Энергосберегающие способы и оборудование для тепловой обработки пищевых материалов с направленным подводом инфракрасного излучения

Г. В. Авроров, В. А. Авроров, Г. Д. Лузгин








ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАПРАВЛЕННЫМ ПОДВОДОМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ




Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 664
ББК 36.81
    А21



Рецензент: главный конструктор АО «Пензенский машиностроительный завод» Н. А. Гуреев




     Авроров, Г. В.
А21        Энергосберегающие способы и оборудование для тепловой обра-
      ботки пищевых материалов с направленным подводом инфракрасного излучения : учебное пособие / Г. В. Авроров, В. А. Авроров, Г. Д. Лузгин. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 156 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1413-5

           Приведены результаты конструкторских разработок и экспериментальных исследований по созданию новых энергосберегающих способов и оборудования для тепловой обработки пищевых продуктов с использованием направленного подвода инфракрасного излучения. Проведен анализ недостатков используемого в промышленности сушильного и пекарного оборудования. Сформулированы предложения по устранению этих недостатков путем применения направленного излучения от инфракрасных зеркальных ламп. Разработаны функциональная и структурная схемы действующей модели сушилки-печи с инфракрасными ламповыми нагревателями, и на основе закономерностей теплообмена спроектированы элементы её конструкции. Проведен сравнительный анализ эффективности ламповых излучателей и широко применяемых в тепловых установках трубчатых термоэлектронагревателей.
           Для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата: 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения», 19.06.01 «Промышленная экология и биотехнологии». Может быть полезно специалистам, работающим в области пищевой индустрии.



УДК 664
ББК 36.81






ISBN 978-5-9729-1413-5

     © Авроров Г. В., Авроров В. А., Лузгин Г. Д., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        Оглавление


Предисловие.......................................................5
Тема 1. Сушка капиллярно-пористых материалов растительного происхождения......................................................9
1.1. Анализ способов сушки сырья и используемого сушильного оборудования в пищевых и перерабатывающих отраслях
промышленности.....................................................9
Тема 2. Оборудование для выпечки хлеба, хлебобулочных и мучных кондитерских изделий..............................................31
2.1. Анализ пекарного оборудования................................31
Тема 3. Основные сведения о тепловых процессах и источниках нагрева...........................................................48
3.1. Основные сведения о тепловых процессах и источниках нагрева..48
3.2. Общая структура тепловых аппаратов и ее характеристики.......52
Тема 4. Нагрев излучением: технические параметры и характеристики.69
4.1. Постановка проектной задачи по созданию универсальной сушилки-печи......................................................69
4.2. Выбор источников ИК-излучения и определение их характеристик.71
4.3. Исследование взаимодействия ИК-излучения с облучаемым материалом........................................................79
4.4. Оценка влияния покрытия образца на интенсивность его нагрева.85
Тема 5. Разработка функциональной и структурной схем сушилки-печи с направленным подводом ИК-излучения..............................98
5.1. Технические требования к элементам рабочей зоны и основные задачи проектирования энергосберегающего образца сушилки-печи.....98
5.2. Разработка и анализ структурной схемы образца односекционной сушилки-печи......................................................101
Тема 6. Проектирование экспериментального образца односекционной сушилки-печи.....................................................108
6.1. Разработка компоновки сушилки-печи и ее элементов ...........108
6.2. Разработка принципиальных электрических схем сушилки-печи....112
Тема 7. Экспериментальные исследования сушилки-печи при выпечке формового хлеба и сушке материалов растительного происхождения...116
7.1. Определение механических и тепловых параметров действующей модели секции сушилки-печи........................................116
7.2. Экспериментальные исследования процесса сушки растительных материалов........................................................123

3

7.3. Экспериментальные исследования процесса выпечки формового хлеба...........................................................129
Тема 8. Разработка компоновок энергосберегающего теплового оборудования с направленным подводом инфракрасного излучения....135
8.1. Разработка конструктивных схем сушильных установок.........135
Тема 9. Использование направленного подвода ИК-излучения
при нагревании жидких сред и влагосодержащих многокомпонентных смесей..........................................................147
9.1. Энергосберегающие способы тепловой обработки жидких сред....147
9.2. Способ приготовления универсальной кормовой добавки для животных, птиц и рыб с использованием ИК-излучения...........152

4

        Предисловие


     В учебном пособии приведены результаты разработок и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре «Пищевые производства» Пензенского государственного технологического университета и направленных на создание энергосберегающих способов и оборудования для сушки, выпечки мучных изделий, запекания, тушения, нагревания жидких сред и т. п. на основе использования направленного подвода инфракрасного излучения.
     Результаты исследований, разработанные способы и конструктивнотехнологические схемы, выполненные компоновки оборудования, а также технические решения отдельных устройств определили не только структуру данного издания, но и его основную особенность, заключающуюся в том, что предложенные способы и конструкторские разработки отличаются технической новизной и являются патентозащищенными.
     В первых двух темах в качестве введения в проблему дан краткий обзор проводимых исследований в области сушки растительного сырья и выпечки мучных изделий, характеризуемых наибольшей энергонапряженностью.
     В первой теме учебного пособия приведена классификация и дан анализ известных способов обезвоживания сырья растительного происхождения и применяемого для этого технологического оборудования. Сформулированы первоочередные задачи дальнейшего совершенствования процесса сушки сырья.
     Во второй теме приведена классификация применяемого пекарного оборудования и способов нагрева зоны выпечки. Приведены технические параметры и примеры расчета печей с паровым и электрообогревом. Отмечены конструктивно-технологические преимущества и недостатки существующих печей по затратам энергии, материалоемкости, удобству обслуживания и другим признакам.
     Проведенный анализ известных способов и оборудования для сушки и выпечки позволяет сделать вывод, что с позиций энергосбережения, экологичности процессов и технических возможностей предпочтительной может оказаться тепловая обработка сырья и полуфабрикатов с использованием направленного инфракрасного излучения при условии обеспечения более точного регулирования температуры нагрева продуктов. Это позволит существенно интенсифицировать процесс и создать, в частности, энергосберегающую универсальную сушильно-пекарную установку непрерывного действия.
     Третья тема посвящена анализу тепловых процессов и источников нагрева продуктов. Сформулированы конструктивно-технологические, эксплуатационные, энергетические, экологические, экономические требования и критерии, обуславливающие выбор более эффективного и энергосберегающего теплового оборудования.

5

     Дан анализ преимуществ и недостатков паровых, газовых и электрических источников нагрева рабочих зон теплового оборудования. Приведены примеры расчета параметров термоэлектронагревателя и инжекционной газовой горелки и их использования в тепловом технологическом оборудовании.
     В четвертой теме на основании предложенных патентозащищенных способов нагрева продуктов сформулирована проектная задача по созданию универсальной туннельной конвейерной сушилки-печи с направленным подводом инфракрасного излучения. Осуществлен выбор источников излучения, в качестве которых приняты зеркальные инфракрасные лампы мощностью от 175 до 500 Вт, и определены их характеристики. Проведены исследования взаимодействия ИК-излучения с облучаемым конструкционным материалом. Установлено, что для изготовления элементов рабочей зоны конвейерной сушилки-печи наиболее подходящим является применение легированной жаропрочной стали марки 12Х18Н10Т. Проведен выбор дополнительного крем-нийорганического покрытия элементов рабочей зоны, позволяющего дополнительно увеличить температуру нагрева облучаемой поверхности без увеличения энергозатрат.
     В пятой теме с формулированы технические требования к элементам рабочей зоны и поставлены основные задачи создания действующей модели универсальной сушилки-печи с направленным подводом инфракрасного излучения к обрабатываемому продукту. Осуществлена разработка и проведен анализ структурной схемы односекционной сушилки-печи, являющейся единичным конструктивным модулем для создания многосекционного теплового аппарата.
     Шестая тема посвящена описанию результатов проектирования конвейерной сушилки-печи, описанию ее компоновки и основных ее узлов. Разработаны принципиальные электрические схемы автоматического регулятора «напряжение - температура» и силового питания блоков инфракрасного излучения.
     В седьмой теме учебного пособия приводятся результаты экспериментальных исследований изготовленной модели односекционной сушилки-печи при сушке растительного сырья, используемого в качестве натуральных обогатителей функционального назначения для выпечки хлебобулочных изделий. Определены механические и тепловые параметры образца сушилки-печи при выпечке формового хлеба.
     В восьмой теме дано описание разработанных способов и различных видов энергосберегающего теплового оборудования с использованием направленного автоматически регулируемого подвода ИК-излучения:

6

     -       модульной барабанной сушилки для сушки сыпучих материалов с наружным обогревом барабана;
     -       барабанной сушилки длинномерных материалов с внутренним обогревом барабана;
     -       малогабаритной барабанной сушилки с подвижной нагревательной кареткой;
     -       цилиндрической сушилки для сушки больших объемов сыпучих влагосодержащих материалов;
     -      барабанной установки для выпечки блинной ленты;
     -       малогабаритных печей с каменным подом и конвейером для выпечки пиццы, мелкоштучных хлебобулочных и мучных кондитерских изделий.
     В девятой теме дано описание энергосберегающих способов нагрева и перемешивания жидких сред с использованием направленного подвода ИК-излучения и приведены сведения по созданию энергосберегающей технологии получения универсальной кормовой добавки для кормления сельскохозяйственных животных, птиц и рыб.
     Учебное пособие рекомендуется для студентов высших учебных заведений при изучении дисциплин основной и вариативной частей рабочих учебных планов по направлениям подготовки бакалавриата 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания».
     Издание может быть полезно магистрантам по соответствующим направлениям подготовки 15.04.02, 19.04.02, 19.04.04 и аспирантам по направлению подготовки 19.06.01 «Промышленная экология и биотехнологии», направленность подготовки - «Процессы и аппараты пищевых производств», а также специалистам пищевых предприятий и предприятий машиностроения для пищевой промышленности.
     Изучение и освоение материалов данного учебного пособия позволит студентам дополнительно повысить уровень своих компетенций:
     -       в способности разрабатывать мероприятия по совершенствованию технологических процессов производства пищевой продукции различного назначения. Студенты будут глубже знать технологические процессы производства пищевой продукции различного назначения, уметь разрабатывать мероприятия по совершенствованию этих процессов и владеть навыками разработки более эффективных технологических процессов при производстве продукции из различных видов сырья;
     -       в умении моделировать технические объекты и технологические процессы и готовности проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом результатов. Студенты будут знать основы исследования 7

технологических процессов и объектов, организации и проведения экспериментов, анализа и интерпретации результатов; уметь проводить экспериментальные исследования и обрабатывать их результаты; владеть навыками исследования процессов и технических объектов и вопросами организации и проведения экспериментальных работ;
     -      в способности принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций в соответствии с техническими заданиями. Студенты будут знать основы проектирования технологического оборудования пищевых производств; уметь проектировать детали и узлы машин; владеть навыками и основами проектирования деталей машин.

8

    ТЕМА 1. СУШКА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ


1.1. Анализ способов сушки сырья и используемого сушильного оборудования в пищевых и перерабатывающих отраслях промышленности


     Сушка представляет собой термический процесс удаления влаги из влагосодержащих материалов путем ее испарения или выпаривания и относится к важным тепловым процессам многих отраслей промышленности.
     Принципиальная схема процесса сушки¹ выглядит следующим образом (рис. 1.1).

Влагосодержащий материал

Рис. 1.1. Блок-схема процесса сушки

Влажный воздух

     Влажность материала выражается как


W

U

w =---=---,
W + G 1 + U

(1.1)


где U - влагосодержание, W - масса влаги, G - масса сухого материала.


¹ Стабников В. Н., Баранцев В. П. и др. Процессы и аппараты пищевых производств. - М: Агропромиздат, 1985.

9

     В процессе сушки влажность стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому U = U(x1,x₂,x₃,г) и T = T(x1,x₂,x₃,г). Данные зависимости описывают динамику сушки и нагрева тела.
     По способу подвода теплоты к высушиваемому продукту различают сле-„                  2345
дующие виды сушки ² ³ ⁴ ⁵ 5:
     -       конвективная - непосредственное соприкосновение высушиваемого продукта с сушильным агентом, например, с нагретым воздухом;
     -       контактная (кондуктивная) - передача теплоты от теплоносителя к продукту через поверхность соприкосновения;
     -       радиационная - передача теплоты инфракрасными лучами;
     -       сублимационная - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме;
     -       диэлектрическая - нагревание продукта в поле токов высокой или сверхвысокой частоты.
     Скорость сушки определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого продукта к границе раздела сред.
     Выбор оптимального варианта процесса сушки, результаты теплового расчета сушильных установок и их конструкция во многом определяются параметрами состояния влажного воздуха и его изменением в ходе процесса. Перед началом сушки сушильный агент является смесью сухого воздуха с паром и в процессе сушки его влажность увеличивается. Влажный воздух характеризуется барометрическим давлением, парциальным давлением водяного пара, абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией (теплосодержанием) и др.⁶.
     Когда продукт находится в контакте с влажным воздухом, возможны два процесса: испарение влаги из продукта (десорбция) при парциальном давлении пара над поверхностью продукта, превышающем его парциальное давление в воздухе, и увлажнение продукта, т. е. поглощение пара из окружающего влажного воздуха (сорбция).
     Влажность продукта, соответствующая состоянию равновесия и называемая равновесной влажностью, определяет способность продукта удерживать влагу.
     Перенос теплоты при сушке сопровождается сопутствующим переносом влаги. При испарении влаги с поверхности продукта возникает перепад влаго-

² Джемисон Р. X. Физика и техника инфракрасного излучения. - М: Советское радио, 1965.

³ Красников В. В. Кондуктивная сушка. - М6 Энергия, 1973.

⁴ Сэбиси Г., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. - М: Мир, 1987.

⁵ Атаназевич В. И. Сушка пищевых материалов. - М: ДеЛи, 2000.

⁶ Гинзбург А. С. Сушка пищевых продуктов. - М: Пищепромиздат, 1960.

10

содержания между его наружным и внутренними слоями, что способствует дальнейшему перемещению влаги из внутренних более влажных слоев к поверхности продукта. Исследованиями установлено, что на перемещение влаги оказывает существенное влияние перепад температуры, которая выше на поверхности, чем в центральных слоях. Под влиянием температурного перепада часть влаги вследствие термовлагопроводности будет перемещаться от поверхности к внутренним слоям материала.
      Характер протекания процесса сушки описывается кривыми сушки, построенными в координатах «влажность материала - время» и кривыми скорости сушки, построенными в координатах «скорость сушки - влажность материала »⁷⁸ ⁷ ⁸ ⁹.
      Скорость сушки зависит от ряда факторов: скорости движения воздуха в сушилке, его температуры, физико-химических свойств материала, размера частиц и их формы, интенсивности перемешивания, высоты слоя продукта и др.
      Сушка пищевого растительного сырья может рассматриваться как гетерогенный физико-химический процесс, при котором влажный материал под воздействием теплового поля разделяется на парообразную влагу и сухой остаток¹⁰.
      С молекулярно-кинетических позиций переход влаги из влажного материала в парообразное состояние связан с преодолением энергетического барьера, обусловленного связью молекул воды с сухой частью материала и затратами энергии на фазовое превращение влаги при ее переходе в парообразное состояние. Доля молекул во влажном материале с энергией большей величины энергетического барьера подчиняется распределению Больцмана¹¹.
      Общие закономерности распределения и связи влаги в высушиваемом материале и термовлагопроводности в растительных капиллярно-пористых материалах, к которым относятся зерновые культуры, фрукты и овощи и др., разработаны Ребиндером П. А., Лыковым А. В. и в дальнейшем развиты в работах Гинзбурга А. С., Казакова Е. Д. и других исследователей.

⁷ Валентас К., Ротштейн Э., Сингх. Р. Пищевая инженерия: справочник с примерами расчетов. - С-Пб: Профессия, 2004.

⁸ Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М: Пищевая промышленность, 1973.

⁹ Лыков А. В. Теория сушки. - М: Энергия, 1968.

¹⁰ Арапов В. М., Кретов И. Т. Развитие теории сушки на основе законов химической кинетики / Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности: материалы

II межд. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТА, ч. II, 2004. - С. 86-92.
¹¹ Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 3 и 4. - М: Мир, 1976.

11

     Удаление влаги из высушиваемого материала может осуществляться двумя способами:
     -       без изменения ее агрегатного состояния;
     -       с изменением ее агрегатного состояния.
     На рис. 1.2 приведена классификация используемых в отраслях промышленности известных способов обезвоживания продуктов.
     Тепловые способы, использующие подвод теплоты конвекцией и кондук-цией и реализуемые в различных конструктивных исполнениях сушильных установок, обеспечивают высушивание продуктов до необходимого влагосо-держания, но являются достаточно энергоемкими. Например, только на сушку зерна тратится около 700 тыс. тонн топлива¹² ¹³. Высокая энергоемкость процесса сушки требует совершенствования технологии высушивания, обеспечивающей энергосбережение при высоком качестве выпускаемой продукции.
     К основным задачам совершенствования процесса сушки в перерабатывающих производствах АПК относятся:
     -       интенсификация процесса сушки материалов;
     -       поддержание максимально допустимой и стабильной температуры на заданном уровне;
     -       создание энергосберегающего и более производительного сушильного оборудования.
     Оптимальные температурные режимы должны быть обоснованы, как отмечается в ¹¹ ¹⁴, достоверными результатами исследований, проведенными на основе законов химической кинетики. Так, критерием термостойкости обрабатываемого материала многие исследователи выбирают максимально допустимую температуру нагрева. Следует отметить, что величина максимально допустимой температуры неоднозначна, и даже для одного и того же вида материала может иметь нечеткие границы, поскольку определяется опытным путем.

¹² Карпенко Г. В. Разработка и обоснование конструктивно-технологических параметров энергосберегающей установки для сушки зерна / Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Пенза: ПГСХА, 2005.

¹³ Павлушин А. А. Разработка установки для тепловой обработки зерна с обоснованием конструктивных параметров и режимов работы / Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Пенза: ПГСХА, УГШСХА, 2008.

¹⁴ Арапов В. М., Кретов И. Т. Моделирование допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов на основе законов химической кинетики / Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности: материалы II межд. научн.-техн. конф. - Воронеж: Изд. ВГТА, ч. II, 2004. - С. 80-86.

12