4. Свч сублиматоры

СВЧ-сублиматоры считаются одним из перспективных видов бытовых приборов. Сублимированные продукты сохраняют не только питательные вещества гораздо лучше, чем сушеные или термообработанные, но и присущую им форму, цвет, запах. Упакованные в полиэтиленовую тару, сублимированные продукты могут храниться несколько лет в обычных условиях. Для восстановления сублимированного продукта достаточно его увлажнить, опустив в воду.

Процесс сублимационной сушки продуктов заключается в том, что испарение влаги из продукта происходит после предварительного замораживания. К быстрозамороженному продукту при температуре или ниже подводят тепло или СВЧ-энергию. Происходит испарение (сублимация) влаги; находящейся в твердом состоянии (лед), без перехода в жидкое состояние.

Конструктивно СВЧ-сублиматоры представляют собой соединение морозильника и СВЧ-печи. В камеру СВЧ-печи вводят испаритель морозильника, позволяющий снизить температуру в камере до . В эту же камеру вводят СВЧ-энергию от магнитронного генератора. Управляя температурой в камере, мощностью и временем работы магнитрона, можно обеспечить оптимальный технологический режим не только сублимации, но и приготовления пищи к заданному моменту времени без участия потребителя. Загрузив подготовленный к приготовлению продукт, охлаждают камеру, что позволяет хранить продукт в течение нужного времени. К заданному сроку, который устанавливают на пульте микропроцессорного управления сублиматором, включается СВЧ-генератор и продукт доводится до готовности. В этом отношении очень удобны замороженные продукты, изготовленные пищевой промышленностью.

Объем производства замороженных продуктов (вторых блюд, мясных и овощных наборов, фруктов, ягод) будет постоянно увеличиваться, а использование их в быту значительно улучшит ассортимент, обеспечив этим рациональное питание (с позиций витаминности и калорийности) и сократив время для приготовления пищи.

6. Процессы обработки пищевых продуктов и жидкостей

Варка, жарка и выпечкаотносятся к специфическим тепломассообменным процессам [].

Варка супов, бульонов, мяса, рыбы и др., жарка и выпечка представляют собой сложные нестационарные тепломассообменные процессы.

1. Варка

Варка – тепломассообменный процесс, который протекает в сложной неоднородной многокомпонентной системе. При варке образуются как эмульсии – жир в воде, так и суспензии – твердые компоненты в воде или эмульсии. В ходе многостадийного процесса происходит нагревание жидкой среды, твердых, пастообразных и других компонентов.

При варке протекают массообменные процессы – экстракция, растворение, выщелачивание, теплообменные – выпаривание и др. При выпаривании происходят удаление воды, уваривание и разваривание, что приводит к изменению теплофизических свойств, а именно: плотности, вязкости, удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности, как отдельных компонентов, так и всей системы в целом. При варке изменяются структура, внешний вид, цвет продукта. Происходят физико-химические изменения жиров, белков, углеводов и других компонентов сырья. Например, готовность мяса определяют по цвету. Миоглобин придает мясу красный или розовый цвет при температуре варки 50...70 , при температуре 80 происходит денатурация миоглобина и мясо приобретает серовато-коричневый цвет. Показателем готовности мяса при варке является деструкция коллагена, который уже при температуре 58...62 превращается в глютин. Количество образовавшегося глютина зависит от температуры варки.

Процесс варки можно подразделить на собственно варку, припускание (частичное погружение продукта в жидкую среду) и тушение. Варку проводят в жидкости или атмосфере водяного пара при атмосферном, избыточном давлении или в вакууме.

Варку при атмосферном давлении проводят в двух режимах: при «тихом» кипении при температурах 96...98 и доведении жидкости до температуры кипения с последующим прекращением подвода теплоты. В этом случае кулинарная готовность достигается за счет аккумулированной варочной системой теплоты.

Варку в атмосфере насыщенного водяного пара проводят при температурах 100...110, а в атмосфере перегретого пара – при 140... 160.

При этом слои продукта достаточно быстро нагреваются до температуры 75...80 , соответствующей кулинарной готовности.

Следует отметить, что применяемый для варки пар должен быть чистым и не содержать вредных примесей.

Рассмотрим процесс теплообмена при варке пищевых продуктов.

Варка происходит в варочных открытых и закрытых емкостях: кастрюлях, котлах, автоклавах.

Теплообмен при варке представляет собой последовательный многостадийный процесс.

Теплота подводится к варочной емкости теплопроводностью от конфорок, которые обогреваются тэнами.

К дисперсионной среде теплота от стенки варочной емкости передается теплопроводностью, а при перемешивании системы также естественной или принудительной конвекцией. К твердым компонентам от жидкости теплота, как правило, передается теплопроводностью и конвекцией. Внутри твердых компонентов теплота распространяется теплопроводностью.

Математически процесс можно описать системой дифференциальных уравнений Фурье:

где – коэффициенты теплопроводности соответственно материала варочной емкости, эмульсии, твердых компонентов,;– нормаль к изотермической поверхности;– соответствующие поверхности теплообмена,;– продолжительность варки.

При наличии конвективного теплообмена в варочном котле от стенок к жидкости количество теплоты:

,

где – коэффициент теплоотдачи конвекцией,;и– температуры жидкости и стенки емкости.

Из этих уравнений можно получить выражение для определения коэффициента теплопередачи:

.

Коэффициент теплоотдачи при конвективном подводе теплоты определяют по уравнению для случая естественной конвекции и - для случая принудительной конвекции.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции рассчитывают на основе критериального уравнения:

,

где ,,- критерии Нуссельта, Грасгофа и Прандтля;и- числовые коэффициенты.

Числовые значения коэффициентов ивыбирают в зависимости от произведенияиз таблицы (Таблица 3).

Таблица 3

Значения коэффициентов ик уравнению

	0,45	0
	1,18
	0,54
	0,135

Определяющей температурой в критерии Грасгофа является средняя температура пограничного слоя , а. Здесьи– температуры стенки и среды,.

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвенции теплоносителя в трубе определяют по уравнениям - .

Для турбулентного режима (Re>10 000):

.

Для ламинарного режима (Re2 320):

.

При поперечном обтекании трубы теплоносителем и Re=10…2используют уравнение:

,

в котором числовые значения инаходят в зависимости от значения критерия Рейнольдса (Таблица 4):

Таблица 4

Значения коэффициентов ик уравнению

	0,50	0,5
	0,25	0,6

Определяющим размером в уравнениях - является эквивалентный диаметр канала. Физические параметры в критериях ,иопределены при средней температуре жидкости, а в критерии- при температуре стенки.учитывает влияние на теплоотдачу направления теплового потока и температурного перепада.

Скорость теплообмена будет определяться скоростью самой медленной стадии процесса. При варке в кипящей жидкости коэффициент теплоотдачи определяют по уравнениям и , полученным из критериального уравнения .

,

где – критерий Нуссельта;– критерий Рейнольдса;– критерий Прандтля;– коэффициент теплоотдачи,;–характерный (модифицированный) линейный размер, являющийся параметрической функцией критического лапласовского радиуса пузыря , выраженного через основные физические свойства кипящего теплоносителя (изобарную теплоемкость, плотности масс паровой и жидкойфаз, поверхностное натяжение, теплоту фазового превращения и температуру кипения ); – средняя скорость движения паровой фазы, которую определяют по удельной тепловой нагрузке и объемной теплоте фазового превращения.

Для пузырькового режима кипения в условиях естественного и вынужденного движения получено уравнение:

,

где – коэффициент теплоотдачи,; –безразмерный коэффициент, полученный в результате обобщения большого количества экспериментальных данных; –коэффициент кинематической вязкости, ;–коэффициент поверхностного натяжения, .

Чтобы приближенно рассчитать коэффициент теплоотдачи, можно использовать формулу для воды при кипении в большом объеме:

,

где –удельный поток теплоты, ;–давление, при котором кипит вода, Па.

Ниже приведены ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для наиболее распространенных процессов теплообмена (Таблица 5).

Таблица 5

Коэффициенты теплоотдачи процессов теплообмена

Процесс теплообмена	Коэффициент теплоотдачи,
Нагревание и охлаждение газов (атмосферное давление)	10...50
Нагревание и охлаждение органических жидкостей	50...1500
Нагревание и охлаждение воды	200...10 000
Кипение воды	500...10 000
Конденсация водных паров	4000...15 000
Конденсация паров органических жидкостей	500...2000

При варке в атмосфере влажного насыщенного пара коэффициент теплоотдачи от пара к продукту определяют по уравнению , которое получено экспериментальным путем из критериального уравнения (– коэффициент, зависящий от вида поверхности (для вертикальных стенок и труб – 0,943, для горизонтальных труб – 0,728);– критерий Кирпичева, где – теплота парообразования;– удельная теплоемкость; – разность между температурой превращения и температурой одной из фаз; – теплота перегрева или переохлаждения вещества относительно температуры фазового превращения;– критерий Галилея, гдеи– соответственно критерии Фруда и Рейнольдса,– ускорение свободного падения,;– линейный размер,;– скорость,;– коэффициент кинематической вязкости,) при пленочной конденсации водяного насыщенного пара и капиллярном стекании пленки по пучку вертикальных труб:

,

где – теплота конденсации,;– плотность конденсата,; – теплопроводность конденсата,;– динамический коэффициент вязкости конденсата,;– разность между температурой насыщенного пара и температурой стенки,;– высота вертикальной трубы или стенки, м.

Значение скрытой теплоты конденсации вычисляют при температуре конденсации, а параметры конденсата,,– при средней температуре пленки конденсата.

Удельная теплоемкость будет снижаться по мере протекания процесса с повышением концентрации жира в водожировой эмульсии. В то же время коэффициенты теплоотдачи от эмульсии к твердым компонентам могут иметь тенденцию к увеличению. Теплопроводность при варке увеличивается незначительно, но она зависит от структуры и неоднородности сырья (мясо состоит из мякоти и костей). При низкой эффективности конвективного теплообмена коэффициент теплопередачи будет определяться коэффициентом теплопроводности в системе вода–жир или в твердых компонентах.

Для определения продолжительности варки следует решить задачу нестационарного теплообмена:

,

где – критерий Фурье;– коэффициент температуропроводности,;– коэффициент теплопроводности твердого тела,;– удельная теплоемкость материала,;– плотность материала,; – линейный размер, м;– критерий Био;–коэффициент теплоотдачи,.

Важный фактор, определяющий продолжительность варки, – структура и размеры развариваемого продукта. Скорость нагревания продукта различна по направлениям, что затрудняет решение задачи.

Продолжительность нагревания жидкости до температуры кипения ориентировочно можно определить из основного уравнения теплопередачи:

где – количество жидкости, кг;– удельная теплоемкость,;и– соответственно температура кипения и начальная температура,;– коэффициент теплопередачи между средами,;– теплопередающая поверхность,;– средняя разность температур,.

При варке следует соблюдать следующие требования: обеспечивать быстрый нагрев жидкости до температуры кипения; варку проводить при «тихом» кипении, т. е. при температуре на 2...3 ниже температуры кипения; не допускать переваривания продукта и выкипания жидкости.

При соблюдении этих условий возможно уменьшить потери и разрушение витаминов и других ценных компонентов в продуктах.

В настоящее время для варки в быту в основном используют оборудование с электрообогревом. Подвод теплоты при варке осуществляется тэнами.

По технологическому принципу варочные аппараты можно разделить на аппараты для варки в кипящей жидкости и для варки в атмосфере пара.

Различают варочные аппараты с электрообогревом и с огневым обогревом. Электронагреватели могут быть расположены в самом аппарате или в рубашке аппарата, либо варочный аппарат устанавливают на плиту с плоскими, как правило, электронагревателями.Варочная емкость непосредственно установливается на электронагреватели. Такие плиты относятся к теплообменным аппаратам с контактным нагревом. Число конфорок 2...4, потребляемая мощность 7... 13 кВт.

Аппараты для варки в атмосфере пара, так называемые пароварочные аппараты, работают под атмосферным или избыточным давлением.

2. Жарка

Жарку мяса, рыбы, картофеля, мучных изделий и т. д. по технологическому принципу можно разделить на собственно жарку, обжарку и пассерование. При жарке продукт доводят до кулинарной готовности. Жарку проводят на открытой теплообменной поверхности, например сковороде, или без непосредственного контакта продукта с теплообменной поверхностью. Для жарки используют также лучистый подвод теплоты и токи СВЧ.

Жарку, как правило, проводят в слое жира, фритюре, но также и в атмосфере воздуха.

Жарку с небольшим количеством жира проводят в жарочных шкафах.

При жарке во фритюре на открытой теплообменной поверхности продукт нагревают до . При этом продукт нагревается равномерно и на всей его поверхности образуется специфическая корочка.

Жарку продуктов с большим содержанием углеводов проводят в среднегорячем фритюре при температуре . В горячем фритюре при температуре обжаривают предварительно сваренные продукты, а в очень горячем фритюре жарят продукты из теста, рыбы и др.

Предварительно жир прокаливают при температуре в течение 30 мин до тех пор, пока из него не прекратится выделение пара.

Жарка в закрытых и открытых жарочных шкафах без жира происходит за счет теплового излучения от излучателей и теплообменных поверхностей, установленных в шкафах, или от открытого огня. Теплота к продукту может подводиться также токами СВЧ.

Теплоту от греющих поверхностей к продукту подводят теплопроводностью, а от горячего воздуха – конвекцией.

Кипение влаги в продуктах происходит в результате ее нагревания в слоях, направленных от поверхности вглубь к центру.

Из теплового баланса жарки можно определить ее продолжительность.

Теплота расходуется на нагревание продукта до конечной температуры и удаление влаги при кипении.

Продолжительность процесса определяют из теплового баланса:

где – количество продукта, кг; – удельная теплоемкость продукта,; и – начальная и конечная температуры продукта, ;– количество удаленной воды, кг; – энтальпия пара,;– коэффициент теплопередачи от поверхности или среды к продукту, ; – поверхность теплообмена,;– средняя температура между теплообменной поверхностью и продуктом,.

Коэффициент теплопередачи при жарке на открытой греющей поверхности определяется коэффициентом теплопроводности стенкигреющей поверхности, жира и продукта, коэффициентами теплоотдачи от греющей поверхности к жиру и от жира к продукту (Рис. 46, а), а также коэффициентом теплопроводности. В общем виде коэффициент теплопередачи:

,

где ;– толщины стенки, слоя жира и продукта, м;^–соответствующие коэффициенты теплопроводности, ; и– коэффициенты теплоотдачи от теплообменной поверхности к жиру и от жира к продукту, .

При жарке во фритюре (Рис. 46, 6) на процесс теплопередачи будет влиять уже и теплоотдача конвекцией в слое масла.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции определяется по общей формуле:

.

Н. Н. Липатов рекомендует определять коэффициент теплоотдачи при жарке и варке от греющей поверхности к маслу и от масла к продукту по формуле:

или

,

где – удельный тепловой поток от греющей поверхности к продукту, .

В расчетах значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции принимают равным 230...460 .

Рис. 46. К расчету коэффициента тплопередачи:

а – жарка на открытой поверхности: 1 – продукт; 2 – жир; 3 – теплообменная поверхность;

б – жарка во фритюре: 1 – емкость; 2 – бульон; 3 – продукт; 4 – теплообменная поверхность

Прижарке в воздухе с использованием ИК-излучения, например в грилях с лучистым подводом теплоты, коэффициент теплопередачи, :

где приближенно учитывает скорость теплообмена одновременноконвекцией и лучеиспусканием; ; – разность температур окружающей среды и продукта, ; – толщина слоя, м; – коэффициент теплопроводности корочки, .

Подвод теплоты к жарочному оборудованиюосуществляется тэнами.

Тэны могут быть расположены в самой варочной емкости, так называемые погружные тэны, вне варочной емкости – это электроплиты с плоскими нагревателями. Теплота может передаваться от тэна к продукту через промежуточный теплоноситель – масло, например во фритюрницах, теплота может передаваться при непосредственном контакте продукта (мяса, рыбы и т. д.) с жарочной поверхностью, обогреваемой тэнами, – жарочные шкафы, и, наконец, тэны не контактируют с продуктом, а теплота передается продукту излучением – грили.

Оборудование для жарки можно разделить на жаровни, предназначенные для жарки на открытых греющих поверхностях с небольшим количеством жира (сковороды), жарочные шкафы, аппараты для жарки во фритюре, грили.

Жаровни бывают с поверхностным обогревом и с нагревом продукта ИК- и СВЧ-излучением.

Жарочные шкафы на предприятиях общественного питания в основном бывают с электрообогревом, но также применяют шкафы с радиационным, газовым и огневым нагревом.

По принципу действия жарочные шкафы бывают периодического и непрерывного действия. Жарочные шкафы непрерывного действия можно разделить на шкафы для жарки на греющей поверхности и фритюрницы для жарки при погружении продукта в большой объем жира.

Для бытовых нужд в основном используют оборудование периодического действия. Например, жарочный шкаф с открытой жарочной поверхностью. Обжариваемый продукт укладывают непосредственно на жарочную поверхность. Поверхность может быть гладкой либо рифленой. Внутри корпуса шкафа установлены тэны.

Во фритюрнице жарка происходит в большом объеме масла. Масло нагревается электронагревателями, расположенными в корпусе фритюрницы. Продукт загружают в сетчатую корзину, которую устанавливают в емкости с маслом. Во фритюрнице теплота от тэнов передается к продукту через масло. Возможна регулировка мощности нагрева и тем самым продолжительности жарки.

В контактных грилях продукт – мясо укладывают непосредственно на греющую поверхность. В корпусе гриля расположены тэны, температура которых регулируется приборами, расположенными на панели. Теплота от греющей поверхности передается продукту контактным путем. В таких грилях жарка происходит без масла.

Грили с инфракрасным нагревом предназначены для жарки и разогрева продуктов. Они оборудованы высокотемпературными электронагревателями, в частности кварцевыми лампами в виде трубок, имеющих температуру нагрева до 1050 .

Вертикальный гриль снабжен трубчатыми высокотемпературными электронагревателями, однако в гриле могут быть установлены также и высокотемпературные панели с проволочными нагревателями. Регулировка и отключение панелей производятся автоматически. Продукт нанизывают на вертикальный шампур, который вращается вокруг своей оси от электродвигателя. Под действием высокой температуры на поверхности продукта образуется аппетитная корочка. Жир, выделяющийся при жарке, собирается в маслосборнике.

Для приготовления, выпечки и разогрева продуктов применяют микроволновые печи, работа которых основана на использовании токов СВЧ. Такие печи снабжены магнетронами. Печи имеют программное управление, позволяющее полностью контролировать процесс приготовления и подогрева пищи. Внутренняя отделка камеры печи – эмалированная сталь. Корпус выполнен из нержавеющей стали. Продукты загружают в печь через герметично закрывающуюся дверцу. Предусмотрена подсветка камеры галогенной лампой. При открывании дверцы печь автоматически отключается. Нагрев продукта осуществляется за счет поглощения им микроволновой энергии поля СВЧ. Мощность в рабочей камере 0,5 кВт. Для приготовления пищи используют посуду из любого диэлектрика – стекла, фарфора, фаянса, пластмассы. Нельзя применять металлическую посуду, а также посуду с металлическим покрытием и с рисунком, выполненным металлизированной краской. Нельзя заворачивать продукты в фольгу.