Ім'я файлу: ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯ ХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ.pdf
Розширення: pdf
Розмір: 1934кб.
Дата: 20.07.2022
скачати
Пов'язані файли:
Реферат Шістдесятництво, дисидентський і правозахисний рух (кіне
Проектування інформаційного забезпечення.doc
Тестове_завдання_з_дисципліни_Психологія_і_етика_ділового_спілку
Циклова комісія гуманітарних дисциплін.docx
Вознюк Віталій Вікторович 35 26 39.docx
Подготовка.DOCX
Here are my three favorite lessons from the book called.docx
Acces 1.docx
3 Розробка структурної схеми приладу.doc
За двумя зайцами 38.docx
Положення жінки на Русі.doc
кр3.0.ppt
Розширення: pdf
Розмір: 1934кб.
Дата: 20.07.2022
скачати
Пов'язані файли:
Реферат Шістдесятництво, дисидентський і правозахисний рух (кіне
Проектування інформаційного забезпечення.doc
Тестове_завдання_з_дисципліни_Психологія_і_етика_ділового_спілку
Циклова комісія гуманітарних дисциплін.docx
Вознюк Віталій Вікторович 35 26 39.docx
Подготовка.DOCX
Here are my three favorite lessons from the book called.docx
Acces 1.docx
3 Розробка структурної схеми приладу.doc
За двумя зайцами 38.docx
Положення жінки на Русі.doc
кр3.0.ppt
3.2 ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
Завдяки широкому спектру досліджень процесу випікання масових подових сортів пшеничного хліба визначено загальний характер температурних кривих ефективних режимів. Для печей, у яких реалізується радіаційно-конвективний режим обігріву пекарної камери, він має характер, який зображено на рис. 5.
Процес випікання рекомендовано розбити на чотири найбільш характерні стадії, які відповідають зонам обігрівання пекарної камери печі (тунельної) або безрозмірній величині тривалості випікання Θ:
I - зона парозволоження (відносна величина Θ= 0,125 визначається відношенням довжини зони до загальної довжини пекарної камери), середня температура середовища пекарної камери на рівні тістової заготовки t0= С - зона інтенсивного обігрівання (Θ≈0,3), кінцева температура t0 = 218°C;
III - перехідна зона (Θ= 0,335), t0 = С - зона допікання (Θ= 0,25), t0 = 133°С.
Рис. 5. Раціональний температурний режим випікання подових сортів хлібобулочних виробів із пшеничного борошна при радіаційно-конвективному обігріві
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
22
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Як видно з графіка, при перехідному режимі випікання температура середовища пекарної камери t0 на початку процесу підтримується в зоні парозволоження на рівні близько С для створення оптимальних умов для конденсації та сорбції пари, потім швидко зростає до t0 Св зоні інтенсивного теплопідведення майже до середини процесу. Після цього здійснюється різкий перехід від теплового удару до перехідної зони і м’якого температурного режиму зони допікання, коли температура плавно зменшується за законом, близьким до лінійного.
Реалізація найбільш ефективних режимів випікання у виробничих умовах дозволила зменшити питомі витрати умовного палива на 6,2%, знизити середні втрати від упікання на 0,8% при хорошій якості продукції, вихід якої відповідно збільшується. Впровадження рекомендованого режиму випікання в печах типу
РЗ-ХПУ дозволило суттєво спростити схему обігрівання печей, значно знизити їх металоємність і поліпшити виготовлення.
Вироби з житньо-пшеничного і житнього борошна є найбільш вимогливими до теплових режимів пекарної камери через слабкі формоутримуючі властивості тіста. Тому в процесі випікання таких виробів після обприскування тістових заготовок водою та/або гігротермічної обробки необхідно проводити інтенсивну термічну обробку виробів при порівняно високих температурах середовища пекарної камери до С) протягом 3-5 хвилин. Цей процес називають обжарюванням. Щоб запобігти кругових підривів нижньої скоринки під печі в зоні посадки тістових заготовок повинен бути добрі розігрітим. Після проходження обжарювальної камери ТЗВ переміщуються в зону більш низьких температур (С, потім допікаються в зоні з температурою до С. Середня тривалість випікання становить 40 хвилин.
Для формового хліба із житнього борошна після обприскування бажаним є двостадійний режим випікання: температура в І зоні С і допікання в ІІ зоні з температурою С. Тривалість випікання виробів масою 1 кг складає в середньому 50-55 хвилин.
Таким чином можна зробити висновок, що температурний режим випікання кожного виду виробів має свої особливості, на які також впливають сорт і хлібопекарські властивості борошна, рецептура тіста, тривалість кінцевого вистоювання, щільність завантаження поду печі, її конструкція та ін. Зауважимо, що тривалість випікання виробів одного і того ж сорту не тільки в різних печах, а і в однакових може бути різною, що пояснюється різними тепловими і зволожувальними режимами, а також, у деякій мірі, якістю сировини і тіста.
3.3 ТЕПЛОВИЙ ПОТІК, ЩО СПРИЙМАЄ ТІСТО-ХЛІБ
Зазначимо, що температурний режим, наприклад, наведений на рис. 5, є недостатнім засобом відображення теплового режиму випікання. Температура, як параметр стану середовища пекарної камери, є деяким зручним для сприйняття маркером, який, разом з тим, не несе достатньої кількості важливої інформації
23
щодо перебігу процесу. Цепов язано з тим, що, з одного боку, покази датчика температури (термометра) суттєво залежать від його конструкції та розташування, аз другого – раціональний температурний режим залежить від переважаючого варіанту підведення теплоти до ТЗВ у конкретній конструкції печі. Реалізація в печі зображеного вище температурного режиму ще не є запорукою дотримання раціонального теплового режиму випікання, характерного для заданого асортименту виробів. Головним об’єктивним показником є характер зміни теплового потоку, що пронизує поверхню ТЗВ.
На сьогоднішній день дослідниками здійснено декілька спроб аналітично описати характер зміни теплового потоку, що поглинається тістовою заготовкою при випіканні. Однак отримані результати майже не становлять практичного інтересу, оскільки математичні моделі, що використовувалися, є достатньо спрощеними і не відображають усієї складності загальної картини теплообміну. Тому більшої довіри викликають експериментальні методи досліджень. Для безпосереднього вимірювання щільності теплового потоку, пронизуючого поверхню ТЗВ, використовувався розроблений Інститутом теплофізики НАНУ датчик шаруватої будови, який являє собою кілька тисяч розташованих впритул одна до одної мікротермопар. Датчик займає площу в кілька квадратних сантиметрів (не більше 2-3), ступінь чорноти поверхні датчика і поверхні ТЗВ є близькими за значенням (0,88). Це дає можливість після відповідного градуювання використовувати їх для запису кривих теплового потоку і отримувати більш-менш достовірні дані. Водночас, датчик може бути виготовлений із поверхню з нікелю, ступінь чорноти якого 0,1.
Одночасне використання пари датчиків з різною чорнотою поверхні дало можливість не лише фіксувати сумарний тепловий потік на поверхні
ТЗВ, але і відобразити внесок у процес різних способів теплообміну.
Після проведення відповідних розрахунків можна тримати значення теплового потоку, поглинутого ТЗВ як за рахунок конвекції, так і випромінювання. Рис. 6. Характерні криві теплових потоків, що сприймає ТЗВ із пшеничного борошна ІІ сорту при раціональному режимі випікання
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
24
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Характерні криві теплових потоків при випіканні подових виробів з пшеничного борошна ІІ сорту наведені на рис. 6. Попри те, що наведені графіки ілюструють конкретний раціональний режим випікання для певного асортименту, вони мають більш загальний їх характер і можуть з деякими уточненнями бути розповсюджені на всі види подових хлібобулочних виробів з пшеничного борошна.
Наведені криві теплопоглинання з боку верхньої та нижньої поверхонь ТЗВ засвідчують, що при випіканні зазначеного асортименту виробів має місце більш- менш плавний падаючий режим споживання теплоти. Максимальний тепловий потік через нижню поверхню має місце на початку процесу, коли тістова заготовка має найнижчу температуру, різниця температур із попередньо розігрітим подом максимальна. Різка зміна кута нахилу графіка в момент Θ=0,1…0,2 пояснюється фазовим переходом води у стан водяної пари, тобто підведена знизу теплота витрачається на випаровування води при постійних температурах поверхні ТЗВ і поду (за іншими даними характер кривої аналогічний кривій теплового потоку верхньої поверхні – тобто із западиною).
Поглинання теплоти верхньою поверхнею має більш складний характер. Характерна западина на графіках для верхньої поверхні описує стан ТЗВ у зоні гігротермічної обробки. При збільшенні довжини зони гігротермічної обробки крива в ) ця западина збільшується. За цей час на поверхні ТЗВ може бути сконденсовано вологи 20 – 28 гм, а середнє теплове навантаження за рахунок теплоти фазового переходу може скласти до 4700 Вт/м2.
Верхня точка графіка характеризує максимальну інтенсивність конденсації пари
(приблизно 0,1Θ), під час якої, як уже зазначалося,коефіцієнт тепловіддачі сягає
1200 Вт/(м2К). Далі потік теплоти різко зменшується, оскільки інтенсивність конденсації падає, температура в зоні зволоження залишається практично незмінною, в той час, як температура поверхневих шарів ТЗВ різко зростає за рахунок проходження вглиб хвилі теплоти від конденсації. Подальше зростання теплового потоку відбувається при виході ТЗВ із зони гігротермічної обробки в зону інтенсивного обігрівання за рахунок витрати теплоти на випаровування конденсату з поверхні (температура поверхні ТЗВ практично незмінна) при зростаючій температурі середовища пекарної камери. Другий пік кривої співпадає
із закінченням процесу інтенсивного прогрівання. Далі по мірі підвищення температури поверхонь ТЗВ усі криві ілюструють явно виражений спадаючий характер теплового потоку.
Значення теплового потоку з боку нижньої і верхньої поверхонь ТЗВ на рис. 6 мають привязку до відносної тривалості випікання (те саме, що і відносна довжина пекарної камери конвеєрної тунельної печі). Це дає змогу для відповідного асортименту виробів розрахувати бажані значення теплового потоку для конкретної печі, яка має відокремлені зони обігріву, і відповідним чином налагодити подачу теплоносія до кожної такої зони.
25
ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. У чому проявляється сприятлива дія вологого середовища пекарної камери на початку процесу випікання?
2. Що відбувається з ТЗВ у зоні гігротермічної обробки?
3. Що вкладається у поняття раціонального режиму випікання?
4. Якою має бути протяжність зони гігротермічної обробки?
5. Головні відмінності раціональних режимів випікання пшеничних і житньо-пшеничних виробів.
6. Чому реалізація в печі раціонального температурного режиму випікання виробів певного асортименту не є гарантією отримання найкращої комбінації споживчих властивостей готової продукції?
7. Чому крива теплового потоку через верхню поверхню подових виробів має на початковій стадії випікання різкі коливання?
8. Якими прийомами можна зменшити надлишкову вентиляцію зони гігротермічної обробки?
9. Чому температуру пекарної камери ближче до кінця процесу знижують?
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
26
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ. ЗОВНІШНІЙ ТЕПЛОМАСООБМІН У ПЕКАРНІЙ КАМЕРІ
Прогрівання ТЗВ у пекарній камері печі є доволі складним процесом, оскільки передача теплоти до поверхні здійснюється усіма відомими способами за рахунок поглинання теплоти конденсації водяної пари, кондукцією від нагрітого поду, випромінюванням парогазового середовища пекарної камери та нагрівальних поверхонь, а також за рахунок природної або вимушеної конвекції. Суто теплові процеси супроводжуються процесом перенесення маси, пов’язаним з конденсацією вологи на вільній поверхні ТЗВ у зоні гігротермічної обробки та наступним випаровуванням води (упіканням). Строго кажучи, математична модель процесу зовнішнього підведення теплоти також має бути комплексною, оскільки кожен вид теплопередачі впливає на інші види (можливо, за винятком кондукції). Також взаємопов’язаними є процеси теплообміну і масообміну. Однак у цьому разі система рівнянь буде достатньо складною для отримання аналітичного розв’язку, тому, враховуючи, що взаємний вплив елементарних процесів не є значним, у практиці інженерних розрахунків ним нехтують, а процеси розглядають і розраховують окремо.
4.1 ЗОНА ГІГРОТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ (ГТО)
У першому періоді випікання, як зазначалося вище, відбувається конденсація пари на вільній поверхні ТЗВ з одночасною передачею теплоти конвекцією і випромінюванням, а також контактне підведення до нижньої поверхні теплоти теплопровідністю від нагрітого поду. Вирішальне значення у цей період має процес конденсації, за рахунок якої ТЗВ може отримати від 40% (згідно з О.Т.Лісовенком) до 90% (І.І.Маклюков, В.І.Маклюков) теплоти. За рахунок конвекції передається від 3 до 12% теплоти, випромінюванням – від 4 доза Маклюковими).
Як показують візуальні спостереження, при випіканні подових сортів хлібобулочних виробів має місце плівкова конденсація водяної пари. Однак характер конденсації суттєво відрізняється від моделі Нуссельта, яка передбачає, що конденсат утворює плівку, яка під дією сили тяжіння постійно стікає донизу і оновлюється за рахунок конденсації нових порцій пари. На поверхні заготовок відбувається інтенсивна сорбція пари і сконденсованої води та її міграція всередину. Відтак, математична модель конденсації за Нуссельтом для опису процесу в зоні зволоження ТЗВ є непридатною.
Поблизу верхньої і бічних поверхонь ТЗВ відбувається дифузійне перенесення пари із пароповітряного середовища, а на деякій віддалі від них – конвективне перенесення. Конвективно-дифузійне перенесення пари до поверхні ТЗВ визначається станом і поведінкою пароповітряної суміші в просторі зони гігротермічної обробки. В результаті зміни концентрації пари в пароповітряній суміші по висоті пекарної камери внаслідок перемінної густини середовища біля поверхні ТЗВ і на віддалі від неї виникає вільна конвекція. Водночас, пара
із зволожувального пристрою виходить у вигляді парових струменів, тому в зоні
27
відбувається змішана конвекція – вимушена і природна. На концентрацію пари і характер конвекції значний вплив також справляють вентиляційні потоки.
У зоні ГТО пара в основному перебуває у перегрітому стані. Щільність потоку пари до поверхні конденсації описується формулою масовіддачі:
(
)
n
n
n
j
p
p
β ′
′′
=
−
, (де
n
j
- щільність потоку пари, кг/(м2·с);
β
- коефіцієнт масовіддачі, віднесений до різниці парціальних тисків пари на віддалі і біля поверхні конденсації, кг/(с·Н).
Цьому потоку маси еквівалентний потік теплоти, що виділяється при конденсації:
êî í
ï åð ï
q
r j
=
, (3.2) де
ï åð
r
– теплота конденсації перегрітої пари, кДж/кг:
(
)
nep
n nep
í
r
r c t
t
= +
−
;
r – питома теплота фазового перетворення, кДж/кг;
сп – питома теплоємність пари, кДж/(кг·К);
,
nep
í
t t
– температура перегрітої і насиченої пари відповідно.
Конденсація припиняється при досягненні поверхнею ТЗВ температури точки роси, яка є функцією температури та відносної вологості середовища. У хлібопекарських печах температура і вологість середовища в зоні ГТО не є постійними: вони змінюються як по довжині так і по висоті камери. Середовище з більшим вмістом пари і вищої температури займає верхню частину робочої камери під впливом гравітаційної конвекції. На початку зони ГТО температура і вологість збільшуються, досягають максимальних значень ближче до середини зони, після чого відносна вологість різко зменшується, а температура середовища продовжує підвищуватися. Це відбувається внаслідок впливу холодного і відносно сухого вентиляційного повітря, яке проникає всередину пекарної камери з приміщення, з одного боку, та гарячого середовища зони інтенсивного обігріву, що межує із зоною ГТО, з іншого боку. Загалом вентиляція є шкідливим чинником і заважає перебігу процесу гігротермічної обробки. Встановлено, що за час перебування
ТЗВ у зоні зволоження вона отримує до 3,2 % від усієї кількості теплоти, що йде на випікання. Вдала конструкція печі і правильно організований процес ГТО сприяє скороченню витрат теплоти і пари, а також підвищенню якості готових виробів.
4.2 ЗОНА ВИПІКАННЯ ТА СПОСОБИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ
Після зони гігротермічної обробки тістові ТЗВ потрапляють у основну зону
ЗОВНІШНІЙ ТЕПЛОМАСООБМІН У ПЕКАРНІЙ КАМЕРІ
28
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
випікання, яку відповідно до рис. 5 можна умовно поділити натри складові
– зону інтенсивного обігріву, перехідну та зону допікання. Для цієї частини хлібопекарської печі у більшості конструкцій реалізується радіаційно- конвективний тепловий режим, який передбачає одночасну передачу теплоти випромінюванням і конвекцією.
Конвективний теплообмін – це перенесення теплоти рухомими частками рідини або газу (молярний теплообмін), а також теплопровідністю через межовий шар, що прилягає до твердої поверхні. Тепловіддача в умовах встановленого теплового стану описується формулою Ньютона 2
(
)
k
Q
t t F
α
=
−
, (3.3) де
Q
– кількість теплоти, передана конвекцією за одиницю часу від рідини (газу) до поверхні або навпаки;
k
α
– коефіцієнт конвективної тепловіддачі, Вт/(м2К);
Коефіцієнт конвективної тепловіддачі в загальному випадку є функцією багатьох величин та параметрів теплообміну, тому для розрахунків тепловіддачі залежність коефіцієнта від цих параметрів замінюють залежністю між безрозмірними числами
(критеріями) подібності, які включають в себе ці величини і параметри. В умовах пекарної камери при природній конвекції коефіцієнт тепловіддачі знаходять з критеріального рівняння:
(
Pr)
n
Nu C Gr
=
⋅
, (де
k
l
Nu
α
λ
=
– число Нуссельта. Звідси ,
k
Nu
l
λ
α
⋅
=
Вт/(м2·К).
3 2
tgl
Gr
β
ν
∆
=
– критерій Грасгофа;
Pr
a
ν
=
– критерій Прандтля;
l
– характерний для процесу геометричний розмір, м – коефіцієнт теплопровідності середовища, Вт/(м·К);
β=1/Т – коефіцієнт об’ємного розширення;
g=9,81 – прискорення вільного падіння, м – різниця температур між середовищем і поверхнею, С (К – коефіцієнт кінематичної в’язкості середовища, м2/с;
а – коефіцієнт температуропровідності середовища, м2/с.
Значення коефіцієнта та показника степені в рівнянні (11) залежить від числового
29
значення добутку критеріїв Грасгофа і Прандля. Зазвичай при радіаційно- конвективному теплообміні в пекарній камері GrPr=(5·102…2·107). Для цього діапазону С і п=0,25.При температурі в пекарній камері 170 - С і природній конвекції коефіцієнт конвективної тепловіддачі змінюється в межах
6…8 Вт/(м2·К). При вимушеній конвекції критеріальне рівняння тепловіддачі має вигляд:
Re Pr
n
m
Nu C
= ⋅
, (3.5) де
Re wl
ν
=
– критерій Рейнольдса;
w – швидкість потоку середовища відносно поверхні, м/с.
При турбуляризації середовища за рахунок вимушеної циркуляції пароповітряного середовища зі швидкістю 6 мс коефіцієнт тепловіддачі може збільшитися у 3,5...4 рази до значення 25…27 Вт/(м2·К). Однак у такому разі слід зважати на дві важливі обставини.
По-перше, як уже ішлося, інтенсивність зовнішнього теплообміну не є вирішальною обставиною в процесі випікання – обмежуючим чинником є темп внутрішнього відведення теплоти від поверхні ТЗВ до центральних шарів.
Інтенсифікація конвективного теплообміну справляє позитивний вплив більшою мірою на рівномірність підведення теплоти, порівняно з випадком переважаючої дії радіаційного обігріву. В результаті більша кількість теплоти передається бічним поверхням виробів і вони набувають більшого об’єму та рівномірного забарвлення скоринки; дещо скорчується і тривалість випікання (до 10 – 12%). Цей процес, наприклад, у тунельних печах бажано організовувати на другій стадії випікання
– у зоні інтенсивного обігріву. Подальше продовження підведення теплоти за рахунок розвиненої конвекції призведе до інтенсифікації вологовіддачі з поверхні
ТЗВ за рахунок «висушування» скоринки і підскоринкового шару, що в підсумку підвищить втрати від упікання.
По-друге, оскільки в тунельній печі зона інтенсивної конвекції межує із зоною гігротермічної обробки, необхідно мінімізувати вплив конвективних потоків на аеродинамічну картину зони ГТО. У противному разі сухе гаряче повітря
із зони інтенсивного обігріву проникатиме у зону зволоження, що призведе до підвищення температури, зниження відносної вологості, скорочення тривалості конденсації пари на поверхні ТЗВ та кількості конденсату. Такий режим випікання суттєво відрізнятиметься від раціонального. Спроба створити надлишковий тиск середовища у зоні ГТО для мінімізації проникнення середовища пекарної камери призведе до зростання витрати технологічної пари і погіршення економічних показників виробництва. Тому в деяких конструкціях хлібопекарських печей виконується конструктивне відокремлення зони ГТО від решти пекарної камери у вигляді парового горба, штори, шибера тощо. Одночасно з цим за зоною ГТО у ряді конструкцій розміщений вхідний отвір системи вентиляції для відведення надлишкової пари і пароповітряної суміші з пекарної камери. У цьому разі важливе значення для ефективної роботи печі має забезпечення мінімально необхідного
1 2 3 4 5 6 7 8
скачати
Завдяки широкому спектру досліджень процесу випікання масових подових сортів пшеничного хліба визначено загальний характер температурних кривих ефективних режимів. Для печей, у яких реалізується радіаційно-конвективний режим обігріву пекарної камери, він має характер, який зображено на рис. 5.
Процес випікання рекомендовано розбити на чотири найбільш характерні стадії, які відповідають зонам обігрівання пекарної камери печі (тунельної) або безрозмірній величині тривалості випікання Θ:
I - зона парозволоження (відносна величина Θ= 0,125 визначається відношенням довжини зони до загальної довжини пекарної камери), середня температура середовища пекарної камери на рівні тістової заготовки t0= С - зона інтенсивного обігрівання (Θ≈0,3), кінцева температура t0 = 218°C;
III - перехідна зона (Θ= 0,335), t0 = С - зона допікання (Θ= 0,25), t0 = 133°С.
Рис. 5. Раціональний температурний режим випікання подових сортів хлібобулочних виробів із пшеничного борошна при радіаційно-конвективному обігріві
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
22
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Як видно з графіка, при перехідному режимі випікання температура середовища пекарної камери t0 на початку процесу підтримується в зоні парозволоження на рівні близько С для створення оптимальних умов для конденсації та сорбції пари, потім швидко зростає до t0 Св зоні інтенсивного теплопідведення майже до середини процесу. Після цього здійснюється різкий перехід від теплового удару до перехідної зони і м’якого температурного режиму зони допікання, коли температура плавно зменшується за законом, близьким до лінійного.
Реалізація найбільш ефективних режимів випікання у виробничих умовах дозволила зменшити питомі витрати умовного палива на 6,2%, знизити середні втрати від упікання на 0,8% при хорошій якості продукції, вихід якої відповідно збільшується. Впровадження рекомендованого режиму випікання в печах типу
РЗ-ХПУ дозволило суттєво спростити схему обігрівання печей, значно знизити їх металоємність і поліпшити виготовлення.
Вироби з житньо-пшеничного і житнього борошна є найбільш вимогливими до теплових режимів пекарної камери через слабкі формоутримуючі властивості тіста. Тому в процесі випікання таких виробів після обприскування тістових заготовок водою та/або гігротермічної обробки необхідно проводити інтенсивну термічну обробку виробів при порівняно високих температурах середовища пекарної камери до С) протягом 3-5 хвилин. Цей процес називають обжарюванням. Щоб запобігти кругових підривів нижньої скоринки під печі в зоні посадки тістових заготовок повинен бути добрі розігрітим. Після проходження обжарювальної камери ТЗВ переміщуються в зону більш низьких температур (С, потім допікаються в зоні з температурою до С. Середня тривалість випікання становить 40 хвилин.
Для формового хліба із житнього борошна після обприскування бажаним є двостадійний режим випікання: температура в І зоні С і допікання в ІІ зоні з температурою С. Тривалість випікання виробів масою 1 кг складає в середньому 50-55 хвилин.
Таким чином можна зробити висновок, що температурний режим випікання кожного виду виробів має свої особливості, на які також впливають сорт і хлібопекарські властивості борошна, рецептура тіста, тривалість кінцевого вистоювання, щільність завантаження поду печі, її конструкція та ін. Зауважимо, що тривалість випікання виробів одного і того ж сорту не тільки в різних печах, а і в однакових може бути різною, що пояснюється різними тепловими і зволожувальними режимами, а також, у деякій мірі, якістю сировини і тіста.
3.3 ТЕПЛОВИЙ ПОТІК, ЩО СПРИЙМАЄ ТІСТО-ХЛІБ
Зазначимо, що температурний режим, наприклад, наведений на рис. 5, є недостатнім засобом відображення теплового режиму випікання. Температура, як параметр стану середовища пекарної камери, є деяким зручним для сприйняття маркером, який, разом з тим, не несе достатньої кількості важливої інформації
23
щодо перебігу процесу. Цепов язано з тим, що, з одного боку, покази датчика температури (термометра) суттєво залежать від його конструкції та розташування, аз другого – раціональний температурний режим залежить від переважаючого варіанту підведення теплоти до ТЗВ у конкретній конструкції печі. Реалізація в печі зображеного вище температурного режиму ще не є запорукою дотримання раціонального теплового режиму випікання, характерного для заданого асортименту виробів. Головним об’єктивним показником є характер зміни теплового потоку, що пронизує поверхню ТЗВ.
На сьогоднішній день дослідниками здійснено декілька спроб аналітично описати характер зміни теплового потоку, що поглинається тістовою заготовкою при випіканні. Однак отримані результати майже не становлять практичного інтересу, оскільки математичні моделі, що використовувалися, є достатньо спрощеними і не відображають усієї складності загальної картини теплообміну. Тому більшої довіри викликають експериментальні методи досліджень. Для безпосереднього вимірювання щільності теплового потоку, пронизуючого поверхню ТЗВ, використовувався розроблений Інститутом теплофізики НАНУ датчик шаруватої будови, який являє собою кілька тисяч розташованих впритул одна до одної мікротермопар. Датчик займає площу в кілька квадратних сантиметрів (не більше 2-3), ступінь чорноти поверхні датчика і поверхні ТЗВ є близькими за значенням (0,88). Це дає можливість після відповідного градуювання використовувати їх для запису кривих теплового потоку і отримувати більш-менш достовірні дані. Водночас, датчик може бути виготовлений із поверхню з нікелю, ступінь чорноти якого 0,1.
Одночасне використання пари датчиків з різною чорнотою поверхні дало можливість не лише фіксувати сумарний тепловий потік на поверхні
ТЗВ, але і відобразити внесок у процес різних способів теплообміну.
Після проведення відповідних розрахунків можна тримати значення теплового потоку, поглинутого ТЗВ як за рахунок конвекції, так і випромінювання. Рис. 6. Характерні криві теплових потоків, що сприймає ТЗВ із пшеничного борошна ІІ сорту при раціональному режимі випікання
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
24
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
Характерні криві теплових потоків при випіканні подових виробів з пшеничного борошна ІІ сорту наведені на рис. 6. Попри те, що наведені графіки ілюструють конкретний раціональний режим випікання для певного асортименту, вони мають більш загальний їх характер і можуть з деякими уточненнями бути розповсюджені на всі види подових хлібобулочних виробів з пшеничного борошна.
Наведені криві теплопоглинання з боку верхньої та нижньої поверхонь ТЗВ засвідчують, що при випіканні зазначеного асортименту виробів має місце більш- менш плавний падаючий режим споживання теплоти. Максимальний тепловий потік через нижню поверхню має місце на початку процесу, коли тістова заготовка має найнижчу температуру, різниця температур із попередньо розігрітим подом максимальна. Різка зміна кута нахилу графіка в момент Θ=0,1…0,2 пояснюється фазовим переходом води у стан водяної пари, тобто підведена знизу теплота витрачається на випаровування води при постійних температурах поверхні ТЗВ і поду (за іншими даними характер кривої аналогічний кривій теплового потоку верхньої поверхні – тобто із западиною).
Поглинання теплоти верхньою поверхнею має більш складний характер. Характерна западина на графіках для верхньої поверхні описує стан ТЗВ у зоні гігротермічної обробки. При збільшенні довжини зони гігротермічної обробки крива в ) ця западина збільшується. За цей час на поверхні ТЗВ може бути сконденсовано вологи 20 – 28 гм, а середнє теплове навантаження за рахунок теплоти фазового переходу може скласти до 4700 Вт/м2.
Верхня точка графіка характеризує максимальну інтенсивність конденсації пари
(приблизно 0,1Θ), під час якої, як уже зазначалося,коефіцієнт тепловіддачі сягає
1200 Вт/(м2К). Далі потік теплоти різко зменшується, оскільки інтенсивність конденсації падає, температура в зоні зволоження залишається практично незмінною, в той час, як температура поверхневих шарів ТЗВ різко зростає за рахунок проходження вглиб хвилі теплоти від конденсації. Подальше зростання теплового потоку відбувається при виході ТЗВ із зони гігротермічної обробки в зону інтенсивного обігрівання за рахунок витрати теплоти на випаровування конденсату з поверхні (температура поверхні ТЗВ практично незмінна) при зростаючій температурі середовища пекарної камери. Другий пік кривої співпадає
із закінченням процесу інтенсивного прогрівання. Далі по мірі підвищення температури поверхонь ТЗВ усі криві ілюструють явно виражений спадаючий характер теплового потоку.
Значення теплового потоку з боку нижньої і верхньої поверхонь ТЗВ на рис. 6 мають привязку до відносної тривалості випікання (те саме, що і відносна довжина пекарної камери конвеєрної тунельної печі). Це дає змогу для відповідного асортименту виробів розрахувати бажані значення теплового потоку для конкретної печі, яка має відокремлені зони обігріву, і відповідним чином налагодити подачу теплоносія до кожної такої зони.
25
ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. У чому проявляється сприятлива дія вологого середовища пекарної камери на початку процесу випікання?
2. Що відбувається з ТЗВ у зоні гігротермічної обробки?
3. Що вкладається у поняття раціонального режиму випікання?
4. Якою має бути протяжність зони гігротермічної обробки?
5. Головні відмінності раціональних режимів випікання пшеничних і житньо-пшеничних виробів.
6. Чому реалізація в печі раціонального температурного режиму випікання виробів певного асортименту не є гарантією отримання найкращої комбінації споживчих властивостей готової продукції?
7. Чому крива теплового потоку через верхню поверхню подових виробів має на початковій стадії випікання різкі коливання?
8. Якими прийомами можна зменшити надлишкову вентиляцію зони гігротермічної обробки?
9. Чому температуру пекарної камери ближче до кінця процесу знижують?
ТЕПЛОВИЙ ТА ГІГРОТЕРМІЧНИЙ (ТЕРМОВОЛОГІСНИЙ) РЕЖИМ ВИПІКАННЯ
26
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ. ЗОВНІШНІЙ ТЕПЛОМАСООБМІН У ПЕКАРНІЙ КАМЕРІ
Прогрівання ТЗВ у пекарній камері печі є доволі складним процесом, оскільки передача теплоти до поверхні здійснюється усіма відомими способами за рахунок поглинання теплоти конденсації водяної пари, кондукцією від нагрітого поду, випромінюванням парогазового середовища пекарної камери та нагрівальних поверхонь, а також за рахунок природної або вимушеної конвекції. Суто теплові процеси супроводжуються процесом перенесення маси, пов’язаним з конденсацією вологи на вільній поверхні ТЗВ у зоні гігротермічної обробки та наступним випаровуванням води (упіканням). Строго кажучи, математична модель процесу зовнішнього підведення теплоти також має бути комплексною, оскільки кожен вид теплопередачі впливає на інші види (можливо, за винятком кондукції). Також взаємопов’язаними є процеси теплообміну і масообміну. Однак у цьому разі система рівнянь буде достатньо складною для отримання аналітичного розв’язку, тому, враховуючи, що взаємний вплив елементарних процесів не є значним, у практиці інженерних розрахунків ним нехтують, а процеси розглядають і розраховують окремо.
4.1 ЗОНА ГІГРОТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ (ГТО)
У першому періоді випікання, як зазначалося вище, відбувається конденсація пари на вільній поверхні ТЗВ з одночасною передачею теплоти конвекцією і випромінюванням, а також контактне підведення до нижньої поверхні теплоти теплопровідністю від нагрітого поду. Вирішальне значення у цей період має процес конденсації, за рахунок якої ТЗВ може отримати від 40% (згідно з О.Т.Лісовенком) до 90% (І.І.Маклюков, В.І.Маклюков) теплоти. За рахунок конвекції передається від 3 до 12% теплоти, випромінюванням – від 4 доза Маклюковими).
Як показують візуальні спостереження, при випіканні подових сортів хлібобулочних виробів має місце плівкова конденсація водяної пари. Однак характер конденсації суттєво відрізняється від моделі Нуссельта, яка передбачає, що конденсат утворює плівку, яка під дією сили тяжіння постійно стікає донизу і оновлюється за рахунок конденсації нових порцій пари. На поверхні заготовок відбувається інтенсивна сорбція пари і сконденсованої води та її міграція всередину. Відтак, математична модель конденсації за Нуссельтом для опису процесу в зоні зволоження ТЗВ є непридатною.
Поблизу верхньої і бічних поверхонь ТЗВ відбувається дифузійне перенесення пари із пароповітряного середовища, а на деякій віддалі від них – конвективне перенесення. Конвективно-дифузійне перенесення пари до поверхні ТЗВ визначається станом і поведінкою пароповітряної суміші в просторі зони гігротермічної обробки. В результаті зміни концентрації пари в пароповітряній суміші по висоті пекарної камери внаслідок перемінної густини середовища біля поверхні ТЗВ і на віддалі від неї виникає вільна конвекція. Водночас, пара
із зволожувального пристрою виходить у вигляді парових струменів, тому в зоні
27
відбувається змішана конвекція – вимушена і природна. На концентрацію пари і характер конвекції значний вплив також справляють вентиляційні потоки.
У зоні ГТО пара в основному перебуває у перегрітому стані. Щільність потоку пари до поверхні конденсації описується формулою масовіддачі:
(
)
n
n
n
j
p
p
β ′
′′
=
−
, (де
n
j
- щільність потоку пари, кг/(м2·с);
β
- коефіцієнт масовіддачі, віднесений до різниці парціальних тисків пари на віддалі і біля поверхні конденсації, кг/(с·Н).
Цьому потоку маси еквівалентний потік теплоти, що виділяється при конденсації:
êî í
ï åð ï
q
r j
=
, (3.2) де
ï åð
r
– теплота конденсації перегрітої пари, кДж/кг:
(
)
nep
n nep
í
r
r c t
t
= +
−
;
r – питома теплота фазового перетворення, кДж/кг;
сп – питома теплоємність пари, кДж/(кг·К);
,
nep
í
t t
– температура перегрітої і насиченої пари відповідно.
Конденсація припиняється при досягненні поверхнею ТЗВ температури точки роси, яка є функцією температури та відносної вологості середовища. У хлібопекарських печах температура і вологість середовища в зоні ГТО не є постійними: вони змінюються як по довжині так і по висоті камери. Середовище з більшим вмістом пари і вищої температури займає верхню частину робочої камери під впливом гравітаційної конвекції. На початку зони ГТО температура і вологість збільшуються, досягають максимальних значень ближче до середини зони, після чого відносна вологість різко зменшується, а температура середовища продовжує підвищуватися. Це відбувається внаслідок впливу холодного і відносно сухого вентиляційного повітря, яке проникає всередину пекарної камери з приміщення, з одного боку, та гарячого середовища зони інтенсивного обігріву, що межує із зоною ГТО, з іншого боку. Загалом вентиляція є шкідливим чинником і заважає перебігу процесу гігротермічної обробки. Встановлено, що за час перебування
ТЗВ у зоні зволоження вона отримує до 3,2 % від усієї кількості теплоти, що йде на випікання. Вдала конструкція печі і правильно організований процес ГТО сприяє скороченню витрат теплоти і пари, а також підвищенню якості готових виробів.
4.2 ЗОНА ВИПІКАННЯ ТА СПОСОБИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ
Після зони гігротермічної обробки тістові ТЗВ потрапляють у основну зону
ЗОВНІШНІЙ ТЕПЛОМАСООБМІН У ПЕКАРНІЙ КАМЕРІ
28
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ЕКСПЛУАТАЦІЯХЛІБОПЕКАРСЬКИХ ПЕЧЕЙ
випікання, яку відповідно до рис. 5 можна умовно поділити натри складові
– зону інтенсивного обігріву, перехідну та зону допікання. Для цієї частини хлібопекарської печі у більшості конструкцій реалізується радіаційно- конвективний тепловий режим, який передбачає одночасну передачу теплоти випромінюванням і конвекцією.
Конвективний теплообмін – це перенесення теплоти рухомими частками рідини або газу (молярний теплообмін), а також теплопровідністю через межовий шар, що прилягає до твердої поверхні. Тепловіддача в умовах встановленого теплового стану описується формулою Ньютона 2
(
)
k
Q
t t F
α
=
−
, (3.3) де
Q
– кількість теплоти, передана конвекцією за одиницю часу від рідини (газу) до поверхні або навпаки;
k
α
– коефіцієнт конвективної тепловіддачі, Вт/(м2К);
Коефіцієнт конвективної тепловіддачі в загальному випадку є функцією багатьох величин та параметрів теплообміну, тому для розрахунків тепловіддачі залежність коефіцієнта від цих параметрів замінюють залежністю між безрозмірними числами
(критеріями) подібності, які включають в себе ці величини і параметри. В умовах пекарної камери при природній конвекції коефіцієнт тепловіддачі знаходять з критеріального рівняння:
(
Pr)
n
Nu C Gr
=
⋅
, (де
k
l
Nu
α
λ
=
– число Нуссельта. Звідси ,
k
Nu
l
λ
α
⋅
=
Вт/(м2·К).
3 2
tgl
Gr
β
ν
∆
=
– критерій Грасгофа;
Pr
a
ν
=
– критерій Прандтля;
l
– характерний для процесу геометричний розмір, м – коефіцієнт теплопровідності середовища, Вт/(м·К);
β=1/Т – коефіцієнт об’ємного розширення;
g=9,81 – прискорення вільного падіння, м – різниця температур між середовищем і поверхнею, С (К – коефіцієнт кінематичної в’язкості середовища, м2/с;
а – коефіцієнт температуропровідності середовища, м2/с.
Значення коефіцієнта та показника степені в рівнянні (11) залежить від числового
29
значення добутку критеріїв Грасгофа і Прандля. Зазвичай при радіаційно- конвективному теплообміні в пекарній камері GrPr=(5·102…2·107). Для цього діапазону С і п=0,25.При температурі в пекарній камері 170 - С і природній конвекції коефіцієнт конвективної тепловіддачі змінюється в межах
6…8 Вт/(м2·К). При вимушеній конвекції критеріальне рівняння тепловіддачі має вигляд:
Re Pr
n
m
Nu C
= ⋅
, (3.5) де
Re wl
ν
=
– критерій Рейнольдса;
w – швидкість потоку середовища відносно поверхні, м/с.
При турбуляризації середовища за рахунок вимушеної циркуляції пароповітряного середовища зі швидкістю 6 мс коефіцієнт тепловіддачі може збільшитися у 3,5...4 рази до значення 25…27 Вт/(м2·К). Однак у такому разі слід зважати на дві важливі обставини.
По-перше, як уже ішлося, інтенсивність зовнішнього теплообміну не є вирішальною обставиною в процесі випікання – обмежуючим чинником є темп внутрішнього відведення теплоти від поверхні ТЗВ до центральних шарів.
Інтенсифікація конвективного теплообміну справляє позитивний вплив більшою мірою на рівномірність підведення теплоти, порівняно з випадком переважаючої дії радіаційного обігріву. В результаті більша кількість теплоти передається бічним поверхням виробів і вони набувають більшого об’єму та рівномірного забарвлення скоринки; дещо скорчується і тривалість випікання (до 10 – 12%). Цей процес, наприклад, у тунельних печах бажано організовувати на другій стадії випікання
– у зоні інтенсивного обігріву. Подальше продовження підведення теплоти за рахунок розвиненої конвекції призведе до інтенсифікації вологовіддачі з поверхні
ТЗВ за рахунок «висушування» скоринки і підскоринкового шару, що в підсумку підвищить втрати від упікання.
По-друге, оскільки в тунельній печі зона інтенсивної конвекції межує із зоною гігротермічної обробки, необхідно мінімізувати вплив конвективних потоків на аеродинамічну картину зони ГТО. У противному разі сухе гаряче повітря
із зони інтенсивного обігріву проникатиме у зону зволоження, що призведе до підвищення температури, зниження відносної вологості, скорочення тривалості конденсації пари на поверхні ТЗВ та кількості конденсату. Такий режим випікання суттєво відрізнятиметься від раціонального. Спроба створити надлишковий тиск середовища у зоні ГТО для мінімізації проникнення середовища пекарної камери призведе до зростання витрати технологічної пари і погіршення економічних показників виробництва. Тому в деяких конструкціях хлібопекарських печей виконується конструктивне відокремлення зони ГТО від решти пекарної камери у вигляді парового горба, штори, шибера тощо. Одночасно з цим за зоною ГТО у ряді конструкцій розміщений вхідний отвір системи вентиляції для відведення надлишкової пари і пароповітряної суміші з пекарної камери. У цьому разі важливе значення для ефективної роботи печі має забезпечення мінімально необхідного
1 2 3 4 5 6 7 8