

- масса воды в варочной ванне;

- удельная теплоемкость воды;

,- начальная температура и температура кипения воды соответственно.

Положим, что начальная температура =25 ?С. Из определенных ранее (п 4.4) технических характеристик аппарата известно, что =20 кг. Следовательно

6285 кДж

Буде считать, что после включения аппарата на прогрев сразу же приводится в действие транспортер. Часть скребков (8 из 20) будет погружена в воду, а остальные будут двигаться выше уровня воды. Положим, что температура паровоздушной смеси под кожухом аппарата равна 60єС. Тогда средняя температура скребков транспортера будет:

=76єС.

Затраты теплоты на разогрев скребков (с учетом того, что масса одного скребка 160 г)

307,5 кДж

, (14)

где -- количество испарившейся воды, кг;

-- теплота парообразования, равная 2 256 кДж/кг.

Количество испарившейся воды за 1 ч работы котла с негермети-зированной крышкой принимаем [16] равным в период разогрева 0,5 %, а в процессе варки -- 1,5% массы воды в варочной ванне, т.е.

кДж/ч,

кДж/ч,

Здесь индекс ? относится к нестационарному режиму, а индекс ?? - к стационарному.

Потери теплоты на разогрев конструкций определяются известным соотношением

, (15)

где - масса;

- удельная теплоемкость;

- разность начальной и конечной температур.

Данные о материалах и массе отдельных конструктивных частей аппарата, полученные по результатам его конструирования, сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Данные отдельных частей аппарата

Наименование	Масса, кг	Материал	Уд. теплоемк., кДж/кг?С	Конечная температура, ?С	, кДж
Варочная ванна с крышкой	8,14	Нерж. сталь	0,5	100	305,25
Транспортер	5,7	Нерж. сталь	0,5	76	145,35
Обратная труба с отстойником	1,58	Нерж. сталь	0,5	98	57,67
Кожух и рама	84,73	Конструкционная сталь	0,46	40	584,637
Столы загрузки и выгрузки	5,6	Нерж. сталь	0,5	40	42
Всего:	1134,907

Потери теплоты на разогрев теплоизоляции аппарата.

Теплоемкость альфоли приблизительно равна 1 Дж/(кг•К), так как теплоемкость воздуха - 1,005, а теплоемкость алюминия - 0,9. Отсюда:

=5,58 Дж.

Потери тепла в окружающую среду ограждением

, (16)

где б - коэффициент теплоотдачи элементов ограждения;

- площадь элементов ограждения аппарата;

ф - время разогрева аппарата до стационарного режима, ч;

- средняя температура элементов ограждения;

- температура окружающего воздуха, 25^oС.

Коэффициенты теплоотдачи элементов ограждения определяются по формуле:

Вт/(м²•К).

пользовать без поправочных коэффициентов, для горизонтальных крышек при теплоотдаче вверх - увеличивать результат на 30%, для днищ при теплоотдаче вниз - уменьшать на 30%.

Исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Потери тепла в окружающую среду ограждением

Элемент ограждения	б	F, м2	tогр	Q, Дж/с
	Нест.	Стац.		Нест.	Стац.	Нест.	Стац.
Крышка варочной ванны	16,1	19,5	0,24	62,5	100	144,9	351
Боковые стенки кожуха	10,3	10,8	1,43	32,5	40	110,5	231,7
Верхняя стенка кожуха	13,4	14,1	0,44	32,5	40	44,2	93
Нижняя поверхность ванны	8,7	10,5	0,1	62,5	100	32,6	78,8
Днище кожуха	7,7	8,5	0,45	42,5	60	60,6	133,9
Стеклянный изолятор	8,7	10,5	0,12	62,5	100	39,2	94,5
Итого:	432	982,9
Итого за 1 час, кДж:	1555,2	3538.4

Затраты тепла на разогрев продукта. Как было установлено выше, за час работы аппарата должно быть обработано 20 кг продукта (макаронных изделий). Следовательно, затраты тепла на разогрев этого объема продуктов составят:

.

Удельная теплоемкость макаронных изделий при влажности 28% составляет 2365 Дж/(кг•К). Тогда

=3547,5 кДж

Расчеты теплового баланса закончены. Будем считать, что разогрев аппарата должен занимать не более часа. Тогда в итоге получим следующие результаты:

Режим разогрева

=9314,3 кДж/ч

Стационарный режим

=7180,9 кДж/ч

Таким образом, в режиме разогрева индукционный нагреватель должен будет реализовать отдачу мощности примерно 2,6 кВт. В режиме варки около 2 кВт. Основные затраты мощности идут на разогрев достаточно большого объема воды - 20л.

6. Индукционный нагрев пищевых продуктов

Из общей физики известно, что у проводников часть носителей заряда слабо связана со структурной решеткой [15,16,17]. Под действием электрического поля свободные заряды могут передвигаться в пределах данного тела, создавая электрический ток проводимости. У диэлектриков заряды связаны и могут перемещаться только в пределах атома, молекулы, кристаллической ячейки или неоднородного участка структуры вещества. Такому направленному перемещению соответствует ток смещения.

Вихревые токи создаются в проводящем теле, помещенном в магнитное поле, если хотя бы часть замкнутых контуров, которые можно выделить в объеме этого тела, пронизывается изменяющимся во времени магнитным потоком. Мгновенное значение ЭДС е, возникающей в контуре, охватывающем поток Ф, равно

(3)

Под действием этой ЭДС возникает ток i, вызывающий нагрев тела в соответствии с законом Джоуля--Ленца.

Вихревые токи создают собственные магнитные поля (поля реакции), которые, складываясь со сторонним полем (полем возбуждения), образуют результирующее поле, изменение которого и должно учитываться в (3). Одновременно вихревые токи, взаимодействуя друг с другом и с исходным полем, создают электродинамические усилия (ЭДУ), приводящие при наличии соответствующих степеней свободы к перемещению тел или их вибрации.

...