Совершенствование процесса выпечки сахарного печенья с предварительной инфракрасной обработкой тестовых заготовок

На правах рукописи

Куликова Марина Геннадьевна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫПЕЧКИ САХАРНОГО ПЕЧЕНЬЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКОЙ ТЕСТОВЫХ ЗАГОТОВОК Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» и на ООО «Кондитер», г. Смоленск доктор технических наук, профессор Научный руководитель Плаксин Юрий Михайлович.

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Юдаев Василий Федорович;

доктор технических наук, профессор Брязун Владимир Анатольевич.

ГНУ Научно-исследовательский институт Ведущая организация кондитерской промышленности, г. Москва.

Защита диссертации состоится «» января 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.122.05 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 31, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ.

Автореферат разослан «» декабря 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Николаева С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основное направление и актуальность исследований. Приоритетной социальной проблемой в Российской Федерации является обеспечение населения качественными, разнообразными и экологически безопасными продуктами питания. При этом необходимо увеличение доли продуктов массового потребления с высокой пищевой и биологической ценностью, а также создание продуктов питания функционального назначения.

Решение этих проблем требует развития перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энерго- и ресурсосберегающих экологически чистых теплотехнологий, создание нового высокопроизводительного оборудования, способного снизить энергозатраты, потери сырья и непроизводительные затраты времени.

Большую роль в решении указанных проблем играют мучные кондитерские изделия (МКИ), объем потребления которых в России около 700 тысяч тонн и которые составляют 54% от всего выпуска кондитерских изделий. При этом мучная продукция из сахарного теста (печенье, тарталетки и др.) составляют около 40% мучных кондитерских изделий. Благодаря этому оборудование для их производства становиться наиболее перспективным объектом его совершенствования, а мучные изделия из сахарного теста становятся наиболее перспективным объектом для обогащения функциональными ингредиентами.

Процесс выпечки является одной из основных стадий производства мучных изделий, определяющей качество и себестоимость продукта, условия труда обслуживающего персонала, возможность создания поточных механизированных и автоматизированных линий. Поэтому актуальное значение имеет рационализация процесса выпечки за счет внедрения новых методов энергоподвода. Одним из таких методов является внедрение в производство инфракрасного (ИК) энергоподвода, позволяющего не только снизить энергозатраты на выпечку вследствие лучистого способа передачи энергии, уменьшить металлоемкость печей, но также существенно расширить возможности использования газовых кондитерских печей.

Однако эти печи являются инерционными с точки зрения регулирования теплового режима и имеют ограниченный диапазон регулирования продолжительности выпечки.

В современных условиях от предприятий требуется оперативность при освоении и выпуске новых видов продукции, гибкость и мобильность производства. Особенно это относится к выпуску мучных изделий из сахарного теста, ассортимент которых насчитывает более ста наименований:

разных размеров и форм, плоских и объемных, в виде палочек, конусов, раковин, полуцилиндров и т. д. различных размеров. Однако выпекать разнообразные мучные изделия из сахарного теста в одной газовой кондитерской печи достаточно сложно ввиду ограниченных возможностей регулирования, как продолжительности выпечки, так и режимных параметров самого процесса.

Кроме того, ввиду инерционности газовых печей переналадка их работы, т. е. изменение режима выпечки при изменении ассортимента, связана с непроизводительными затратами и потерями сырья. Установка дополнительной форкамеры на входе газовой кондитерской печи, позволяющей производить предварительную обработку тестовых заготовок инфракрасным излучением, позволяет решить указанные проблемы обеспечения требуемых режимных параметров выпечки без переналадки самой печи, снижения потерь сырья и рабочего времени, тем самым увеличивая производительность и технологические возможности оборудования.

Объем производства нового продукта функционального назначения определяется спросом потенциальных потребителей, который, в свою очередь, зависит от распространенности заболевания, требующего профилактических мер.

В диссертационной работе поставлена задача снижения содержания сахара в мучных изделиях за счет частичной замены сахара-песка экстрактом лакричного корня, который содержит глицирризин (Е 958). Глицирризин в 50-100 раз слаще сахарозы и использование его позволяет получить диабетические мучные изделия. Таким образом совершенствование процесса выпечки за счет внедрения ИК энергоподвода и получение печенья с пониженным содержанием сахара является актуальной задачей.

В основу данной работы положены научные достижения современной теории инфракрасной выпечки и распространения излучения в светорассеивающих материалах. Работа является продолжением и развитием экспериментальных и теоретических исследований, проводимых А.В.

Лыковым, Л.Я. Ауэрманом, А.С. Гинзбургом, В.В. Красниковым, М.М.

Истоминой, Л.М.Аксеновой, В.И. Маклюковым, Ю.М. Плаксиным, В.А.

Брязуном, В.Я. Черныхом, С.Г. Ильясовым, С.В. Зверевым и др.

Диссертационная работа связана с выполнение научно исследовательской темы «Разработка технологии и создание оборудования для производства пищевых добавок и красителей на основе экстрактов из растительного сырья», включенной в Программу Правительства г. Москвы (№ 18.3.9) и выполненной совместно с ОАО «Московский комитет по науке и технологиям (МКНТ)» Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка форкамеры для предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок изделий из сахарного теста перед выпечкой в газовых кондитерских печах, позволяющей повысить их производительность, снизить потери сырья и энергозатраты, значительно расширить ассортимент выпекаемых изделий, в том числе изделий диабетического назначения. Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) провести аналитические исследования полей энергетического облучения (ПЭО) на поверхности выпекаемых изделий от линейных излучателей, расположенных под углом к ходу конвейера;

2) обосновать параметры рационального размещения генераторов инфракрасного (ИК) излучения относительно выпекаемых изделий в форкамере для предварительной ИК обработки тестовых заготовок;

3) провести аналитические исследования внутреннего теплопереноса в тестовой заготовке при ее предварительной ИК обработке с разработкой математической модели процесса тепловой обработки слоя теста при ИК энергоподводе;

4) создать экспериментальные стенды для проведения исследований теплофизических, спектральных и интегральных терморадиационных и оптических характеристик теста и готовых изделий, эмиссионных и энергетических характеристик генераторов ИК излучения;

5) создать экспериментальные установки для проведения исследований процессов предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок произвольной толщины;

6) разработать методику комплексного инженерного расчета инфракрасной форкамеры при термообработке изделий произвольной толщины;

7) разработать нормативную документацию для производства печенья с глицирризиносодержащим экстрактом из лакричного корня;

8) разработать техническое задание на опытно-промышленную конструкцию форкамеры для предварительной ИК обработки тестовых заготовок;

9) реализовать результаты исследований в кондитерской отрасли пищевой промышленности.

Совершенствование процесса выпечки сахарного печенья с предварительной инфракрасной обработкой тестовых заготовок Постановка задач исследования Обоснование необходимости совершенствования Обоснование необходимости оборудования для производства МКИ обогащения кондитерских изделий Обзор рынка кондитерской продукции Обоснование выбора функциональной печах при несоосном размещении линейных Исследование процесса производства Исследование лучистого теплообмена в ИК МКИ с глицирризиносодержащим закономерностей термообработки Определение теплофизических Выбор оптимального типа ИК энергетических характеристик Исследование эмиссионных и Изучение кинетических характеристик теста тестовых заготовок экстрактом излучателей излучателей излучателей добавки Разработка рецептур и НД на МКИ с Методика инженерного расчета глицирризиносодержащим экстрактом форкамеры газовой печи Исследование процесса инфракрасной выпечки сахарного печенья с глицирризиносодержащим экстрактом Создание форкамеры для Экспертиза и утверждение НД предварительной ИК обработки Сертификация продукции тестовых заготовок Апробирование в промышленных условиях Повышение фактической производительности оборудования Экономический эффект Рис. 1 Структурная схема исследования Научная новизна. В результате проведенных исследований показана перспектива широкого использования в кондитерской промышленности предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок перед выпечкой мучных кондитерских изделий в газовых печах и глицирризиносодержащего экстракта из лакричного корня для производства диабетического ассортимента печенья. При этом:

1) определены эмиссионные и энергетические характеристики современных генераторов ИК излучения;

2) определены теплофизические, терморадиационные и оптические свойства сахарного теста и печенья;

3) установлены закономерности распределения полей энергетического облучения от ИК генераторов, расположенных под углом к ходу конвейера, на поверхности облучаемых тестовых заготовок в виде дифференциального уравнения и полученного его решения;

теоретически обоснована рациональность такого размещения в форкамере линейных ИК генераторов;

4) установлены кинетические закономерности термообработки тестовых заготовок в зависимости от их толщины, плотности теплового потока на их поверхности и продолжительности ИК-нагрева;

5) разработана математическая модель кинетики прогрева тестовой заготовки при ИК энергоподводе в виде дифференциального уравнения и полученного его решения, описывающего закономерности процесса теплопереноса;

6) теоретически обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность размещения в инфракрасной форкамере блоков линейных ИК генераторов с возможностью их реверсного поворота относительно оси конвейера. Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования завершены созданием на их основе математического и алгоритмического обеспечения и инженерного расчета ИК форкамеры для предварительной обработки тестовых заготовок. Установлены параметры рационального размещения генераторов ИК излучения относительно облучаемых тестовых заготовок в инфракрасной форкамере. Разработана программа расчета внутреннего теплопереноса в слое тестовой заготовки при ИК облучении. Создана новая высокотехнологичная установка для предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок с ИК энергоподводом. Предложенная конструкция установки внедрена на ООО «Кондитер» (г. Смоленск). Новизна технологического решения подтверждена патентом РФ № 2335901.

Экономическая эффективность работы форкамеры в составе линии по производству МКИ из сахарного теста (ООО «Кондитер» г. Смоленск) составляет более 350 тыс. руб. в год. Разработана и утверждена нормативно техническая документация на сахарное печенье с глицирризиносодержащим экстрактом из лакричного корня, имеющее диабетическое назначение: ТУ, ТИ, РЦ 9131-001-12360270-05 «Печенье «А5!». Продукция сертифицирована и вырабатывается в промышленных масштабах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно–практической конференции «Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты» (г. Москва, 2003);

IV и V международных научно–практических конференциях «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (г. Москва, 2006, 2007);

IX и X научно–практических конференциях с международным участием «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2006, 2007);

на всероссийских научно–технических конференциях: «Приоритетные направления развития науки и технологий» и «Современные инновационные технологии и оборудование» (г. Тула, 2006);

V международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания» (г. Москва, 2007);

XIV международной научно–технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2007);

III международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (г. Санкт – Петербург, 2007);

II международной научно-практической конференции «Здоровое питание и пищевые технологии» (г. Смоленск, 2008).

Результаты настоящей работы демонстрировались на международной специализированной выставке «Индустрия детского и школьного питания» (ЗАО «Экспоцентр», Москва, 2006);

II, III и IV конференциях – выставках «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» (Москва, 2004, 2005, 2006). На IV конференции – выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» (Москва, 2006) данная работа была награждена Золотой медалью.

Проведены производственно-технологические испытания опытно промышленного образца ИК форкамеры на линии производства мучных кондитерских изделий из сахарного теста на предприятии ООО «Кондитер» (г. Смоленск), что подтверждается актом производственных испытаний.

Результаты научно-технических разработок используются в учебном процессе, при разработке учебно-методических рекомендаций, выполнении НИР.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе одна монография, два учебных пособия, патент РФ на изобретение, одна статья в издании, рекомендованном ВАК.

Структура диссертации. Диссертационная работа включает: введение, обзор литературы, описание объектов и методов исследования, экспериментальную часть, выводы и результаты работы, список использованных источников и приложения. Основное содержание работы

изложено на 176 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, рисунков. Список литературы включает 175 источников российских и зарубежных авторов. Приложения к диссертации представлены на страницах. Основное содержание диссертационной работы без учета иллюстраций, таблиц, библиографических списков и приложений составляет 143 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении дана характеристика современного состояния развития кондитерской промышленности на основе совершенствования существующих и создания новых энерго- и ресурсосберегающих экологически чистых тепло-технологий. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе дан анализ современного состояния теории, технологии и техники выпечки мучных изделий из сахарного теста на основе систематизированного литературного обзора. Показано, что ассортимент МКИ из сахарного теста насчитывает более ста различных наименований.

Однако кондитерские газовые печи, которыми главным образом оборудованы предприятия, не приспособлены в достаточной степени к быстрой переналадке на выпуск всего этого разнообразия МКИ в виду трудности регулирования в них режимных параметров и обеспечения требуемой длительности выпечки. Эти печи обладают значительной инерционностью с точки зрения регулирования в них режимных параметров, диапазон регулирования продолжительности выпечки в большинстве случаев недостаточен для выпечки широкого ассортимента МКИ в одной печи.

Кроме того, переналадка газовых печей в течение смены на выпуск другого ассортимента мучных изделий связана с потерями сырья и непроизводительными затратами времени. Показано, что одним из основных направлений совершенствования выпечки МКИ является предварительная инфракрасная обработка тестовых заготовок, параметры которой зависят от ассортимента выпекаемого изделия. Внедрение ИК оборудования позволяет не только устранить указанные недостатки, но также повысить производительность линий.

Анализ современного развития рынка кондитерских изделий показал, что он имеет тенденцию значительного увеличения выпуска изделий диетического назначения.

На основании проведенного анализа обоснован выбор объектов исследования, сформулированы задачи и определены методы их решения.

Во второй главе представлены методики экспериментальных исследований теплофизических (ТФХ) характеристик теста.

Методика комплексного исследования теплофизических характеристик теста основана на методе регулярного режима, который позволяет из одного опыта определить три теплофизические характеристики теста – теплопроводность, температуропроводность a и теплоемкость с.

Представлены изготовленные модернизированные экспериментальные установки для определения влагопроводности и термовлагопроводности сахарного теста.

В этой главе также изложена методика выбора рационального типа ИК генератора в зависимости от свойств теста и характеристик излучателя.

В третьей главе представлены результаты экспериментального измерения теплопроводности сахарного теста, его температуропроводности и теплоемкости. Эти теплофизические характеристики использованы при расчете внутренних температурных полей при обработке тестовых заготовок ИК излучением, что необходимо при обосновании плотности теплового потока в инфракрасной форкамере в зависимости от толщины тестовой заготовки и заданной продолжительности нагрева. Эти характеристики имеют следующие значения: = 0,614 Вт/кг·К, а = 81,2·10-5м2/ч;

с = Дж/кг·К.

В третьей главе также даны результаты исследования влагопроводности аm и термовлагопроводности сахарного теста. В процессе предварительной обработки тестовой заготовки происходит ее прогрев. В результате этого проявляются действия как влагопроводности, так и термовлагопроводности. Измерения коэффициентов (аm, ) позволили установить, что в инфракрасной форкамере сопротивление, вносимое термовлагопроводностью, вызывающей перемещение влаги по направлению потока тепла, полностью компенсирует внутреннее перемещение влаги, обусловленное градиентом влажности, т.е. влагопароводностью. Благодаря этому аналитическое исследование закономерностей внутреннего теплопереноса при предварительной инфракрасной обработке тестовых заготовок, выполненное в главе 5, можно проводить без учета внутреннего массопереноса. Значения коэффициентов следующие: аm = 1,19·10-6 м2/ч, = 0,74 кг.вл./кг·с·вещ.°С.

С помощью разработанной приставки были исследованы спектральные и интегральные оптические характеристики теста и печенья. Были получены формулы (1, 2), позволяющие рассчитать отражательные R1 и пропускательные Т1 характеристики исследованных материалов по данным измерения свойств подложки (R2, Т2) и материала на подложке (R1-2, Т1-2).

R12T22 R2T (1) R T22 R2 T R T2 R T T (2) T1 1 R2 ( 122 2 2 22 12 ) T2 R2 T T2 Полученные характеристики, которые представлены на рис. 2 – 4, были использованы при выборе рационального типа излучателя при термообработке тестовых заготовок в ИК форкамере.

60 R, % T, %  30 0 150 350 550 750 950, мм 150 350 550 750 950, мм Рис. 2 Спектральные Рис. 3 Спектральные пропускательные характеристики отражательные характеристики теста сахарного печенья «А5!» теста сахарного печенья «А5!» различной толщины( – 0,6 мм;

– различной толщины( – 0,6 мм;

– 1,0 мм;

– 2,5 мм;

– 4 мм;

– 10,0 1,0 мм;

– 2,5 мм;

– 4 мм;

– 10, мм) мм) В настоящее время появляются новые ИК лампы различной мощности, эмиссионные характеристики которых отсутствуют в паспортах на лампы и в литературных источниках.

Были проведены исследования пяти типов излучателей с помощью оптического пирометра «Проминь М» и отсчетного микроскопа типа МПБ-2.

Эмиссионные характеристики исследованных излучателей представлены в табл. 1. На рис. 5 представлены зависимости истиной температуры исследованных типов кварцевых излучателей от напряжения.

T, K T, R, A, % A A' R' 20 R T' T 0 0 30 60 90 120 150 180 210 U, B 0 50 100 150 200 U, B Рис. 5 Зависимости истинной Рис. 4 Зависимости интегральных температуры кварцевых излучателей пропускательных Т, отражательных от напряжения (1– ХГ 220 – 1300, 2– R и поглощательных A ХГ 220 1000– 5, 3 – Космос – 750, характеристик сахарного теста (Т, 4 – Philips – 500, 5 – Camelion – 300) R, A) и печенья «А5!» толщиной 2, мм (Т, R, A) от напряжения на излучателе ( – T;

- Т';

– R;

R';

- А;

- A') Таблица Расчетные характеристики инфракрасных излучателей Истинная Энергети температура Эквива ческая Лучистый Коэф Коэф излучателя лентный № Вид яркость при КПД фици фици при диаметр п/п излучателя номинальном излучателя ент ент номинальном излучателя, напряжении, % напряжении dэкв, мм Вэ, Вт/см Т, К КГ 220 1 0,330 0,400 34,8 2840 2,00 43, 1000- КГ 220 2 0,200 0,599 31,0 2780 1,47 85, 1300- Космос 3 0,250 0,876 21,3 2560 1,70 93, Philips 4 0,150 0,750 23,8 2620 1,39 83, Camelion 5 0,125 0,667 13,3 2320 0,81 82, В этой главе также показаны зависимости мощности излучателей от напряжения, обобщенная зависимость полусферической излучательной способности ламп от температуры спирали. Даны геометрические параметры ИК излучателей, их энергетические характеристики, а также зависимости энергетической яркости (Вэ), энергетической светимости и усредненного лучистого КПД от температуры спирали. В данной главе выбран оптимальный тип излучателя для выпечки сахарного печенья. Выбор излучателя произведен по критерию Рl (3):

Pl QP K  (3) где Q p - результирующая интегральная плотность лучистого потока единичной мощности;

K ТП - коэффициент, учитывающий требования технологического процесса;

- коэффициент, характеризующий количество тепла, передаваемое радиацией, т.е. лучистый КПД излучателя.

Полученные в данной главе результаты экспериментального исследования кварцевых излучателей позволяют сделать следующие выводы:

1. по полученным зависимостям Т = f(u) представляется возможным определить Вэ = f(u) и, таким образом, аналитическим методом рассчитывать с учетом найденных dэкв ПЭО на поверхности выпекаемого печенья;

2. найденные значения луч позволяют научно обоснованно решить вопрос выбора ИК генератора;

3. выявленные зависимости истинной температуры от напряжения и эквивалентные диаметры излучателей позволяют найти эмиссионные и энергетические характеристики излучателей при любом напряжении.

Анализ показывает, что наиболее рациональными из исследованных в данной работе и исследованных ранее излучателей для выпечки сахарного печенья являются излучатели типа Космос – 750 мощностью 750 Вт.

Использование их позволяет добиться наибольшей эффективности процесса выпечки сахарного печенья и обеспечить требуемую равномерность ПЭО на поверхности выпекаемых изделий.

В четвертой главе дано описание техники предварительной обработки тестовых заготовок инфракрасным излучением и их выпечки, приведены результаты исследований.

Для решения представленных задач была разработана и смонтирована экспериментальная установка с кварцевыми излучателями Космос – 750 (рис.

6), на которой производился непрерывный контроль подъема образца, убыли влаги и изменения температуры внутри выпекаемых образцов.

Показано, что целесообразно оборудовать кондитерские печи инфракрасными форкамерами для предварительной обработки тестовых заготовок. Использование их позволяет избежать переналадки газовых кондитерских печей и изменения продолжительности пребывания в ней печенья другого ассортимента (другого рецептурного состава, с увеличенной толщиной тестовой заготовки, с нанесенными сыпучими слоями, выпечки тарталеток и др.). Для этого тестовая заготовка должна быть предварительно обработана ИК лучами соответствующим образом.

Рис. 6 Схема экспериментальной установки для исследования процесса выпечки печенья. 1 – камера, 2, 3 – блоки излучателей, 4 – контактное устройство, 5 – нижняя рама, 6, 7 – воздухораспределители, 8, 9– винты цилиндрические, 10 – весы, 11 – калорифер, 12 – ультратермостат, 13 – самописец, 14 – приставка ультратермостата, 15 – шкала показания температуры, 16 – вентилятор, 17 – диафрагма, 18 – микроманометр, 19 – шкала одноточечного прибора, 20 – потенциометр, 21 – сосуд Дюара.

Благодаря этому достигается возможность выпечки на предприятиях малой мощности широкого ассортимента МКИ на одной кондитерской печи.

Устранение переналадки печи позволяет избежать дополнительных простоев линии, снизить количество отходов продукции и непроизводительных затрат времени.

Для определения требуемого прогрева тестовой заготовки в ИК форкамере необходимо знать распределение температуры внутри тестовой заготовки в зависимости от её толщины и результирующей плотности теплового потока на ее поверхности. Для этих исследований была создана экспериментальная установка, представленная на рис. 7. Результаты исследований зависимости продолжительности выпечки мучных изделий из сахарного теста в зависимости от их толщины и плотности теплового потока на их поверхность представлены на рис рис. 8.

, мин 0 5 10 15 20 25 30 h, мм Рис. 8 Зависимость продолжительности Рис. 7 Экспериментальная установка выпечки мучных изделий из сахарного для исследования влияния толщины теста в зависимости от их толщины h и тестовых заготовок на температурные плотности теплового потока на их поля в ней в зависимости от поверхности q: – 3,73 кВт/м2;

– 4, результирующих тепловых потоков на кВт/м2;

– 5,75 кВт/м их поверхности На рис. 9 и 10 показаны кривые выпечки сахарного печенья «A5!» при различной плотности регулирующего теплового потока и изменения влажности центральных слоев печенья в процессе выпечки. Результаты выполненных исследований положены в основу методики инженерного расчета инфракрасной форкамеры для кондитерских печей.

W, % W, % 9 6, мин, мин 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 Рис. 10 Изменение влажности Рис. 9 Изменение влажности сахарного центральных слоев печенья «А5!» печенья «А5!» при различной плотности в процессе выпечки результирующего теплового потока на поверхности печенья: – q p1 = 4, / 2, – q p 2 = 4,62 / 2, – q p 3 = 5,17 / 2, – q p 4 5,75 / 2, – q p 5 8,36 / В пятой главе представлены результаты аналитических и экспериментальных исследований лучистого теплообмена в инфракрасных печах и внутреннего теплопереноса в процессе выпечки.

Аналитические исследования полей энергетического облучения (ПЭО) от линейных излучателей проведены при их размещении в форкамере под углом к ходу конвейера, что позволяет обеспечить наилучшую равномерность ПЭО на поверхности выпекаемых изделий. Целью исследования является обоснование рациональных параметров размещения излучателей в рабочей камере.

Схема к расчету ПЭО на поверхности тестовой заготовки представлена на рис. 11. В работе получено уравнение для расчета ПЭО от произвольного числа излучателей на поверхности изделия.

n q i x2 m i x2 m1 (4) m1 i x2 m 2 x 2x B d cos a zu N где i x 2 ln x x 4 2 x 2 x2 m при условии 2 4 0 или x2 m 2x 2x B d cos4 a zu N i x 2 2 arctg x x 4 4 2 4 2 x2 m при условии 2 4 0, где N 2 sin 2 2 cos 2 zu2 sin is 0,5l Г sin x2 m1tg b, cos 2 2 2 z u, 2 cos 2 tg, q – плотность теплового потока на произвольной площадке;

BЭ, dэкв – энергетическая яркость и эквивалентный диаметр спирали, li – длина излучателя i, – угол между осями излучателя и конвейера, zu – высота размещения излучателей;

, b – координаты облучаемой площадки, i – порядковый номер излучателя в блоке;

s – шаг между излучателями;

n – число излучателей в блоке;

m – порядковый номер блока ИК излучателей;

M – число блоков излучателей в установке;

(х) – тепловой поток от i – го излучателя;

х2m-1, х2m – начальная и конечная координаты излучателей, расположенных в блоке с порядковым номером m.

Для расчета по полученным в данной главе уравнениям была создана компьютерная программа. На базе расчетных данных предложен графоаналитический метод определения оптимальных параметров взаиморасположения излучателей относительно тестовых заготовок. Одна из номограмм представлена на рис. 12. Полученные номограммы позволили выбрать параметры рационального размещения линейных излучателей в ИК форкамере, внедренной на производстве.

Рис. 12 Номограмма для расчета полей Рис. 11 Схема к расчету полей энергетического облучения на энергетического облучения на поверхности плоских изделий от поверхности выпекаемых изделий от линейных излучателей при = 33,5° блоков излучателей, расположенных под углом к ходу конвейера Для расчета требуемой плотности результирующего теплового потока на поверхности тестовых заготовок в ИК форкамере необходимо определить зависимость внутренних полей температур в тестовых заготовках от их толщины, плотности теплового потока, теплофизических свойств теста и продолжительности нагрева.

В пятой главе получено решение (5) дифференциального уравнения теплопереноса с внутренними источниками тепла.

q (1 exp(d ) 2q0 R (12) b cos nХ n T ( Х, ) T0 Rc 2 n 1 n R (5) nХ (1) exp( d ) n 2 3 b cos 2q k R R n 2 ( d 2 n 2 2 ) n Полученное уравнение (5) позволяет решить инженерные задачи, возникающие при расчете форкамеры для предварительной ИК обработки тестовых заготовок. Этими задачами могут быть следующие.

1. Найти распределение температуры внутри выпекаемой тестовой заготовки при произвольной ее толщине 2R, при любой заданной начальной температуре тестовой заготовки T0., при требуемой продолжительности выпечки и произвольно принятой плотности теплового потока q0.

2. Найти плотность теплового потока q0 при заданной температуре T(x) в произвольно выбранной точке x внутри выпекаемого изделия толщиной 2R, при заданных начальной температуре T0 и продолжительности выпечки.

3. Найти продолжительность выпечки при произвольно заданных величинах плотности теплового потока q0, заданной температуре T(x) в произвольной точке тестовой заготовки толщиной 2R и начальной температуре ее T0.

В безразмерном виде уравнение (5) принимает следующий вид:

(6) T ( X, Fo) PoC I ( X, Fo) Ki 0 ( X, Fo) По уравнению (6) были проведены расчеты, на основании которых построена номограмма (рис. 13), которая необходима при инженерных расчетах инфракрасных установок для предварительной ИК обработки тестовых заготовок.

Рис. 13 Зависимость безразмерного комплекса I(X, Fo) от критерия Fo, безразмерного показателя d и безразмерной координаты исследуемой точки Х в бесконечной пластине Шестая глава посвящена разработке практических рекомендаций и реализации результатов выполненных исследований.

Изложенная методика инженерного расчета инфракрасной форкамеры газовой кондитерской печи включает в себя расчет требуемой плотности теплового потока на поверхности тестовых заготовок в зависимости от их толщины, ТФХ и продолжительности термообработки;

расчет параметров рационального размещения в ИК форкамере линейных излучателей Получено и экспериментально подтверждено, что оптимальный угол между излучателями и осью конвейера составляет 60. Общий вид блока излучателей представлен на рис. 14.

Рис. 14 Общий вид блока излучателей Проведенный экономический расчет показал, что промышленное внедрение опытного образца разработанной установки для предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок на ООО «Кондитер» (г.

Смоленск) позволило получить реальную чистую прибыль более 350 тыс.

руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Установлены аналитические закономерности распределения полей энергетического облучения (ПЭО) на поверхности облучаемых изделий от линейных ИК-генераторов при размещении их в рабочей камере под углом к ходу конвейера.

2. Выбран оптимальный угол размещения излучателей: 60.

Доказано, что при этом равномерность ПЭО повышается более чем в пять раз по сравнению с параллельным размещением излучателей, благодаря чему обеспечивается высокое качество выпекаемых изделий и высокая экономическая эффективность работы инфракрасной форкамеры.

3. Проведено аналитическое и экспериментальное исследование внутреннего тепло- и массопереноса, на основе которого разработана математическая модель процесса предварительной инфракрасной обработки тестовых заготовок.

4. Созданы экспериментальные стенды для комплексного исследования теплофизических характеристик (ТФХ) теста, определены коэффициенты теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, влагопроводности, термовлагопроводности сахарного теста, а так же эмиссионных и энергетических характеристик современных отечественных и зарубежных генераторов ИК излучения.

5. Созданы экспериментальные установки для проведения исследований процесса выпечки и предварительной обработки с применением ИК-энергоподвода. Проведены экспериментальные исследования и установлены кинетические температурные зависимости, необходимые для выбора оптимальных режимных параметров выпечки и для аналитического расчета оптимальных режимных параметров предварительной ИК обработки тестовых заготовок.

6. С использованием результатов экспериментальных исследований разработана методика комплексного инженерного расчета инфракрасной форкамеры для предварительной термообработки тестовых заготовок.

7. Разработана нормативная документация: технические условия, технологические инструкции, рецептуры диабетического ассортимента печенья с частичной заменой сахара-песка на глицирризиносодержащий экстракт лакричного корня.

8. Проведенные в работе аналитические исследования использованы при разработке технического задания на создание установки для термообработки тестовых заготовок печенья, оригинальность которой защищена патентом РФ.

9. Результаты исследований реализованы на ООО «Кондитер» (г. Смоленск) и использованы в учебном процессе вузов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Куликова М.Г., Кривицкая Е.И. и др. Результаты и перспективы использования новых функциональных хлебопродуктов природного происхождения для оздоровления населения // Сборник трудов международной НПК «Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты». Выпуск 9. Москва, 2003 – с. 91 – 96.

2. Куликова М.Г. Проблемы разработки технологии производства мучных кондитерских изделий // Сборник докладов IV международной конференции – выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Часть I. – М.: МГУПП, 2006 – с. 105 – 107.

3. Куликова М.Г., Новикова В.Л. Производство хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, обогащенных микронутриентами // Сборник докладов IV международной конференции – выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Часть I. – М.: МГУПП, 2006 – с. 108 – 111.

4. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Аналитическое исследование лучистого теплообмена при угловом размещении линейных излучателей в кондитерских печах // Сборник докладов IV международной конференции – выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Часть II. – М.: МГУПП, 2006 – с. 3 – 4.

5. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Аналитическое исследование внутреннего теплопереноса в процессе выпечки печенья при инфракрасном энергоподводе // Сборник докладов IV международной конференции – выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Часть II. – М.: МГУПП, 2006 – с. 5 – 6.

6. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Экспериментальное исследование эмиссионных и энергетических характеристик кварцевых излучателей // Материалы международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности». – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2006 – с. 48 – 53.

7. Куликова М.Г., Воробьева Е.В., Гончаров М.В. Маркетинговое исследование Смоленского рынка сахарного печенья // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: Сборник статей и докладов девятой научно-практической конференции с международным участием – Барнаул, 2006 – с. 112 – 117.

8. Куликова М.Г. Разработка технологии функциональных мучных кондитерских изделий // Приоритетные направления развития науки и технологий. Всероссийская научно-техническая конференция. Книга 2 – М.;

Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 – с. 143 – 146.

9. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Графоаналитический метод выбора параметров рационального расположения генераторов инфракрасного излучения в рабочих камерах печей // Приоритетные направления развития науки и технологий. Всероссийская научно-техническая конференция. Книга 2 – М.;

Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 – с. 146 – 148.

10. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Графоаналитический метод расчета нестационарных полей температуры в процессе выпечки печенья // Современные инновационные технологии и оборудование. Всероссийская научно-техническая конференция.– М.;

Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 – с. 132 – 135.

11. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Экспериментальное исследование коэффициента термовлагопроводности сахарного печенья // Современные инновационные технологии и оборудование. Всероссийская научно техническая конференция.– М.;

Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 – с. 135 – 137.

12. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Экспериментальное исследование интегральных оптических характеристик выпекаемых тестовых заготовок // Современные инновационные технологии и оборудование. Всероссийская научно-техническая конференция.– М.;

Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 – с. 138 – 140.

13. Плаксин Ю.М., Куликова М. Г. Производство и применение добавок из нетрадиционного растительного сырья: Учебное пособие. // Москва:

Издательский комплекс МГУПП, 2006 – 120 с.

14. Куликова М.Г Исследование возможности применения растительного экстракта рябины черноплодной при производстве мучных кондитерских изделий // VIII Всероссийская конференция молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии», г. Казань, 9-10 апреля 2007 года, Сборник тезисов докладов – Казань: Издательство «Отечество», 2007 – с. 69.

15. Плаксин Ю.М., Доронин А.Ф., Гусева М.В., Куликова М.Г.

Применение новых физических методов обработки и получения продуктов детского питания // Сборник материалов V Международной научно практической конференции «Технологии и продукты здорового питания 2007». Часть I. – М.: МГУПП, 2007 – с. 64 – 68.

16. Плаксин Ю.М., Куликова М.Г. Нетрадиционные физические методы обработки и получения пищевых продуктов // Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе. – Донецк: ДонТУ, 2007. Т.3. – 312, с. 176 – 181.

17. Плаксин Ю.М. Куликова М.Г. Совершенствование технологии кондитерских изделий функционального назначения // «Общественное питание: современные тенденции». Научный журнал.№ 2(2), 2007. – Смоленск: ООО «Универсум» – 2007 – с. 24 – 38.

18. Куликова М.Г. Технологические особенности производства функциональных кондитерских изделий // III Международной научно технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». – СПбГУНиПТ, 2007 – с. 524– 19. Куликова М.Г., Плаксин Ю.М., Доронин А.Ф. Метод двух эллипсоидов вращения для исследования оптических свойств материалов // Сборник материалов V международной выставки и научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности». – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2007 – с. 55 – 57.

20. Плаксин Ю.М., Филатов В.В., Доронин А.Ф., Гончаров М.В., Куликова М.Г. Основы теории инфракрасного нагрева // Монография. – М.:

Издательский комплекс МГУПП, 2007. – 168 с.

21. Куликова М.Г., Кадолина Е.В. Возможности использования корня солодки в производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств:

Сборник статей и докладов десятой научно-практической конференции с международным участием – Барнаул, 2007 – с. 84 – 87.

22. Куликова М.Г. Физиологические и технологические аспекты применения растительных экстрактов в производстве печенья // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств:

Сборник статей и докладов десятой научно-практической конференции с международным участием – Барнаул, 2007 – 106 – 111.

23. Куликова М.Г., Короткова Г.В. Технохимический контроль производства. Методические указания к лабораторным занятиям. // Смоленск: Филиал ГОУВПО «МЭИ(ТУ)» в г. Смоленске, 2007 – 81 с.

24. Плаксин Ю.М., Гончаров М.В., Куликова М. Г. Производство и применение добавок из растительного сырья с использованием новых физических методов: Учебное пособие. // Москва: Издательский комплекс МГУПП, 2007 – 120 с.

25. Куликова М.Г., Даниленко Е.А. Нетрадиционные добавки в производстве мучных кондитерских изделий // Сборник материалов II международной научно-практической конференции «Здоровое питание и пищевые технологии» – Смоленск: ООО «Универсум» – 2008 – с. 44 – 48.

26. Плаксин Ю.М. Куликова М.Г. Применение инфракрасного излучения в производстве пищевых продуктов // Совершенствование технологии кондитерских изделий функционального назначения // «Общественное питание: современные тенденции». Научный журнал № 3(3), 2008. – Смоленск: ООО «Универсум» – 2008 – с. 39 – 45.

27. Плаксин Ю.М. Куликова М.Г. Аналитические исследования полей энергетического облучения в инфракрасной форкамере кондитерской печи // «Хранение и переработка сельхозсырья». № 10, 2008. – Москва: «Пищевая промышленность» – 2008 с.13-15.

28. Установка для термообработки тестовых заготовок печенья: пат.

2335901 РФ, С1 / М.Г. Куликова, Ю.М. Плаксин, М.В. Гончаров;

заявитель и патентообладатель МГУПП. – № 2007126024/13, заявл.10.07.2007;

опубл.

20.10.2008;

бюлл. № 29.