Расчет пищеварочного электрического котла

На предприятиях общественного питания и предприятиях пищевой промышленности широко используется варочное оборудование.

Варка — один из основных видов тепловой обработки пищевых продуктов. Это процесс гидротермической обработки пищевых продуктов в жидкой среде: воде, бульоне, молоке, соусе и т. п. По температурным решениям процесс варки может быть осуществлен при температурах ниже 100^оС, при 100^оС, и выше 100^оС. Для кипячения больших объемов воды, молока и продолжительного отваривания продуктов используются пищеварочные котлы. Конечно, эти же кулинарные операции можно выполнять и в наплитной посуде, но медленнее и с существенно большими затратами энергии.

Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты.

На крупных предприятиях целесообразно использовать электрическую энергию. Электрическое оборудование, в том числе и электрические пищеварочные котлы, обладают высоким КПД, экономичны и достаточно просты в эксплуатации. А электроэнергия в наше время распространена практически повсеместно.

Целью данной работы является поверочный расчет котла пищеварочного электрического с прямоугольной формой варочного сосуда емкостью V_{в с} = 100 дм?. Основной отличительной особенностью рассматриваемого аппарата является модульность аппарата.

1. Аналитический обзор

1.1 Технологические требования к конструкции проектируемого аппарата

котел пищеварочный тепловой баланс

1.1.1 Тепловая обработка продуктов

Значение тепловой обработки. В процессе тепловой обработки кулинарная продукция обеззараживается и повышается ее усвояемость. Улучшение усвояемости продуктов, прошедших тепловую обработку, обусловлено следующими причинами:

· продукты размягчаются, легче разжевываются и смачиваются пищеварительными соками;

· белки при нагревании изменяются (денатурируют) и в таком виде легче перевариваются;

· крахмал превращается в клейстер и легче усваивается;

· образуются новые вкусовые и ароматические вещества, возбуждающие аппетит и, следовательно, повышающие усвояемость;

· теряют активность содержащиеся в некоторых сырых продуктах антиферменты, тормозящие процесс пищеварения.

Санитарное значение тепловой обработки связано с тем, что:

· при нагревании микроорганизмы, образующие споры, переходят в неактивное состояние и не размножаются;

· большинство микроорганизмов, не образующих споры, погибает;

· разрушаются бактериальные токсины;

· погибают возбудители многих инвазионных (глистных) заболеваний — финны, трихины и др.;

· разрушаются или переходят в отвар ядовитые вещества, содержащиеся в некоторых сырых продуктах (грибы, баклажаны, цветная фасоль).

Недостатками тепловой обработки являются:

· потери части растворимых и летучих ароматических, а также вкусовых веществ;

· изменение естественной окраски овощей;

· разрушение ряда биологически активных веществ (витаминов, фенолов и др.);

· нежелательные изменения жиров (окисление, омыление, снижение биологической активности).

Процессы, происходящие в продукте при варке

Варка — это процесс гидротермической обработки продуктов с целью доведения их до состояния готовности. При тепловой обработке продуктов денатурируются и коагулируются белки, коллаген соединительной ткани мясо-рыбных продуктов переходит в глютин, уничтожается большинство вегетативных форм микробов, инактивируются ферменты.

При варке (в воде, бульоне) происходит равномерное прогревание продуктов по всему объему до состояния кулинарной готовности при полном их погружении в обогреваемую среду в закрытых или открытых сосудах. В жидкость при этом переходит значительное количество растворимых веществ. Чем больше жидкости, тем больше потери.

Тепловая кулинарная обработка вызывает в продуктах глубокие физико-химические изменения. Эти изменения могут приводить к потерям питательных веществ, существенно влиять на усвояемость и пищевую ценность продуктов, изменять их цвет, приводить к образованию новых вкусовых и ароматических веществ. Без знания сущности происходящих процессов нельзя сознательно подходить к выбору режимов технологической обработки, обеспечивать высокое качество готовых блюд, уменьшать потери питательных веществ.

При варке продукты соприкасаются с водой и из них могут извлекаться растворимые вещества. Процесс этот называется диффузией, и подчиняется закону Фика. Согласно этому закону скорость диффузии зависит от площади поверхности продукта. Скорость диффузии зависит от концентрации растворимых веществ в продукте и окружающей среде. Концентрация растворимых веществ в продукте может быть очень значительной. При погружении овощей в воду экстракция растворимых веществ вначале идет с большой скоростью из-за разницы концентраций, а затем постепенно замедляется и при выравнивании концентраций прекращается. Концентрационное равновесие наступает тем быстрее, чем меньше объем жидкости. Этим объясняется то, что при варке продуктов паром потери растворимых веществ меньше, чем при варке основным способом. Поэтому для уменьшения потерь питательных веществ при варке продуктов жидкость берут с таким расчетом, чтобы только покрыть продукт. И наоборот, если надо извлечь как можно больше растворимых веществ (варка говяжьих почек, отваривание некоторых грибов перед жаркой и т. д.), то воды для варки должно быть больше.

Таким образом, уменьшить переход питательных веществ из продукта в варочную среду можно, не только сократив объем жидкости, взятой для варки, но и замедлив внутреннюю диффузию растворимых веществ в самом продукте. Для этого необходимо создать в продукте значительный градиент температуры, для чего сразу погрузить его в горячую воду. В этом случае в результате термомассопереноса влага и растворенные в ней вещества перемещаются из поверхностных слоев вглубь продукта (термическая диффузия). Термическая диффузия, направленная противоположно потоку концентрационной диффузии, снижает переход питательных веществ в варочную среду. Если надо извлечь как можно больше растворимых веществ, продукт при варке закладывают в холодную воду.

1.1.2 Температурные режимы варки как технологического процесса

Скорость прогревания продуктов в процессе варки зависит от теплофизических свойств греющей среды и обрабатываемого продукта.

Варка состоит из двух стадий: нагревания жидкой среды до температуры кипения, когда температура в каждой точке аппарата и среды изменяется во времени (нестационарный режим), и собственно варки при кипении, когда температура в упомянутых точках не изменяется во времени (стационарный режим). При этом для максимально быстрого доведения жидкой среды до кипения необходим сильный нагрев аппарата, а для собственно варки, т. е. доведения продуктов до готовности, наоборот, слабый нагрев, обеспечивающий получение так называемого тихого кипения, так как интенсивное кипение вызывает эмульгирование жиров и помутнение бульонов.

При интенсивном кипении происходит перемещение частиц жидкости, обусловленное парообразованием, тогда как при «тихом кипении» парообразование практически не влияет на перемещение частиц жидкости и последние двигаются в основном вследствие наличия разности плотности самой жидкости. Бурное кипение в большинстве случаев отрицательно сказывается на качестве пищи: бульоны делаются мутными, продукты деформируются, увеличиваются потери ароматических веществ и витаминов и т. д.

Доведение же до готовности различных каш, макарон и других консистентных блюд происходит за счет аккумулированного тепла, для чего за 15−20 мин до окончания варки отключают и слабый нагрев.

Изменение режима тепловой обработки (сильный, слабый и аккумуляционный нагревы) содержимого варочного сосуда в процессе варки различных блюд графически представлено на рис. 1. После доведения жидкой среды до кипения и закладки продуктов температура ее снижается. После вторичного закипания нагревательный элемент переключают на слабый нагрев («тихое кипение»), а за 10−15 мин до окончания варки полностью отключают. Содержимое варочного сосуда доводится до полной готовности за счет тепла, аккумулированного аппаратом.

После этого температура содержимого в варочном сосуде снижается. Это снижение характеризуется скоростью охлаждения в°С/ч. Наилучший эффект по экспериментальным данным в процессе приготовления блюд получается при скорости охлаждения, равной 2°С/ч, и при термическом сопротивлении слоя изоляции котла примерно 0,19 м*°С / Вт.

Инерционные свойства пищевых продуктов, изоляции и др. характеризуются коэффициентом температуропроводности а; при прочих равных условиях быстрее нагреется или охладится то тело, которое обладает большим коэффициентом температуропроводности. Значение, а для пищевых продуктов колеблется в пределах (0,5−3,0) * 10³ (м²/с). Коэффициент температуропроводности, а определяется из соотношения:

а = л / (с * с),

где л — коэффициент теплопроводности, Вт/ (м°С);

с — теплоемкость, кДж/(кг°С).

Варка пищевых продуктов осуществляется как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Варку продуктов при нормальном атмосферном давлении производят в негерметизированных сосудах (пищеварочные котлы), при этом температура кипения жидкой среды близка к 100 °C. Пары кипения, образующиеся в процессе варки, направляются из сосудов непосредственно в помещение или в специальный пароотвод.

Варку продуктов при повышенном давлении осуществляют в герметически закрытых сосудах-автоклавах и других компрессионных аппаратах. Их применяют для интенсификации процесса приготовления пищи (варка каш, бобовых и др.), а также для выварки костей при приготовлении костного или мясокостного бульонов. Внутри автоклава избыточное давление достигает 200 кПа; при этом температура кипения жидкой среды составляет 133 °C.

Рис. 1. Изменение режима тепловой обработки содержимого варочного сосуда в процессе варки овощей, бульонов, супов и т. д.: А — включение сильного нагрева; АВ — доведение жидкой среды (воды, бульона, молока) до кипения при сильном нагреве; В-момент закипания и момент загрузки продуктов в кипящую жидкость; ВС — доведение содержимого сосуда до кипения после закладки продуктов при сильном нагреве; С — переключение на слабый нагрев («тихое кипение»); D — отключение нагревательного элемента за 10−15 мин до окончания варки; DE — доведение содержимого сосуда до кулинарной готовности за счет аккумулированного тепла; Е — момент достижения продуктом готовности (окончание тепловой обработки, выгрузка продукта из сосуда)

Для увеличения в жидкой среде концентрации сухих веществ (при приготовлении концентрированных соусов, бульонов и т. п.) используют процесс выпаривания — удаления воды из продукта. При этом необходимо учитывать состав продукта и те изменения, которые может вызвать в нем тепловая обработка. Под воздействием высоких температур особенно резким изменениям подвергаются белки, поэтому выпаривать воду из продуктов, богатых белками, приходится при температурах, значительно ниже 100°. В этих условиях процесс необходимо вести в замкнутом сосуде при пониженном давлении, которое поддерживается особыми устройствами.

Сосуды, работающие при пониженном давлении, называются вакуум-аппаратами. Последние полностью сохраняют пищевые свойства продукта и ускоряют процесс выпаривания. Например, при нормальном атмосферном давлении с 1 мг поверхности нагрева в течение одного часа выпаривается 5 кг воды, при тех же условиях нагрева при абсолютном давлении в вакуум-аппарате 148 мм рт. ст. (20 кПа) и температуре кипения 60,8°С — 25,7 кг, т. е. процесс протекает в пять раз интенсивнее. Температура кипения жидкой среды в вакуум-аппарате также определяется по абсолютному давлению в нем.

На продукты с небольшим содержанием белка пониженное давление оказывает менее существенное влияние. При варке таких продуктов воду можно выпаривать в обычных пищеварочных котлах с вытяжными вентиляционными зонтами.

Но необходимо строго выдерживать продолжительность проведения технологического процесса, так как разрушение витаминов происходит прямо пропорционально длительности процесса.

1.1.3 Технологические требования к пищеварочным аппаратам

Конструкции варочных аппаратов должны соответствовать технологическим требованиям конкретного процесса варки пищевого продукта или кулинарного изделия в целом. Основные технологические требования, предъявляемые к конструкциям варочных аппаратов, сводятся к получению высококачественного готового продукта с максимальным сохранением (от исходного в сырье) пищевых (белков, жиров, углеводов), минеральных, экстрактивных веществ, витаминов при минимальных затратах теплоты. Технологические цели в процессах варки различных продуктов предопределяют технологические требования к группам аппаратов и их конструкциям. Для пищеварочных котлов основной технологической целью является получение готового продукта с высокими органолептическими качествами при максимальном сохранении веществ в исходном сырье и его биологической ценности. Следуя из этого основными технологическими требованиями к конструкции аппарата становятся нагрев продукта при температуре не выше 100 °C, с регулированием режима варки в пределах температуры кипения и отключение нагрева перед окончанием процесса.

Как правило, варку в жидкости при атмосферном давлении проводят в двух режимах. При первом режиме жидкость доводят до кипения, далее температуру жидкостей несколько снижают (на 2…3°С) и продолжают варку при слабом (тихом) кипении. Второй режим заключается в том, что жидкость с продуктом доводят до кипения, выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем прекращают подвод теплоты. Кулинарная готовность продукта достигается за счет теплоты, аккумулированной аппаратом, жидкостью и продуктом.

Наиболее характерный график изменения температуры жидкости в рабочей емкости варочного аппарата приведен на рис. 2. На этом графике участок 1−2 соответствует нагреву жидкости до кипения; 2−3 — сильное кипение; 3−4 — закладка продукта; 4−5 — нагрев до кипения; 5−6 — сильное кипение; 6−7 — снижение температуры; 7−8 — слабое кипение; 8- 9 — отключение аппарата (аккумулирование теплоты).

Рис. 2. Изменение температуры жидкости в варочном сосуде — кривая, А и температуры продукта — кривая В

Продолжительность нагрева жидкости до кипения зависит от множества факторов: начальной температуры жидкости, величины коэффициента теплопередачи, поверхности нагрева, температурного напора. В свою очередь величина коэффициента теплопередачи зависит от свойств жидкости, режима ее движения, наличия термических сопротивлений и др. Продолжительность нагрева жидкости до кипения без учета тепловых потерь может быть определена из выражения

ф = G c (t_к — t_н) / k S,

где G — количество жидкости, кг;

с — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК);

t_к, t_н — соответственно температура кипения и начальная температура жидкости;

k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

S — рабочая поверхность варочного аппарата, м²;

Дt_ср — температурный напор, К.

Нагрев продуктов осуществляется от кипящей жидкости. Внутри продукта теплота переносится от поверхности к центру за счет теплопроводности. Большинство пищевых продуктов имеют относительно низкий коэффициент теплопроводности, чем объясняется длительный период их варки. Продолжительность прогрева продуктов существенно зависит от степени их измельчения.

На рис. 3 показана динамика изменения температуры кусков кости при варке костных бульонов. Так, уменьшение размера кости с 20 до 4 см способствует сокращению продолжительности нагрева, при прочих равных условиях, примерно в 2 раза. Увеличение степени измельчения кости приводит также к интенсификации экстрагирования из них водорастворимых веществ и жира, а также к снижению удельных расходов электроэнергии на варку бульонов (рис. 4).

Рис. 3. Динамика температуры в кусках костей: Рис. 4. Зависимость удельного расхода: 1 — целый эпифиз, 2 — ½ эпифиза, электроэнергии на варку костного бульона, 3 — ¼ эпифиза; 4 — 1/8 эпифиза; 5 — вода от степени измельчения костей

1.1.4 Требования к материалу рабочей камеры

Материалы, из которых изготавливают части аппаратов, контактирующие с продуктами, должны быть химически стойкими, нейтральными, не подвергаться коррозии, хорошо очищаться и быть стойкими к моющим средствам. Для изготовления деталей машин и аппаратов, непосредственно контактирующих с продуктами, применяют легированные стали марок Х12, 9ХС, 9ХВТ и высоколегированные коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали марок Х18Н9; Х18Н9Т, 1X13 и др. Сталь — это сплав железа с углеродом (до 2%). В легированных сталях содержание легирующих элементов может составлять до 45%. В названия марок стали входят буквенные индексы, обозначающие легирующие элементы (X — хром, Н — никель, Т — титан, В-вольфрам, С — кремний и т. д.), и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, сталь марки 12ХНЗ содержит 1,2% углерода и 3% хрома и никеля.

Лучшим металлом для изготовления частей и узлов аппаратов, соприкасающихся с продуктом, является нержавеющая сталь. Следует избегать использования для этих целей алюминия. Это связано с тем, что алюминий накапливается в организме человека и практически не выводится из него. Наукой установлен факт, что алюминий, накопленный в организме человека, может стать одной из причин старческого слабоумия.

Следует помнить, что наличие в варочной среде металлов с переменной валентностью, таких как железо, медь, способствует разрушению витаминов.

1.1.5 Основы интенсификации тепловых процессов для повышения качества продукта

В совершенствовании технологии производства кулинарной продукции значительное место занимает интенсификация тепловых процессов, требующих больших затрат времени, труда, топливно-энергетических ресурсов. Поэтому конструкция любого теплового аппарата должна как можно полнее соответствовать технологическим требованиям тепловой обработки продуктов.

В основу разработки новых процессов и аппаратов и их модернизации должна быть положена научно обоснованная классификация способов тепловой обработки, которые по механизму передачи теплоты обрабатываемому продукту подразделяются на поверхностные (кондуктивные), объемные и комбинированные. Если говорить подробнее о пищеварочных котлах, являющихся темой данного проекта, то тепловая обработка продуктов в них производится путем поверхностной передачи теплоты.

В традиционных способах обработки обычно выделяют основные способы, целью которых является доведение продукта до кулинарной готовности, и вспомогательные, осуществляемые в различных целях: получение полуфабрикатов, создание или устранение определенных специфических свойств пищевого сырья; интенсификация последующих основных процессов тепловой обработки и др. В пищеварочных котлах производится обработка продуктов основным способом — варкой. При этом технологической средой является жидкость (бульон или вода), температура которой поддерживается на уровне 100 ⁰С, так же как и рабочего объема аппарата, а тепература рабочей поверхности аппарата несколько выше — 102 — 105 ⁰С, температура поверхности и глубинных слоев продукта в момент окончания процесса составляет 95, 80⁰С.

Физическая сущность поверхностных способов тепловой обработки представляется сложным комплексом взаимосвязанных физико-химических, тепломассообменных, биохимических и других процессов, протекающих в массе продукта при подводе к нему теплоты, в основном с поверхности, конвекцией и теплопроводностью. Характерной особенностью этих способов является встречная направленность градиентов температуры и влаги в продукте, вследствие которой поток влаги из продукта препятствует проникновению теплоты в продукт (рис. 5).

Рис. 5. Направление потоков теплоты и влаги при поверхностных способах тепловой обработки продуктов: 1 — емкость; 2-технологическая среда (вода, бульон); 3-продукт

Продукт (например, мясо), подвергаемый варке в воде, претерпевает ряд сложных структурно-физических и химических изменений. Если продукт с начальной температурой 20 °C погружают в воду с температурой 100 °C, то поверхностные слои прогреваются сравнительно быстро, а температура глубинных слоев повышается постепенно; поток теплоты на протяжении всего процесса варки направлен от поверхности вглубь продукта (соответственно градиент температуры имеет противоположное направление). Последовательный прогрев слоев продукта сопровождается фазовыми превращениями (испарение свободной влаги) и биохимическими реакциями (денатурация белков, разрушение коллагена в соединительной ткани и т. д.), приводящими к существенному изменению структуры и теплофизических свойств продукта. Это, в свою очередь, влияет на динамику тепломассопереноса в процессе варки, поскольку приповерхностные слои являются «термическим сопротивлением» для проникновения теплоты в глубинные слои. Уменьшение влагосодержания приводит к снижению коэффициента теплопроводности слоев продукта, что также препятствует его дальнейшему нагреванию. Все эти факторы обусловливают большую продолжительность традиционных (поверхностных) способов тепловой обработки продуктов.

В то же время большая длительность обработки ухудшает органолептические показатели и пищевую ценность готового изделия, поскольку в обрабатываемом продукте с течением времени разрушаются витамины, теряются, уходя в технологические жидкости, минеральные вещества, претерпевают существенные изменения аминокислотный состав белков и жирнокислотный состав жиров.

Таким образом, кондуктивные (поверхностные) способы имеют следующие недостатки: большая длительность процессов, существенные затраты топливно-энергетических ресурсов, высокая трудоемкость.

Поэтому сокращение длительности тепловой обработки продуктов, нахождение рациональных температурных режимов воздействия на продукты являются основным путем улучшения качества продукции и интенсификации производства.

1.2 Обзор серийно-выпускаемых пищеварочных аппаратов

1.2.1 Требования, предъявляемые к пищеварочным котлам

Технологические требования заключаются в максимально возможном соответствии режима работы, параметров, устройства рабочей камеры, загрузочного и разгрузочного устройства аппарата физическим и химическим изменениям, происходящим в пищевых продуктах при их тепловой обработке, которая существенно влияет на качество готового продукта.

Под технологическими параметрами понимают температуру и давление в аппарате и т. д. При этом необходимо, чтобы конструктивные и эксплуатационные показатели аппарата обеспечивали оптимальные режимы технологического процесса, т. е. прохождение процесса должно осуществляться за возможно минимальный промежуток времени с получением наилучшего результата (высокие органолептические показатели, максимальное сохранение пищевых, ароматических и вкусовых веществ, максимальный выход и другие качественные показатели готового продукта).

Эксплуатационные требования. Данные требования выражают соответствие режима работы, конструктивных особенностей машины или аппарата его рациональной эксплуатации. Эксплуатационные требования к аппаратам предусматривают в качестве непременного условия простоту их обслуживания с минимальной затратой труда; устойчивость к коррозии, которая может возникнуть при воздействии обрабатываемых продуктов, окружающей среды и моющих средств; доступность аппарата для осмотра, чистки, ремонта; бесперебойность и бесшумность в работе. Эксплуатационные требования предопределяют необходимость автоматизации контроля и регулирования технологического процесса. Автоматизация обеспечивает постоянство заданного технологического режима в аппарате, упрощает его обслуживание, ведет к уменьшению численности обслуживающего персонала и способствует повышению качества кулинарной продукции.

Конструктивные требования. Сущность этих требований заключается в соответствии конструкции аппарата современным условиям машиностроения. Конструктивные требования, предъявляемые к аппаратам, связаны с их проектированием, изготовлением, транспортировкой и монтажом. Важными конструктивными требованиями являются:

· технологичность, т. е. соответствие конструкции и материалов технологии машиностроения в условиях массового производства. Технологичность аппаратов должна выдерживаться в течение всего цикла его производства — начиная от заготовки деталей и кончая испытанием готовых машин и аппаратов;

· унификация и нормализация деталей и узлов, максимальное использование стандартизированных деталей и изделий. Соблюдение этих требований повышает серийность и технологичность оборудования;

· секционность, которая улучшает условия его эксплуатации, облегчает разработку, перемещение и сборку при монтаже и ремонте;

· техническое совершенство, работоспособность и надежность. Техническое совершенство аппарата характеризуется периодом, в течение которого аппарат по своим основным показателям соответствует современному уровню развития техники. Под надежностью машины или аппарата понимается их способность выполнять свои технологические функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемой наработки.

Наработка — это продолжительность или объем работы машины или аппарата, измеряемые в единицах времени или весовых (объемных) единицах по перерабатываемому сырью.

· Надежность машины или аппарата зависит от их безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Количественно она может быть оценена как произведение вероятности безотказной работы в течение заданного времени и коэффициента оптимального технического использования машины или аппарата.

· Безотказность характеризует способность аппарата сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.

· Долговечность — это способность машины или аппарата сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Долговечность характеризуется ресурсом или сроком службы до одного из видов ремонта.

· Ремонтопригодность характеризует приспособленность аппарата к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей.

· Сохраняемость отражает свойство машины или аппарата сохранять эксплуатационные показатели в процессе их хранения и транспортировки.

Конструктивными достоинствами аппарата являются также простота его устройства, небольшая масса и размеры, изготовление из недорогих и доступных материалов, удобство эксплуатации.

Энергетические требования отражают возможность аппарата затрачивать минимальное количество энергии на выполнение технологического процесса, т. е. аппараты должны быть энергосберегающими. Существенным резервом улучшения энергетических показателей тепловых аппаратов является снижение потерь теплоты. Одним из основных энергетических показателей работы аппаратов является удельный расход энергии на единицу готовой продукции.

Экономические требования. Данные требования отражают минимальные затраты на изготовление, монтаж и эксплуатацию машины или аппарата при сохранении их высоких технико-экономических показателей. К числу таких показателей относятся: удельная производительность, удельный расход энергии, металлоемкость, коэффициент полезного действия.

Удельная производительность — это количество продукции, выпускаемой машиной или аппаратом в единицу времени, отнесенное к объему рабочей камеры или площади рабочей поверхности:

Q_уд=Q_т/V₀ или Q_уд = Q_T/F₀,

где Q_T — теоретическая производительность, кг/с; Vo — объем рабочей камеры аппарата, м³; F_o — площадь рабочей поверхности, м².

Чем выше показатель удельной производительности, тем больше технические возможности машины или аппарата, тем конкурентоспособнее она в сравнении с другими аппаратами, выполняющими аналогичные технологические операции.

Удельная металлоемкость — это количество металла, приходящегося на единицу выпускаемой продукции:

m_уд = M/Q_T,

где М — масса машины или аппарата, кг.

Чем меньше удельная металлоемкость, тем экономичнее и дешевле машина или аппарат, а следовательно, ниже расход на ее амортизацию и ремонт.

Требования техники безопасности и охраны труда. Безопасность работы аппаратов и удобство их обслуживания являются важнейшими требованиями, предъявляемыми к аппаратам.

По советскому законодательству в каждых ведомственных и межведомственных испытаниях новых видов аппаратов и машин обязательно участвует специалист по технике безопасности и охране труда. Задача этих специалистов заключается в том, чтобы самым строжайшим образом с позиции охраны труда принимать испытываемые образцы и не рекомендовать в производство те из новых аппаратов, которые не отвечают условиям безопасности работы на них.

Аппараты рассчитывают и изготовляют с надлежащим запасом прочности, оборудуют предохранительными устройствами и ограждают движущиеся их части. Температура наружных ограждений аппаратов не должна вызывать ожогов при соприкосновении с ними. Электрические аппараты должны отвечать всем требованиям электробезопасности и иметь надежное заземление или зануление. У газового оборудования должны быть предусмотрены устройства, исключающие попадание газа и вредных продуктов сгорания в помещения.

Требования технической эстетики и эргономики. При разработке конструкции аппаратов и машин требования технической эстетики в самом общем виде сводятся к тому, чтобы все производимое человеком было не только полезно, но и красиво. Надлежащий внешний вид аппарата в сочетании с рациональным цветовым оформлением, освещенностью и микроклиматом в цехе снижает зрительное и общее утомление работников, облегчает труд, повышает его производительность, способствует получению продукции высокого качества. Размеры аппаратов, расположение пультов управления и их форма должны удовлетворять требованиям эргономики и антропологическим особенностям человека. Это снижает утомляемость обслуживающего персонала и также приводит к повышению производительности труда.

1.2.2 Классификация пищеварочных котлов

На предприятиях общественного питания эксплуатируются котлы различных типов, отличающиеся способом обогрева, вместимостью и формой варочных сосудов, видом энергоносителей. Все эти различия определяют номенклатурный ряд пищеварочных котлов и их классификацию.

1. В зависимости от давления в варочном сосуде все котлы классифицируются на

· пищеварочные котлы, работающие при атмосферном или незначительном избыточном давлении,

· автоклавы, работающие при повышенном давлении (250 кПа).

2. В зависимости от источника теплоты котлы подразделяются на

· твердотопливные,

· газовые,

· электрические

· паровые.

3. По способу установки котлы классифицируются на

· неопрокидывающиеся,

· опрокидывающиеся

· со съемным варочным сосудом.

Как правило, неопрокидывающиеся котлы выпускаются вместимостью варочного сосуда более 100 дм³, а опрокидывающиеся — вместимостью менее 100 дм³. Котлы со съемным варочным сосудом имеют вместимость менее 60 дм³.

4. В зависимости от способа обогрева различают котлы с

· непосредственным обогревом;

· косвенным обогревом.

Котлы с непосредственным обогревом (теплота к продуктам передается через разделительную стенку) могут работать на твердом топливе, газе и электрическом обогреве. По конструкции и эксплуатации они более просты, чем котлы с косвенным обогревом, однако им присущи недостатки: низкий КПД, сложность регулирования теплового режима, возможность пригорания продуктов. Котлы с косвенным обогревом (теплота передается через промежуточный теплоноситель.) работают при повышенном давлении в греющей рубашке (до 150 кПа). В качестве промежуточного теплоносителя используется вода.

5. По соотношению основных геометрических размеров котлы классифицируются на

· немодулированные,

· секционные модулированные.

· котлы под функциональные емкости.

Немодулированные пищеварочные котлы имеют цилиндрическую форму варочного сосуда. Секционные модулированные котлы и котлы под функциональные емкости имеют варочный сосуд в виде прямоугольного параллелепипеда. Наружные размеры этих котлов унифицированы, они имеют одинаковую высоту и ширину (глубину), длина их кратна модулю (у секционных модульных котлов — 210 мм, у котлов под функциональные емкости — 100 мм). Варочный сосуд котлов под функциональные емкости имеет размеры, соответствующие размерам функциональных емкостей.

Котлы с косвенным обогревом получили наибольшее распространение. В качестве промежуточного теплоносителя в таких котлах используется вода (кипяченая или дистиллированная). Также наибольшей популярностью пользуются котлы электрические, на 1-ом месте и газовые, на 2-ом.

По приведенной выше классификации, рассматриваемый в данной работе котел относится к секционно-модулированным паровым котлам с косвенным обогревом, с неопрокидывающимся варочным сосудом.

Современная отечественная промышленность предлагает помимо вышеуказанных, изготовление аппаратов на заказ.

На заказ изготавливаются:

· котлы более 400 литров.

· технологические установки на базе котлов.

· котлы с комбинированным обогревом.

· различные модификации котлов.

Также могут изготавливаться котлы с мешалками, как на базовой конструкции котла, так и на конструкции, предлагаемой заказчиком по техническим условиям заказчика.

Новшеством в изготовлении секционно-модулированных котлов является объединение двух котлов в одном корпусе, работающих независимо друг от друга.

За рубежом популярны котлы с комбинированным способом обогрева (паровой и электрический обогрев, провой и газовый и др.). В настоящее время достаточно широк выбор отечественных аппаратов, предлагаемых как крупными заводами, так и небольшими частными фирмами, поэтому острой необходимости в выборе зарубежных аналогов нет.

Согласно схеме классификации пищеварочных котлов осуществляется их буквенно-цифровая индексация.

У немодулированных котлов буквы обозначают группу, вид котла и вид энергоносителя. Цифры показывают вместимость варочного сосуда в дм³. Например, индекс котла КПЭ-160 расшифровывается следующим образом: К — котел, П — пищеварочный, Э — электрический, 160 — вместимость (в дм³). У секционных модулированных котлов к буквенному индексу добавляются буквы СМ. У котлов под функциональные емкости индекс включает буквы: КЭ — котел электрический и число, показывающее вместимость варочного сосуда в дм³. Буквенно-цифровой индекс устройств со съемным варочным сосудом (УЭВ-60) расшифровывается как устройство электрическое вместимостью 60 дм³.

1.2.3 Сравнительный анализ технологической эффективности различных видов аппаратов

Несомненным преимуществом твердотопливных пищеварочных котлов является возможность их использования в удаленных районах страны, а также для организации питания в полевых условиях и на значительном расстоянии от предприятий общественного питания; простота устройства и эксплуатации. Недостатком этих аппаратов является низкий КПД, обусловленный большими потерями теплоты с уходящими газами. Вследствие трудности регулирования процесса нагрева не исключена возможность пригорания продуктов. При эксплуатации аппаратов происходит загрязнение помещений топливом, золой. Для хранения запасов топлива необходимо строительство топливохранилищ. Значения КПД котлов при изготовлении различных блюд без регулирования процесса горения топлива колеблются от 18 до 28% для первой варки и от 18 до 30% при повторной варке. Многократное использование котла (несколько варок подряд) по сравнению с единовременным снижает удельные расходы топлива на 20…30%, сокращает продолжительность процесса доведения его содержимого до закипания на 30…50% и повышает КПД установки на 30…40% за счет прогрева кладки.

Газовые пищеварочные котлы с непосредственным газовым обогревом отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью.

Что касается газовых котлов с косвенным обогревом, то следует отметить о возможности использования в них нескольких типов автоматики регулирования. Недостатком газовой автоматики электромагнитного действия является возможность «залипания» контактов, входящих в реле, а также сочетание газа и электроэнергии в одном устройстве, что не рекомендуется с позиции техники безопасности. Газовая автоматика дилатометрического действия автоматика проще и надежней электромагнитной, так как в ней нет электрических цепей. Однако она также является одноканальной и контролирует только наличие пламени. Отсутствие в газовой автоматике пневматического действия реле-инвертора упрощает конструкцию исполнительного блока и повышает надежность работы системы.

Однако применение газа в сравнении с применением твердого топлива имеет целый ряд преимуществ: высокие санитарные показатели, простота эксплуатации, отсутствие необходимости в топливохранилищах. Существенным недостатком является возможность утечки газа. Горючие газы бесцветны. Кроме того, газы, полученные из газовых месторождений, не имеют запаха, что сильно затрудняет обнаружение их утечки. Поэтому в эти газы вводят особые вещества — одоранты; чаще всего это меркаптан — вещество с характерным резким запахом, 1/500 000 000-й доли которого в воздухе достаточно для того, чтобы почувствовать его запах. Горючие газы токсичны (ядовиты) из-за присутствия в них окиси углерода.

Паровые пищеварочные котлы. От неопрокидывающихся электрических и газовых котлов они отличаются тем, что пар, обогревающий варочный сосуд, образуется не в самом котле, а поступает в паровую рубашку по паропроводу извне. В паровых аппаратах используется насыщенный водяной пар низкого давления, который обладает высоким коэффициентом теплоотдачи и большой теплотой парообразования. Пар, поступающий в паровой пищеварочный аппарат, конденсируется и отдает теплоту парообразования стенкам аппарата, а конденсат отводится из греющей камеры. Но получение высоких температур при нагреве аппарата насыщенным водяным паром ограничено ввиду относительно низкого давления пара, используемого в паровых пищеварочных аппаратах, — 50−200 кПа.

Паровые котлы обладают целым рядом преимуществ перед другими типами котлов. Использование централизованно приготовленного пара как теплоносителя позволяет упростить конструкцию котлов (отсутствие парогенератора). Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара довольно высок, что также повышает эксплуатационные показатели парового котла.

Но в них есть свои недостатки. На скорость переноса теплоты при конденсации пара существенно влияет наличие в паре примесей воздуха и неконденсирующихся газов, Так, содержание в паре 1% воздуха приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи на 40%, 6…8% воздуха — на 80%.

При работе паровых котлов необходимо правильно — организовать отвод конденсата из рубашки. Для этих целей в днище котла монтируется конденсатоотводчик поплавкового или сильфонного типа; который отводит из рубашки только конденсат и не пропускает пар. Это исключает наличие так называемого пролетного пара, который, не сконденсировавшись, уходит из рубашки в конденсатопровод.

Электрические пищеварочные котлы имеют массу преимуществ из-за исходя из преимуществ электроэнергии как источника теплоты.

Применение электронагрева дает возможность автоматизировать процессы тепловой обработки пищевых продуктов и регулировать такие параметры, как температура, давление, продолжительность обработки, уровень жидкостей, и др. К преимуществам электротепловых аппаратов относится также возможность секционирования и широкой децентрализации нагрева и тепловых процессов приготовления пищи.

Необходимо также отметить простоту обслуживания и значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда. Достоинство электрических котлов заключается и в том, что при их эксплуатации можно получить необходимое количество теплоты, а также необходимую температуру практически в любой отрезок времени и в определенном узле аппарата, причем с малыми потерями и точным учетом расхода электроэнергии.

Электротепловые аппараты надежны в эксплуатации, а ремонт в основном сводится к замене электронагревателей.

Простота пользования электротепловыми аппаратами, хорошие санитарно-гигиенические условия работы, возможность регулирования и автоматизации степени нагрева, а также точный учет расхода энергии делают эту группу котлов наиболее приемлемой для предприятий общественного питания.

Недостатком всех типов котлов является то, что в процессе длительной эксплуатации КПД может снижаться по причине отложения накипи на тэнах (у электрических котлов) или стенках парогенератора (у газовых и твердотопливных котлов). Поэтому в парогенераторы варочных аппаратов рекомендуется заливать только кипяченую воду (или дистиллированную).

Технические характеристики электрических пищеварочных котлов

Газовых

Паровых

Твердотопливных (походных кухонь)

Таким образом, давление в пароводяной рубашке электрических котлов несколько ниже давления в паровых и газовых котлах. Время разогрева минимально в паровых котлах, что связано с тем, что подающийся пар изначально имеет очень высокую температуру, и не происходит затрат времени на нагревание теплопередающей среды. Наиболее эргономичны также паровые пищеварочные котлы, но учитывая все большее распространение секционного модульного оборудования это не имеет такого важного значения.

2. Конструкторский раздел

2.1 Описание проектируемого аппарата

Пищеварочные котлы представляют собой варочный сосуд с крышкой, который помещен в наружный котел. Снаружи котел покрыт слоем тепловой изоляции, уложенной между облицовкой и наружным котлом. Ее применяют для уменьшения потерь тепла в окружающую среду (повышения теплового кпд аппарата), предохранения обслуживающего персонала от ожогов и способствования созданию комфортных условий труда. В нижней части котла смонтирован парогенератор, объединенный с паровой рубашкой. Конструкция котла устанавливается на постамент. Пар, генерируемый в парогенераторе, заполняет паровую рубашку, соприкасаясь с варочным сосудом, конденсируется, отдавая теплоту парообразования стенке, по которой конденсат вновь стекает в парогенератор.

Котел пищеварочный электрический неопрокидывающий КПЭ-100 представляет собой сварную конструкцию, состоящую из прямоугольного варочного сосуда, наружного котла, покрытого теплоизоляцией и облицовкой.

Рядом с котлом на стене устанавливается станция управления, которая представляет собой металлический ящик, внутри которою размещены клеммный щиток, два магнитных пускателя, кнопки «Пуск» и «Стоп», сигнальные лампы, реле, плавкие предохранители, переключатель режима работы котла, тумблеры с надписью «Автоматическая работа» и «Разогрев».

Клеммный щиток служит для соединения всех приборов станции управления к электросети. Магнитные пускатели и кнопки включают и выключают тены котла, а плавкие предохранители защищают электрические цепи от короткого замыкания. Сигнальные лампы служат для контроля подключения котла к электросети и режим его работы. С помощью тумблеров включают требуемый режим работы котла.

1 — облицовка, 2 — тепловая изоляция, 3 — кран уровня воды, 4 — датчики защиты от «сухого хода», б — тены, 6 — парогенератор, 7 — реле давления, 8 — манометр, 9 — поворотный кран, 10 — крышка, 11 — клапан-турбинка, 12 — отражатель, 13 — прокладка крышки, 14 — откидной болт, 15 — наполнительная воронка, 16 — двойной предохранительный клапан, 17 — станция управления, 18 — переключатель режимов, 19 — лампа «Нет воды» в парогенераторе, 20 — лампа «Включено», 21 — противовес крышки, 22 — трубопровод холодной воды, 23 — сливной кран, 24 — фильтр сливного крана.

Рассмотрим принципиальную конструктивную схему проектируемого пищеварочного котла.

На рисунке:

1 — наружный кожух

2 — тепловая изоляция

3 — воздушный клапан

4 — пароводяная рубашка

5 — крышка

6 — рабочая камера

7 — электроконтактный манометр (элемент арматуры)

8 — двойной предохранительный клапан (элемент арматуры)

9 — наполнительная воронка

10 — сливной пробковый кран

11 — кран уровня

12 — парогенератор

13 — регулируемые по высоте ножки

Рассмотрим назначение основных элементов аппарата:

Пищеварочный котел представляет собой двустенный варочный сосуд, расположенный в корпусе, который покрыт кожухом, изготовленным из листов эмалированной стали. Пространство между наружным корпусом и кожухом заполнено тепловой изоляцией. В нижней части наружного котла смонтирован парогенератор. Замкнутое пространство между варочным сосудом и наружным котлом служит пароводяной рубашкой котла. К дну наружного корпуса приварена стальная коробка прямоугольной формы — парогенератор, внутри которого находятся 6 тэнов, кран уровня воды и электрод защиты «сухого хода». На трубопроводах, соединенных с паровой рубашкой, установлены воздушный клапан и контрольно-измерительная и предохранительная арматура — двойной предохранительный клапан, электроконтактный манометр, наполнительная воронка. Для слива содержимого из варочного сосуда предусмотрен сливной кран. Уровень воды в парогенераторе контролируется с помощью крана уровня.

В рабочей камере производится тепловая обработка пищевых продуктов. По форме это цилиндрический сосуд или прямоугольная камера.

Рабочая камера обычно закрывается дверцей (крышкой), которая устанавливается сверху.

Различают пищеварочные котлы с неподвижной рабочей камерой и с опрокидывающейся. Стенки рабочей камеры изготовляются из нержавеющей стали, алюминия, чугуна.

В греющем устройстве происходит превращение различных видов энергии в тепловую и передача ее стенкам рабочей камеры. Греющее устройство может быть различным в зависимости от источника тепла — у электропищеварочных котлов — парогенератор, в котором расположены электронагревательные элементы. Греющее устройство совмещается с рабочей камерой.

Корпус — это основная часть аппарата, на которой монтируются все остальные узлы и детали; изготовляется он различной формы в виде каркаса из уголковой стали.

Теплоизоляция служит для уменьшения потерь тепла аппаратом в окружающую среду и для предохранения обслуживающего персонала от ожогов.

Кожух предохраняет изоляцию от разрушения и придает аппарату хороший внешний вид.

Аппарат устанавливается на основание, выполненное чаще всего в виде отливки из чугуна различной формы или каркаса из уголковой стали. Сейчас выпускают аппараты, установленные на ножки.

Пуск, остановка, контроль за работой аппарата, регулирование его теплового режима и обеспечение безопасности обслуживающего персонала осуществляются с помощью контрольно-измерительных приборов и арматуры.

Арматура пищеварочных котлов. Пищеварочные котлы с косвенным обогревом снабжены контрольно-измерительной и предохранительной арматурой. На котлах устанавливают: манометр, кран уровня, наполнительную воронку, продувочный кран, двойной предохранительный клапан.

Электроконтактный манометр предназначен для измерения в процессе работы давления в паровой рубашке котла с помощью него автоматически поддерживается уровень давления в рубашке котла и осуществляется управление тепловым режимом. В электроконтактном манометре имеются три стрелки: одна подвижная, показывающая давление, и две неподвижные, перемещаемые вручную с помощью специального ключа. Неподвижными стрелками перед началом работы котла устанавливают верхний и нижний уровни давления в рубашке. Стрелки электроконтактного манометра включены в электрическую цепь управления котла.

При включении котла давление пара в его рубашке начинает возрастать. При достижении верхнего заданного уровня давления подвижная стрелка совпадает с неподвижной, с помощью которой задан верхний предел давления, при этом замыкаются их контакты и котел автоматически переключается на 1/6 или 1/9 мощности (режим тихого кипения). Давление в паровой рубашке начинает падать. При совпадении подвижной стрелки с нижней неподвижной стрелкой замыкаются их контакты и котел вновь переключается на максимальную мощность. Таким образом давление в рубашке котла автоматически поддерживается между верхним и нижним пределами давления. При этом тепловой режим котла также автоматически регулируется.