Теплова обробка. Процеси і пристрої для теплової обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплова обробка. Процеси і пристрої для теплової обробки

При виготовленні консервів з продуктів віддаляється частина вологи, вони придбавають певний смак, колір і запах, в них припиняється життєдіяльність мікроорганізмів і забезпечується їх збереження.

Теплові процеси (уварювання, стерилізація, пастеризація, обсмажування, бланширування сушка і заморожування) проводять при певному режимі (тривалість і температура обробки, температура теплоносія).

Тепловий процес вибирають таким, щоб за мінімальний час забезпечувалася необхідна теплова обробка продукту при збереженні його якості. Так, при концентрації томатопродуктів прагнуть видалити вологу при низьких температурах кипіння (під вакуумом) для якнайповнішого збереження харчової цінності томатів. Проте значне зниження температури випаровування томатопродуктів приводить через збільшення в'язкості до припинення конвекційних струмів, і процес випаровування переходить в сушку. При цьому швидкість видалення вологи різко знижується, що практично недоцільне. Вибираючи тиск і температуру гріючої пари, враховують особливості продукту, що нагрівається. Наприклад, при підігріві томатної пасти перед розливом вибирають таку температуру і тиск пари, при якій на поверхні нагріву не утворюється нагар.

Теплообмін в харчових продуктах залежить від консистенції і їх агрегатного стану. В рідких продуктах (соки плодів і овочів, ягідні соки, бульйони, рослинна олія і ін.) теплообмін протікає головним чином шляхом конвекції. В напіврідких висококонцентрованих продуктах (томатна паста, пюре, ікра, повидло і ін.) теплообмін відбувається шляхом конвекції і теплопровідності; в твердих або колоїдно-капілярних тілах (овочі, фрукти, м'ясо, риба і ін.) тільки шляхом теплопровідності. Теплообмін шляхом теплопровідності в твердих вологих тілах ускладнюється массопровідністю.

Складний теплообмін відбувається в банках з консервами (наприклад, в компотах або в зеленому горошку): в рідкій частині - шляхом конвекції, в плодах - теплопровідністю.

Теплофізичні властивості харчових продуктів, особливо такі, як в'язкість, теплопровідність, теплоємність, густина і ін., залежні від виду продукту, його температури, концентрації і тиск, над ним роблять значний вплив на теплообмін. При теплообміні змінюються температура продукту (нагрівається або охолоджується) і його агрегатний стан (випаровується, випаровується, плавиться, твердне). При цьому завжди змінюються фізичні і часто физико-хімічні властивості продукту (коефіцієнт в'язкості, теплоємність, теплопровідність і ін.).

При кипінні харчових продуктів температура перевищує температуру кипіння води при даному тиску на величину температурної (або физико-хімічної) депресії. Температурна депресія залежить від виду продукту і концентрації - сухих речовин.

Види теплоносіїв

На консервних підприємствах як теплоносій переважно використовується водяна насичена пара і в окремих випадках - гаряча олія, повітря і воду. Вживання водяної насиченої пари як основного теплоносія обумовлено зручністю транспортування і регулювання його кількості і легкістю підтримки температури його регулюванням тиску, нешкідливістю, великою прихованою теплотою конденсації, незначною агресивністю до матеріалу трубопроводів і апаратів, вогненебезпекою, невисокою вартістю. Крім того, водяну пару можна застосовувати в умовах безпосереднього зіткнення з харчовим продуктом.

Гаряча вода і олія також широко застосовуються як теплоносії і особливо вигідні при вторинному використовуванні теплоти конденсатів і рідин (продуктів), які по ходу технологічного процесу нагріваються до високої температури. В порівнянні з підігрівом парою підігрів водою менш інтенсивний і характеризується зниженням температури теплоносія. Загальним недоліком пари і води як теплоносіїв є швидке зростання тиску з підвищенням температури [досягнення щонайвищої температури 150 - 160 °С відповідає тиску Па] [16, 19, 31].

На При вживанні досконалішої теплової апаратури і досконалішої теплові процеси витрачається велика кількість теплової енергії. технології, а також при зменшенні втрат можна одержати значну економію у витраті енергії. Деякі види теплових систем представлені на малюнках 6.1 - 6.3.

У ряді випадків при проведенні технологічних процесів теплову обробку харчових продуктів замінюють прогресивнішою електрообробкою (електротехнологією).

Газовий парогенератор

Водяний парогенератор.

Трубчастий водонагрівач.

Способи теплопередачі

При здійсненні термічної сушки розрізняють два процеси:

- випаровування належної видаленню вологи;

- відведення від поверхні матеріалу пари, що утворилася.

Для випаровування 1 кг вологи до області паротворення необхідно підвести цілком певну кількість теплоти. Тому теплопередача складає основу робочих процесів, що відбуваються в сушильних установках. На практиці більшою чи меншою мірою реалізуються всі три основні форми теплопереносу: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

Крім того, в багатьох сушильних установках велике значення має особливий різновид теплопередачі, а саме, теплопередача шляхом короткочасного контакту, яка спостерігається, наприклад, у вальцьових сушарках, на нагрівальних гратах вакуумних сушарок і в барабанних сушарках при взаємодії холодного матеріалу з нагрітими елементами внутрішніх пристроїв.

Підхід до проблем теплопередачі в сушильній техніці відрізняється від підходу в інших галузях машинобудування. В машинобудуванні форма і розміри теплопередаючих і теплосприймаючих елементів в більшості випадків добре відомі (труби, пластини і т. п.). В сушильних установках геометрична форма більшості сільськогосподарських продуктів, що піддаються сушці, надзвичайно різноманітна, тому її важко з достатнім ступенем точності описати аналітичними залежностями.

Інша складність полягає в тому, що зона випаровування вологи в матеріалі безперервно переміщається і залежить від умов процесу. З цієї причини в сушильних установках, більш ніж в якій-небудь іншій області техніки, експериментальні дослідження складають основу для розрахунку і проектування пристроїв.

Основні закони теплопередачі, що викладаються нижче, будуть представлені в об'ємі, необхідному для повного розуміння процесів, що відбуваються в сушильних установках сільськогосподарського призначення.

Теплопровідність. Теплопередача за допомогою теплопровідності відбувається усередині твердих тіл, нерухомої рідини і газу завдяки перенесенню енергії у формі теплоти від однієї елементарної частинки до іншої. Теплота переноситься з області з високою температурою в область з нижчою. В сталому режимі густина теплового потоку між двома паралельними поверхнями тіла залежить від температурного натиску, товщини стінки і тепло-фізичної константи - теплопровідності.

Теплопровідність плоскої стінки.

де:

- густина теплового потоку, ккал/(м2·год);

- теплопровідність, ккал/(м·год·С);

- температура на першій і другій поверхнях, С;

- товщина стінки, м

У разі гомогенного тіла, обмеженого плоскими поверхнями, температура між ними при сталому тепловому режимі падає по лінійному закону. Для тіл складної структури процес в шарі нескінченно малої товщини ds описується рівнянням вигляду,

де: ds - різниця температур в шарі нескінченно малої товщини, °С. Знак мінус в рівнянні указує на те, що тепловий потік направлений у бік меншої температури.

Щоб на підставі розгляду процесу в шарі нескінченно малої товщини зробити висновки про процес у всьому тілі, необхідно провести інтеграцію за певних граничних умов.

Конвекція. Теплопередача конвекцією по суті включає два процеси:

1) передача тепла теплопровідністю від поверхні твердого тіла через ламінарний прикордонний шар до околиць ядра турбулентного потоку;

2) передача тепла шляхом турбулентного перенесення від ламінарного прикордонного шару до ядра турбулентного потоку.

Для сушки характерний зворотний напрям теплового потоку: від сушильного агента до поверхні твердого тіла. Рівняння теплопередачі зв'язує між собою різницю температур потоку і поверхні тіла з густиною теплового потоку:

(6.2)

де:

- коефіцієнт теплопередачі, ккал/(м2*год °С);

- температура на стінці і в ядрі потоку, °С.

Для з'ясування процесів конвективного теплообміну необхідно розрізняти елементарні процеси (обтікання одиничних тіл) і складні процеси (теплообмін в шарі сипких матеріалів, протіво- і прямоток і т. д.).

Ламінарний прикордонний шар, турбулентне ядро потоку, теплопередача теплопровідністю і турбулентним перемішуванням, так само як і масообмін в прикордонному шарі в прямому і зворотному напрямі, взаємозв'язані і надають один на одного самі різні дії. Ці процеси можна описати за допомогою балансових рівнянь обміну енергією і масою. Для опису доцільно ввести безрозмірні критерії, які зв'язують між собою багато фізичних і технологічних параметрів. Дійсні фізичні залежності за допомогою таких критеріїв можна описати простіше, відмовившися при цьому від безпосереднього використовування фізичних параметрів, що характеризують процес.

Випромінювання. Теплопередача випромінюванням (наприклад, при інфрачервоному нагріві) відбувається при перенесенні енергії електромагнітними коливаннями від одного тіла іншому. При цьому в передачі енергії випромінюванням не бере участь ні твердий, ні рідкий, ні газоподібний носій. Відповідно до закону Стефана - Больцмана енергія, випромінювана тілом в навколишній простір, пропорційна його температурі (в градусах Кельвіна) в четвертому ступені:

(6.3)

де :

- густина потоку енергії випромінювання, Дж;

- коефіцієнт випромінювання тіла;

Т - температура, К.

Розрахунок теплофізичних параметрів сировини

Теплопровідність різних продуктів висловлена в довідкових матеріалах.

Густина харчових продуктів при 20 °С (в кг/м3), що містять жир:

(6.4)

Для продуктів, що містять малі кількості жиру, густину:

(6.5)

Густина томатопродуктів при 20 °С з концентрацією сухих речовин до 12%:

(6.6)

Теплообмінний і матеріальний баланс

При обробці харчових продуктів теплові процеси протікають по законах тепло - і массопередачі. Користуючись цими законами, можна досліджувати і аналізувати роботу існуючих і проектованих апаратів. Аналіз теплового і матеріального балансів теплового процесу дозволяє судити про раціональність процесу і величину втрат, а також встановити шляхи і способи їх зниження.

Якщо нехтувати незначними втратами, то кількість продукту, введеного в технологічний процес, рівна кількості продукту, одержаного в результаті технологічного процесу. Збереження енергії і маси є основою теплового і матеріального балансів технологічного процесу.

Суть теплового балансу полягає в рівності кількості теплової енергії, відданої теплоносієм, кількості теплової енергії, що витрачається на теплову обробку продукту і компенсацію втрат в навколишнє середовище. При сталому тепловому режимі апарату теплота, що вноситься теплоносієм, повинна бути рівна теплоті для здійснення технологічного процесу.

Технологічні процеси теплової обробки і обладнання для їх проведення

Попередня теплова обробка сировини проводиться в гарячій воді, водних розчинах куховарської солі, луги, кислоти, в середовищі водяної пари і шляхом зіткнення з поверхнею нагріву.

При попередній тепловій обробці температура продукту підвищується до 85 -96 °С тривалість теплової обробки визначається швидкістю протікаючих теплових, хімічних, біохімічних процесів і складає від декількох секунд до 15 хвил [18-24].

Теплові апарати, призначені для попередньої обробки, можна класифікувати на бланширователі, разварювачі і підігрівачі залежно від способу нагрівання продуктів.

Апарати кожної з цих груп можна розділити на апарати періодичної і безперервної дії; апарати, що працюють при атмосферному тиску, вакуумі і під надмірним тиском; апарати з нагрівальною камерою і барботерами.

При вживанні апаратів з двостінною нагрівальною камерою необхідно дотримувати наступні правила:

- містити запобіжні клапани в справності, тобто продувати не рідше 2 раз в зміну;

- не перенавантажувати запобіжні клапани важелів;

- стежити за справністю редукційних клапанів (вентилів) по манометру, встановленому після клапанів;

- виключати роботу поворотних двостінних казанів в похилому положенні;

- не допускати в апаратах з мішалками стирання лопатями поверхні нагріву, що може понизити міцність її через зменшення товщини стінки;

- піддавати нагрівальну камеру щорічному гідравлічному випробуванню відповідно до тиску, що допускається, при роботі.

Перед експлуатацією підігрівачів з трубчастою нагрівальною камерою необхідно кожух підігрівача піддати гідравлічному випробуванню (навіть при низькому робочому тиску пари). Кришки, що закривають трубні грати, перед пуском пари ретельно затискають. Щоб уникнути переповнювання камери конденсатом і можливих гідравлічних ударів обвідні вентилі на конденсатовідвідниках перед пуском пари слід відкрити. Запобіжний клапан повинен знаходитися в справному стані, для чого його систематично продувають і оберігають від збільшення вантажу.

Бланширователі

Бланшировання проводять в гарячій воді, розчині солі або кислоти, а також в середовищі водяної пари з метою:

- збереження природного кольору продукту, що досягається руйнуванням окислювальних ферментів під впливом порівняно високих температур;

- зменшення об'єму продуктів і придбання ними пружності для забезпечення повного і щільного заповнення банок;

- видалення повітря з тканин продуктів і створення умов для кращого збереження вітамінів і ослаблення корозії жерстяних банок;

- руйнування плазматичного шару для полегшення подальшого віджимання соку на пресах;

- збільшення проникності оболонки плодів і овочів і полегшення дифузії цукру при варці варення;

- часткового знищення мікроорганізмів, сирих продуктів, що головним чином знаходяться на поверхні (дріжджі, цвілеві гриби);

- полегшення видалення шкірки плоду.

Плоди і овочі бланширують в цілому вигляді і у вигляді шматків. Для зниження втрат розчинних речовин бланшировання проводять у водному розчині солі або в середовищі водяної пари. При бланшированні у воді підігрів її звичайно здійснюють подачею пара у воду. При бланшированні в середовищі пари останній через барботери подається в камеру з продуктом. Продукт при бланшированні безпосередньо стикається з водою (розчином солей, кислот) або з парою.

Пастеризація є однократною тепловою обробкою продукту, при якій знищуються вегетативні форми мікроорганізмів. Залежно від оброблюваного продукту пастеризацію проводять при температурі 52 - 75 °С, іноді - 80 - 86 °С. Пастеризації піддають консерви шинок, паштети, органопрепарати, консерви дитячого харчування і т. п. Пастеризацію консервів шинок проводять у вертикальних або ротаційних автоклавах. При виробництві пюреобразних, гомогенізуючих консервів дитячого харчування для пастеризації використовують трубчасті теплообмінники з поверхнею нагріву, що самоочищається. Теплову обробку продукту в таких апаратах виконують при температурі до 80 °С протягом 30 - 40 с. Такий короткочасний підігрів дозволяє понизити загальну бактерійну обсемененність продукту і скоротити тривалість його подальшій стерилізації. Апарати такого типу можуть бути у вертикальному і горизонтальному виконанні. Стерилізацію консервів проводять в основному двома способами: гострою насиченою парою без протитиска (консерви в металевій тарі) і водою, що підігрівається парою з протитиском (консерви в скляній і жерстяній тарі). Стерилізація за першим способом полягає в наступному: після прогрівання автоклава температуру пари піднімають до температури стерилізації і з цієї миті ведуть процес відповідно до режиму стерилізації. Після закінчення процесу припиняють подачу пари і обережно випускають його залишок і конденсат з автоклава. Різке скидання пари може привести до порушення герметичності банок. Після зниження тиску автоклав відкривають, вивантажують корзини з продуктом, і цикл повторюється [21-32].

При стерилізації водою, що підігрівається парою з протитиском, корзини з банками завантажують в автоклав, наповнений водою так, щоб вона покривала верхній шар банок на 10 - 15 см. Температура води повинна бути на 10 - 15 °С вище температури продукту в скляних банках, а жерстяні банки завантажують в киплячу воду. Після завантаження і закриття автоклава подають пару, яка спочатку витісняє повітря, а потім підвищує температуру усередині апарату до режиму стерилізації. Після закінчення стерилізації відключають подачу пари і поступово подають в автоклав стисле повітря, а після витіснення пари - холодну воду. Одночасно гарячу воду зливають з автоклава через конденсаційний вентиль. Холодну воду подають в автоклав під тиском для того, щоб охолодити банки і створити протитиск в апараті. Подачу стислого повітря і спуск пари після стерилізації регулюють так, щоб величина протитиска була постійною. Після витіснення пари припиняють подачу стислого повітря і подають холодну воду; тиск в автоклаві підтримують постійним за допомогою повітря. Після заповнення автоклава водою гарячу воду зливають, а на її місце поступає холодна вода. Тиск в автоклаві починає знижуватися через 10 - 15 хвил до атмосферного. Після охолоджування відкривають кришку і консерви вивантажують [16, 18, 24, 27].

Стерилізацію консервів проводять в автоклавах періодичного і стерилізаторах безперервної дії: вертикальних і горизонтальних із завантаженням одним, двох і більш корзин з банками. Крім того, стерилізатори розрізняють конвеєрні, роторні, гідростатичні. Для стерилізації м'яса хворих тварин застосовують стерилізатор періодичної дії.

Обробка струмами високої частоти ( ТВЧ )

При стерилізації електричним струмом високої частоти вміст банки прогрівається одночасно і рівномірно до заданої температури за декілька десятків секунд незалежно від розміру тари і теплопровідності продукту.

У процесі стерилізації струмами ВЧ не спостерігається помітної зміни хімічного складу продукту, запаху, смаку, кольору і вмісту вітаміну С в порівнянні з цими показниками продукту до стерилізації.

Інтенсивність підвищення температури продукту залежить від кількості поглиненої енергії, вираженої через потужність Р (у Вт), яка визначається по формулі: теплоносій струм сировина

(6.7)

Потужність Р, або інтенсивність нагрівання, можна підвищити тільки за рахунок збільшення кругової частоти змінного струму w, оскільки напруга Е, що підводиться до матеріалу, сильно збільшувати не можна щоб уникнути пробою (рис. 6.5).

Ємність конденсатора З обумовлена розміром банки або пляшки. Коефіцієнт поглинання електричної енергії tgd залежить від властивостей матеріалу, що піддається нагріванню. Дослідження показали, що при стерилізації консервів найраціональнішим виявився діапазон ультрависоких частот порядка 3-108 - 3-107 Гц

Бланширователь водяний

Протитечія через пластини теплообмінника.

Потоки в пластинчастому теплообміннику.

Рис - Операційна схема трубчастого теплообмінника.

Горизонтальный автоклав.

При вживанні струму ультрависокої частоти температура в банці компоту підвищується до 100 °С за 30 - 60 секунд одночасно по всьому об'єму. Мікроорганізми, що знаходяться в полі струму високої частоти, швидко гинуть, тому консерви не потребується довго витримувати при високих температурах (рис. 6.9). [16, 18].

Струми ВЧ можна застосовувати для стерилізації компотів і соків в скляній тарі при температурі 100 °С, якщо не потрібен протитиск, запобігаючи зриву кришок з банок. Дослідження показали, що струмами ВЧ можна стерилізувати м'ясо і рибне філе в скляній банці при температурі 145 °С протягом 3 хвил. Проте для здійснення цього процесу потрібна складна апаратура, забезпечуюча протитиск як під час стерилізації, так і при охолоджуванні (рис. 6.10, 6.11). [31, 32].

Размещено на Allbest.ru

Гідростатичний стерилізатор.

Рис - Схема стерилізатора безперервної дії.

Обсмажувальні апарати

Обсмажування здійснюється в обсмажувальних печах. Обсмажувальні печі можуть працювати при атмосферному тиску, коли температура випаровування вологи з продукту близька до 100 °С, і під вакуумом, коли температура випаровування відповідає розрідженню в апараті і рівна приблизно 55 - 60 °С. В обох випадках температура олії досягає 120 - 140 °С. Як видно, при обсмажуванні під вакуумом різниця між температурами олії і продукту буде вищою і, отже, волога випаровуватиметься інтенсивніше[16, 17].

Залежно від виду теплоносія розрізняють печі з обсмажуванням в олії, в потоці гарячого газу (повітря), під впливом інфрачервоного проміння. Широко поширені печі, в яких обсмажування здійснюється в гарячій олії.

У печах з паровим обігрівом використовують водяну пару тиском 0,8 - 1,2 МПа, який підводять в нагрівальні камери - трубчасті теплообмінники [32].

Нагрівальна камера розташована у ванні печі і занурена в олію, пара конденсується усередині трубок. Трубки розташовують в один ряд або в два по висоті, найчастіше їх сплющують (овальний вигляд) і встановлюють по довжині ванни або по її ширині (рідше). Нагрівальна камера у ряді випадків виноситься за межі ванни; таку піч називають піччю з виносною нагрівальною камерою. В цьому випадку усередині трубок рухається олія, а зовні знаходиться пара.

Розрізняють обсмажувальні печі немеханізовані і механізовані; останній потік продукту безперервно рухається через обжарювальну піч за допомогою транспортера із знімними сітками, з незнімними сітками, з поперечними планками або стрічкового транспортера (сітчаста, металева стрічка).

У механізованих печах сітки під час обсмажування сировини знаходяться в горизонтальному положенні, під час вивантаження - в похилому. До ланцюгів транспортного пристрою сітки прикріплені шарнірно так, щоб центр їх тяжкості був розташований нижче за місце прикріплення сітки до ланцюгів.

Всі транспортні пристрої механізованих печей рухаються з швидкістю приблизно 0,4 - 0,8 м/хвил [16]. Така низька швидкість обумовлена тривалістю обсмажування і двжиною ванни. В механізованих печах встановлюють дозуючі пристрої - живильники для завантаження і розвантажувальний пристрій. В них всі параметри (тиск пари в нагрівальних камерах, температура олії, витрата олії, температура води і водяної подушки і ін.) регулюються обслуговуючим персоналом. В автоматизованій обсмажувальній печі всі ці параметри регулюють контрольно-вимірювальні прилади і пристрої.

Механізовані обсмажувальні печі бувають також і з охолоджувачами продукту. Охолоджування продукту досягається при обдуванні його холодним повітрям (повітряне охолоджування), зануренні в холодну олію (олійне охолоджування) і при само випаровуванні у вакуум-камерах (вакуумне охолоджування).

Размещено на Allbest.ru