Фризери для виробництва м'якого морозива

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

1. Аналітичний огляд

1.1 Основні відомості про морозиво

1.1.1 Класифікація, види та характеристики м'якого морозива

1.1.2 Теплофізичні показники м'якого морозива

1.2 Технологічне обладнання для виробництва м'якого морозива

1.2.1 Фризери для виробництва м'якого морозива

1.3 Холодильні агенти для системи охолодження фризера

1.4 Методика розрахунку теплового навантаження на ХС фризера

1.4.1 Методика розрахунку теплопритоків через елементи конструкції

1.5 Методика розрахунку швидкості наморажування шару морозива на внутрішній поверхні фризера

1.6 Вибір моделі фризера та напрямки його модернізації

ВСТУП

У даній дипломній роботі були розглянуті технології і устаткування для виробництва м'якого морозива. Приведені загальні характеристики технологічного процесу, відомості про сировину, описані технології приготування сумішей і методи розрахунку рецептур, а також технологія приготування морозива із сумішей. Наведено відомості зберіганні морозива. Дано опис обладнання, що використовується на всіх етапах виробництва морозива.

Метою дипломного проекту є порівняльний аналіз існуючих конструкцій фризерів, вибір на основі цього аналізу найбільш оптимальної моделі фрізера і модернізація обраної моделі з метою збільшення продуктивності фрізера і отримання більш якісного продукту. Відповідно до поставленої мети вирішувалися такі питання:

1. вивчення основних закономірностей проведення процесу фрізерованя та обґрунтування вибору режимних параметрів;

2. дослідження якісних показників сухої суміші та м'якого морозива на її основі;

3. розробка нової конструкції фрізера;

Актуальність роботи: Виробництво морозива ? важлива складова молочної галузі, харчова цінність якого має широкий діапазон характеристик: енергетичній, біологічної, фізіологічної та органолептические цінностей. Многокомпонентность складу морозива визначає його конкурентні переваги порівняно з харчовими продуктами, які служать сировиною для його виробництва. Завдяки своїм живильним властивостям, морозиво є цінним, легкозасвоюваним продуктом для людей різних вікових категорій.

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

1.1 Основні відомості про морозиво

1.1.1 Класифікація, види та асортимент м'якого морозива

М'яке морозива, це морозиво яке виготовляється на спеціальному обладнанні - фризері. Сировиною для виробництва м'якого морозива служать суміші для морозива, які перед завантаженням у фризер розбавляються водою (молоком) в спеціальній пропорції. Після завантаження суміші в фризер, вона проходить через ряд автоматизованих процесів (охолодження, збивання), в результаті чого і виходить м'яке морозиво.

М'яке морозиво - продукт кремоподібний, з температурою (-5... - 7 ° С) і збитості зазвичай 40-60%. Це морозиво готове, відразу після виходу його з фрізера. Воно не піддається подальшому заморожуванню і містить 45-55% води в замороженому стані. Консистенція його ніжна, кремоподібна. Таке морозиво за смаковими перевагами перевершує загартоване.

Рисунок 1.1 ? Вид м'якого морозива

За способами вироблення морозиво підрозділяють на:

1. загартоване;

2. м'яке;

Загартоване морозиво ? це продукт, виготовлений у виробничих умовах, який після виходу з фризера з метою підвищення стійкості при зберіганні заморожують (гартують) до низьких температур (?18 ° С і нижче). У такому вигляді його зберігають до реалізації. Загартоване морозиво відрізняється високою твердістю. М'яким називається морозиво ? яке виробляють в основному на підприємствах громадського харчування і вживають в їжу відразу ж після виходу з фризера (температурою ?5... ? 7 ° С). За консистенцією і зовнішнім виглядом воно нагадує крем. Для виготовлення м'якого морозива в даний час використовують одно- і двоциліндрові фрізери спеціальної конструкції. Їх відмінною особливістю є видача готового продукту порціями довільної маси через певні проміжки часу (по мірі попиту на морозиво) і засмоктування в циліндр фрізера за допомогою спеціальних кранів суміші та повітря в сумарних обсягах, відповідних обсягам видається морозива.

Короткочасно (до виходу з фризера при реалізації) готове морозиво зберігається в циліндрах фризерів. Там же, де і виготовляється. Зберігання морозива відбувається при періодичному перемішуванні і відводі теплоти, здійснюваними за допомогою автоматичного включення мішалки і холодильної установки. Це необхідно, щоб запобігти 'примерзанню продукту до стінок циліндра і не допустити його підтавання.

Інтенсивне механічний вплив на м'яке морозиво призводить до небажаних суттєвих змін його структури - дестабілізації і укрупнення жирових часток (порок крупитчатая) і їх часткового осіданню на поверхні циліндрів, зменшенню взбитости продукту і дисперсності повітряних.

Сам процесс фризеруваня для м'якого морозива є дуже складний так як суміш морозива є складною системамою. У водному середовищі, що становить 60... 75% від маси суміші, знаходяться інші складові компоненти, які відрізняються не тільки розмірами частинок і їх агрегатним станом, але і хімічним складом. Наприклад, суміші на молочній основі містять солі неорганічних і органічних кислот (близько 20 найменувань).У процесі фрізерування у зв'язку з пониженням температури і вимерзанням частини вологи, а також насиченням повітрям в морозиві відбуваються наступні фізико ? хімічні зміни, пересичення розчинів лактози різко зростає. У результаті вже при температурі 272 К починається утворення кристалів, в основному розміром до 3 мкм, а до кінця фрізеруванія (268 К) спостерігалося не тільки збільшення числа кристалів, але й зростання їх середнього розміру.

На тривалість фрізерованія впливають такі характеристики:

1) склад морозива;

2) точка замерзання;

3) методи обробки;

4) вид і кількість смакоароматичних матеріалів.

Тривалість фрізерування залежить від механічних і фізичних факторів, а також від властивостей суміші. До механічних і фізичних факторів належать:

1. тип і конструкція фрізера;

2. стан стінок циліндра і скребків;

3. швидкість взбивання механізму;

4. температура хладогенту,

5. швидкість холодоагенту при проходженні їм камери фрізерування;

6. кількість масла, що відклалася на зовнішній стінці циліндра фрізера;

7. заявлена взбитість;

8. температура,при якій виходить морозиво;

9. швидкість розвнтаження фризера (періодичного типу).

Білки в морозиві відіграють важливу роль ? виконуючи функції емульгатора жирової фази під час перемішування і піноутворення ? у процесі фрізерованія. При фрізеровані суміші (271... 267 К) білок разом з введенням стабілізатором збільшує в'язкість суміші, покращуючи надалі збитість і консистенцію готового продукту. Вміст білка в суміші морозива має бути 3,0...6,7%.

1.1.2 Теплофізичні показники м'якого морозива

М'яке морозиво має температуру -5 ч -7° С. При цьому 50-60% міститься в ньому води знаходиться в замороженому стані. Збитість морозива в залежності від його складу коливається в межах 40-60%, консистенція - ніжна, кремоподібна.

До складу м'якого морозива входять в легкозасвоюваному вигляді такі необхідні для організму людини речовини, такі як: молочний жир, білки, вуглеводи, вітаміни, а також мінеральні солі.

Молочний жир знаходиться в диспергованому стані; зміст його коливається від 3,5 до 15% залежно від виду морозива.

Білки представлені казеїном (б, в і г форми), альбуміном, глобуліном (сивороточні білки), липопротеинами. Казеїн складає 80% від загальної кількості білка, якого в свою чергу в морозиві міститься 4,6%.

Із вуглеводів крім молочного (лактози) і бурякового цукру (сахарози) міститься також і фруктоза (у разі застосування фруктових наповнювачів), крохмаль (при використанні його як стабілізатор). Ці вуглеводи добре засвоюються людським організмом. У морозиві різних видів вуглеводів міститься не менше 20-21%.

До складу морозива входять такі мінеральні речовини як: кальцій і фосфор. Містяться також магній, калій, натрій, залізо та інші мікроелементи.

М'яке морозиво містить вітаміни А, В1, В2,, В12, С, Д, Е і Р.

Кількість вітаміну С значно збільшується при додаванні до морозива фруктових наповнювачів.

М'яке морозиво містить на 100 г продукту :

Вода - 62%; Білки - 6%; Молочні жири - 8%; Вуглеводи -11%; Сахароза - 15%; Крохмаль - 2.4%; Теплоємність води - 4200 Дж/кг·К; Теплоємність льоду - 2100 Дж/кг·К; Теплота фазового переходу води - 335000 Дж/кг;

Питома теплоємність м'якого морозива до заморозки - 3890 Дж/кг;

Питома теплоємність морозива після заморозки - 2150 Дж/кг; [5]

Теплопровідність (коефіцієнт теплопровідності), теплоємність, температуропровідність (коефіцієнт температуропровідності), в'язкість, кріоскопічна температура морозива, молочної та вершкової сумішей залежно від складу суміші і взбитости, від температури. Молочне морозиво (сухий знежирений залишок - сомо, стабілізатор - борошно), вершкове морозиво, агар, желатин.

Таблиця 1.1 - Залежність коефіцієнта теплопровідності молочної суміші морозива від температури

Таблиця 1.2 - Залежність коефіцієнта теплопровідності, питомої теплоємності і коефіцієнта температуропровідності морозива від температури при взбитости на 70% і щільності 650 кг/м3

Таблиця 1.3 - Кріоскопічна температура* сумішей м'якого морозива різного складу

* Кріоскопічна температура називаеться температура, відповідна початку замерзання розчину даної концентрації [6].

1.2 Технологічне обладнання для виробництва м'якого морозива

морозиво фризер устаткування продуктивність

1.2.1 Фризери для виробництва м'якого морозива

На ринку з продажів фризерів для м'якого морозива представлені наступні виробники фризерів: Carpigiani, Frigomatt, Coldelite, Ott Swiss Freezer (Італія), Stoelting, Taylor (США). Не так давно до них приєдналася південнокорейська компанія KORECO.

Всі фрізери можна розділити на:

1. апарати, що дозволяють готувати морозиво одного смаку;

2. апарати, що дозволяють готувати морозиво одного двох смаків + третій змішаний;

3. комбо ? апарати (готують один вид морозива і декілька видів коктейлів).

Також фрізери можна розрізняти за такими технічними характеристиками:

1) продуктивність (порцій / кг / л на годину);

2) підлоговий або настільний;

3) наявність або відсутність повітряної помпи;

4) вимоги до напруги в електромережі (220 або 380);

5) наявність або відсутність функції пастеризації;

6) тип охолодження (повітряний або водяний конденсатор).

Одним з найбільш важливих критеріїв при виборі фрізера є його продуктивність. У першу чергу необхідно спрогнозувати передбачувану прохідність торгової точки і кількість посадочних місць. Не варто забувати і про те, що влітку попит на заморожені десерти істотно зростає. На продуктивність фрізера впливають:

1) потужність холодильного агрегату;

2) обсяг циліндра;

3) наявність помпи.

Якщо продуктивність обрана нижче необхідної, можливі збої в роботі (суміш на виході буде не доморожена або переморожено). Для нормалізації роботи фризерів буде потрібно від 30 до 60 хвилин. Потрібно врахувати, що продуктивність фрізера вказується в кг/год, л/год або кількість порцій /год, це означає, що фризер може призвести рівно стільки морозива протягом години, скільки вказано в документації. Якщо вказується 30 порцій на годину, то фризер здатний видати тільки одну порцію за дві хвилини. Якщо апарат простояв 30 хвилин і не було реалізовано жодної порції, то в наступні 30 хвилин він здатний видати тільки 15 порцій.

Також фризери різняться між собою за наступними параметрами:

1. Помпа (фризери з помпою та без неї);

2. Спосіб охолодження (повітряний чи водяний);

3. Наявність пастеризації;

4. Кількість циліндрів.

Помпа ? пристрій примусового нагнітання повітря і прискорення надходження суміші в циліндр фризера. Завдяки цьому пристрою, в процесі фрізерування, морозиво набуває повітряну, кремоподібну консистенцію, володіє найбільш позитивними органолептичними показниками (жирніший смак). Але однією з найважливіших є економічна сторона. Наявність помпи у фрізера дозволяє отримати морозиво зі взбитості близько 80 ? 100%, в той час як без неї можна досягти взбитості до 60%. Варто відзначити, що м'яке морозиво продається не на вагу, а на обсяг. Відповідно, чим більше повітря в порції, тим менше її собівартість і тим вигідніше даний бізнес для власника. Фризери з помпою найбільш придатні для приготування високожирних морозива. Для нежирних же сортів надмірне наповнення повітрям небажано.

Спосіб охолодження ? у процесі роботи фрізера холодильний агрегат виділяє велику кількість тепла, тому для нього важливе питання охолодження, яке може бути повітряним (за допомогою вентилятора) і водяним. Перший тип використовується для апаратів з невеликою продуктивністю. Виділяючи місце для таких фризерів, необхідно залишати певне вільний простір навколо корпуса. Другий тип охолодження застосовується на потужних фризерах, завдяки чому процес приготування морозива супроводжується виділенням меншої кількості тепла. Крім того, обладнання працює набагато тихіше. Наявність водяного охолодження дозволяє встановлювати апарат впритул до стін або до іншого обладнання.

Відповідно до норм СЕС фризер слід мити 1 раз у два дні, що доставляє великі незручності в експлуатації. Залишилася суміш доводиться викидати. Цю проблему виробники фризерів вирішили, оснастивши деякі моделі функцією пастеризації, в процесі якої основна маса мікроорганізмів гине, завдяки цьому такі апарати необхідно мити лише раз на 12 ? 14 днів.

Кількість циліндрів ? більшість фризерів мають один або два циліндра. Останній варіант дає можливість одночасно проводити морозиво двох видів, а також мікс з цих смаків. Варто відзначити, що фризер з двома циліндрами стоїть на 50 ? 70% дорожче одноціліндрованного. Тому найбільш оптимальним варіантом є придбання фрізера з одним циліндром, а для того, щоб урізноманітнити асортимент морозива можна використовувати топпинги-спеціальні поливання для морозива та десертів.

Таблиця 1.4 ? Порівняння фризерів періодичної и непереривної дії

Показники	Періодичної дії	Непреривної дії
Продуктивність,кг/год	15 -150	150 - 2500
Переваги	- Низька вартість ємнісного обладнання - Низькі вимоги до кваліфікації персоналу, що обслуговує технологію виробництва. - Простота і висока надійність конструкцій.	- Гарантована якість суміші на увазі використання закритого потоку при пастеризації суміші, її гомогенізації і охолодженні; - Повне використання вторинних теплоносіїв, що забезпечує коефіцієнт регенерації тепла до 80% і, отже, - економію теплоносія; - Низьке впливу людського фактора; - Малі виробничі площі
Недоліки	- Недостатньо висока якість готового продукту; - Ефективність виробництва при продуктивності лінії більше 150 кг / год; - Надмірне споживання енергоносіїв.	- Висока вартість комплекту обладнання; - Вимоги до рівня кваліфікації основного обслуговуючого персоналу.

Процес фризерування суміші для м'якого морозива

Одна з найважливіших технологічних операцій у виробництві морозива ? заморожування суміші, оскільки від неї залежать якість і вихід готового продукту. Склад суміші, її стан, швидкість і ступінь заморожування визначають отримання морозива дрібнокристалічної структури і ніжної консистенції. Хоча фрізерування, насамперед, передбачає заморожування (формування кристалів льоду), при цьому відбувається ряд інших важливих процесів таких, як введення повітря, формування невеликих повітряних бульбашок і дестабілізація жирової емульсії. Кожен з цих фізичних процесів принципово важливий для отримання високоякісного морозива з необхідними фізичними властивостями. Розглянемо більш докладно процеси, що відбуваються при фрізеруванні.

Так як суміш надходить на фрезерування при температурі трохи вище точки замерзання, то щоб температура суміші стала нижче її точки замерзання, необхідний відвід тепла за допомогою хладагента. Як правило, суміш охолоджується нижче точки замерзання спочатку біля стінки циліндра, де температури найнижчі. У циліндрі фризера температура знижується вельми швидко. Відведення так званого «сухого» тепла, що викликає лише зниження температури без зміни агрегатного стану (до початку заморожування), повинен займати не більше 1... 2 хв.

Коли починається заморожування, лід утворюється в основному у стінок циліндра внаслідок низької температури і природній схильності льоду формуватися на поверхні, а не всередині об'єму рідини. Леза скребків зрізають шар дендритних кристалів, які потім потрапляють зі стінок в об'єм суміші. Там в ході процесу, що отримав назву дозрівання, формуються дископодібні кристали льоду, які і виявляються після фрізерування. Але не так давно цей механізм формування центрів кристалізації і дозрівання був поставлений під сумнів експериментами, в яких зафіксована картина утворення льоду на холодних поверхнях в динамічних умовах кристалізації. Ці дослідження припускають дещо інший механізм формування льоду. Лезо скребка, очищаючи холодну металеву поверхню, на якій сформувався лід, залишає численні ділянки («зародки»), так як лезо не повністю видаляє шар льоду. Ці зародки ініціюють формування шару льоду уздовж металевої поверхні циліндра, а не перпендикулярно їй (в об'єм суміші). В умовах лабораторних експериментів після проходу леза скребка спостерігалося зростання окремих крижаних об'єктів уздовж металевої поверхні.

Залежно від складу морозива і температури на виході з апарату під фризерів кристалізується від 33 до 67% початкового вмісту води в суміші, причому в процесі загартовування може заморожувати додатково 23... 57% води.

Формування необхідної кількості льоду при заморожуванні недостатньо, щоб гарантувати отримання високоякісного морозива. Середній розмір і розподіл розмірів кристалів льоду суттєво впливають на однорідність і споживчі властивості морозива. Процес фрізерування треба проводити так, щоб отримувати в основному дрібні кристали. Хоча на органолептичні властивості морозива впливає багато факторів, загальновизнано, що для отримання однорідної його консистенції необхідно, щоб розмір основної маси кристалів був менше 50 мкм. В іншому випадку, а також у присутності дуже великих кристалів льоду (більше 100 мкм), морозиво буде сприйматися грубим і льодистим.

Для отримання кристалів льоду з належною дисперсністю (за кількістю, розмірами, формою) процесом заморожування необхідно управляти ? зокрема, швидкістю утворення зародків і зростанням кристалів. Для отримання великої кількості дрібних кристалів умови заморожування повинні сприяти формуванню зародків і мінімізувати зростання кристалів льоду, для чого у відповідній точці технологічного процесу потрібні дуже низькі температури. Основні використовувані холодоагенти (рідкий аміак або фреон) забезпечують отримання температур до ? 30 єС. Розроблено кілька пропозицій щодо використання рідкого азоту для посилення утворення зародків льоду, але жодна з систем рідкого азоту досі в промисловості не застосовується. Для отримання мінімального можливих кристалів необхідно, щоб тривалість перебування суміші під фризерів була мінімальною. Для мінімізації часу перебування під фризерів та отримання найменшого розміру кристалів льоду може використовуватися збивати механізм високої продуктивності.

На характеристики кристалів льоду впливає тип і кількість інгредієнтів в суміші морозива. Інгредієнти суміші можуть впливати двома основними способами:

1) впливати на зниження точки замерзання;

2) впливати на механізми кристалізації льоду (зародкоутворення, зростання і дозрівання).

На зниження температури замерзання впливає вміст у суміші низькомолекулярних компонентів. Більш високі концентрації простих цукрів і солей ведуть до знижених температур замерзання і меншій кількості льоду. Суміш з низькою точкою замерзання дає м'яке морозиво через невеликої кількості кристалів льоду. На механізми кристалізації льоду можуть безпосередньо впливати окремі компоненти морозива. Відомо, що цукру і деякі стабілізатори зменшують швидкість утворення зародків льоду і зростання кристалів.

Суміш для морозива містить безліч дрібних жирових кульок, стабілізованих білками молока. При належній гомогенізації жирові кульки в суміші залишаються в підвішеному стані невизначено довго. Жирові кульки в суміші частково тверднуть, що обумовлено широким діапазоном температур плавлення молекул тріагліцеріну, з яких складається молочний жир.

Тріагліцеріни молочного жиру з високими температурами плавлення знаходяться в суміші у вигляді кристалів, а тригліцериди з низькими температурами плавлення ? в рідкому вигляді. Ступінь дестабілізації жиру залежить від типу та кількості і кількості використовуваного в суміші емульгатора і характеру зсуву при заморожуванні. Як правило, через більш сильного зсуву в результаті дії скребків дестабілізація жиру відбувається сильнішими у фризерах безперервної дії, ніж в установках періодичної дії.

На рівень дестабілізації жиру також впливає ступінь насиченості жирних кислот. Ще одним фактором, що впливає на ступінь дестабілізації жиру, є характер жирової фази. Жири з більш високим вмістом твердого компонента зазвичай піддаються дестабілізації менше.

Надмірна дестабілізація жиру за певних умов веде до збивання жиру. При цьому жирові кульки об'єднуються в досить великі скупчення, які проявляються у вигляді помітних масляних зерен, що погіршують зовнішній вигляд готового виробу (воно набуває «сухий» вид), і впливають на фізичні та органолептичні властивості морозива, надаючи йому «мазеобразную» структуру.

Одночасно з формуванням кристалів льоду і коалесценції жирових кульок в суміш вводиться повітря і відбувається формування повітряних бульбашок. У готовому морозиві присутні повітряні бульбашки різних розмірів - від кількох мкм до понад 100 мкм. Спочатку утворюються бульбашки великого розміру, причому цей розмір залежить від типу фризера та способу введення повітря, а потім повітряні бульбашки руйнуються під дією сили зрушення в ході заморожування. Під фризерах безперервної дії повітря вводиться під тиском у вигляді невеликих бульбашок, а по фризерах періодичної дії - за рахунок перемішування рідини. В обох випадках повітряні бульбашки у міру заморожування зменшуються в розмірах залежно від параметрів зсуву в фризерів.

Повітряні бульбашки, формуються на стадії фрізерування, можуть значно відрізнятися за розмірами. Фризер періодичної дії працює при атмосферному тиску, і тиск вводиться повітря однаково як всередині, так і зовні фрізера. Для введення повітря в умовах типових фризерів необхідне формування льоду. Збивання суміші морозива у фризерах при температурах вище точки замерзання суміші призводить до отримання невисокою взбитості і відносно великих повітряних бульбашок. Можливість зменшення розмірів повітряних бульбашок залежить від збільшення в'язкості внаслідок заморожування. У ході заморожування у все більш вузький незамороженому середовищі утворюється «кашка» з кристалів льоду. Це поєднання дисперсної (кристали льоду) фази і концентрованої виморожуванням безперервної фази призводить до різкого зростання в'язкості продукту в ході заморожування. Підвищена в'язкість покращує стабілізацію повітряних бульбашок і дозволяє ділити їх на все більш дрібні. Морозиво при недостатній взбитості виходить дуже щільним, з грубою структурою і консистенцією. Морозиво з високою взбитості тане повільніше. [13]

Таким чином, структура морозива характеризується головним чином розмірами кристалів льоду, кількістю введеного повітря і його дисперсністю, тобто розмірами повітряних бульбашок. Ці параметри, у свою чергу, є показниками інтенсивності процесу фрізеровання.

Конструкційні та експлуатаційні характеристики фризерів

Фризери для виробництва м'якого морозива класифікуються наступним чином:

Рисунок 1.2 ? Класифікація фризерів для виробництва м'якого морозива

За характером роботи фрізери поділяються:

а) періодичної дії;

б) безперервної дії;

в) полунепреривної дії.

За конструктивним виконанням:

а) Одноциліндрові;

б) Багатоциліндрові (двох чи трьох циліндрові);

в) Розташування морозильного циліндра (вертикально чи горизонтально).

За способом охолодження:

а) Россольне охолодження (тільки для фризерів непереривної дії);

б) Безпосередньо охолодження (тільки для фризерів непереривної дії);

в) Повітряне охолодженя та водяне.

За способом введення повітря в суміш:

а) З підсосом повітря;

б) З нагнітанням повітря;

Фризери непереривної та періодичної дії

Розглянемо фрізери безперервної дії. У фризерах безперервної дії тривалість фрізерування вимірюється секундами, а фризерах періодичної дії від 3... 15 хв.

Відмінною особливістю фризерів безперервної дії являється те, що заморожування і збивання здійснюються «на ходу», в процесі руху суміші в циліндрі.

Під фризерах безперервної дії операції, складові робочий процес (завантаження, фрезерування і вивантаження) здійснюються безперервно, одночасно, а подача суміші та повітря в циліндр фрізера - примусовим шляхом. Під фризерах безперервної дії суміш і повітря подаються в циліндр за допомогою насосів. Процес заморожування в ФНД здійснюється принципово так само, як і в ФПД. І тут суміш намерзає на стінки циліндра і зрізається з неї рухомо укріпленими на мішалці ножами. Однак, на відміну від ФПД, в ФНД мешалка займає більшу частину ємності циліндра і корисна його ємність, тобто одночасна ємність робочої камери, утвореною кільцевим зазором між мішалкою і стінкою циліндра, порівняно мала (2 ? 4 л), що сприяє інтенсивності заморожування. У ФНД тривалість фрізерованія вимірюється секундами проти 3... 15 хв в ФПД. Під тиском насосів, безперервно подають суміш і повітря, отримане в циліндрі морозиво також безперервно витісняється з нього. Якщо заморожування в ФПД і ФНД відбувається за одним і тим же принципом, то механізм другого елементу фрізерування ? збивання ? в ФНД істотно відрізняється від ФПД.

У загальному процесі збільшення обсягу системи суміш - морозиво при фрізерування в ФНД можна розглядати три стадії ? введення повітря в суміш, перемішування і рівномірний розподіл повітряних бульбашок в масі суміші, нарешті, розширення повітряних бульбашок при виході морозива з циліндра. Сутність останньої стадії зводиться до наступного. Суміш в циліндрі ФНД знаходиться під тиском, який створюється примусовою подачею суміші та повітря в циліндр, зростанням в'язкості морозива в міру його замерзання, а також опору в шляхах проходження суміші та морозива; внаслідок цього повітряні бульбашки в морозиві під час перебування його в циліндрі знаходяться в стислому стані і по виході морозива з циліндра розширюються, що збільшує обсяг морозива, а отже, і його збитість

Фризери періодичної дії ? відрізняються простотою конструкції, виготовлення та ремонту, відносно дешеві, але в теж час мають невелику продуктивністю, відсутністю примусового вивантаження морозива з морозильного циліндра, складні в експлуатації.

В апаратах періодичної дії всі операції ? наповнення циліндра фрізера сумішшю, фрізерування і випуск морозива здійснюються послідовно, одна за одною.

У фризерах періодичної дії через лійку в циліндр заливається самопливом певна порція суміші (40-50% його повної ємності). У циліндрі суміш перемішується мішалкою, що складається з ножової рами і взбивателя. Циркулює в сорочці 5 розсіл або випаровується холодильний агент охолоджує суміш, яка досягає криоскопічної температури, а потім при подальшому відведенні тепла намерзає тонким шаром на стінці циліндра.

При обертанні мішалки, шарнірно підвішені на ній ножі 2, притискаються відцентровою силою до стінки циліндра і зрізають з неї замерзлий шар. Гола при цьому теплопередаюча поверхня покривається новим шаром суміші, який також примерзає до стінки і зрізається ножами. Для прискорення розвантаження циліндра в мішалці ФПД влаштовані гвинтові ребра, направляючі морозиво до виходу. Напору, створюваного цими ребрами, достатньо тільки на подолання опорів всередині циліндра і в розвантажувальної засувці. Тому розвантаження фрізера періодичної дії, так само і завантаження, відбувається самопливом.

У фризерів температура морозива доводиться зазвичай до (269... 268,8) К, після чого його випускають з циліндра. Прискоренню звільнення циліндра сприяє розвантажувальний пристрій мішалки. Однак напір, створюваний розвантажувальним пристроєм, настільки малий, що його вистачає лише на подолання опору всередині морозильного циліндра і в розвантажувальної засувці. Практично вивантаження морозива з фрізера періодичного дії відбувається самопливом в тару, встановлену під розвантажувальної.

У моїй роботі мене буде цікавити лише фрізери періодичної дії.

Фризери для м'якого морозива конструюються так, щоб виконувати певні функції в різних умовах і при різних витратах. Фризер для м'якого морозива повинен продовжувати виробництво замороженого продукту з перервами протягом декількох годин роботи. Фризери періодичної дії призначений для заморожування порції суміші для відвантаження протягом короткого періоду. Фризери безперервної дії безперервно отримують суміш за допомогою поршневих насосів і безперервно випускають частково заморожений продукт.

Фризери періодичної дії зазвичай мають продуктивність від 20-90 кг/год і забезпечені охолоджуваними прилавками для короткочасного зберігання сумішей та м'якого морозива.

Представлені фризери мають майже однаковий принцип дії. Корпус, ємність для попереднього охолодження, робочий циліндр виготовлені з нержавіючої сталі, що дозволяє прискорити і спростити процес миття та обробки поверхні.

Після заливки в ємність для попереднього охолодження готова суміш під дією гравітації проникає в циліндр. Двигун через редуктор з необхідною кутовий швидкістю обертає шнек, захопливий суміш і повітря, що потрапляє в циліндр для змішування через спеціальну трубку. Спеціальне зносостійке покриття шнека зскрібає замерзлу суміш зі стінок циліндра при кожному оберті вала. Суміш збивається і набуває кремоподібну консистенцію, що і є ознакою готового до вживання продукту. Час готовності до роботи (час застигання суміші в циліндрі) становить 10-20 хвилин.

Таблиця 1.5 - Технічні характеристики фризерів

Модель фризера	Oceanpower OP138С	KORECO SSI-151TG	Тейлор С706
Продуктивність, кг/ч	45	55	60
Тип охолодження	Повітря	Повітря	Повітря
Холодильний агент	R134f	R404	R507
T, на вході	+22	+22	+22
T, на виході	-5	-5 - (-6)	-6
Збитість, %	40-50%	40-50%	60-80%
Габарити	545х840х865	420х640х670	464х864х860
Маса	190	125	174
Електрична потужність	2.8 кВт	3 кВт	3.8 кВт
Напруга	220 В	220 В	220В
Ціна: Виробник:	98 тис. грн. Китай	76 тис. грн Півд. Корея	125 тис. грн. Італія

Візуальне уявлення про відмінність основних експлуатаційних параметрів фризерів дає діаграма, наведена на рис 1.4.

Аналізуючи діаграму, виявляємо очевидних лідерів за продуктивностю ? фрізери з Китаю та США. Вони мають гарну продуктивність, але дуже високу ціну. Однак, незважаючи на те, що фризер від виробника із США має продуктивність 60 кг / год, найчастіше його продуктивність набагато нижча і становить приблизно 50 ? 55 кг / год.



Рисунок 1.3 - Діаграма основних технічних характеристик фризерів

На основі данної діаграми виявлено, що найбільшу продуктивність має фризер з США. Але моючи задачу на меті модернізацію фризеру, за рахунок технічних параметрів вийти з 60 кг/ год до 70 ? 80 кг/ год. Я вибираю фризер з США його продуктивність складає 60 кг/ год.

1.3 Холодильні агенти для системи охолодження фризера

При виборі речовини, здатної виконувати функції холодоагенту, необхідно докладно вивчити питання про те, чи зможе дана речовина в повній мірі розглядатися як холодоагент для заданої області застосування. З цією метою потрібно розглянути наступні аспекти:

1. Необхідні термодинамічні характеристики, оскільки в основі робочих процесів холодильних систем лежать головним чином закони термодинаміки;

2. Безпеку експлуатації відносно впливу як на людей, так і на обладнання і товари; безпеку по відношенню до людей розглядається в подвійному аспекті: прямий вплив на організм (наприклад, при викидах холодоагенту) і непрямий вплив (за рахунок впливу на озоновий шар і парниковий ефект);

3. Технічні показники, що впливають на реалізація і надійність холодильної системи, а також на взаємодію між холодоагентом і комплектуючими цієї системи;

4. Економічні показники, що становлять основу будь ? яких технічних рішень.

Також при виборі холодоагенту необхідно враховувати продуктивність установки, систему циркуляції холодоагенту, умови роботи холодильної установки, необхідний ступінь безпеки для обслуговуючого персоналу, умови навколишнього середовища і властивості продуктів.

У холодильній практиці застосовують різні холодильні агенти, такі як: аміак, СО2, фреони. Роздивимось кожен із них які вони мають недоліки та переваги.

Переваги аміаку - це поглинання великої кількості тепла при випаровуванні (великий охолоджуючий ефект) і робочого тиску, прийнятні для циклів заморожування, з типовими робочими температурами між -15 і 30 єС. До інших достоїнств аміаку відносяться:

- Легкість виявлення витоків;

- Не дуже велика токсичність при низьких концентраціях, незважаючи на дуже різкий запах і сильно виражений подразнюючий ефект на слизову оболонку і вологу шкіру;

- Застосування тиску звичайно вище атмосферного, у зв'язку з чим в систему не потрапляють рідкі та газоподібні суміші.

Проте, аміаку притаманні і деякі недоліки, у тому числі відносно низька щільність, яка призводить до того, що для роботи з утворюється об'ємом пара потрібні труби щодо великого діаметру.

До інших його недоліком відносяться:

- Агресивність по відношенню до латуні та іншим мідних сплавів;

- Труднощі автоматизації роботи системи охолодження з цим видом холодоагенту. [7]

В якості холодоагентів широко використовують фреони. R-12 застосовується протягом багатьох років в невеликих фризерах морозива, однак цей холодоагент був заборонений міжнародною угодою, включеним в Монреальський договір 1987 Використання цього холодоагенту у вже існуючому обладнанні дозволено, проте з 1 січня 1996 г.проізводство даного холодоагенту заборонено.

До основних переваг галогенізованих хладагентов відносяться:

- Їх пари не є токсичними і не мають неприємного запаху;

- Нешкідливість для харчових продуктів;

- Можливість використання невеликих компактних систем охолодження.

До основних недоліків галогенізованих хладагентов, крім відносно низького охолоджуючого ефекту відносяться:

- Необхідність відсутності домішок води;

- Складність виявлення витоків;

Крім того, вважається, що ці сполуки шкідливі для навколишнього середовища, так як викликають руйнування озонового шару, а більшість з них вносять внесок в глобальне потепління клімату планети.

Порівняльна характеристика перерахованих вище хладагентов представлена в табл. 1.6

Таблиця 1.6 - Порівняльна характеристика властивостей холодоагентів

Показатели	CO2	Аммиак	Фреон (R-12)
Давление испарения, кПа (по манометру)	2191	137,8	81,3
Давление конденсации, кПа (по манометру)	7084	1068	640,9
Охлаждающий эффект, кДж/кг	131,8	1104	118,6
Потребность в хладагенте на тонну, г/с	7,6	0,9	8,4
Плотность пара при температуре-15єС, кг/м3	59,8	3,2	10,7

Існує ряд сучасних холодоагентів, які більш екологічно прийнятні. Багато з них можна використовувати для охолодження в обладнанні для виготовлення морозива. До них відносяться R502, R507, R134а.Тож тепер роздивимось холодильний агент - фреон.

Фреон - це холодоагент, суміш газів, що мають певні властивості які роблять їх придатними для перенесення тепла. Вони не токсичні, не горючі, вибухобезпечні, і нешкідливі для харчових продуктів.

За своїми експлуатаційними властивостями фреони відрізняються один від одного, в даній дипломній роботі я оберу три фреони, порівняю їх і визначу їх характеристики, виходячи з цього підберу фреон який мені підходить.

Фреон R502 являє собою азеотропну суміш. За об'ємною холодопродуктивністю і іншим властивостям він близький до фреону R22. Його можна застосовувати до температури конденсації 60 С. Фреон R502 широко застосовується, особливо для температур випаровування нижче -30 С, як у невеликих, так і у великих холодильних агрегатах. Головним чином використовується в холодильних вітринах, низькотемпературних холодильниках і компресорах. Цей фреон взриво безпечний, негорючий, малотоксичний і хімічно інертний до металів.

Холодоагент R134a незаймистий і вибуховий фторуглеводнів з нульовим потенціалом виснаження озонового шару і низьким впливом на збільшення парникового ефекту. Попередні дані вказують на негативну токсичність і хімічну стабільність в холодильній системі. Холодоагент R134а застосовується в побутових холодильних апаратах, автомобільних кондиціонерах, теплових насосах, турбоагрегатах холодної води для кондиціонування приміщень, при транспортному охолодженні і виробничому охолодженні. Єдиний недолік - це відносно високе поглинання вологи.

Фреон R507 є довгостроковим заміняє хладогент для застосування при низьких температурах, де досі використовувалися холодоагенти R502 або R22. За фізичним, термодинамічних, холодильним та експлуатаційними властивостями він відповідає R502. При цьому температура випаровування нижче, ніж при R502 і об'ємні холодопродуктивність при певних експлуатаційних умов вище, ніж при R502, здебільшого при лише незначно більш низькому коефіцієнті холодопродуктивності. На підставі азеотропних властивостей він є оптимальною заміною для R502.

Типовими областями застосування R507 є: торгове обладнання та побутові меблі з холодильними установками або холодильні камери, холодильні установки в супермаркетах, льодогенератори, транспортний холод, виробничі та промислові установки. R507 може застосовується в нових холодильних установках і в наявних установках після ретрофіта. Р507 не горючий і токсично безпечний.

Термічно і хімічно R507 стабільний. Сумісність з металами порівнянна з R134а. Відповідними маслами холодильної машини R507 є складноефірні синтетичні масла. [3]

1.4 Методика розрахунку теплового навантаження на ХС фризера

Для підтримки заданої температури у фрізері, необхідно щоб всі теплоприпливи у фризер відповідали холодопродуктивності установки. Теплопритоки у фризер не є постійними, тому для визначення холодопродуктивності машини приймають самі несприятливі умови. При охолодженні морозива теплове навантаження на холодильне обладнання визначається сумою всіх теплопритоків на фризер:

Заданий температурний режим обробки суміші морозива забезпечується правильно вибраним обладнанням. Холодопродуктивність обладнання визначають тепловим розрахунком.

Теплота від фризера надходить різними шляхами:

1) Теплопритоки через обгороджуючі поверхню циліндра фрізера Q2;

2) з сумішшю при її охолодженні Q1;

3) експлуатаційні притоки (від роботи електричних двигунів і т.д.) Q3.

Таким чином, теплопритоків, який необхідно відвести при роботі фрізера, визначається як сума окремих теплопритоков і служить підставою для розрахунку і підбору системи охолодження:

(1)

1.4.1 Методика розрахунку теплопритоків через елементи конструкції

Визначимо теплопритоки з навколишнього середовища через поверхню циліндра фрізера Q1 (кДж / кг), віднесені в 1 кг морозива:

Q1 = k • F · (t_нар - t_вн) (2)

де k ? коефіцієнт теплопередачі, Вт/м² · К;

F ? площа поверхны огородження, м;

t ? розрахункова температура зовнішнього й внутрішнього повітря, є С.

Охарактеризуэмо три стінки фризера. Всі вони виконані з листів з нержавіючої сталі, усередині яких розташований прошарок з пенополіоритну.

F = l • h, (3)

де F ? площа стынки, м²;

l ? довжина стінк, м;

h ? висота стінки, м.

Коєфіцієнт теплопередачі k для стінок розраховуємо по формулі:

, (4)

де б1 і б2 ? коефіцієнти тепловіддачі для внутрішньої й зовнішньої стінок, Вт/м² · К;

д1 і д2 ? товщина пінополіоританового прошарку й нержавіючої сталі відповідно, м;

л1 і л2 ? коефіцієнт теплопровідності пенополіоретанового прошарку й нержавіючої сталі відповідно, Вт/м² · К;

Коефіцієнт тепловідачі б розраховуємо залежно від Нуссельта й Рейнольдса:

, (5)

де W ? швидкість руху повітря, м/с;

f ? характерний розмір, м;

v ? в'язкість повітря, м²/c.

Згідно СниП 2.04.05 ? 91* у приміщеннях ( теплий період року):

W = 0.3 ; Tнар = 22 °С.

Ці параметри повітря ми задали для зовнішньої стінки, тобто для стінок приміщення, у якому перебуває та працює фризер. Отже, віщьмемо наступні довідковідані для повітря: н, л, Re.

Для плоскої поверхні:

, (6)

, (7)

Для даного фризера задаємо наступні параметри з сердини корпусу:

W ? швидкість від вентилятора, м/с; tвн, н, л.

Далі шукаємо теплопритоки через стінки. Відповідно формулі 2.

Далі шукаємо тепло притоки через перекриття, тобто через дно й верх фризера.

, (8)

1.5 Методика розрахунку швидкості наморажування шару морозива на внутрішній поверхні фризера

Визначення товщини намерзає шару суміші та лінійної швидкості її заморожування в циліндрі фризера періодичної дії відіграє істотну роль в тепловому розрахунку фризерів, оскільки від перерахованих показників залежить ряд конструктивних і технологічних параметрів. Наведемо методику розрахунку товщини і лінійної швидкості заморожування суміші для фрізера періодичної дії.Оскільки в роботі фрізера бувають перерви, то за основу роботи приймаємо обсяг одноразової завантаження циліндра, яка в середньому становить 19 л.

Відсоток замороженої води в морозиві,% до загального вмісту води в даній суміші знаходимо за формулою, % :

, (17)

Товщину заморожуючого шару суміші визначаємо за формулою, мкм:

, (18)

Тривалість одного циклу намораживания суміші за формулою дорівнює:

, (19)

де n ? частота обертання мішалки фрізера, с-1;

ф ? число ножів мішалки;

Середню лінійна швидкість визначається як відношення товщини замораживаемого шару суміші до тривалості одного циклу намораживания суміші.

Інший спосіб. Зниження точки замерзання, названою також кріоскопічною температурою - це різниця між 0 °С і температурою, при якій в суміші морозива починають утворюватися кристали льоду. Зниження точки замерзання розчинів розраховується на основі принципів термодинаміки, однак практика показує, що в області високих концентрацій розчинів відбуваються відхилення від хімічно «ідеальних» систем. З цією проблемою часто доводиться стикатися в разі сумішей морозива. Методи визначення пониження точки замерзання сумішей морозива на основі порівняння з надійно встановленими табличними даними темпери замерзання розчинів сахарози. У суміші морозива необхідний облік усіх компонентів, що впливають на зниження кріоскопічної температури, поєднання використовуваних в рецептурі підсолоджувачів (моно - і дисахаридів) і молочних інгредієнтів (лактози та солей) призводить до ефекту зниження точки замерзання для будь - якої суміші. Роль жирів, білків, вуглеводів з великою молекулярною масою типа фрагмента крохмаля, що є в СКВС, стабілізатор і емульгаторів в зниженні точки замерзання невелик. Жир не змішується з водяною фазою, а білки і полісахариди состоять з дуже великих молекул. Тим не менш при зростанні концентрації цих інгридієнтів зменшується кількість води, яка необхідна для розчину інших речовин, і саме тому жир що присутній, та білки з полісахаридами призводить до зменшення точки замерзання, а інформація о змісті у суміші цукру, СОМО і води дуже цінна.

1.6 Вибір моделі фризера та напрямки його модернізації

На підставі проведеного аналізу літературних даних можна зробити висновок про доцільність подальших розробок в області оригінальних конструкцій устаткування, що дозволяють отримати розширений асортимент м'якого морозива функціонального призначення, а також оптимізувати процес термомеханічного впливу з досягненням оптимальних енерговитрат на його здійснення.

В результаті аналізу отриманих результатів була розроблена конструкція фрізера для м'яких сортів морозив. Фризери є основним устаткуванням у виробництві морозива і призначені для часткового заморожування води в підготовлених молочних сумішах і насиченням їх повітрям. Залежно від виду морозива та конструкції фрізера в лід переходить 25,0... 60,0% води, а обсяг молочної суміші, внаслідок аерації, збільшується приблизно в два рази.

При цьому недоліками багатьох фризерів є:

1) значні енерговитрати, обумовлені нераціональним веденням процесу термомеханічного впливу на вихідну суміш;

2) нерівномірний розподіл компонентів в одержуваної суміші та її недостатнє збивання через недосконалу конструкції мішалки, яка не враховує особливості фізико-механічних властивостей вихідних компонентів;

3) відсутність можливості швидкого переналагодження у зв'язку з переходом на випуск інших сортів м'якого морозива.

Напрямки модернізації:

1. Модернізація мішалки,її потрібно зробити такою, щоб, коли вона обертається, мала змогу як можно краще перемішувати і взбивати суміш морозива. Ії потрбно зробити більш перфорованою.

1 - сальник; 2 - кільце взбивателя; 3 - квадрат цапфи; 4 - цапфа взбивателя; 5 - палець цапфи; 6 - втулка внутрішньої лопаті; 7 - шпилька кріплення ножа; 8 - прут взбивателя; 9 - внутрішня лопать; 10 - вікно корпусу; 11 - квадрат кріплення внутрішньої лопаті; 12 - ніж; 13 - зовнішній корпус; 14 - шийка корпусу; 15 - запобіжна шпилька; 16 - збивач

Рисунок 1.4 ? Мішалка

Такий пристрій мішалки, створюватиме складний рух суміші в циліндрі та буде інтенсифікувати процес збивання. Це має значення при роботі фрізера на великих швидкостях, при яких період перебування суміші в циліндрі особливо малий.

1. Раціональне ведення процесу термомеханічного впливу на вихідну суміш за рахунок покращення характеру руху продукту і забезпечення підтримки заданого температурного режиму, максимальна універсалізація конструкції механізмів перемешіваніяс урахуванням особливостей фізико-механічних властивостей вихідних компонентів; отримання м'яких сортів морозива функціонального призначення.

Використання мого фрізера дозволить забезпечити підвищення продуктивності за рахунок збільшення поверхні теплообмінних елементів в робочій камері, підвищити ступінь насичення продукту повітрям, інтенсифікувати теплообмінний процес і підвищити продуктивність за рахунок інтенсивного переміщення продукту уздовж робочій камери в протилежних напрямках (по периферії і центру), що також сприяє підвищенню якості морозива за рахунок збільшення ступеня його взбитості.

Також можно модернізувати спосіб подання повітря до бункеру з сумішью. Суміш у фрізер періодичної дії надходить під дією гравітаційних сил. Резервуар з сумішшю в них розташований над заморожуючим циліндром, і суміш надходить в циліндр через калібрований отвір в основі трубопроводу суміші. При надходженні суміші в циліндр повітря втягується одночасно з нею, і збивання відбувається при атмосферному тиску. Недоліком такого принципу введення в суміш повітря є те, що регулювання співвідношення суміш: повітря при цьому відбувається не цілком точно, крім того, збитість знаходиться в діапазоні 35 ? 55%.

Размещено на Allbest.ru

...