Енергоефективна експлуатація хлібопекарських печей сторінка 2

12
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Колоїдні процеси, а саме поведінка білків і крохмалю при нагріванні, обумовлюють перехід тіста в м’якуш і є чине найважливішими. На інтенсивність колоїдних процесів впливає інтенсивність прогрівання тіста-хліба і тривалість випікання.
Клейковина тіста зазнає максимального набухання при температурі С. Подальше підвищення температури призводить до уповільнення процесу. При підвищенні температури до 50-60° крохмаль борошна починає клейстеризуватися з ендотермічним ефектом, тобто з поглинанням теплоти. При температурі С білкові речовини тіста денатурують і згортаються, вивільняючи при цьому воду. Таким чином, в інтервалі температур С одночасно відбуваються процеси
коагуляції білків, коли основна частина води, яка була поглинута ними при набуханні, переходить до крохмалю, який клейстеризується. Саме це і обумовлює при випіканні перехід тіста в м’якуш, який кардинально відрізняється від тіста за своїми фізичними властивостями. Денатуровані білки фіксують структуру хліба, створюючи пружний каркас.
Консистенція тіста з підвищенням температури різко ослаблюється, досягаючи мінімуму при С. Подальше підвищення температури до С призводить до різкої зміни консистенції – згущення тіста. Однак це ще не забезпечує утворення м’якушу нормальної якості. Він ще не достатньо пружний, бо відбувається
«неповна» клейстеризація крохмалю при обмеженій кількості вологи в тісті-хлібі і вона продовжується майже до С. Тому для отримання якісного готового хліба необхідно продовжувати випікання в печі до досягнення температури в центрі тістової заготовки 96-98°С.
Підсумовуючи сказане вище, зазначимо, що знання особливостей перебігу процесів, які відбуваються в тісті-хлібі, має бути покладене в основу конструкції нагрівної системи на стадії проектування печі та відтворення в ній раціонального режиму випікання під час експлуатації відповідно до асортименту виробів.
2.2 ВНУТРІШНЄ ПЕРЕНЕСЕННЯ МАСИ І ТЕПЛОТИ ПРИ ВИПІКАННІ
Перенесення маси (масообмін).
Під час випікання в тісті-хлібі відбувається переміщення рідкої та газоподібної фаз – води, водяної пари та парів спиртів.
Основний вплив на розглянуті вище процеси чинить міграція води у двох агрегатних станах. Переміщення вологи може відбуватися шляхом дифузії пари при випаровуванні абсорбційної і капілярної вологи, при цьому потенціалом перенесення є парціальний тиск пари у вигляді рідини шляхом дифузії осмотичної зв’язаної вологи, коли потенціалом є осмотичний тиск; шляхом гідродинамічного переміщення по капілярах під впливом капілярних та термоградієнтних сил тощо.
Механізм міграції вологи є достатньо складним, оскільки відбувається під одночасною дією цілого комплексу елементарних процесів (вологопровідності, термодифузії, бародифузії, термовологопровідності тощо), інтенсивність та напрямок дії яких може змінюватися в процесі прогрівання. У спрощеному вигляді можна прийняти, що переміщення вологи (волого- або масоперенесення) відбувається під дією двох основних рушійних сил

13
Перша - вологопровідність, яка виникає під впливом різниці концентрацій вологи в різних шарах вологого капілярно-пористого матеріалу (тіста-хліба) в процесі випікання. Переміщення називається концентраційним і відбувається від ділянок з більшою концентрацією до ділянок з меншою концентрацією вологи.
Друга - термовологопровідність, яка виникає під впливом різниці температур в різних шарах вологого капілярно-пористого матеріалу (тіста-хліба) в процесі випікання. Переміщення називається тепловим або термовологопровідністю і відбувається від ділянок з більш високою температурою до ділянок з меншою температурою.
Закон вологопровідності або концентраційного переміщення вологи формулюється таким чином:
Щільність потоку вологи, який переміщується за одиницю часу через одиницю поверхні, прямо пропорційна градієнту вологовмісту, причому вектор потоку і вектор градієнту спрямовані назустріч.
Вектор градієнта вологовмісту спрямований в бік збільшення вологості шарів.
Математичний запис закону де іи- щільність потоку вологи під впливом різниці концентрацій вологи в шарах, кг/(м2·с);
а’- коефіцієнт дифузії вологи або потенціалопровідності масоперенесення, мс- густина сухого матеріалу в одиниці об’єму вологого тіла, кг/м3;
∇
u- градієнт вологовмісту.
Закон термовологопровідності або теплового переміщення вологи формулюється так:
Щільність потоку вологи, який переміщується за одиницю часу через одиницю поверхні прямо пропорційна градієнту температури,причому вектор потоку вологи і вектор градієнту спрямовані назустріч.
Вектор градієнта температури спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення температури.
Математичний запис закону δ
′
= −
∇
(1.2) де it- щільність потоку вологи під впливом різниці температур в шарах,кг/(м·с);
δ –відносний коефіцієнт термовологопровідності або термодифузії, кг/кг·К;
ТЕПЛОФІЗИЧНІ АСПЕКТИ ПРОЦЕСУ ВИПІКАННЯ

14
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ – градієнт температури.
Перенесення теплоти в тісті-хлібі при випіканні
Перенесення теплоти у вологому колоїдному капілярно-пористому тілі, яким є тісто- хліб при випіканні, обумовлено кількома явищами. Теплота розповсюджується за рахунок теплопровідності твердого скелету тіста-хліба (відповідно до закону
Фур’є), а також переміщенням вологи всередині заготовки, тобто, шляхом внутрішнього масообміну.
Основний закон перенесення теплоти в тісті-хлібі при випіканні записується так I i
λ
Σ
= − ∇ +
(де q- кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю площі
ізотермічної поверхні, Вт/м2;
λ – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К)
Іпр- приведена ентальпія вологи, яка переміщується в вологому тілі у вигляді рідини та пари, кДж/кг;
i
Σ
– сумарна щільність потоку вологи, що переміщується за рахунок вологопровідності і термовологопровідності, кг/(м2с).
Частка масообміну при випіканні тіста-хліба складає до 20% загального перенесення теплоти, що збільшує значення ефективного коефіцієнта теплопровідності приблизно на 15%. Таким чином бачимо, що випікання тіста- хліба в печах є тепломасообмінним процесом переміщення теплоти і вологи всередині вологого капілярно-пористого колоїдного тіла, при якому процес масообміну суттєво впливає на теплообмін і навпаки, ці процеси відбуваються одночасно і їх неможливо розірвати.
Швидкість прогрівання тіл в умовах зовнішнього підведення теплоти залежить від
їх «масивності». За цим показником розрізняють тіла тонкі і масивні. Для тонких тіл тривалість прогрівання пропорційна їх товщині, у той час, як для масивних
– квадрату товщини. Критерієм віднесення тіл до відповідного класу є значення числа Біо, яке характеризує співвідношення інтенсивності теплообміну на поверхні тіла та його теплопровідності: для тонких тіл Ві≤0,25, для масивних тіл Ві˃0,5. Для ТЗВ Ві˃2, отже ТЗВ хлібобулочних виробів є масивним з теплотехнічної точки зору тілом, у той час як такі вироби як крекер, вафельний лист і т.п. – тонкими. На практиці це означає, що в процесі прогрівання ТЗВ хлібобулочних виробів чинником, що обмежує тривалість процесу, є швидкість внутрішнього відведення теплоти від периферії всередину заготовки, а не інтенсивність зовнішнього теплообміну. Кількість підведеної із зовні теплоти неповинно суттєво перевищувати внутрішній відтік теплоти, оскільки в цьому разі можна отримати готовий виріб з обвугленою скоринкою і водночас недопеченим м’якушем.

15
2.3 ТЕМПЕРАТУРНЕ ПОЛЕ ВТЗ ПРИ ВИПІКАННІ
Важливим показником специфіки прогрівання може слугувати температурне поле тіста-хліба, тобто сукупність миттєвих значень температури по висоті у певні моменти часу, що визначається з температурних кривих, які фіксують зміну температури у певних точках ТЗВ у часі. Типові температурні криві наведені на рис. Температура поверхневих шарів в пекарній камері швидко підвищується від температури тіста до температури С, потім зростання уповільнюється. Деяке уповільнення біля 100° фіксує проходження зони випаровування через даний шар. Температура шарів, з яких утворюється верхня скоринка в, нижня скоринка н та відповідних підскоринкових шарів tпсв, tпсн у процесі перевищує температуру фазового перетворення, досягаючи, наприклад, для поверхневого шару значної величини (>150°), яка залежить від параметрів теплообміну в пекарній камері.
Температура підскоринкового шару, який лежить на границі зони випаровування і м’якушу і є температурною границею зони випаровування, в процесі випікання досягає температури фазового перетворення води при відповідному тиску (С) і залишається на цьому рівні майже до кінця процесу.
Температура поверхневих шарів тіста-хліба, що межують з підскоринковим шаром, але розташовані ближче до поверхні хліба і утворять темнозабарвлений шар скоринки згодом, також перевищує температуру фазового перетворення з внутрішньою температурною границею близько 110°С.
Температура будь-якого шару тіста-м’якуша м повільно зростає від температури тіста до температури, яка сягає для всіх шарів в кінці процесу для готового хліба значення 96-98°. Це менше температури фазового перетворення, бозона випаровування не доходить до центра виробу.
Рис. 2. Зміна температури шарів тіста-хліба при випіканні (Θ – відносна тривалість випікання)
Графік росту температури центральних шарів має вигляд S-подібної кривої. Точка перегину на графіку, яка
ТЕПЛОФІЗИЧНІ АСПЕКТИ ПРОЦЕСУ ВИПІКАННЯ

16
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
має місце при температурі порядку С, характеризує момент переходу тіста ум якуш.ib2.4 ВОЛОГОВІДДАЧА ПРИ ВИПІКАННІ
Волога в тісті-хлібі випаровується тільки в зоні випаровування всередині
ТЗВ, яка охоплює скоринку і підскоринковий шар, де температура перевищує температуру фазового перетворення. Дослідження засвідчують, що зона випаровування розповсюджується на глибину приблизно 10-15 мм від поверхні зразка. Зона випаровування на внутрішній границі, що межує з м’якушем, має температуру близько С. При випіканні зона випаровування поступово заглиблюється, її зовнішні шари зневоднюються, досягаючи величини рівноважної вологості, відповідної умовам середовища пекарної камери, і перетворюються у темнозабарвлену скоринку. З внутрішнього боку, який межує з м’якушем, глибина зони випаровування буде збільшуватися за рахунок розповсюдження випаровування на ближні шарим якушу.Наявність двох періодів процесу випікання відображається і в характері кривих зміни товщини скоринки (аналогічно, зони випаровування) у часі (рис.3).
У І періоді процесу випікання випаровування і переміщення вологи у вигляді пари відбувається в основному всередину зразка, товщина скоринки змінюється за законом параболи з перемінною швидкістю: У II періоді процесу випікання після досягнення точки К товщина скоринки зона випаровування) змінюється за лінійним законом з постійною швидкістю: графік описується рівнянням
0 2
b b
δ
τ
= +
. При тому майже вся волога із зони при випаровуванні виходить у навколишнє середовище. Коефіцієнти b1 та b2 характеризують швидкість поглиблення зони випаровування і товщини майбутньої скоринки, а кут нахилу φ – швидкість утворення скоринки в другому періоді.
В процесі випікання маса тіста-хліба зменшується внаслідок втрати вологи
(упікання) при зневодненні його поверхневих шарів.
Упікання – це маса випареної вологи в процесі випікання в кг на 1 кг маси тіста
(технологічне) або гарячого хліба (теплотехнічне упікання). Зазвичай величину упікання зазначають у відсотках.
Криву вологовіддачі (рис. 4) при випіканні можна отримати експериментально шляхом періодичного зважування зразка або при безперервній реєстрації маси зразка, який знаходиться на платформі зважувального пристрою в пекарній камері.

Рис. Кінетика утворення скоринки (зони випаровування) при випіканні
Рис. 4. Крива вологовіддачі тіста-хліба у сухому (1) та зволоженому (2) середовищі пекарної камери
У зневодненому середовищі маса тіста-хліба змінюється від маси тіста gT в І періоді процесу з перемінною швидкістю за законом параболи до моменту хК, а в II періоді - за лінійним законом з постійною швидкістю вологовіддачі до маси гарячого хліба gГ.
У зволоженому середовищі на початку процесу випікання відбувається конденсація пари на поверхні тістової заготовки, маса збільшується за рахунок сконденсованої вологи. Потім починається процес випаровування сконденсованої вологи, а вже опісля – зневоднення поверхневих шарів. У підсумку величина упікання.
ТЕПЛОФІЗИЧНІ АСПЕКТИ ПРОЦЕСУ ВИПІКАННЯ

18
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. Чому при описі процесу випікання оперують поняттями
«тісто-хліб», ТЗВ – тістова заготовка, що випікається?
2. Чи є процес випікання стаціонарним процесом?
3. Як змінюється колоїдний стан ТЗВ при випіканні?
4. При яких умовах припиняється ріст ТЗВ?
5. Чи відбувається повна клейстеризація крохмалю в тісті- хлібі?
6. Значення якого параметру процесу є об’єктивним критерієм закінчення процесу випікання?
7. В чому полягає зміст феномену термовологопровідності, до яких наслідків він призводить в процесі випікання?
8. Критерії Нуссельта і Біо мають однакову форму запису. Чим вони відрізняються?
9. Що є визначальним при випіканні булочних виробів: зовнішній, чи внутрішній теплоперенос

19
3. ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ
(ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
3.1 ГІГРОТЕРМІЧНА ОБРОБКА ТЗВ
Значну роль у отриманні якісної продукції, а також вплив на енергетичну ефективність процесу справляє гігротермічна обробка ТЗВ, що здійснюється для всієї лінійки асортименту пшеничних та більшості житньо-пшеничних виробів.
Гігротермічна обробка здійснюється на самому початку процесу випікання шляхом занурення ТЗВ у середовище з помірною температурою (здебільше 100 - С) і високим вмістом водяної пари. Це спричинює конденсацію вологи на відносно холодній відкритій поверхні тістової заготовки, маса тіста-хліба збільшується до значення Т +К за рахунок сконденсованої вологи К. Цей процес триває 120 –
300 секунд. Потім починається процес випаровування сконденсованої вологи, а вже опісля - зневоднення поверхневих шарів. В цьому разі величина упікання Δg2 Т –gгх2суттєво менша, ніж Δg1 Т –gгх1, а маса готового виробу Δg2 більша, ніж Δg1. Крім того, перебування ТЗВ у зволоженому середовищі призводить до скорочення процесу, про що свідчать значення в і τв2.
Таким чином, при зволоженні пекарної камери величина упікання зменшується, асам процес випікання закінчується раніше за рахунок інтенсивного підведення теплоти внаслідок конденсації пари на поверхні тістової заготовки. Відомо, що коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари дорівнює приблизно 1200 Вт/
(м2·К), тоді як сумарний коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням і конвекцією звичайно складає 45-60 Вт/(м2·К).
Правильно проведена гігротермічна обробка суттєво сприяє поліпшенню якості готових виробів – отриманню більш еластичного і розпушеного м’якушу, більшого питомого об’єму, глянцевої і рівної поверхні.
При зволоженні пекарної камери відбувається процес сорбції - поглинання пари шпаристою структурою тіста-хліба, яке прискорюється із збільшенням місту пари у середовищі пекарної камери. Сорбція пари є складним процесом, який складається
із зовнішньої дифузії пари з навколишнього середовища до поверхні, внутрішньої
дифузії - переміщення вологи всередині матеріалу, яку вигляді рідини, так і пари, та конденсації пари в капілярах внутрішніх шарів тіста-хліба.
Для отримання якісної продукції нам верхньої поверхні тістових заготовок повинно сконденсуватися приблизно 0,14-0,16 кг вологи (орієнтовно 10-15 г вологи на 1 кг пшеничного тіста), що можливо забезпечити в середньому за 120-
240 су середовищі пекарної камери з температурою С і вмістом пари
70-85 У пекарній камері печі конденсація пари на поверхні тіста-хліба припиняється,
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ

20
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
коли температура поверхні перевищує температуру точки роси. Тому на початку випікання треба створити умови для процесу сорбції пари поверхнею заготовок, при цьому пара має бути близькою достану насичення і неповинна перегріватися.
Чим нижче температура середовища пекарної камери в зоні зволоження, тим довше триває процес конденсації і більше теплоти віддається тістовим заготовкам.
Наступне випаровування вологи з поверхні тіста-хліба починається, коли температура поверхні перевищить температуру мокрого термометра.
Інтенсивність випромінювання теплоти верхньою стінкою пекарної камери в зоні зволоження повинна бути мінімізована, а її температура – мінімально необхідною для уникнення конденсації пари на ній та бічних стінках.
Суттєву роль у створенні необхідного гігротермічного режиму справляють вентиляційні потоки. Зайва вентиляція пароповітряної суміші може сягати значних величина це веде до витрат пари і палива за рахунок збільшення втрат теплоти на перегрівання пари, упікання та ін. У зоні гігротермічної обробки вентиляція пекарної камери має бути мінімально необхідною для видалення надлишків пароповітряної суміші. Конструктивно це може бути забезпечено підняттям конвеєра з утворенням парового горба, наближенням парових струменів до поду з одночасним зменшенням висоти просвіту для проходу заготовок, встановленням шторок на початку і в кінці зони зволоження або поєднанням цих засобів. Також важливо, щоб відсмоктуючий пристрій не створював надлишкового розрідження, особливо, якщо його вхідний отвір знаходиться за зоною зволоження у пекарній камері. У противному разі відбуватиметься інтенсивне затікання сухого повітря із пекарної зали, що призведе до зниження вмісту пари в середовищі зони зволоження і погіршення умов конденсації. Більшість конструкцій печей обладнуються витяжним зонтом над конвеєром перед саджальним отвором, що не створює розрідження в пекарній камері, а лише «підбирає» пароповітряну суміш, що витікає через верхню частину саджального отвору, і забезпечує її організоване видалення з приміщення пекарної зали.
Необхідною умовою отримання високої якості готових виробів є забезпечення в зоні парозволоження інтенсивного підведення теплоти знизу до тістових заготовок після посадки, бажано організувати попереднє підігрівання поду (особливо для подів з високою теплоакумулюючою здатністю), що гарантує максимальний приріст висоти, збільшення об’єму тіста-хліба та уникнення кругового підриву скоринки на межі між верхньою і нижньою поверхнями.
Зазвичай при вивченні процесів та удосконаленні конструкцій машин, апаратів, агрегатів оперують поняттям оптимізації процесу, або режиму його перебігу. При цьому, як правило, вибирають один із ключових параметрів, що характеризує процес, який є об’єктом (критерієм) оптимізації. Це може бути питома витрата енергії на одиницю продукту, вихід продукції, тривалість процесу тощо. При виробленні хлібобулочних виробів такий підхід реалізувати складно. Тому проф. О.Т.Лісовенком на початку х років ХХ століття уведено в наукову і промислову практику термін «раціональний режим випікання». При обґрунтуванні раціонального режиму ставиться задача досягнути максимального об’єму хліба при найбільш рівномірному розподілі щільності м’якуша по висоті, забезпечити

21
утворення гладкої, глянцевої з характерним забарвленням верхньої поверхні виробу без тріщин і підривів, отримати еластичний, добре пропечений м’якуш за можливо короткий час випікання, який технологічно обумовлений, при економних витратах сировини, пари і теплоти. Вочевидь, раціональний режим випікання для різних за асортиментом виробів буде різнитися.

1 2 3 4 5 6 7 8

скачати