СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫПЕЧКИ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD AND DEVICE FOR INTENSIFICATION OF BAKERY GOODS

Изобретение относится к способу и устройству для ускоренной выпечки хлебобулочных и кондитерских изделий, характеризующихся повышенным качеством изготовляемой продукции и возможностью как плавной, так и быстрой сменой тепловых режимов, поддерживаемых с высокой точностью. Способ характеризуется тем, что подвод тепла к обрабатываемому изделию осуществляют не только подачей нагретого воздуха по рециркуляционному контуру, но и за счет снижения термического сопротивления пристенного слоя теплоносителя у изделия путем создания ультразвука в объеме пекарной камеры. При этом скорость выпечки возрастает на 20-28% (Фиг.2, 3).
Известен способ тепловой обработки, преимущественно выпечки, предусматривающий подвод тепла к обрабатываемому изделию в зоне технологической обработки путем подачи горячего воздуха по рециркуляционному контуру с нагревом [1, 2]. Большим недостатком известного способа, носящим принципиальный характер, является обеспечение нагрева тестовой заготовки за счет подачи нагретого воздуха на ее поверхность с температурой значительно выше технологической, необходимой для выпечки, при которой тепло от верхних слоев тестовой заготовки постепенно распространяется за счет теплопроводности и тепломассобмена внутрь ее. В результате чего в течение некоторого времени температура на поверхности очень быстро повышается, и образуется корка-теплоизолятор с низкой влажностью. В то же время температура внутри тестовой заготовки по мере углубления внутрь оказывается значительно ниже, и тесто еще остается сырым и недостаточно пористым, так как в нем не развились процессы газообразования в достаточной мере. Основной целью данного способа, а также реализующего его устройства является предотвращение указанных выше недостатков, а именно создание такого способа выпечки, при котором из тестовой заготовки получались бы хлебобулочные или кондитерские изделия (а также другие выпекаемые продукты) повышенного качества за счет использования многочисленных ультразвуковых эффектов нагрева изделия с присущими ему особенностями теплопередачи. Предложенный способ и устройство позволяют изготавливать выпекаемые изделия значительно более высокого качества по сравнению с приведенным выше и другими традиционными способами.
Кроме того, существенно сокращается время приготовления выпекаемой продукции за счет ультразвуковых эффектов. Известно, что ультразвук уменьшает толщину ламинарного слоя за счет изменения равномерности обтекания потока в соответствии с колеблющейся скоростью звукового давления [3]. Механизм воздействия ультразвука при выпечке изделий в основном связан с появлением акустических завихряющих течений, обусловленных поглощением энергии в среде и в пограничном слое у их поверхности, а также поглощением части энергии внутри хлеба. Преимущество акустических потоков перед обычными аэродинамическими - в малой толщине их пограничного слоя δ, м
где:
2
υ - коэффициент кинематической вязкости, м/с; f - частота колебаний, Гц. Из формулы видно, что существует реальная возможность его утонения путем увеличения частоты колебаний. Это в свою очередь приводит к уменьшению толщины температурного (концентрационного) пограничного слоя и увеличению тем самым градиентов температуры, определяющих скорость переноса массы и тепла.
2
Интенсифицирующее действие акустических колебаний на тепломассообмен в ультразвуковом поле проявляется, начиная от некоторых пороговых значений звукового давления, но далеко докавитационных условий. В условиях свободной конвекции этот порог определяется соотношением двух сил, действующих на элемент объема среды: силы, связанной с акустическим потоком, и подъемной. Ультразвуковой воздушный генератор позволяет при малой затрачиваемой мощности (0,2-0,5 Вт/см) в значительной степени разрушить пограничную пленку воздуха у хлебобулочного изделия, играющую роль теплоизолятора, и соответственно, увеличить коэффициент теплоотдачи в 1,6-2,1 раза. Это изменяет, как показывает эксперимент, скорость выпечки на 20 - 28% даже при некотором снижении температурного режима в печи (на 20-30C°). Замеры интенсивности звукового излучения в объеме пекарной камеры показывают, что рассеяние и отражение ультразвуковых волн в камере приводит к усреднению акустического поля (12-18%), интерференционная картина сглаживается и поле приобретает ярко выраженный мелкомасштабный диффузионный характер, что согласуется с другими источниками информации [4].
2
Теоретические исследования показывают, что возмущения от генератора волн в воздухе приводят к турбулизации пограничного слоя, а их отражения к автоколебаниям этого слоя с интенсивным теплообменом с воздухом пекарной камеры. То есть передвижение одной волны возмущения способствует созданию вакуума у поверхности, и подсосу новых порций воздуха - теплоносителя. Естественно, тесто при этом будет выпекаться быстрее и равномернее, так как при озвучивании ультразвук многократно отражается от стен камеры и хлебобулочного изделия, и проникает во все трещины и раковины хлеба, снижая термическое сопротивление тепло- и массопереносу. Мякиш хлеба за счет периодического изменения местного давления также подвергается автоколебаниям на глубину от миллиметров до нескольких сантиметров, что способствует интенсивному проникновению тепла внутрь хлеба (звукокапиллярный эффект, локальный нагрев). Так ультразвуковой капиллярный эффект может увеличивать скорость и высоту подъема жидкостей в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука на порядок [3]. Расчеты показывают, что при этом наружные частицы хлеба получают ускорения до 3-4q при мощности около 0,5 Вт/см. Ультразвуковой воздушный генератор кроме звуковой мощности вносит и определенную тепловую мощность с нагретым до 120-140C° озвученным воздухом, у которого кинетическая энергия частично перешла в тепло. Другой ультразвуковой эффект временного «разжижения» теста положительно сказывается на равномерности распределения газовых пузырьков в объеме изделия и пористости мякиша.
Воздушный ультразвуковой генератор успешно работает при высоких температурах в печи, дает возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры. Ультразвук неслышим и не создает дискомфорта обслуживающему персоналу, исключительно просто изолируется от окружающей среды.
Таким образом, указанная выше цель достигается тем, что в способе тепловой обработки изделий, преимущественно выпечки, предусматривающем подвод тепла к обрабатываемому изделию не только нагретым воздухом, но и интенсифицируется, согласно изобретению, скорость прогрева изделия за счет снижения термического сопротивления тепло - и массопереносу. Только благодаря использованию ультразвукового генератора с присущими ему и описанными выше совокупностью общих существенных признаков, обеспечивается выпечка качественной продукции. Таким изделиям присущи равномерная пористость теста с одновременным образованием тонкой корки с хорошим колерным цветом. Авторы проделали многочисленные эксперименты и установили, что отмеченный выше положительный технический эффект обеспечивается в широком диапазоне мощности ультразвука. Предложенный способ позволяет выпекать изделия значительно более высокого качества по сравнению с другими традиционными способами. Кроме того, сокращается время приготовления выпекаемой продукции за счет повышения коэффициента теплоотдачи к изделиям. Именно, в применении эффектов ультразвука выражается сущность заявляемого способа, принципиально отличающаяся от других известных способов выпечки.
Изобретение позволяет значительно повысить качество выпекаемых изделий за счет обеспечения точного регулирования заданной температуры, а также наличия принудительной ультразвуковой конвекции у поверхности изделия и получить хлеб с равномерной колеровкой поверхности. Авторы также обращают внимание на то обстоятельство, что хлебопекарная печь с генератором ультразвука характеризуется высоким коэффициентом полезного действия. Как показали проведенные исследования, он повышается на 20-30%. Следует отметить, что изобретение предназначено не только для выпечки хлебобулочных изделий, но и для выпечки других тестовых заготовок, например рисовых лепешек, воздушной кукурузы и т.д., а также для тепловой обработки мясных, рыбных и других изделий и пищевых продуктов. Подытоживая, можно отметить, что по сравнению с известными техническими решениями, изобретение обладает следующими преимуществами:
- Предельно низкий расход удельной тепловой энергии на единицу готового продукта;
- Простота внедрения способа и устройства на производстве;
- Возможность обеспечения равномерного распределения тепла внутри зоны технологической обработки;
- Простая и надежная дополнительная система регулирования поступления тепла внутрь изделия (изменением давления воздуха на входе в ультразвуковой генератор или его перекрытием вообще);
- Малое время технологической обработки благоприятно влияет на сохранность ароматических веществ и витаминов в выпекаемых изделиях;
- Интенсивный конвективный теплообмен в зоне технологической обработки за счет турбулизации пристенного слоя горячего воздуха позволяет организовать выпечку при сравнительно низких температурах в печи и получить изделия с равномерной колеровской поверхности;
- Повышенная влажность мякиша за счет ультразвукового капилярного эффекта снижает упек и задерживает скорость черствения изделий.
Предлагаемое к патентованию устройство ультразвукового излучателя принципиально пригодно к установке в любой хлебопекарной печи или в жарочном шкафу без существенных затрат на изменение конструкции аппарата.
В настоящее время в хлебопекарной и кондитерской промышленности находят применение разнообразные конструкции печей. Известна хлебопекарная печи "Faurcompact chaufte par fluide thermigue et bloc de cuisson mecano soude" (заявка Франции N 2611438, МКИ А21В 1/36, опубликована 09.09.88 г.), представляющая собой вертикальный теплоизолированный шкаф с дверью, внутри которого на боковых стенках имеется ряд параллельно расположенных опорных металлических направляющих для противней и электрического нагревательного узла, расширительного бачка и центробежного насоса, змеевика, патрубки которого параллельно вварены во входной и выходной коллекторы. Коллекторы подключены к насосу и расширительному бачку. Теплоноситель с замкнутым циклом циркуляции через свою систему равномерно отдает тепло в пекарную камеру, температуру можно регулировать путем включения соответствующих элементов.
Известен патент №2068641, МКИ А21В 1/22, опубликован 10.11.1996 устройства для выпечки хлеба и мучных кондитерских изделий. Сущность изобретения: печь содержит корпус, состоящий из двух сообщающихся между собой камер - пекарной с расположенными в ней листами-подами и нагревательной с источником нагрева, и систему теплопередачи. В нагревательной камере установлен теплообменник, соединенный через нагнетатель теплоносителя с гелиоэнергетической установкой. Система терморегулирования соединена по входу с датчиком температуры, установленным в пекарной камере, а по выходу - с источником нагрева.
Известна печь ПХС-25, которую применяют для выпечки различных мучных изделий в формах и на листах (А.И. Драгилев "Оборудование для производства мучных кондитерских изделий", М. Агропромиздат", 1989 г.). Печь ПХС-25 состоит из пекарной камеры, топочного устройства, в котором можно сжигать газ или мазут. Воздух к форсункам подводится отдельным вентилятором. Продукты сгорания направляются в верхние и нижние каналы и омывают верхние гофрированные и нижние стальные листы, отдавая теплоту выпекаемым изделиям.
Известна хлебопекарная печь КЭП-400 (А.И. Драгунев "Оборудование для производства мучных кондитерских изделий", М. Агропромиздат, 1989 г.). Эта печь предназначена для выпечки кондитерских изделий, ее можно использовать для выпечки подового и формового хлеба. Основными частями печи являются каркас, объединяющий две камеры: пекарная камера и камера нагрева циркулирующего воздуха. В последней размещены трубчатые электронагреватели, вентилятор и парогенератор. В правой половине находится пекарная камера с дверью, изолированной минеральной ватой. На передней панели камеры расположена система управления и сигнализации, Выпечка изделий производится на листах - подах, устанавливаемых на стеллажную тележку.
Данная печь может быть принята в качестве прототипа ввиду сходства с заявляемой по совокупности признаков.
Недостатком всех описанных выше печей, включая прототип электропечь КЭП-400, является неэффективное использование источников энергии.
Для современных хлебопекарных печей для выпечки 1 кг хлеба необходимо затратить из сети 0,23-0,35 квт-час. энергии. Из-за пористой структуры мякиша и корки, имеющих свойства теплоизоляторов и несовершенства теплообмена с греющей средой в пекарной камере, этот процесс довольно длительный и энергозатратный.
Предложенная печь для выпечки хлебобулочных изделий содержит корпус, состоящий из двух камер: пекарной, с расположенными в ней сетчатыми листами - подами, и нагревательной с источником нагрева, сообщающихся между собой, воздушного ультразвукового генератора, установленного в нагревательной камере и соединенного с пневмосистемой предприятия, и систему терморегулирования по входу с датчиком температуры, установленным в пекарной камере, а по выходу с источником нагрева. Данная совокупность признаков позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении производительности печи, экономии невозобновляемых энергоресурсов за счет использования эффектов ультразвука, интенсифицирующих скорость выпечки с соответствующими последствиями.
На фиг.1 изображена общая схема заявляемого технического решения. Печь для выпечки хлеба и кондитерских изделий, включающая в себя пекарную камеру 2 с трубчатыми ТЭНами и расположенными в ней сетчатыми листами-подами 3, воздушный ультразвуковой генератор 5, установленный в нагревательной камере и соединенный с пневмосистемой предприятия 8, и систему терморегулирования с блоком управления 4, соединенную по входу с датчиком температуры, установленным в пекарной камере, а по выходу с источником нагрева. Пневмосистема предприятия включает компрессор 6, ресивер 7 и редуктор 9. Данное устройство работает следующим образом: установленный воздушный ультразвуковой генератор 5 излучает УЗВ колебания, которые в пекарной камере 2 равномерно за счет отражения от стенок воздействуют на поверхностный слой воздуха у изделий.
Такая конструкция хлебопекарной печи, где основным генератором тепла является ранее известный источник нагрева в комплексе с установленным воздушным ультразвуковым генератором более экономична из-за снижения времени выпечки, чем существующие типы печей.
Фиг.1 Схема установки ультразвукового излучателя в пекарной камере.
1 - Объект исследования - хлебобулочные изделия; 2 - Пекарная камера; 3 - Решетка; 4 - Блок управления; 5 - Ультразвуковой воздушный генератор; 6 - Компрессор; 7 -ресивер; 8 - пневмосистема предприятия; 9 - Редуктор.
Целью изобретения является создание установки для тепловой обработки, преимущественно выпечки, хлебобулочных изделий, обеспечивающей возможность выпечки широкого ассортимента хлеба, хлебобулочных и кондитерских изделий с различными тепловыми режимами выпечки путем обеспечения возможности широкодиапазонного регулирования необходимого количества тепловой энергии, распределяемой внутри тестовых заготовок за счет применения ультразвука. При этом заявляемое изобретение обеспечивает все вышеприведенные преимущества с высоким КПД нагревательной установки по сравнению с традиционными.
Поставленные цели достигаются тем, что в установке для тепловой обработки изделий, преимущественно выпечки, предпочтительно иметь автоматику, позволяющую с целью плавной регулировки тепловой энергии к изделию снижать мощность ультразвукового излучателя или его отключать, и, таким образом регулировать колер и качество корочки изделия при минимальном температурном режиме в печи, что невозможно было в прототипе.
Как видно из фиг.1, ультразвуковой излучатель, учитывая характер распространения ультразвука, может быть закреплен в стенке камеры 2 примерно в среднем положении по ее высоте, или на специальном кронштейне.
Работа установки осуществляется следующим образом. В результате работы тэнов или сжигания органического топлива тепловой агент, прогоняемый вентилятором по рециркуляционному контуру внутри камеры, нагревается до расчетной технологической температуры с учетом максимальных эффектов в ультразвуковом поле данного типа генератора.
Поэтому в начальный период выпечки, как показали исследования авторов, образование корочки и испарение жидкости будет более эффективным, как и прогрев изделия внутрь (Фиг.2), а время выпечки меньше на 28-30%. В тоже время, в конце выпечки, если не снизить мощность ультразвука, мы наблюдаем перегрев и подгорание корки (Фиг.3).
Фиг.2. График зависимости температуры внутри выпекаемой тестовой (ВТЗ) заготовки от времени выпечки:
-  без применения ультразвука
-  с применением ультразвука весь период выпечки при стандартно принятом температурном режиме.
Фиг.3. График зависимости температуры поверхности ВТЗ от времени:
-  без применения ультразвука
-  с применением ультразвука весь период выпечки при стандартно принятом температурном режиме.
Таким образом, предложены к использованию способ и устройство для интенсификации тепломассообмена в ультразвуковом поле, обеспечивающие новые полезные свойства (Повышенный на 20-25% коэффициент полезного действия печи, управляемость по скорости выпечки, возможность использования способа для обеспечения более качественного производства хлебобулочных изделий). Они обладают новизной и существенными отличиями от прототипа, проявляющимися в виде уменьшения толщины температурного пограничного слоя у изделия и увеличения тем самым градиентов температуры, определяющих скорость переноса массы и тепла.
Источники информации
1. Ауэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства: Учебник. - СПб.: Профессия, 2003. - 416 с.
2. Барышников А.Н., Володарский А.В., Михелев А.А. О прогреве тестовых заготовок в процессе выпечки // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. - 2001 г.
3. Голямина И.П., и др. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Советская энциклопедия. - М.: 1979. - 400 с.
4. В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.Н. Лебедев. Исследование эффективности ультразвуковой сушки. Бийский Технологический институт ГОУ ВПО АлтГТУ, Электронный журнал «Техническая акустика 2009, 6».