Розроблення та обгрунтування параметрів апарату для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів в умовах потокового виробництва

Abstract

Дисертація присвячена розробці методологічного підходу до проектування обладнання для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів в умовах потокового виробництва. Основа методологічного підходу полягає у визначенні фізико-механічних показників продукту, на які впливає процес вакуумного охолодження, та розрахунку режимних параметрів цього процесу за допомогою розробленої математичної моделі, яка враховує вплив вакуумного охолодження на фізико-механічні показники продукту. У дослідженні виконано огляд існуючих способів та обладнання для охолодження хлібобулочних виробів в умовах сучасного хлібопекарського підприємства, а також проаналізовано процес вакуумного охолодження та його вплив на фізико-механічні показники продукту. Визначено фізико-механічні показники продукту, надмірний вплив на які може призвести до руйнування виробів, і є обмежуючими значеннями технічних параметрів апарату для вакуумного охолодження. На основі аналізу способів та обладнання для охолодження хлібобулочних виробів було визначено що вакуумний спосіб охолодження є перспективним з огляду на енергоефективність та швидкість охолодження хлібобулочних виробів. Водночас існуюче обладнання для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів вимагає ручної праці, не забезпечує потоковості виробництва, має великі вільні об’єми вакуумних камер, що в свою чергу збільшує тривалість охолодження, та зменшує енергетичну ефективність вакуумного способу охолодження хлібобулочних виробів. Це зумовлює необхідність створення апарату для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів в умовах потокового виробництва. На основі проведених досліджень процесу вакуумного охолодження на прикладі батону визначено, що внаслідок надмірної швидкості зниження тиску у вакуумній камері, в об’ємі (м’якушці) батона починається випаровування вологи, в результаті чого виникає перепад тиску між середовищем в об’ємі (м’якушці) батона та середовищем вакуумної камери, як наслідок відбувається руйнування виробу, а саме розтріскування скоринки та відрив м’якушки від нижньої скоринки. Отже обмежуючими параметрами процесу що відбувається у вакуумній камері апарату для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів є газова проникність скоринки, та структурно-механічні властивості м’якушки. Зазначені параметри визначають гранично допустимі значення швидкості зниження тиску у вакуумній камері, що у свою чергу впливає на конструктивні параметри вакуумної камери (форма, довжина, ширина, висота) обладнання для вакуумного охолодження. На основі проведених досліджень, виконаних на розробленій експериментальній установці за розробленою методикою, встановлено, що скоринка хліба є основною перешкодою для виходу пари з виробу, тобто характеризується відносно низькою газовою проникністю (0,32... 0,42 (м3/(м2 с))), тоді як м’якушка має відносно високу газову проникність (1,5...9,4 (м3/(м2 с))), що практично не обмежує перебіг процесу вакуумного охолодження. Що дає змогу знехтувати впливом м’якушки на перебіг процесу вакуумного охолодження і зосередити свою увагу на газовій проникності скоринки як одному із факторів який визначає допустиму швидкість зниження тиску у вакуумній камері. Крім того, дослідження структурно- механічних властивостей м’якушки хліба, проведені за розробленою методикою на напівавтоматичному пенетрометрі АП 4/1 з плоским індентором, показали, що границя міцності м’якушки обернено пропорційна до її температури: чим вища температура м’якушки тим менша границя міцності. Таким чином, газова проникність скоринки та структурно-механічні властивості м’якушки є ключовими обмежуючими параметрами при визначенні допустимої швидкості зниження тиску у вакуумній камері, що безпосередньо впливає на конструктивні параметри обладнання для вакуумного охолодження хліба - зокрема геометричних параметрів вакуумної камери (форма, довжина, ширина, висота) та потужність вакуумного насосу. На основі результатів проведених досліджень розроблено математичну модель процесу вакуумного охолодження у вакуумній камері апарату, яка враховує вплив цього процесу на фізико-механічні властивості продукту, та дозволяє визначати такі режимні параметри зниження тиску у вакуумній камері апарату для вакуумного охолодження в часі, за яких не відбувається руйнування продукту. Розроблена математична модель процесу вакуумного охолодження у вакуумній камері апарату є інструментом в проектуванні обладнання для вакуумного охолодження, який дозволяє визначати як технологічні параметри процесу (тиск, температура, тривалість), так і конструктивні параметри обладнання, а саме: геометричні розміри вакуумної камери (форма, довжина, ширина, висота), параметри накопичувального конвеєра (довжина, кількість секцій, крок переміщення) та завантажувального механізму (тип, швидкість, напрям подачі), дозволяє скласти циклограму роботи апарата. За результатами досліджень та розрахунків, проведених у рамках наукової роботи, розроблено конструкцію апарату для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів в умовах потокового виробництва, розроблено циклограму роботи та схему роботи пневмоприводів з електронним керуванням запропонованого обладнання. За допомогою імітаційного моделювання з використанням SOLIDWORKS Simulation виконано перевірку найбільш навантаженого вузла апарату - вузла вакуумування на міцність та деформацію, визначено раціональну будову вакуумної камери. Результати проведених в роботі комплексних наукових досліджень є основою для практичних рекомендацій по вдосконаленню відомого, або розробці нового обладнання для вакуумного охолодження. Результати проведених досліджень та запропонована в роботі конструкція апарату для вакуумного охолодження хлібобулочних виробів обговорені на технічній нараді підприємства ТОВ «КИЇВСЬКИЙ ПЕКАРНИЙ ДГМ» за участю провідних працівників. Висновком підприємства було те, що результати проведеної науково- дослідної роботи мають беззаперечне значення для вдосконалення роботи підприємств хлібопекарської промисловості не лише України, результати мають бути поширені на весь асортимент хлібобулочних виробів. Результати науково-дослідної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри машин і апаратів харчових та фармацевтичних виробництв. The dissertation is devoted to the development of a methodological approach to the design of equipment for vacuum cooling of bakery products in the conditions of in-line production. The basis of the methodological approach is to determine the physical and mechanical parameters of the product affected by the vacuum cooling process and to calculate the operating parameters of this process using the developed mathematical model that takes into account the effect of vacuum cooling on the physical and mechanical parameters of the product. The study reviews the existing methods and equipment for cooling bakery products in a modem bakery enterprise, and analyzes the process of vacuum cooling and its impact on the physical and mechanical characteristics of the product. The physical and mechanical parameters of the product, excessive influence on which can lead to the destmction of products and are the limiting values of the technical parameters of the vacuum cooling apparatus, are determined. Based on the analysis of methods and equipment for cooling bakery products, it was determined that the vacuum cooling method is promising in terms of energy efficiency and speed of cooling bakery products. At the same time, the existing equipment for vacuum cooling of bakery products requires manual labor, does not ensure the flow of production, has large free volumes of vacuum chambers, which in turn increases the cooling time and reduces the energy efficiency of the vacuum method of cooling bakery products. This necessitates the creation of an apparatus for vacuum cooling of bakery products in an in-line production. Based on the studies of the vacuum cooling process on the example of a loaf, it was determined that due to the excessive rate of pressure reduction in the vacuum chamber, moisture evaporation begins in the volume (crumb) of the loaf, resulting in a pressure drop between the medium in the volume (crumb) of the loaf and the vacuum chamber environment, which leads to product destruction, namely, cracking of the crust and detachment of the crumb from the lower crust. Therefore, the limiting parameters of the process in the vacuum chamber of the apparatus for vacuum cooling of bakery products are the gas permeability of the crust and the structural and mechanical properties of the crumb. These parameters determine the maximum permissible values of the rate of pressure reduction in the vacuum chamber, which in turn affects the design parameters of the vacuum chamber (shape, length, width, height) of the vacuum cooling equipment. Based on the studies carried out on the developed experimental setup according to the developed methodology, it was found that the bread crust is the main obstacle to the escape of steam from the product, i.e., it is characterized by a relatively low gas permeability (0,32...0,42 (m3/(m2-s))), while the crumb has a relatively high gas permeability (1,5...9,4 (m3/(m2-s))), which practically does not limit the course of the vacuum cooling process. This makes it possible to neglect the influence of the crust on the course of the vacuum cooling process and focus on the gas permeability of the crust as one of the factors that determines the permissible rate of pressure reduction in the vacuum chamber. In addition, the study of the structural and mechanical properties of bread crust, conducted according to the developed methodology using a semi-automatic penetrometer AP 4/1 with a flat indenter, showed that the tensile strength of the crust is inversely proportional to its temperature: the higher the crust temperature, the lower the tensile strength. Thus, the gas permeability of the crust and the structural and mechanical properties of the crumb are the key limiting parameters in determining the permissible rate of pressure reduction in the vacuum chamber, which directly affects the design parameters of the equipment for vacuum cooling of bread, in particular the geometric parameters of the vacuum chamber (shape, length, width, height) and the power of the vacuum pump. Based on the results of the conducted research, a mathematical model of the vacuum cooling process in the vacuum chamber of the apparatus has been developed. This model takes into account the influence of the process on the physical and mechanical properties of the product and makes it possible to determine the operating parameters of pressure reduction in the vacuum chamber over time, under which the product remains undamaged. The developed mathematical model of the vacuum cooling process in the vacuum chamber serves as a tool for designing vacuum cooling equipment, enabling the determination of both technological process parameters (pressure, temperature, duration) and structural parameters of the equipment, such as the geometric dimensions of the vacuum chamber (shape, length, width, height), parameters of the accumulation conveyor (length, number of sections, step of movement), and loading mechanism (type, speed, direction of feed). It also allows the development of the operation cycle chart of the apparatus. Based on the results of the research and calculations carried out as part of the research work, the design of the apparatus for vacuum cooling of bakery products in the conditions of in-line production was developed, the cyclogram of operation and the scheme of operation of pneumatic drives with electronic control of the proposed equipment were developed. With the help of simulation modeling using SOLIDWORKS Simulation, the most loaded unit of the apparatus - the vacuum unit - was tested for strength and deformation, and the rational structure of the vacuum chamber was determined. The results of the comprehensive scientific research conducted in this work are the basis for practical recommendations for improving the known or developing new equipment for vacuum cooling. The results of the conducted research and the apparatus design for vacuum cooling of bakery products proposed in this work were discussed at a technical meeting of the enterprise LLC "KYIV BAKERY HOUSE" with the participation of leading specialists. The conclusion of the enterprise was that the results of the research work are of undeniable importance for improving the operation of bakery industry enterprises not only in Ukraine, but also beyond. The results should be extended to the entire range of bakery products. The results of the research work are used in the educational process of the Department of Machines and Apparatus of Food and Pharmaceutical Production.