Практическая работа № 2 Изучение принципиальных схем оборудования для производства карамели и ириса

Производство карамельных изделий в зависимости от рецептур­ного ассортимента включает приготовление карамельного сиропа и его уваривание до карамельной массы, охлаждение и механическую обра­ботку карамельной массы, образование жгута и формование карамель­ных изделий, охлаждение карамельных изделий. На рисунке 2 представлена машинно-аппаратурная схема производства карамели с фруктово-ягодными начинками.

Рис. 2 Машинно-аппаратурная схема производства карамели с фруктово-ягодными начинками

Сахар-песок из мешков через решетку с размером ячеек не более 5 см загружается в приемную воронку просеивателя 17. После очистки от посторонних примесей через бункер промежуточный 19 ковшевым элеватором сахар-песок подается в бункер-накопитель, а далее дозатором ленточным 20 и шнеком 21 – в смеситель непрерывного действия 22 для растворения. В тот же смеситель с помощью объемных дозаторов 23-25, соответственно рецептуре дозируется вода, патока, инвертный сироп и смешиваются. Уваренный сироп через фильтр стаканчатый 26 каждые 1,5-2 мин. выгружаются с помощью автомата или вручную и подается в змеевиковый сборник-охладитель 27, а далее насосом шестеренным 2- в сборник промежуточный 28. При производстве карамельного сиропа соотношение сахара и патоки по унифицированной рецептуре составляет 1:0,5. В зависи­мости от принятых технологических схем и используемого оборудования допускается изменять соотношение сахара и патоки, пре­дусмотренное унифицированной рецептурой. При полной обеспе­ченности предприятия патокой рекомендуется увеличивать расход последней до 70 % (по отношению к сахару). При отсутствии необ­ходимого количества патоки используется инвертный сироп. Карамельный сироп не должен содержать кристаллов сахара, должен быть стабильным по влажности и массовой доле редуци­рующих веществ. Инверсия сахарозы в процессе приготовления сиропа должна быть минимальной. Типовой способ приготовления карамельного сиропа преду­сматривает непрерывное растворение сахара в водно-паточном ра­створе под давлением в сироповарочных агрегатах, например ШСА-1. Сироповарочные агрегаты состоят, как правило, из двух самосто­ятельных частей: рецептурной станции и оборудования для полу­чения карамельного сиропа. В состав рецептурной станции вхо­дят приемные сборники для патоки, воды и инвертного сиропа, а также дозирующие насосы (23-25). Одна станция может обслу­живать несколько сироповарочных агрегатов. Карамельный сироп уваривают до карамельной массы в основ­ном в вакуум-аппаратах непрерывного действия производитель­ностью 500 и 1000 кг/ч со змеевиковым варочным аппаратом 30 и выносной вакуум-камерой 31. Карамельный сироп подается на­сосом-дозатором 29 и змеевиковый вакуум-варочный аппарат 11. Давление греющего пара при уваривании 0,3-0,6 МПа. Температура карамельной массы при выгрузке из вакуум-аппарата от 102 до 125 °С. Уваренная карамельная масса поступает в приемную воронку 32 машины охлаждающей 33 и выходит из нее в виде непрерывной ленты определенной толщины и ширины. При изготовлении карамельной массы с соотношением сахара и патоки 100:50 рекомендуемая толщина слоя не более 6 мм, при снижении количества патоки – 2 мм. Рецептурные добавки (кислота, красители, ароматизаторы и др.) подаются непрерывно действующими объемными дозаторами 34 и 35 на ленту карамельной массы, которая с помощью проминальных устройств непрерывного действия 36 образуют жгут. В процессе вытягивания массы изменяется ее цвет, уменьшается плотность. Масса приобретает шелковистый внешний вид и хрупкость. Продолжительность обработки массы 1-1,5 мин. После тянульной машины карамельная масса при температур, 70-80 °С непрерывно по ленточному конвейеру поступает в ма­шину карамелеподкаточную 37 с начинконаполнителем 38. В формирующийся карамельный батон подается фруктово-ягодная начинка. Трубка наполнителя прогревается перед началом работы самой начинкой, температура которой вначале должна быть на 5—7 °С выше рабочей. Для приготовления начинок допускается использовать яблоч­ное пюре, которое поступает на производство в бочках или бестарно. Пюре из бочек 7 насосом 2 (например, шестеренным) пе­рекачивается в сборники (например, танк универсальный с ме­шалкой 3). Из них перекачивается насосом 2 в шпаритель 4 и через емкость промежуточную 5 подается в сборник 6. По мере необходимости перед направлением на производство пюре про­тирается в машине протирочной 7. В смесителе 9 готовится фрук­товая смесь для фруктово-ягодной начинки. Сахарный сироп и патока дозируются объемными дозаторами 8. Фруктовая смесь подается насосом-дозатором 10 на уваривание в змеевиковом варочном аппарате 11 с пароотделителем 12. Начин­ки увариваются до влажности 14— 19 %. Уваренная фруктовая масса поступает в емкость промежуточ­ную 13, а далее при температуре 80— 85 °С — в машину темпери­рующую 16. Вкусовые добавления (кислота и эссенция) для на­чинки также дозируются в машину темперирующую 16 дозатора­ми объемными 14 и 15. Для формирования карамельного батона начинка поступает в машину карамелеподкаточную 37 из начинконаполнителя 38. Из карамелеподкаточной машины карамельный жгут подается в ма­шину жгутовытягивающую (калибрующую) 39, а далее - в карамелештампующую 40. Карамельная цепочка из соединенных перемычками карамелек отводится узким конвейером 41, при этом охлаждаясь до 65-70 °С, и поступает на вибролоток питающий 42. Вибролотком карамель подается в аппарат охлаждающий 43, где охлаждается до температуры не выше 35 °С. Для этой цели применяется агрегат для охлаждения карамели в охлаждающем аппарате составляет 1,5 мин. Охлажденную карамель вибролоток отводящий 44 подает на конвейер распределительный 45, далее – на машины для завертывания 46. Завернутую продукцию упаковывают в короба и отправляют на реализацию.

На рисунке 3 представлена схема производства аморфного ириса.

Рис. 3 Схема производства аморфного ириса

Сливочное масло расплавляют в аппарате 1. По заданной программе насосом 2 масло перекачивают в сборник 4, установленный на платформе весов 3. Из сборников 5 и 6 подаются заданные количества сгущенного молока и сахаро-паточного сиропа. По окончании набора рецептурной смеси включается насос 7, он перекачивает содержимое сборника 4 в обо­греваемый смеситель 8. Тщательно перемешанная смесь насосом 9 подает­ся в теплообменник 10, где нагревается до кипения. Теплообменник обо­гревается паром давлением 300 кПа. Кипящая масса через трехходовой кран 11 и пароотделитель 12, трехходовой кран 13 поступает в обогрева­емый сборник 14 для томления.

При нагревании и уваривании молочных масс протекают различные процессы изменения Сахаров и белков: инверсия сахарозы, распад моноса­харидов, последовательная и сахаро-аминная реакции. Происходит нара­стание редуцирующих веществ, кислотности, цветности, изменяются вкус и аромат. Это в основном обусловлено реакцией меланоидинообразова- ния. Белки молока денатурируются.

Трехходовые краны необходимы для прогревания, промывки аппара­тов и трубопроводов.

Томлёная рецептурная смесь содержанием сухих веществ 84-85% на­сосом 15 перекачивается в обогреваемый расходный сборник 16. Из сбор­ника молочная смесь непрерывно подается плунжерным насосом 17 в змее- виковый варочный аппарат 18 с пароотделителем 19. Колонка обогрева­ется паром давлением 400-500 кПа. Процесс уваривания длится 1,5-2 мин при температуре 118° С до содержания сухих веществ 95±1%.

Уваренная ирисная масса по трубе 20 подается в воронку охлаждаю­щей машины 22. В трубу из дозаторов 21 могут вводится добавки, напри­мер, эссенция.

На медленно вращающемся барабане, внутрь которого поступает хо­лодная вода, ирисная масса перемещается в виде широкой тонкой ленты и быстро охлаждается до 60° С. Приспособлением 23 лента массы склады­вается вдвое, прокатывается между валками 24 и передается транспорте­ром 25 под нож 26. Ирисная масса разрезается на куски длиной 1400 мм и ленточным транспортером 27 распределяется в агрегаты ИЗМ-2 для фор­мирования и завертки.

Рассчитаем оборудование для охлаждения и обработки карамельной массы.

Уваренная жидкая карамельная масса путем охлаждения перево­дится в пластичное состояние с помощью двух- или однобарабанных машин. На этих машинах осуществляется также дозирование в кара­мельную массу ароматизирующих и красящих веществ, которые затем равномерно распределяются во всем объеме в тянульных машинах. Од­новременно в тянульных машинах происходит насыщение карамельной массы воздухом.

Справочные материалы и расчетные формулы

Охладители. Производительность П (в кг/с) одно- или двухбара-банной охлаждающей машины можно определять по формуле

(23)

где В - ширина ленты карамельной массы, м (обычно находится в пределах 400...500 мм); h - толщина ленты карамельной массы, равная зазору между охлаждающими барабанами, м (оптимальный зазор между ними находится в пределах 4...5 мм); v - скорость движения карамельной ленты по поверхности наклонной охлаждающей плиты, равная окружной скорости вращения нижнего охлаждающего барабана, м/с; ρ- плотность карамельной массы, кг/м³; К -объемный коэффициент подачи охлаждающих барабанов (обычно его прини­мают в пределах 0,9...0,95).

При известных диаметре нижнего охлаждающего барабана и час­тоте его вращения производительность охлаждающей машины опреде­ляют по формуле

₍₂₄₎

где D - наружный диаметр нижнего охлаждающего барабана, м; п - частота вращения вала нижнего охлаждающего барабана, об/с.

При известной площади поверхности охлаждения производитель­ность охлаждающей машины определяют по формуле

(25)

где F - общая площадь поверхности охлаждения машины, м²; k - средний ко­эффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); Δt - среднелогарифмическая разность между температурами карамельной массы и охлаждающей воды, °С; с_к -удельная теплоемкость карамельной массы, Дж/(кг К); t₁ и t₂ - соответственно начальная и конечная температуры карамельной массы, ºС.

При заданной производительности скорость движения карамель­ной массы (в м/с) на выходе из охлаждающей машины определяют по формуле

(26)

При заданной производительности номинальный диаметр нижнего охлаждающего барабана (в м)

(27)

Установленную мощность Р_эл (в кВт) электродвигателя для привода охлаждающей машины ориентировочно можно определять по формуле

Р_эл = (Р_{1 +} Р₂ + Р₃)/η, (28)

где Р₁ - мощность, расходуемая на привод во вращение охлаждающих бараба­нов, кВт; Р₂ - мощность, расходуемая на привод во вращение тянульных зуб­чаток, кВт; Р₃ - мощность, расходуемая на привод в движение завертываю­щих желобков, кВт; η- общий КПД привода, определяемый по кинематической схеме как произведение КПД отдельных кинематических элементов.

(29)

где M₁ и М₂ - моменты, необходимые для вращения охлаждающих барабанов, Н·м; ω₁ и ω₂ - угловые скорости охлаждающих барабанов (врад/с).

Моменты М₁ и M₂ определяют по формулам

(30)

(31)

где Р - усилие, оказываемое карамельной массой на охлаждающие барабаны, Н; D₁ и D₂ - диаметры охлаждающих барабанов, м; f - коэффициент трения бара­бана по карамельной массе; d₁ - диаметр цапфы охлаждающего барабана диа­метром D₁, м; d₂- диаметр цапфы охлаждающего барабана диаметром D₂, м; μ - приведенный коэффициент трения в цапфах барабанов (μ≈0,2).

Угловые скорости вращения барабанов

_и (32)

где п₁ и п₂ - частоты вращения охлаждающих барабанов диаметром D₁ и D₂ соответственно, об/мин.

Усилие, оказываемое карамельной массой на охлаждающие бара­баны,

(33)

где F - площадь поверхности соприкосновения, м²; р_ср - среднее давление стол­ба карамельной массы, Н/м².

р_cp=ρgH (34)

где ρ - плотность карамельной массы, кг/м³; Н - высота столба карамельной массы в загрузочной воронке, м.

Площадь поверхности соприкосновения карамельной массы с по­верхностью охлаждаемых барабанов (в м²)

₍₃₅₎

где В - ширина карамельной ленты, выходящей из зазора охлаждающих бара­банов, м; R - радиус охлаждающего барабана, м; l - длина дуги нагруженной поверхности барабана, м; α - угол, соответствующий дуге l, рад (угол захвата α ≈45º).

Мощность для привода в движение тянульных зубчатых роликов определяется аналогичным образом. Мощность для привода в движение завертывающих желобков можно принимать из расчета 50% от Р₂. Для учета дополнительных сопротивлений, возникающих во время работы охлаждающей машины, расчетную мощность увеличивают на 30...50%.

Карамельная масса при охлаждении отдает теплоту. Количество ее Q (в Вт) определяют по формуле

₍₃₆₎

где П - производительность охлаждающей машины, кг/с; с_к - теплоемкость карамельной массы при температуре уваривания, Дж/(кг·К); t₁, t₂ - температуры карамельной массы соответственно до и после охлаждения, ºС.

При охлаждении массы в прямотоке (карамельная масса и охлаж­дающая вода движутся в одном направлении) температурная схема выглядит следующим образом:

где t_B1 и t_B2 - температура воды соответственно на входе и на выходе охла­ждающей рубашки машины, ºС.

Тогда больший и меньший температурные напоры

При охлаждении в противотоке карамельная масса и охлаждающая вода движутся в противоположных направлениях:

Тогда

Если Δt_б / Δt_м ≤ 1,8, ≥ среднелогарифмическая разность между тем­пературами карамельной массы и охлаждающей воды определяется по следующему выражению:

если Δt_б / Δt_м ≥ 1,8, по формуле:

(37)

Общая площадь поверхности охлаждения (в м²)

(38)

где k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К), по данным А. Л. Сокольского, его можно принимать в пределах 139...200 Вт/(м²·К).

Рабочую площадь поверхности барабанов F₆, (в м²), на которой происходит охлаждение карамельной массы, определяют по формуле

₍₃₉₎

Рабочая площадь поверхности наклонной охлаждающей плиты F_П

(в м²) определяется из выражения

₍₄₀₎

Длина L (в м) охлаждающего стола

L=F_П/B (41)

Расход воды W_B (в кг/с) для охлаждающей машины

(42)

где с_В -удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К).

Внутренний диаметр трубы у подводящего патрубка (в м)

(43) где ν_В - скорость движения воды, м/с (обычно ее принимают в пределах 0,1...3 м/с); ρ_В - плотность воды, кг/м³.

Тянульные машины. Производительность П (в кг/с) тянульной машины определяют по формуле

₍₄₄₎

где т_к - количество единовременно загруженной в машину карамельной массы, кг (по опытным данным т_к = 25...30 кг); τ - продолжительность обработки карамельной массы в машине, с (по опытным данным τ = 90... 120 с).

До настоящего времени процесс смешивания карамельной массы и насыщения ее воздухом изучен недостаточно. В связи с этим теоретически обоснованных формул для определения потребной мощности еще нет.

Пример расчета

Карамельная масса температурой 135 °С поступает в воронку ох­лаждающей машины из змеевикового вакуум-аппарата в количестве 700 кг/ч. Содержание сухих веществ в массе 97%. Скользя по поверх­ности машины, карамельная лента охлаждается до 90 °С водой, подавае­мой прямотоком в водяную рубашку. Температура воды на входе 17 °С, на выходе - 26 °С. Средний коэффициент теплопередачи от карамель­ной массы охлаждающей воде 175 Вт/м²·К). Определить количество теплоты, отдаваемой карамельной массой, общую площадь поверхности теплообмена и расход воды.

Количество теплоты (в Вт), отдаваемой карамельной массой, опре­деляем по формуле (3.13), учитывая, что с_к = 4186,8 [0,43 + 0,0025 х (112,5 - 85)] = 2088,2 Дж/(кг·град), где 112,5 - температура t_ср, вхо­дящая в формулу

с_к = 4186,8 [0,43 + 0,0025 (t_ср - 85)]:

Для расчета площади поверхности теплообмена составляем темпе­ратурную схему процесса и определяем Δt_б и Δt_м:

Δt_б=135-17=118

Δt_м=90-26=64

Δt_б/Δt_м=118/64=1,844

Поэтому Δt_б/Δt_м > 1.8, для подсчета среднелогарифмической раз­ности между температурами карамельной массы и охлаждающей воды применяем формулу, указанную выше:

Общая площадь (в м²) охлаждающей поверхности машины опреде­ляется по формуле:

Количество, воды (в кг/с) для охлаждающей машины рассчитываем по формуле:

Задачи

1. Карамельная масса из загрузочной воронки охлаждающей ма­шины при вращении барабана выходит в виде ленты шириной 400 мм со скоростью 3 м/мин. Плотность карамельной массы 1550 кг/м³. Опреде­лите, какую производительность будет иметь однобарабанная охлаж­дающая машина, если толщину карамельной ленты принять 4 мм, а ко­эффициент объемной подачи 0,9.

2. Рассчитайте производительность барабанной охлаждающей ма­шины по следующим данным:

B, мм	400	425	450	475	500
H, мм	6,0	5,5	5,0	4,5	4,0
ρ, кг/м3	1600	1555	1500	1450	1400
ƒ	0,95	0,93	0,9	0,92	0,94

3. Ширина ленты карамельной массы, выходящей из зазора охлаждающих барабанов, 450 мм. Скорость ее движения по наклонной плите 67 мм/с, плотность карамельной массы 1500 кг/м³. Определите толщину ленты карамельной массы, выходящей из охлаждающей машины, имею­щей производительность 11 кг/мин, а объемный коэффициент подачи 0,93.

4. На сколько изменится величина зазора между охлаждающими барабанами по условию предыдущей задачи, если плотность охлаждае­мой кондитерской массы принять равной 1,4 10³ кг/м³?

5. Определите, достаточна ли скорость движения 0,04 м/с для по­лосы карамельной массы по наклонной плите охлаждающей машины, чтобы обеспечить работу тянульной машины, имеющей производитель­ность 500 кг/ч, если плотность карамельной массы 1550 кг/м³, толщина полосы 5 мм, ширина 400 мм, а объемный коэффициент подачи охлаж­дающих барабанов 0,9.

6. На барабанной машине охлаждается 800 кг/ч карамельной массы плотностью 1460 кг/м³. Ширина карамельной ленты, сходящей с по­верхности нижнего барабана, 0,5 м. Зазор между верхним и нижним барабанами 0,005 м, коэффициент объемной подачи охлаждающих ба­рабанов 0,95. Какой должна быть скорость движения карамельной лен­ты на выходе из машины?

7. Определите необходимую скорость движения карамельной лен­ты по наклонной плите охлаждающей машины при следующих данных:

П, кг/мин	7,0	9,5	10,5	12,5	14,0
В, мм	500	480	460	430	400
h, м	0,005	0,0048	0,0045	0,0042	0,004
ρ, кг/м3	1550	1520	1500	1460	1400
ƒ	0,95	0,94	0,93	0,92	0,9

8. Диаметр барабана охлаждающей машины 1200 мм; с его поверхно­сти при скорости 50 мм/с на наклонную плиту сходит ирисная лента. Оп­ределите оптимальную частоту вращения вала охлаждающего барабана.

9. Рассчитайте скорость движения ирисной массы по наклонной плите и наружный диаметр барабана охлаждающей машины производи­тельностью 600 кг/ч, если ширина ленты 500 мм, толщина ленты 4 мм, плотность ирисной массы 1,4 т/м³, коэффициент объемной подачи 0,95, частота вращения вала барабана 0,99 об/мин.

10. Производительность охлаждающей машины 0,25 кг/ч по кара- мельной массе плотностью 1460 кг/м³. Вал нижнего барабана вращается с угловой скоростью 0,39 рад/с. Проходя через зазор, карамельная масса принимает форму полосы с площадью поперечного сечения 0,0025 м².

Определите диаметр нижнего барабана у охлаждающей машины, если коэффициент объемной подачи равен 0,94.

11. Общая площадь поверхности охлаждения у машины 0,6 м*. Средний коэффициент теплопередачи 175 Вт/(м²·К). Нижний барабан и наклонная плита машины охлаждаются водой, температуры которой на входе и выходе из машины соответственно равны 15 и 25 °С. Средне-логарифмическая разность между температурами карамельной массы и охлаждающей воды 87,5 °С. Вычислите теоретическую производитель­ность охлаждающей машины, если средняя удельная теплоемкость ка­рамельной массы равна 2100 Дж/(кг·К).

12. В воронку охлаждающей машины производительностью 0,35 кг/с подается карамельная масса температурой 120 °С, охлаждаю­щаяся до 95 °С. Температуры воды на входе и выходе водяной рубашки соответственно равны 15 и 25 °С. Рассчитайте суммарную площадь по­верхности охлаждения у машины, если средняя удельная теплоемкость карамельной массы 2,1 кДж/(кг·К), а коэффициент теплопередачи 140 Вт/(м²·К).

13. В машине охлаждается 800 кг/ч карамельной массы, темпера­туры которой на входе и выходе соответственно равны 130 и 95 °С. Вы­числите, какое количество теплоты необходимо отводить от карамель­ной массы в процессе охлаждения.

14. В процессе охлаждения от карамельной массы отвели 20500 Вт теплоты. Температуры карамельной массы на входе и выходе соответ­ственно равны 135 и 95 °С, охлаждающей воды - 15 и 25 °С. Рассчитай­те необходимую площадь поверхности охлаждения у машины при сред­нем коэффициенте теплопередачи 200 Вт/(м² - К).

15. Температура карамельной массы, скользящей по поверхности охлаждения машины, снижается на 40 °С. Производительность машины 14 кг/мин, температура карамельной массы на выходе из нее 90 °С, тем­пература воды на входе и выходе из водяных рубашек 17 и 28 °С. Опре­делите необходимый расход воды и внутренний диаметр подводящего патрубка, если скорость движения воды в патрубке 1,5 м/с.

16. Установочная мощность электродвигателя на приводе охлаж­дающей машины 1,5 кВт, частота вращения 1420 об/мин. Вычислите частоту вращения вала нижнего охлаждающего барабана и крутящий момент на распределительном валу по данным табл. 3.1 и рис. 3.1.

17. Рассчитайте, с какой скоростью будет перемещаться карамель­ная масса по поверхности наклонной плиты охлаждающей машины по условию предыдущей задачи и характеристике элементов передач, ука­занных в табл. 3.1.

18. Рассчитайте толщину ленты карамельной массы, угловую ско­рость барабана и выполните тепловой расчет охлаждающей машины для карамельной массы НОМ-2.

19. Температура карамельной массы в воронке охлаждающей ма­шины 130 °С, на выходе из машины - 90 °С. Вода в охлаждающую ру­башку подается противотоком с температурой на входе в рубашку 15 °С, на выходе, из нее - 25 °С. Вычислите температурный напор и удельную теплоемкость карамельной массы.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое карамельная масса?

2. Какие виды карамельной массы вы знаете?

3. Наличие какого моносахарида приводит к намоканию карамели при хранении?

4. Как рассчитать производительность тянульной машины?

5. Как найти производительность охладителей?