Розділ 2 теплове устаткування

2.1. Класифікація способів теплової обробки харчових продуктів

2.1.1. Основні положення

Під час виробництва продуктів харчування всередині у них виникають явища різної фізичної природи, пов’язані з перенесенням теплоти. Процес перенесення теплоти здійснюється за рахунок теплопровідності. У харчових продуктах міститься велика кількість вологи, яка може переноситись у вигляді рідини або пари і впродовж всього технологічного процесу вступати у взаємодію. Такий процес може мати механічний, тепловий (передача теплоти), дифузійний (передача маси) характер.

При виготовленні напівфабрикатів і готової продукції застосо­вуються такі технологічні процеси: механічні, гідромеханічні, теплові, фізико-хімічні, електричні. Коли важко виділити основний тип явищ, то процеси розглядаються як змішані: дифузійно-теплові, механіко-теплові, електродифузійні.

До теплових процесів належать процеси передачі теплоти через стінки (поверхні нагріву) апаратів, розігріву апаратів (виходу їх на робочий режим), втрат теплоти у навколишнє середовище, розморо­жування і розігрівання кулінарних виробів.

До дифузійних процесів можна умовно віднести варіння бульйонів при постійній температурі (під час кипіння). До механічних належать процеси перемішування продуктів, транспортування продуктів, посуду, комплексних обідів та ін. До електричних – процеси індукційного нагрівання, нагрівання провідників електрич­ним струмом, регулювання потужності електротеплових апаратів. До хімічних – процеси спалювання різних видів палива.

132

У виробничому процесі підприємств ресторанного господарства дифузійно-теплові процеси застосовуються найбільш широко і є основними в обробці харчових продуктів. До них належать процеси смаження (у шафах, фритюрницях, на сковородах), випікання, варіння при температурі, що змінюється, пасерування, багато комбінованих процесів.

Процеси можуть бути також класифіковані залежно від зміни їх параметрів (швидкості, температур тощо) у часі. За цією ознакою процеси поділяються на сталі (стаціонарні) і несталі (нестаціонарні).

У сталих процесах значення кожного із параметрів, що характеризують процес, постійні в часі, а в несталих – змінні. Аналіз характеристик несталих процесів найбільш потрібен для автома­тичного регулювання.

Усі технологічні процеси на харчових підприємствах відбува­ються за загальними фізико-хімічними законами. Основу будь-якого технологічного процесу складає швидкість протікання процесу, а також закон збереження речовини і енергії (матеріальний і енерге­тичний баланси).

Швидкість протікання процесу пропорційна величині його рухомої сили і обернено пропорційна опору.

Швидкість передачі теплоти визначається за рівнянням

,

де Q – кількість переданої теплоти, Вт; F – поверхня теплопередачі, м²;  – тривалість процесу, с; t – температурний напір, що є рушійною силою процесу передачі тепла, С; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²К; – опір передачі тепла, обернений по величині коефіцієнта теплопередачі.

Швидкість теплових процесів значною мірою залежить від гідродинамічних умов (швидкостей, режимів протікання), при яких здійснюється процес перенесення тепла між тілами.

Передача маси (дифузійний процес) розраховується за анало­гічним кінетичним рівнянням:

,

де М – кількість маси речовини, що передається за час, кг/год;

F – поверхня контакту мас, м²; k коефіцієнт, що характеризує інтенсивність передачі маси (провідність); – опір масопе­реходу;с – рушійна сила, що виникає у процесі масопереходу, яка виражається у цьому випадку різницею концентрації речовини, що передається.

Кінетичні рівняння процесів можуть бути зведені до одного виду

,

де І – швидкість процесу; х – рушійна сила процесу; L – скалярна величина, що характеризує провідність (обернено пропорційна опору).

Більш складним є випадок, коли два або більше процесів перенесення протікають одночасно. При цьому швидкість кожного з них пропорційна відповідній діючій силі, але також залежить від інших сил у системі.

З комплексу процесів може бути виділений головний, від ступеня інтенсифікації якого залежать кінцеві результати техноло­гічного процесу, наприклад:

– для здійснення технологічного процесу готування їжі, крім затрат праці, потрібні: джерело енергії для обробки харчових продуктів; апарати і машини, за допомогою яких здійснюються технологічні процеси;

– для визначення витрат продуктів під час проведення того чи іншого технологічного процесу готування їжі, виходу готової продукції, розмірів і продуктивності апаратів, а також витрат тепла, необхідно попередньо скласти матеріальний баланс. Для періодичних процесів матеріальний баланс складається на одну операцію, для безупинних процесів – на одиницю часу, наприклад на 1 год.

За законом збереження матерії, маса G₁ речовин, що надходить на переробку, повинна дорівнювати масі G₂ речовин після переробки (без обліку втрат):

G₁= G₂.

Це рівняння називають рівнянням матеріального балансу. Воно прийнятне як до процесу в цілому, так і до будь-якої його стадії. Матеріальний баланс можна складати для всіх продуктів, передба­чених технологічним процесом, або для окремих компонентів.

На практиці у процесі переробки харчових продуктів мають місце втрати, тому маса готових продуктів після технологічного процесу завжди менша за масу вихідних продуктів, що надходять на переробку:

G₁= G₂+ G_вт,

де G₁ – маса продуктів, що надходить на теплову обробку, кг;

G₂ – маса готової продукції після обробки, кг; G_вт – втрати маси продуктів, кг.

Під час теплової обробки харчових продуктів основна частка втрат припадає на вологу, що випаровується. Якщо G₁ – загальна маса продуктів, завантажених в апарат, то

G₁ = g₁ + g₂ + … + g_n,

де g₁, g₂ … g_n – маси окремих видів продуктів, кг.

Отже, матеріальний баланс для технологічного процесу готування їжі розраховуватиметься за рівнянням:

G₁ +W = G₂ +W,

де W – маса води, бульйону або молока, завантажена в апарат, кг; W – маса води, що випаровується, кг.

Для варіння продуктів (наприклад, картоплі, макаронів) у великій кількості води рівняння матеріального балансу матиме наступний вигляд:

G₁ +W = G₂ + W₁ + W,

де W₁ – маса надлишкової кількості води, що видаляється після закінчення процесу варіння, кг.

Під час здійснення багатьох технологічних процесів маса води, що випаровується, є величиною, яка залежить від виду приготованої страви, тривалості та інтенсивності теплової обробки. Так, під час варіння перших страв (суп, бульйон) упродовж однієї години випаровується 5–7% рідини, під час випікання кондитерських виробів із кислого тіста в пекарських шафах протягом 12–15 хв упікання становить приблизно 8–10%.

Варіння і смаження м’ясних, рибних, овочевих та інших виробів у різному за матеріалом і формою посуді (чавунний, стальний, алюмінієвий; високий, низький, з рівним дном тощо), а також випікання кондитерських виробів потребує різних умов теплової обробки продуктів і різного теплового режиму окремих робочих елементів апарата.

Дані матеріального балансу зводять у таблицю надходжень і витрат продуктів (продуктові відомості). Матеріальний баланс необхідний для дотримання технологічних процесів. Під час проектування нових підприємств він дозволяє правильно вибрати схему технологічного процесу, розміри апаратів і машин. За даними матеріального балансу виявляють непродуктивні витрати, а також визначають склад і якість різних відходів або побічних продуктів. Крім цього, на основі матеріального балансу визначають вихід продуктів.

Відношення маси готового продукту C₂, одержаного в результаті процесу, до маси вихідних продуктів G₁ +W , виражене у процентах, називається виходом продукту. Позначивши вихід готового продукту Z, одержимо

%.

Внаслідок випаровування води у процесі теплової обробки вихід продукту становить завжди менше 100%. Чим ближче вихід до 100%, тим досконаліший процес, тим менша витрата вихідних продуктів і тим нижча собівартість напівфабрикатів або готової продукції.

Іноді вихід готового продукту відносять не до загальної кількості завантажених продуктів, а до маси одного з будь-яких вихідних продуктів (компонентів). У цьому випадку вихід продукції може бути і більше за 100%. Наприклад, вихід каш у кулінарній практиці визначається відносно маси круп, завантажених у варильний котел.

Масу продуктів, завантажених в апарат, визначають за відповідними нормами. Маса рідини, що википіла, встановлюється за виходом готової продукції у грамах на порцію або в процентах.

Максимальна кількість порцій Пготової продукції, одержана в результаті теплової обробки, визначається з виразу

,

де V_к– загальний об’єм робочої камери, дм³;V_п– об’єм однієї порції, дм³;к_зап.– коефіцієнт заповнення робочої камери;– коефіцієнт, що зазначає, наскільки зменшився об’єм виробів у результаті випаро­вування вологи.

Нагрівання харчових продуктів пов’язане із затратами теплової енергії. Для їх визначення складають енергетичні баланси. На основі закону збереження і перетворення енергії кількість енергії, підведеної до тіла, що бере участь у технологічному процесі готування їжі, повинна дорівнювати кількості енергії, відведеної або перетвореної у ході процесу.

Якщо позначити кількість тепла W, що надходить з вихідними продуктами g₁, g₂, g₃ у вигляді фізичного тепла через Q₁, Q₂, Q₃, Q₄; тепло, що підводиться ззовні, наприклад теплоносієм, що обігріває апарат, через Q_e; тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень через Q_вн; кількість тепла, що виведена із процесу готовою продукцією (у вигляді фізичного тепла), через Q_гот.пр, а кількість тепла, що втрачається у навколишнє середовище, та всі інші можливі витрати через Q_втр., то рівняння енергетичного балансу матиме такий вигляд:

Q₁ + Q₂ + Q₃+ Q₄ + Q_e + Q_вн= Q_гот.пр+ Q_втр.

При розрахунках теплових апаратів, а також при оцінюванні існуючих пристроїв кількість тепла, що підводиться ззовні, визна­чають за рівнянням теплового балансу, на основі якого обчислюються загальна витрата тепла і коефіцієнт корисної дії.

Кожний технологічний процес має бути економічним і технічно доцільним. Раціональне його здійснення забезпечується у разі дотримання оптимальних режимів і при відповідному апаратурному оформленні, яке дозволяє досягти сучасних технологічних вимог готування їжі.

Під оптимальним режимом приготування їжі розуміють такий режим, при якому тривалість процесу і витрата тепла мінімальні, а якість готових виробів достатньо висока.