Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Иванова Марина Александровна
Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука.
Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2012
Работа выполнена в ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Научный руководитель | кандидат технических наук, доцент Антуфьев В.Т. |
Официальные оппоненты | доктор технических наук, профессор Алексеев Г.В.; |
кандидат технических наук, доцент Вавилов Б.К. |
Ведущая организация: | ФГБОУ ДПО Санкт-Петербургский институт управления и пищевых технологий |
Защита диссертации состоится л___ ____________ 2012г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9.
Тел./факс (812) 315-30-15
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан л___ ____________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор В.С. Колодязная
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение эффективности выпечки является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое экономическое значение. Выпечка осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как стоимость и свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение. В настоящее время на долю процесса выпечки приходится 70% всех энергозатрат при производстве хлебобулочных изделий.
Относительно высокие потери энергии происходят из-за повышенных температур выпечки и соответственно, упека изделий. Кроме того упек увеличивается из-за принятой системы принудительной конвекции воздуха в пекарной камере.
Известные методы интенсификации теплообмена достигли своего предела и требуют применения новых эффектов. Анализ способов интенсификации теплообмена в других областях пищевой промышленности показывает, что особая роль отводится воздействию ультразвука.
В хлебопекарной промышленности применение ультразвука ограничено (например, при обработке зерна ультразвуком, в производстве сухарей, при создании водомасляных эмульсий для обработки форм перед выпечкой, при нарезке тортов и хлеба).
До настоящего времени научных работ по применению ультразвука для интенсификации процессов выпечки мелкоштучных булочных изделий не обнаружено. Влияние ультразвука на процесс теплообмена между тестовой заготовкой и газовой средой пекарной камеры, а так же влияние на удельные затраты не изучено и требует проведения исследований.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука и соответствующего аппаратурного оформления.
Для достижения поставленной цели определены основные задачи исследования:
Цопределить возможности модернизации хлебопекарных печей;
Ц предложить новые способы осуществления интенсификации процесса теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в хлебопекарной печи;
Цпровести теоретические исследования воздействия ультразвука на тесто в процессе выпечки;
Ц разработать математическую модель процесса выпечки при наложении ультразвука;
Ц создать экспериментальную установку и изготовить дополнительные устройства;
Ц провести эксперименты по выпечке готовых мелкоштучных хлебобулочных изделий по разработанной методике;
Ц получить экспериментальные зависимости динамики процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки при наложении поля ультразвука на него;
Ц разработать технические условия на хлебопекарную печь повышенной эффективности, существенно изменяющей темп и качество выпекаемого хлебобулочного изделия.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- механизм интенсификации выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарной печи в зависимости от параметров работы воздушного генератора ультразвука;
- математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука;
- методика расчета пекарной камеры с встроенным воздушным генератором ультразвука;
- техническое решение конструкции хлебопекарной печи и вспомогательных устройств.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.
Определены характер процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки и скорости выпечки при наложении поля ультразвука.
Предложен способ выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарных печах с применением воздушного генератора ультразвука.
Предложено техническое решение интенсификации теплообмена между газовой средой и мелкоштучными булочными изделиями в хлебопекарной печи.
Практическая значимость. Разработан малозатратный метод интенсификации теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в пекарных камерах посредством наложения поля ультразвука.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена опытно-промышленная конструкция устройства, повышающего эффективность хлебопекарных печей.
Предложена методика расчета пекарной камеры с установленным в ней воздушным генератором ультразвука.
Производственная апробация работы осуществлялась на ПП №2 ОАО Каравай (Кушелевский хлебозавод) в 2011г.
Результаты работы используются в учебном процессе для специальности Машины и аппараты пищевых производств, для подготовки бакалавров по направлению: Технологические машины и оборудование.
Материалы диссертации включены в рабочую программу повышения квалификации профессорско-преподавательского состава университета и других ВУЗов России Вепольные технологии в пищевой промышленности.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета в 2009-2012 г. и межкафедральных семинарах СПбГУНиПТ(2009-2011 г.)
Публикации. По результатам исследований опубликованы четыре работы, в том числе две статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Положительное решение по заявке на изобретение № 2011125204/13 от 26.09.2011.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и дополнительно включает 53 таблицы, 36 рисунков, 7 приложений. Библиографический список состоит из 87 наименований, в том числе 10 иностранных источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована необходимость разработки теории к созданию устройств для интенсификации процессов выпечки при пониженных температурных режимах путем наложения ультразвуковых колебаний и оценки их воздействия на качество изделий.
Известно, что повышение температуры выпечки может привести к нежелательным изменениям цвета, образованию веществ, имеющих неприятный запах и вкус, большим потерям пищевых веществ, особенно витаминов, снижению усвояемости белков, жиров, углеводов и др. Поэтому необходимо снижение температуры обработки, что возможно по нашему мнению, при ультразвуковой обработке изделий во время выпечки.
На данное время такие инновационные разработки для усовершенствования оборудования хлебопекарных предприятий не получили широкого распространения.
Проведён анализ существующих методов выпечки и предложены способы её интенсификации. Актуальное значение имеет рационализация процесса выпечки за счет интенсификации методов теплоподвода. Установлено, что в частности актуальным является применение ультразвука (УЗВ) в качестве фактора интенсификации процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий. При этом увеличивается скорость достижения необходимой температуры на поверхности и внутри тестовой заготовки, повышения экологической безопасности и экономической эффективности хлебопекарных печей. В то же время автором показано отсутствие методик расчета ультразвуковых устройств хлебопекарных печей.
Экспериментальные исследования проводились в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.
Рисунок 1.- Структурная схема исследования
Объектом исследований был выбран процесс тепло - и массопередачи в мелкоштучном булочном изделии с наложением колебаний высокой частоты в пекарной камере печи тупикового типа.
Предметом исследований явилось устройство для формирования ультразвука определенного спектра и аппаратура для процесса выпечки мелкоштучного булочного изделия с его применением.
Теоретические исследования ресурсосберегающей технологии и специального оборудования для реализации процессов выпечки мелкоштучных изделий из пшеничного теста.
Широкое применение ультразвука может быть объяснено воздействием следующих специфических эффектов, присущих ультразвуковым колебаниям:
- кавитационного эффекта;
- разрушающего действия на пограничный слой между воздухом и жидкой фазой на поверхности теста;
- образования микропотоков;
- повышение диффузионной проницаемости теста за счет капиллярного эффекта.
Высокочастотные колебания от ультразвукового генератора волн в воздухе создают турбулизацию пограничного слоя, приводящего к интенсивному теплообмену поверхности мелкоштучного булочного изделия с воздухом пекарной камеры. Возникающие акустические течения Ц один из основных механизмов воздействия ультразвука на прогрев хлеба. Акустические потоки отличаются малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного пограничного слоя и увеличению градиентов температуры, определяющих скорость переноса тепла или массы. В потоке воздуха с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.
Исследования показывают, что ламинарный слой у поверхности изделия уменьшается, что приводит к интенсификации теплообмена выпекаемого изделия с воздухом пекарной камеры. Кроме того, передвижение каждой волны возмущения способствует понижению давления у поверхности, и подсосу новых порций воздуха - теплоносителя. Вторая полуволна наоборот создает избыточное давление, выраженное в виде незначительной вибрации изделия, что благоприятно сказывается на распределении и измельчении пузырьков газов в выпекаемом тесте и даже первоначально на эффективности жизнедеятельности дрожжей. Естественно, мелкоштучное булочное изделие, в данном случае плюшка Московская, при этом будет выпекаться быстрее и равномернее даже при более низкой температуре выпечки, так как ультразвук многократно отражается от стен камеры и булочных изделий, и проникает во все трещины и раковины плюшки, снижая термическое сопротивление тепло - и массопереносу. Таким образом, физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи и скорость теплообмена.
Мякиш также подвергается автоколебаниям на глубину до нескольких сантиметров, что также способствует интенсивному проникновению тепла внутрь мелкоштучного булочного изделия. При этом возрастает в несколько десятков раз скорость перемещения жидкости в обрабатываемом тесте. Происходит совместное воздействие на жидкость теплом и высокими знакопеременными градиентами давления. Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Усиление тепломассообмена за счет капиллярного и вибрационного эффекта приводит к более равномерной пористости мякиша.
При этом частицы изделия получают ускорения до 5 g при мощности УЗВ около 0,5 Вт/ м2 поверхности мелкоштучного булочного изделия. Таким образом, ультразвуковые генераторы существенно увеличивают производительность хлебопекарных печей и повышают качество мелкоштучных булочных изделий.
Испарение влаги с поверхности теста, образование зоны испарения и углубление ее во внутренние слои Ч все это создает условия для обратного перемещения влаги: от центра к поверхности в конце выпечки. При выпечке мучных изделий в ультразвуковом поле продолжительность этого процесса значительно сокращается по сравнению с традиционным способом. Насыщенный вкус и аромат пшеничного мелкоштучного булочного изделия, а также его реологические свойства, превышающие качество при обычной выпечке, позволяют рекомендовать применение ультразвука для внедрения в промышленное хлебопечение.
Постановка эксперимента. Выбор методов исследования и описание математического аппарата для планирования эксперимента.
Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.
Булочка в первом приближении - тело сферической формы. Поэтому начальные условия для симметрического тела и работают законы симметрии и физической ограниченности температуры в центре тела t (r,); U(r,)
(1)
(2)
(t > 0, 0< r <R)
t (r, 0)=t0=const (3)
U (r, 0) =U0=const (4)
(5)
t (0,) <; U (0,) < (6)
Теплообмен между поверхностью шара и окружающей средой происходит по закону конвекции:
(7)
(8)
Краевая задача (1)-(8) решена аналитическим методом интегрального преобразования Лапласа и получено общее решение в следующем виде:
(9)
(10)
Здесь (1) - уравнение теплопереноса, (2) - уравнение массо-(влаго-) переноса (уравнение диффузии); Равенства (3) и (4) описывают равномерные распределения температуры и влагосодержания в момент начала тепловой обработки продукта, (5)- граничные условия первого рода, (6) - граничные условия третьего рода для уравнения (2).Равенство (7) - условие симметрии, неравенство (8) - условие ограниченности температуры и влагосодержания в центре шара.
Распределения полей влагосодержания и температуры получены в следующем безразмерном виде:
(11)
(12)
Здесь n- последовательные положительные корни характеристического уравнения.
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
Полученные в ходе исследований экспериментальные данные обработаны с помощью программы Microsoft Excel, входящей в пакет программ Microsoft Office 2007.
Рисунок 2. - Лабораторная установка по выпечке мелкоштучных булочных изделий с применением воздушного генератора ультразвукового излучения.
При подборе ультразвукового устройства рассматривались две модели одинаковой выходной мощностью 400 Вт при подаче воздуха с давлением Pизб.= 2105Па, но с разной частотой ультразвука: 20 0,5 кГц и 26 0,5 кГц. Генератор ультразвука с более низкой частотой, например 16-18 кГц, не безопасен для человека с экологической точки зрения, так как находится в зоне восприятия человеческим слухом, а так же он менее эффективен при воздействии на пограничный ламинарный слой изделия.
Известное выражение для определения толщины пограничного слоя выглядит следующим образом [1]:
, (18)
Толщина пограничного слоя тем тоньше, чем больше частота колебаний ультразвука.
Ультразвуковой генератор с частотой 26 0,5 кГц обладает высокой способностью к разрушению ламинарного слоя, но значительно хуже чем генератор с частотой 20 0,5 кГц влияет на каппилярный эффект в тесте, т.к. высокие частоты имеют значительные потери в пористых структурах.
Поэтому в дальнейших испытаниях решили применять ультразвуковой генератор с частотой 20 0,5 кГц
абораторная установка по разработке ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука представлена на рис. 3.
Она смонтирована таким образом, что имеется возможность проводить комплексные исследования по определению влияния ультразвукового излучения на процессы, происходящие при выпечке мелкоштучных булочных изделий. В качестве генератора ультразвукового излучения применяется типовой воздушный генератор мощностью 400 Вт, с частотой излучения ультразвука 20кГц при давлении на входе 2105Па.
Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 3.
Рисунок 3. ЦСхема лабораторной установки по выпечке мелкоштучных булочных изделий в поле действия ультразвука: 1 - компрессор; 2 - блок подготовки воздуха; 3 - трубопроводы; 4 - камера пекарная; 5 - ультразвуковой генератор; 6 - сетчатый противень;7 - мелкоштучное булочное изделие;
8 - регулятор нагрева пекарной камеры; 9 - включатель нагрева пекарной камеры; 10 - цифровой мультиизмеритель VC 890C+; 11 - бесконтактный термометр CHY - 611;12-.шумомер TESTO 816;13 - гигрометр Center 315;
14 - треть октавный анализатор 01а024;15,16 - переносной измерительный комплекс К - 50
Установка (рис.3) представляет собой модель тупиковой хлебопекарной печи. В пекарной камере 4 установлен ультразвуковой генератор 5 воздушного типа. Сжатый воздух подается на генератор от компрессора 1 через блок подготовки воздуха 2 по трубопроводу 3.
Цифровой прибор 10 марки VC 890C+ с помощью термопар регистрирует изменения температуры внутри тестовой заготовки в период ее выпечки. Бесконтактный термометр CHY - 611 обеспечивает фиксирование изменения температуры в пекарной камере жарочного шкафа в период всего процесса выпечки.
В качестве выпекаемого изделия была взята плюшка Московская (ГОСТ 24557-89)
Результаты исследований. Результаты исследований показали, что применение ультразвука в период выпечки мелкоштучных булочных изделий позволяет:
- получить на тестовых заготовках более тонкую и равномерную корочку. Интенсивный прогрев мякиша приводит к тому, что вода, содержащаяся в порах теста, быстрее превращается в пар и делает мякиш более рыхлым и объемным;
- существенно ускорить повышение температуры в период клейстеризации мякиша (до нескольких градусов в минуту). Это происходит из-за снижения термического сопротивления тепло - и массопереносу и частично за счет поглощения части акустической энергии, толщина пристенного слоя воздуха уменьшается с 3-5 мм до 0,3-0,6 мм;
- уменьшить температуру выпечки на 12%;
- уменьшить время выпечки на 15% по сравнению со стандартной технологией.
На рис. 4 показана зависимость температуры внутри выпекаемой тестовой заготовки (ВТЗ) от времени выпечки мелкоштучных булочных изделий в поле ультразвука, которое уменьшается на 12 %.
Рисунок 4. - График зависимости температуры внутри ВТЗ от времени:
- без применения ультразвука
- с применением ультразвука
На рис. 5 показана зависимость температуры поверхности ВТЗ во время выпечки в условиях контрольного образца, из которого видно, что температура корочки превышает необходимую конечную температуру. При этом происходит ее излишнее подсушивание и подгорание. В связи, с этим температуру в печи необходимо снижать на 18-25 С.
Рисунок 5. - График зависимости температуры поверхности ВТЗ от времени:
- без применения ультразвука
- с применением ультразвука
По результатам проведенных исследований процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий в присутствии ультразвука мощностью 0,5 Вт/см2 поверхности изделия получены аппроксимационные зависимости:
-для температуры внутри ВТЗ от времени выпечки (рис.4)
с ультразвуком: t1 = -0,135 2 + 7,716 + 16,373; R2=0.928; (19)
без ультразвука: t1 = -0,139 2 + 7,044 + 17,22; R2=0.951; (20)
-для температуры поверхности ВТЗ от времени выпечки (рис.5)
с ультразвуком: t2= 0,177 2 + 1,091 + 50,53; R2=0.845; (21)
без ультразвука: t2 = 0,110 2 +1,511 + 43,05; R2=0.878; (22)
Характерно, что при выпечке в печах, оснащенных ультразвуковым генератором, снижается время выпечки и, как следствие, уменьшается упек мелкоштучных булочных изделий по сравнению с изделиями, выпеченными в обычных печах.
Рисунок 6. - График зависимости упека от времени выпечки.
- без применения ультразвука
- с применением ультразвука
Как видно из рис. 6, при выпечке в печах с ультразвуковым генератором упек снижается на 18-20%, что положительно влияет на качество готового продукта, так же получены аппроксимационные зависимости:
с ультразвуком: Муп= - 0,202 2+3,042-3,297; R2=0.968 (23)
без ультразвука: Муп= - 0,0875 2+2,294-3,738; R2=0.956 (24)
Рисунок 7. - Органолептические показатели выпекаемых мелкоштучных булочных изделий с наложением ультразвука и по традиционой технологии.
Рисунок 8. - Визуальный эффект применения ультразвука в период выпечки мелкоштучных булочных изделий.А.-выпечка без применения ультразвука;
Б.-выпечка с применением ультразвука.
Таким образом, при выпечке мелкоштучных хлебобулочных изделий в поле действия ультразвука наблюдается:
- повышение качества готового изделия;
- снижение времени выпечки;
- увеличение выхода готового изделия;
- сокращение энергозатрат .
Выпечка мелкоштучных булочных изделий при наложении ультразвука экспериментально и в соответствии с расчетами, приведенными в разделе технико-экономического обоснования, позволила снизить энергозатраты на 20%, увеличить производительность печи на 15%; экономический эффект составит 95 тысяч рублей в год.
ВЫВОДЫ
Решение поставленной научной задачи обеспечено реализацией ряда частных задач по обоснованию теоретических положений и выработке практических рекомендаций. Получены следующие основные результаты:
1. На основании проведенных исследований выявлены возможности совершенствования технологии и предложен способ повышения эффективности выпечки тестовой заготовки в тепловом аппарате с применением воздушного генератора ультразвука частотой 20 кГц.
2. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что выпечка мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука позволяет уменьшить энергозатраты на 20% , сократить продолжительность выпечки на 15% и температуру выпечки на 12%
3.Разработана математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука.
4. Установлено, что хлебобулочные изделия, выпеченные в пекарной камере с наложением поля ультразвука, не уступают по органолептическим показателям, изготовленным по традиционной технологии.
5. Разработано техническое задание на конструкцию теплового аппарата и воздушного генератора ультразвука повышенной эффективности.
6. Экономический эффект от проведенных научно-технических мероприятий из-за снижения затрат энергии и потерь на усушку составил около 95 тыс.руб. в год на одну хлебопекарную печь.
7.Разработаны технические условия для создания типового комплекта ультразвукового устройства для печей предприятий хлебопекарной промышленности, в частности на ОАО Каравай ПП №2, обеспечивающими более высокие экономические показатели.
Условные обозначения:
аq - коэффициент температуропроводности, м2/час; t(r,)-температура на поверхности тела ,С;tm- амплитуда температурных колебаний, вызванных ультразвуком, С; t0- начальная температура;U (r,)- влагосодержание;U0- начальное влагосодержание, кг/(кг абс.сух.вещества); rЦ радиус тела, мм; - круговая частота, 1/сек;-циклическая частота;Т- период колебаний, сек;0 - плотность сухой части влажного тела, кг/м3;Сq - удельная теплоемкость тела, Дж/(кгК); - критерий фазового превращения; а m - коэффициент массопереноса, м2/час;R - значение координаты на поверхности тела, м; - удельная теплота фазового превращения, Дж/кг; - коэффициент теплообмена, ккал/м2 час.град.; - коэффициент массообмена, м/сек;tc - температура среды, С;Т - безразмерная температура; Х - безразмерная координата;F0 - критерий Фурье; Biq - критерий Био; Pd - число Предводителева; Lu - число Лыкова;- безразмерное влагосодержание; - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; f - частота колебаний, Гц; U1 - квадрат амплитуды колебательной скорости, мм/с; t - температура, С; - время, мин.; Муп - масса упека, %
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Иванова М.А. , Антуфьев В.Т., Горшков Ю.Г. Исследования по разработке технологии выпечки бараночных изделии в поле ультразвука // Материалы XII Всерос. науч.-практ. конф. Современное хлебопекарное производство: перспективы развития. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2011.- С.7-11
- Иванова М.А., Антуфьев В.Т Воздействие ультразвука на выпечку мелкоштучных хлебобулочных изделий // Хлебопродукты.2011.-№5- С.50-51
- Иванова М.А. , Антуфьев В.Т. Возможности применения ультразвука в хлебопекарной промышленности // Разработка и внедрение ресурсо - и энергосберегающих технологий и устройств: сборник статей II Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011.- С.58-61.
- Иванова М.А. Антуфьев В.Т.Влияние ультразвука на показатели готового мелкоштучного хлебобулочного изделия. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал Процессы и аппараты пищевых производств/ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. - Электрон. журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011.- №1.-сент.2011
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям