Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В честь Союза России и Беларуси
МАШИНЫ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Учебник
В 3-х книгах
Книга 2
Том 2
Под редакцией академика РАСХН В.А. Панфилова
профессора В.Я. Груданова
Утверждено Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебника для студентов специальности
«Машины и аппараты пищевых производств» учреждений, обеспечивающих
получение высшего образования
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов
«Пищевая инженерия» 'фГТТ"'-:" о^то?-""';
И i
Минск
2008
УДК 664(07)
ББК 36.81
я7
М38
Авторы:
СТ. Антипов,
В.Я.
Груданов,
И.Т.
Кретов,
А.Н.
Остриков,
В.А.
Панфилов,
О.А.
Ураков,
В.А.
Шаршунов
Рецензенты:
кафедра машин
и
аппаратов пищевых производств Кубанского государственного
технологического университета
(зав. каф., д-р
техн. наук, проф.
Е.П. Кошевой);
кафедра техники мясных
и
молочных производств Санкт-Петербургского
государственного университета низкотемпературных
и
пищевых технологий
(заслуженный деятель науки
и
техники
РФ, д-р
техн. наук, проф.
Л.К. Николаев);
научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по
продовольствию
(зам. ген. дир.,
канд. техн. наук,
доц. О.Л. Сороко);
научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по
механизации
сельского хозяйства (зав. лаб., д-р техн. наук, проф. Л.Я.
Степук)
Машины и аппараты пищевых производств :
учебник
для
вузов
: в 3 кн.: Кн. 2. Т.2 /
М38
СТ.
Антипов
[и
др.];
под ред.
акад. РАСХН
В.А.
Панфилова, проф.
В.Я.
Груданова.
—
Минск: БГАТУ, 2008.
— 591 с.
ISBN 978-985-6770-90-9 (Кн.2,
т.2)
ISBN 978-985-6770-49-7
В учебнике обобщены сведения
о
состоянии
и
перспективе технического обеспечения пищевых
и пе-
рерабатывающих производств. Изложены научные основы реализуемых процессов
и
инженерные расче-
ты важнейших характеристик машин
и
аппаратов. Описано оборудование
для
ведения механических,
гидромеханических, тепло- массообменных
и
биотехнологических процессов,
а
также
для
дозирования
и упаковывания пищевых продуктов.
Для студентов вузов, обучающихся
по
направлению подготовки дипломированных специалистов
«Пищевая инженерия»
и
«Пищевая промышленность».
УДК 664(07)
ББК 36.81
я7
ISBN 978-985-6770-90-9 (Кн. 2, т.
2)
ISBN 978-985-6770-49-7
О СТ.
Антипов, 2008
© БГАТУ, 2008
Учебник посвящается Союзу России и Беларуси.
Написан учеными Белорусского государственного аграрного
технического университета (проф. В.Я. Груданов), Могилевского
государственного университета продовольствия (проф. В.А.
Шаршунов), Московского государственного университета
пищевых производств (акад.
В.
А.
Панфилов, проф. О.А. Уроков) и
Воронежской государственной технологической академии (проф.
СТ. Антипов, проф. А.Н. Остриков, проф. И.Т. Кретов).
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть II МАШИНЫ И АППАРАТЫ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПИЩЕВЫХ СРЕД
Раздел
Б ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Глава 16 Аппараты для темперирования, повышения концентрации
и экструдирования пищевых сред 7
16Л Научное обеспечение процессов темперирования, повышения концентрации
и экструдирования пищевых сред 8
16.2 Классификация оборудования 11
16.3 Аппараты для нагревания, уваривания и варки пищевых сред 14
16.4 Выпарные аппараты и установки 27
16.5 Развариватели крахмалосодержащего сырья 42
16.6 Заторные и сусловарочные аппараты 51
16.7 Ошпариватели и бланширователи для фруктов и овощей 59
16.8 Автоклавы, пастеризаторы и стерилизаторы 66
16.9 Экструдеры 80
16.10 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 87
Контрольные вопросы 95
Упражнения 95
Глава 17 Аппараты для сушки пищевых сред 97
17.1 Научное обеспечение процесса сушки 97
17.2 Классификация оборудования 100
17.3 Шахтные и рециркуляционные зерносушилки 101
17.4 Барабанные сушильные агрегаты 108
17.5 Конвейерные сушилки 113
17.6 Агрегаты с кипящим и виброкипящим слоями 120
17.7 Распылительные сушилки 124
17.8 Вакуум-сублимационные сушилки 129
17.9 Микроволновые сушильные установки 136
17.10 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 139
Контрольные вопросы 149
Упражнения 150
Глава 18 Оборудование для ведения процессов выпечки и обжарки
пищевых сред 151
18.1 Научное обеспечение процессов выпечки и обжарки пищевых сред 151
18.2 Классификация оборудования 153
18.3 Печи с канальным обогревом 157
18.4 Печи с комбинированной системой обогрева 164
18.5 Туннельные печи с канальным рециркуляционным обогревом 168
18.6 Печи с электрообогревом 171
18.7 Оборудование для шпарки и опаливания 175
18.8 Обжарочные аппараты, печи для запекания и жаровни 185
18.9.
СВЧ-установки для обработки сырья и полуфабрикатов 201
4
18.10.
Техника будущего: новые технические решения технологических задач 205
Контрольные вопросы 215
Упражнения 216
Глава 19 Аппараты для охлаждения и замораживания пищевых сред 217
19.1 Научное обеспечение процессов охлаждения и замораживания пищевых
сред 217
19.2 Классификация оборудования 220
19.3 Охладительные установки и охладители 222
19.4 Камеры охлаждения и замораживания 238
19.5 Морозильные аппараты 244
19.6 Фризеры, эскимо- и льдогенераторы 255
19.7 Установки криогенного замораживания 269
19.8 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 271
Контрольные вопросы 279
Упражнения 280
Глава 20 Аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции пищевых сред 281
20.1 Научное обеспечение процессов диффузии и экстракции пищевых сред 281
20.2 Классификация оборудования 283
20.3 Аппараты для получения диффузионного сока 284
20.4 Установки для получения настоек и морсов 290
20.5 Аппараты для экстракции растительного масла 294
20.6 Аппараты для получения экстрактов из животного сырья 304
20.7 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 310
Контрольные вопросы 322
Упражнения 322
Глава 21 Оборудование для ведения процесса кристаллизации пищевых сред .'...323
21.1 Научное обеспечение процесса кристаллизации пищевых сред 323
21.2 Классификация оборудования 326
21.3 Вакуум-аппараты 328
21.4 Помадосбивальные машины 333
21.5 Кристаллизаторы-охладители 337
21.6 Маслоизготовители и маслообразователи 342
21.7 Кристаллизаторы и декристаллизаторы жировой продукции 355
21.8 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 358
Контрольные вопросы 365
Упражнения 365
Глава 22 Оборудование для ведения процесса ректификации пищевых сред 367
22.1 Научное обеспечение процесса ректификации пищевых сред 367
22.2 Классификация оборудования 369
22.3 Брагоперегонные установки 372
22.4 Ректификационные установки 379
22.5 Брагоректификационные установки непрерывного действия 386
22.6 Установки для получения абсолютного спирта 397
22.7 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 399
Контрольные вопросы 404
Упражнения 404
Раздел
В ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава 23 Оборудование для ведения процессов ферментации 406
23.1 Научное обеспечение процессов ферментации 407
23.2 Классификация оборудования 408
Оглавление
5
Оглавление
23.3 Солодорастильные установки 409
23.4 Дрожжевые и дрожжерастильные аппараты 424
23.5 Ферментаторы и биореакторы 430
23.6 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 436
Контрольные вопросы 445
Упражнения 445
Глава 24 Оборудование для брожения пищевых сред 446
24.1 Научное обеспечение процесса брожения пищевых сред 446
24.2 Классификация оборудования 450
24.3 Аппараты для брожения и дображивания пива 452
24.4 Оборудование для сбраживания сусла при производстве спирта 458
24.5 Аппараты для сбраживания сусла при производстве вина 463
24.6 Оборудование для брожения квасного сусла 468
24.7 Агрегаты для брожения опары и теста 471
24.8 Оборудование для свертывания молока и обработки сгустка 479
24.9 Аппараты для получения заквасок и производства кисломолочных
напитков 484
24.10 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 488
Контрольные вопросы 503
Упражнения 503
Глава 25 Оборудование для соления и посола пищевых
сред
504
25.1 Научное обеспечение процесса соления и посола пищевых сред 504
25.2 Классификация оборудования 506
25.3 Оборудование для соления плодоовощной продукции 507
25.4 Оборудование для посола мяса 509
25.5 Оборудование для посола рыбы 517
25.6 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 520
Контрольные вопросы 525
Упражнения 525
Глава 26 Оборудование для созревания пищевых сред 526
26.1 Научное обеспечение процесса созревания пищевых сред 526
26.2 Классификация оборудования 529
26.3 Оборудование для созревания пива 530
26.4 Аппараты для массирования и созревания мяса 532
26.5 Сливкосозревательные аппараты и творожные ванны 539
26.6 Машины для изолирования и созревания сыров 545
26.7 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 552
Контрольные вопросы 560
Упражнения 561
Глава 27 Оборудование для копчения пищевых сред 562
27.1 Научное обеспечение процесса копчения пищевых сред 562
27.2 Классификация оборудования 564
27.3 Автокоптилки и коптильные установки 565
27.4 Универсальные и автоматизированные термокамеры 568
27.5 Термоагрегаты 574
27.6 Техника будущего: новые технические решения технологических задач 580
Контрольные вопросы 587
Упражнения 587
Заключение 588
Рекомендуемая литература 589
ЧАСТЬ II
Машины и
аппараты -
преобразователи
пищевых
сред
В этой части учебника машины и аппараты пред-
ставлены как преобразователи пищевых сред.
За границами учебного материала осталось многочис-
ленное и разнообразное оборудование, назначение которого
непосредственно не связано с изменением потребительских
и технологических свойств пищевых сред. Это оборудова-
ние для дозирования уже готовых продуктов и изделий и их
упаковывания, предназначенное для защиты определенной
дозы (порции) пищевого продукта без изменения его потре-
бительские свойства. К этому оборудованию относятся
также конвейеры самых различных конструкций, техноло-
гические трубопроводы, паро- и воздуховоды, насосы, при-
боры для контроля и регулирования технологических про-
цессов, другие виды устройств, обеспечивающие так назы-
ваемые связи технологических систем.
При рассмотрении конструкций машин и аппаратов
необходимо иметь в виду, что процессы, протекающие в
них, представляют собой лишь элементы технологической
системы, которые только вместе со связями образуют
эффективно функционирующий поток.
Глава 16 Аппараты для темперирования, повышения
концентрации и экструдирования пищевых сред
7
РАЗДЕЛ Б
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Теплообменные процессы - самопроизвольные необратимые процессы переноса
теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым. В зависимости
от характера изменения состояния объектов тепловой обработки различают сле-
дующие виды теплообменных процессов: нагревание и охлаждение, испарение и
выпаривание, сублимацию и конденсацию, замораживание и размораживание.
Массообменные процессы основаны на избирательном обмене отдельными
компонентами между фазами многокомпонентных систем через поверхности кон-
такта фаз. Переход распределяемого компонента через поверхность контакта в дру-
гую фазу определяется законами молекулярного, конвективного и турбулентного
переноса. К массообменным процессам относятся: экстракция, кристаллизация,
абсорбция, адсорбция и др.
Тепломассообменные процессы - совмещенные процессы переноса теплоты и
массы в капиллярно-пористых телах. Они протекают с изменением физического со-
стояния распределяемого компонента и сопровождаются затратой и высвобождением
значительного количества теплоты фазового перехода. К тепломассообменным про-
цессам относятся: сушка, варка, ректификация, обжарка, выпечка, термопластиче-
ская экструзия и др.
Один талант ничто, нужна еще громадная
трудоспособность, работа над собой,
непрерывная работа всю жизнь...
ИОФФЕ АБРАМ ФЕДОРОВИЧ
(1880-1960),
физик,
академик АН
СССР
Глава 16
АППАРАТЫ ДЛЯ ТЕМПЕРИРОВАНИЯ, ПОВЫШЕНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ СРЕД
Темперирование - процесс тепловой обработки пищевых сред с последующей
выдержкой при определенной температуре и перемешиванием.
Повышение концентрации - процесс влагоудаления с целью увеличения содер-
жания сухих веществ в пищевых средах.
Экструдирование - процесс преобразования внутренней структуры и формы
биополимеров с целью получения полуфабрикатов или готовых изделий при ком-
плексном воздействии давления, температуры, влажности и напряжения сдвига.
8 Глава 16 Аппараты для темперирования, повышения
концентрации и экструдирования пищевых сред
16.1 НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕМПЕРИРОВАНИЯ,
ПОВЫШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ СРЕД
Темперирование и повышение концентраций пищевых сред осуществляется по-
гружением в жидкую среду (вода, растительное масло и др.); воздействием пара, паро-
воздушной и пароводяной смесью; инфракрасным излучением и др. Среда, передаю-
щая теплоту, является теплоносителем. Передача теплоты продукту может быть пря-
мым контактом или через теплопередающую стенку. В общем случае передача тепло-
ты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Основной закон теплопроводности, установленный Фурье, подтверждает, что
количество теплоты dQ (Дж), переданное теплопроводностью, пропорционально
градиенту температуры
dt/dl,
времени dx и площади сечения dF, перпендикулярного
направлению теплового потока,
dQ = -X(dt/dl)dFdx,
где X - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К).
Плотность теплового потока q (Вт/м
2
) по закону Фурье имеет следующее выражение:
q = dQ /(dFdx) = -X(dt I dl),
где знак «минус» показывает, что теплота переносится в сторону уменьшения тем-
пературы, навстречу градиенту
dt/dl.
Дифференциальное уравнение теплопроводности (второй закон Фурье) имеет вид
dtldx = a(d
2
tldx
2
+ d
2
t I by
2
+ d
2
t I dz
2
),
где a - коэффициент температуропроводности, м
2
/ч или м
2
/с (а ~Х/(ср)); с -
удельная теплоемкость продукта, Дж/(м-К); р - плотность продукта, кг/м
3
.
В неподвижных жидкостях и газах теплота переносится только за счет тепло-
проводности. Однако внутри жидкости или газа теплота может переноситься за счет
перемешивания. Нагретые у стенки частицы, попадая в окружение холодных частиц,
отдают им свою теплоту. Скорость переноса при этом тем выше, чем интенсивнее
перемешивание, т. е. чем выше турбулизация потока теплоносителя.
Конвекция включает оба механизма переноса - как за счет теплопроводности,
так и за счет перемешивания, а их вклад в процесс зависит от гидродинамических
характеристик движения жидкости или газа.
Количество теплоты dQ (Вт), отдаваемое стенкой в жидкость, рассчитывают по
закону теплоотдачи Ньютона:
dQ-o.
dF(t
x
-1
2
)dx,
где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м
2
-К); t\ - температура стенки, К; t
2
- темпе-
ратура жидкости, К.
tk Юность - весеннее время человека, в которое
tfli засеиваются семена на будущие годы жизни.
W КНЯЖНИН
ЯКОВ БОРИСОВИЧ
(1742-1791),
Т
русский драматург и поэт
Глава 16 Аппараты для темперирования, повышения 9
концентрации и экструдирования пищевых сред
1*
Зак. 710
Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена (уравнение Фурье-
Кирхгофа) имеет вид
dt/8x +
(dt/8x)V
x
+(dt/dy)V
y
+(dt/dz)V
z
=aV
2
t,
где V
x
, V
y
, V
z
- скорости перемещения частицы в направлении осей соответствен-
но х, у, z; V
2
? - оператор Лапласа.
Приравнивая основной закон теплопроводности Фурье и закон Ньютона, можно
получить уравнение, характеризующее условия на границе раздела потока и стенки
аппарата:
-X(dt/dl) =
a(t
l
-t
2
).
Закономерности теплового излучения (радиации) описываются законами Сте-
фана - Больцмана, Кирхгофа и Ламберта. В невидимой инфракрасной области с
длиной волн 0,8...40 мкм может передаваться большое количество теплоты. Интен-
сивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, а при
температурах выше 600 °С теплообмен между твердыми телами и газами осуществ-
ляется путем лучеиспускания.
Закон Стефана - Больцмана устанавливает зависимость между лучеиспуска-
тельной способностью тела Е, количеством энергии Q, излучаемой телом в течение
1 ч, и площадью поверхности тела F:
Е = Q/F
При этом энергия излучения зависит от длины волны и температуры.
Связь между лучеиспускательной способностью Е
0
(Вт/м
2
) и температурой аб-
солютно черного тела Г (К) выражается зависимостью:
Ео = KQT
4
,
где .Ко - константа излучения абсолютно черного тела, Вт/(м
2
-К
4
).
По закону Кирхгофа, отношение лучеиспускательной способности любого тела
к его лучепоглощающей способности при той же температуре является величиной
постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела:
Е
0
= Е
х
/А\ =
Е
2
/А
2
= ... = Е(/Ао,
где Е\, Е
2
, Ео - лучеиспускательная способность первого, второго и абсолютно чер-
ного тела соответственно; Ль Аг, А
0
- лучепоглощающая способность этих те,л.
Закон Ламберта выражает изменение интенсивности излучения по различным
направлениям и записывается в виде
dQ = (\l n)Ed\\i cos
<$>dF,
где ch\i - телесный угол, под которым виден элемент dF
2
из элемента dF\, ф - угол,
образованный прямой, соединяющей элементы dF\ и dF
2
, и нормалью к элементу dF\.
Экструдирование растительного сырья, основными компонентами которого яв-
ляются крахмал (полисахариды), белки и вода, проводят в экструдерах с целью полу-
чения полуфабрикатов или готовых изделий при комплексном воздействии на обраба-
тываемую пищевую среду давления, температуры, влажности и напряжения сдвига.
Преимущества экструзии состоят в совмещении в одном экструдере нескольких про-
цессов: диспергирования, перемешивания, гомогенизации, термической и механиче-
10 Глава 16 Аппараты для темперирования, повышения
концентрации и экструдирования пищевых сред
ской обработки, структурообразования, выпрессовывания и сушки пищевых материа-
лов.
Экструдер заменяет ряд периодических процессов и оборудования, а сам процесс
экструзии позволяет направленно изменять свойства и структуру перерабатываемого
материала, обеспечивает непрерывность процесса, возможность непрерывной подачи
в перерабатываемый материал ароматизаторов, красителей, пластификаторов и вкусо-
вых добавок.
При термопластической экструзии сырье в процессе перемещения в экструдере от
входа к выходу подвергают двухстадийному нагреванию. На первой стадии осущест-
вляется нагрев сырья до температуры 60...80 °С. При такой температуре и содержа-
нии воды до 30 % биополимеры пластифицируются и переходят из стеклообразного
состояния в высокоэластическое. На второй стадии температура обычно поддержива-
ется в пределах 120... 190 °С, материал переходит в вязко-текучее состояние, образуя
расплав биополимеров. В этих условиях происходит денатурация нативных белков и
желатинизация крахмалов. При этом кристаллические области способных к кристал-
лизации биополимеров, например амилозы и амилопектина в составе крахмала, пла-
вятся, а аморфные переходят из неупорядоченного высокоэластического состояния в
вязко-текучее. Начинается структурообразование расплавов, фиксируемое затем в
получаемых экструдатах.
Наиболее интенсивно структурообразование расплавов биополимеров протекает
под действием сил сдвига и растяжения в головке экструдера. Это обусловлено изме-
нением реологических условий течения в этих зонах.
Форма экструдата определяется формой отверстий в матрице, которую устанав-
ливают на выходе материала из экструдера. Экструзионные продукты питания, со-
держащие преимущественно крахмал, могут иметь однородную или пористую микро-
структуру, а продукты, основным компонентом которых являются белки, характери-
зуются волокнистой или пористой анизотропной микроструктурой.
Необходимыми условиями получения экструзионных продуктов питания являют-
ся:
увлажнение и пластификация сырья, получение расплава биополимеров, денатура-
ция белков и клейстеризация крахмалов, структурирование расплава под действием
сил сдвига и растяжения, его охлаждение и формование.
При термопластической экструзии в перерабатываемом материале происходят
необратимые биофизические изменения, прежде всего белков, крахмала и сахара.
Экструдат затем сушат или обжаривают и покрывают вкусовыми добавками. Спосо-
бом термопластической экструзии получают сухие завтраки, хлебцы, сухие напитки,
супы, аналоги мясо- и рыбопродуктов.
Для создания рабочих теорий процесса экструзии правомерно использование
моделей изотермического, адиабатического, политропического и произвольного те-
плового режимов работы зоны дозирования.
Для рассмотрения традиционных математических моделей процессов экструзии,
удобнее всего разделить их на три основные группы моделей: гидродинамические,
геометрические и реологические.
Так, уравнение математической модели дозирующей зоны экструдера по Мак-
Келви имеет вид:
n = F
d
[{U
z
hW)/2]-[(h
i
w)/{l2
l
i
H
)](dP/dz)F
p
,
где П - объемная производительность зоны дозирования, м
3
/с; U
z
- компонента скоро-
сти движения корпуса относительно шнека в направлении z, м/с; h - глубина канала