ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ КАСТРЮЛЯ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ЖИДКОЙ ПИЩИ

1. Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к технологическому оборудованию для термической обработки жидких пищевых продуктов.
2. Уровень техники
Даже во времена мировых кризисов существующее оборудование и технология пищевых производств постоянно совершенствуется и продолжается разработка новых способов и устройств. Примером технического прогресса в области термообработки пищевых продуктов может служить пароконвектомат [1], который представляет собой универсальную автоматизированную тепловую установку и используется при реализации различных способов термообработки пищи.
В Европейских странах все более широкое применение стала находить Wок-сковорода, которая с древних времен известна в Азии [2]. Благодаря эффекту Лейденфрости, который предполагает постоянное перемешивание пищи в масле при высокой температуре, продукты сохраняют свежесть, аромат и значительную часть полезных свойств. Такая технология позволяет получить высококачественный продукт, но механическое ручное перемешивание повышает затраты на ее приготовление и препятствует организации массового производства.
Патентный поиск по устройствам термообработки пищевых продуктов выполнен на основе информационных ресурсов поисковой системы ФИПС за период 2009-2017 г. В результате просмотра патентных документов по 219 объектам установлено, что для заявляемой полезной модели наиболее близким техническим решением является «Устройство для тепловой обработки жидких пищевых продуктов», патент РФ №143412 [3].
В цилиндрическом корпусе этого устройства за счет тепловой энергии электронагревателя и цилиндрической вставки сформирован циркуляционный контур, заполненный жидким пищевым продуктом. Существенным недостатком устройства является то, что регулирование скорости потока жидкой пищи и интенсивности ее перемешивания может осуществляться только ручным способом путем переключения режимов работы электронагревателя, что при отсутствии средства измерений регулируемого технологического параметра малоэффективно.
В результате проведенного поиска можно сделать вывод, что разработка новых способов и устройств в этой области техники, включая автоматизированные устройства тепловой обработки пищевых продуктов с естественной циркуляцией, является актуальной научно-технической задачей. По количеству общих признаков и достигаемому результату описанное устройство для тепловой обработки жидких пищевых продуктов [3] является наиболее близким техническим решением и выбрано в качестве прототипа.
3. Сущность полезной модели
Технической задачей является разработка автоматизированного устройства термообработки жидких пищевых продуктов, которое за счет регулируемого конвективного теплообмена обеспечивало бы автоматически регулируемую циркуляцию и перемешивание ингредиентов жидкой пищи.
В состав устройства термообработки, представляющего собой циркуляционную кастрюлю, входят следующие конструктивные элементы: корпус из тонкостенного теплопроводного материала с вертикальной теплоизоляционной перегородкой, днище в форме полукруглого лотка с опорными боковыми ножками, электрический нагреватель, теплообменник, крышка корпуса, поворотная заслонка и система автоматического регулирования расхода потока жидкой пищи. В отличие от традиционной цилиндрической формы корпус кастрюли выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, что позволяет сформировать плоско-параллельный поток жидкого продукта, при управлении которым возможно использовать стандартные регулирующие средства. Для уменьшения гидравлического сопротивления и сохранения плоско-параллельной формы потока в нижней переходной зоне днище корпуса имеет форму лотка полукруглого сечения, что в процессе циркуляции при повороте потока позволяет минимизировать местное гидравлическое сопротивление.
Для формирования циркуляционного контура и минимизации теплового потока между зонами нагревания и охлаждения в середине корпуса над уровнем верхней кромки днища установлена плоская вертикальная перегородка из теплоизоляционного материала так, что при установившемся режиме циркуляции на участке поворота потока над днищем кастрюли его живое сечение не изменяется.
Регулируемый электрический нагреватель с плоской рабочей поверхностью закреплен в зоне нагрева на тонкостенной боковой поверхности металлического корпуса кастрюли. Так как нагреватель имеет контакт по всей площади боковой поверхности, то суммарный тепловой поток позволяет при заданной разности температур создать максимально возможную мощность теплового потока. Наружные поверхности зоны охлаждения выполнены с оребрением, что способствует увеличению интенсивность отвода теплоты из зоны охлаждения в окружающую среду.
Предложенная конструкция и оснащение корпуса конвективной кастрюли боковым электронагревателем позволило за счет перепада температур создать перепад давления жидкой пищи в зонах нагревания и охлаждения и сформировать циркуляционный поток. В общем случае, перемешивание ингредиентов жидкой пищи при ее движении осуществляется за счет градиента скорости по сечению потока.
Интенсивность перемешивания во многом зависит от вида движения: ламинарного или турбулентного. Вид движения определяется по численному значению критерия Рейнольдца (Re), которое для турбулентного потока должно удовлетворять следующему неравенству
,
где:  - скорость потока; d - диаметр;  - коэффициент кинематической вязкости.
При заданном условном диаметре и коэффициенте кинематической вязкости степень перемешивания жидкой пищи достаточно хорошо коррелируется со скоростью и расходом потокапотока. С изменением скорости потока его сечение в верхней части циркуляционного контура так же изменится, что приведет к изменению объемного расхода Q, который определяется по следующей формуле:
3
Q=S, м/с,
2
где S - площадь живого сечения потока, м.
Крышка корпуса при наполнении кастрюли расположена над уровнем жидкой пищи так, что образовавшийся циркуляционный поток в верхней части кастрюли свободно проходит над верхней кромкой вертикальной перегородки. В центре корпусе крышки на поперечной горизонтальной оси закреплена поворотная заслонка, которая при отсутствии циркуляции находится в вертикальном положении и под действием силы упругости пружины прижимается к верхней кромке перегородки корпуса.
При увеличении подвода теплоты в зону нагрева к установившемуся циркуляционному потоку жидкой пищи его скорость и расход увеличиваются. Тогда под действием силы давления потока угол наклона поворотной заслонки относительно вертикальной плоскости так же возрастет. Из этого следует, что угол поворота заслонки является количественной характеристикой степени перемешивания жидкой пищи.
Поворотная заслонка снабжена устройством для измерения угла поворота с преобразователем результата измерения в электрический сигнал. Отсчет значения угла поворота заслонки осуществляется в равновесном состоянии, когда сила давления потока жидкой пищи уравновешена силой упругости пружины. Для уменьшения систематической погрешности средства измерений заслонка изготовлена из тонкого листового материала с малым удельным весом.
Для автоматического регулирования расхода циркулирующего потока жидкой пищи, предлагаемая кастрюля оснащена типовой одноконтурной системой автоматического регулирования (САР), в состав которой входят следующие элементы: первичный преобразователь, переключатель цепей управления, регулирующий прибор и исполнительный механизм. Чувствительным элементом первичного преобразователя является поворотная заслонка специальной конструкции, снабженная средством измерения угла поворота. Оснащение САР переключателем цепей управления позволяет управлять расходом циркуляционного потока жидкой пищи как в автоматическом, так и в ручном режимах.
Необходимость регулирования процесса перемешивания жидкой пищи в процессе термообработки вызвана тем, что если вязкая жидкая пища излишне интенсивно перемешивается при высокой температуре, то ее состав и структура составляющих ингредиентов могут качественно измениться, в результате чего ухудшится пищевая ценность, вкус и другие показатели качества готового продукта.
Для соблюдения технологического регламента приготовления жидкой пищи, который, как правило, предполагает изменение температуры и интенсивности перемешивания в период термообработки, регулирующий прибор САР оснащен программным задатчиком.
В целом, автоматизация термообработки пищевых продуктов повышает качество продукции и минимизирует затраты, что при массовом производстве дает существенный технико-экономический эффект.
На основе из изложенного материала можно сделать вывод о том, что совокупность признаков ограничительной и отличительной частей предлагаемой полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной задачи и ранее в полном объеме нигде не использовалась для решения поставленной задачи или других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критериям существенной новизны и полезности.
4. Примеры конкретного выполнения
Эскизный чертеж циркуляционной кастрюли для термообработки жидкой пищи и схема прорезей в трубке крышки иллюстрируются фиг. 1, 2.
Фиг. 1 - циркуляционная кастрюля для термообработки жидкой пищи.
Фиг. 2 - схема прорезей в трубке крышки.
Пример 1 конкретного выполнения
Предлагаемая циркуляционная кастрюля, позволяющая осуществлять термообработку жидкой пищи в регулируемом конвективном режиме состоит из корпуса 1 (фиг. 1) с днищем 11 и крышкой 2. Во внутреннюю полость корпуса, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, на высоте верхней кромки днища вставлена плоская перегородка 9 из теплоизоляционного материала, которая разделяет корпус на две зоны: зону нагрева А и зону охлаждения Б. На боковой поверхности зоны нагрева закреплен регулируемый электронагреватель 12 с плоской рабочей поверхностью, а внешняя боковая поверхность зоны охлаждения Б выполнена с оребрением.
Крышка корпуса состоит из двух продольных половин, соединенных между собой металлической трубкой 6, в которую с зазором вставлен вал 7 поворотной заслонки 8. В направлении диаметрально противоположном плоскости заслонки на валу закреплен указатель средства измерений угла поворота заслонки 4. Схема поперечных прорезей трубки, обеспечивающих возможность поворота вала на 90°, показана на фиг. 2. Средство измерений угла поворота вала включает: вал поворотной заслонки 7, указатель угла поворота 4, шкалу 3 и пружину 7.
Автоматическое регулирование интенсивности перемешивания жидкой пищи осуществляется типовой одноконтурной системой автоматического регулирования (САР), функциональная схема которой представлена на фиг. 1. Регулировочное устройство электронагревателя 13, как регулирующий орган, входит в состав системы автоматического регулирования расхода потока жидкой пищи, которая состоит из поворотной заслонки с первичным преобразователем GEI, регулирующего прибора с программным задатчиком IRC и исполнительного механизма 1-4. Входной сигнал на первичный преобразователь подается устройством измерения угла поворота заслонки, стрелка которого закреплена на валу заслонки, а шкала на вертикальной стойке крышки.
Поворотная заслонка и стрелка закреплены на валу радиально при помощи крепежных деталей, образующих разъемные соединения.
Для создания крутящего момента противодействующего силе давления потока стрелка 4 измерительного устройства соединена с пружиной 5 закрепленной на неподвижной стойке крышки так, что при отсутствии циркуляционного потока заслонка прижимается к верхней кромке вертикальной перегородки.
Пример 2 конкретного выполнения
Циркуляционная кастрюля по примеру 1 отличающаяся тем что, между крышкой и корпусом, а так же между валом и трубкой установлены прокладки, обеспечивающие герметичность кастрюли, а в отверстие крышки вставлен предохранительный клапан (на фиг. 1 не показан).
Пример 3 конкретного выполнения
Циркуляционная кастрюля по примеру 1 отличающаяся тем что, в системе автоматического регулирования установлен переключатель цепей управления, что позволяет в процессе циркуляции управлять расходом жидкой пищи в ручном режиме.
5. Промышленная применимость
В современных устройствах перемешивание жидкой и вязкой пищи в процессе термообработки осуществляется ручным механическим способом или путем ручной установки заданного температурного режима. В предлагаемой циркуляционной каструле управление режимом перемешивания осуществляется в автоматическом режиме. В качестве регулируемого технологического параметра выбран расход потока жидкой пищи при ее циркуляции, заданное значение которого определяется программным задатчиком. В целом, более высокий уровень автоматизации предлагаемого устройства позволяет организовать массовый выпуск высококачественной жидкой пищи с минимальными затратами, что определяет ее промышленную применимость.
Источники информации
1. Профессиональные пароконвектоматы для общепита. Vkusologia.ru.osnashhenie…parokovetom-at-htme.
2. Cковорода Wок. Секреты приготовления. macaronomania.ru > skovoroda-vok-sekrety…i-recepty/.
3. Устройство для тепловой обработки жидких пищевых продуктов. Патент РФ на полезную модель №143412.