Проект технологической линии производства мороженого с модернизацией фризерной установки производительностью 350 кг/ч

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Мороженое является одним из самых любимых и популярных продуктов населения нашей страны. Это объясняется не только его приятными вкусовыми свойствами, но также высокой пищевой и биологической ценностью.

Предшественниками мороженого можно считать смешанные со снегом или льдом натуральные или подслащенные фруктовые соки, которые в Китае использовались почти 3000 лет тому назад. Именно от китайцев «секрет» мороженого в виде фруктового льда стал известен в Европе.

В 1560 году испанский доктор по имени Бласиус Вилафранк изобрел процесс обрызгивания льда и снега селитрой для того, чтобы лучше заморозить смесь из сливок, фруктов и специй. Это привело к изобретению первого «морозильника» для мороженого. Процесс замораживания происходил с помощью двух металлических шаров, между которых измельчался лед. Ингредиенты мороженого были внутри меньшего шара, их взбивали и оставляли для заморозки. Однако широкого распространения тогда мороженое не получило, так как было довольно сложно обеспечить круглосуточное снабжение производителей средствами охлаждения и замораживания. Положение существенно изменилось после появления в конце XIX в. холодильных машин.

В России по европейским рецептам мороженое готовили только для царского двора и для знати. В 1845 г. русскому купцу Ивану Излеру был выдан патент на «машину для приготовления мороженого», но еще долго его вырабатывали в кустарных условиях и в небольших количествах. Началом промышленного производства мороженого в России принято считать 1932 г., когда в Москве на молочном комбинате и холодильнике №2 были созданы первые цеха по производству этого продукта. Производство мороженого развивалось быстрыми темпами в 50-90-е гг. Так, в 1950 г. его выработка составила 99,1 тыс. т; в 1960 г. - 189,5 тыс. т; в 1970 - 376,5 тыс. т. В 50-х гг. в нашей стране происходило интенсивное развитие отрасли машиностроения, выпускающее технологическое оборудование для производства мороженого. В начале 60-х гг. в промышленность были внедрены линии для выработки мороженого в брикетах, эскимо и в вафельных стаканчиках. К 70-м гг. относится разработка второго поколения отечественного оборудования для производства мороженого, которое используется и до настоящего времени. В 1991-1995 гг. произошел резкий спад производства мороженого, вызванный серьезными проблемами в экономике - развалом государственной системы оптовой торговли, высокой инфляцией, падением уровня жизни большинства населения, интервенцией импортного мороженого. Но и в этих условиях отрасль устояла. Однако, рыночная ситуация заставила производителей мороженого активнее заняться техническим перевооружением, расширением ассортимента, внедрением новых сырьевых компонентов и упаковочных материалов. Все это, в конечном счете, способствовало увеличению производства и потребления мороженого. Так потребление мороженого в целом увеличилось с 256,9 тыс. т в 1995 г. до 310 тыс. т в 1998 г., а в расчете на душу населения - соответственно с 1,74 до 2,07 кг в год. Сейчас намечается определенная стабилизация, выработка отечественного мороженого может соперничать с импортной продукцией по качеству, современному виду и доступности цен.

Несмотря на богатую историю и интенсивное развитие этой отрасли на протяжении многих лет в основном менялись только технологии изготовления мороженого, способы его приготовления. Так, с начала применения фризеров их конструкция в своей основе мало изменилась. Хотя достижения электроники и механики позволили сделать их менее габаритными и более эффективными, принцип их работы остался прежним. Обычная процедура фризерования включает точное дозирование ингредиентов, перемещение их во фризер, обработку во фризере и извлечение из него замороженного продукта. Даже при очень точном программируемом управлении фризерами, характеристики продукта в разные дни несколько отличаются. [1]

Целью дипломного проекта является сравнительный анализ существующих конструкций фризеров, выбор на основе этого анализа наиболее оптимальной модели фризера и модернизация выбранной модели с целью увеличения производительности фризера и получения более качественного продукта путем исключения ручного регулирования некоторых параметров работы насосов.

1. Технологический раздел

1.1 Технология производства мороженого

Технологический процесс производства мороженого представлен на рис. 1

Рис. 1. Схема технологического процесса производства мороженого

Условно, технологический процесс производства мороженого можно разделить на два этапа: приготовление смеси мороженого (в данный этап входят такие операции как составление смеси, фильтрование, пастеризация, гомогенизация и созревание смеси) и непосредственно получение структуры мороженого, которая окончательно формируется при последующей холодильной обработке мороженого (к операциям данного этапа относятся фризерование смесей, фасование и закаливание мороженого). Рассмотрим технологию производства мороженого на примере выработки мороженого в вафельных стаканчиках.

1.2 Приготовление смесей мороженого

После приемки сырья по выбранной рецептуре рассчитывается потребное количество различного сырья для выработки мороженого заданной партии. Отобранное сырье, соответствующее по качеству действующей нормативно - технической документации, точно взвешивается, чтобы получить продукт стандартного состава. Перед смешиванием компоненты должны быть соответственным образом подготовлены. Для смешивания сырьевых компонентов при приготовлении смесей мороженого используют сыродельные ванны (Д7-ОСА-1, П-663, СВ-1000, СВ-2000, ВС-2500), ванны длительной пастеризации (ВДП-300, ВДП-600, ВДП-1000), сливкосозревательные ванны (ВСГМ-400, ВСГМ-800, ВСГМ-1200) и другое оборудование.

Сливкосозревательная ванна представляют собой емкость с мешалкой и приводным механизмом, изготовленную из нержавеющей стали и заключенную в рубашку. Мешалка сливкосозревательной ванны состоит из нержавеющих труб, закрепленных концами в коллекторах. Продукт заливается в ванну, мешалка получает от привода колебательное движение, в результате чего происходит равномерное перемешивание. К отводам мешалки подводится теплоноситель который через поверхность мешалки подогревает смесь до необходимой температуры.

Для удаления из смеси не растворившихся комочков сырья (сухого молока, стабилизаторов и др.) и возможных различных механических примесей ее фильтруют после смешивания компонентов и после пастеризации, используя для этой цели дисковые, плоские, пластинчатые, цилиндрические и другие фильтры. Наиболее часто для фильтрования смеси применяется фильтр А1-ОШФ, состоящий из двух взаимозаменяемых камер, работающих поочередно. По мере засорения одну камеру включают на очистку, а в работу включают вторую. [14]

Пастеризация смеси необходима для уничтожения болезнетворных микроорганизмов и снижения общего содержания микрофлоры. Помимо обеспечения необходимого санитарного состояния готового продукта, пастеризация способствует хорошему смешению и растворению компонентов, а также создает лучшие условия для гомогенизации. Смесь пастеризуют в аппаратах непрерывного действия - автоматизированных пластинчатых пастеризационно - охладительных установках, трубчатых пастеризаторах и пастеризаторах с вытеснительным барабаном, а также в аппаратах периодического действия - ваннах со змеевиковой мешалкой, ваннах длительной пастеризации, пароварочных котлах и др. Пастеризацию проводят при температуре 85 ?С с выдержкой 50 - 60 с или без выдержки при температуре 92 - 95 ?С. Высокие режимы тепловой обработки объясняются тем, что смеси для мороженого содержат повышенное количество сухих веществ, которые, увеличивая вязкость смеси, оказывают защитное действие на микроорганизмы. [1] В производстве мороженого наиболее широкое применение получили пластинчато-пастеризационные установки А1-ОКВ 1,2 и А1-ОКВ 2,5.

После пастеризации и фильтрования смеси гомогенизируют для раздробления жировых шариков, чтобы уменьшить их отстаивание при хранении и подсбивание (укрупнение) при фризеровании смесей и тем самым улучшить структуру мороженого. Жир в молоке присутствует в виде жировых шариков диаметром от 1 до 10 мкм. В процессе гомогенизации жировые шарики дробятся на более мелкие размером 1 - 2 мкм. В производстве мороженого применяют гомогенизаторы одноступенчатого (ОГБ-5М) и двухступенчатого сжатия (К5-ОГА - 1,2, А1-ОГМ). Они представляют собой насосы высокого давления с гомогенизирующими головками. [15]

Эффективность гомогенизации определяется размерами жировых шариков и количеством жировых скоплений. Взбиваемость смеси заметно ухудшается в том случае, когда после гомогенизации хотя бы 1% жира будет присутствовать в виде крупных шариков. Таким образом, процесс гомогенизации способствует повышению взбиваемости смеси, улучшает консистенцию готового мороженого и придает ему нежную консистенцию. Смесь гомогенизируют при температуре, близкой к температуре пастеризации смеси (с целью избежания вторичного обсеменения).

После гомогенизации смесь охлаждают до температуры от 2 до 6 °С. Для этой цели используют автоматизированные пластинчатые пастеризационно-охладительные установки, пластинчатые и кожухотрубные охладители, оросительные охладители открытого и закрытого типа, ВДП, сливкосозревательные ванны и другое оборудование.

Охлажденную смесь направляют в специальные теплоизолированные вертикальные и горизонтальные резервуары для кратковременного хранения. Хранение является обязательной стадией технологического процесса только для смесей мороженого, приготовляемых с использованием желатина (стабилизатора). Такие смеси требуется выдерживать при температуре не выше 6 °С в течение от 4 до 12 ч. При этом повышается вязкость, так называемый процесс «старения смеси». Из вертикальных резервуаров применяют следующие марки: РМВЦ-2 и РМВЦ-6, корпус которых имеет цилиндрическую форму. Мешалки применяемые в данного типа резервуарах преимущественно лопастные. Также нашли широкое применение емкости для хранения и созревания смесей фирмы «Зурис» различных типоразмеров по производительности. Устройство горизонтальных резервуаров (РМГЦ-6 и РМГЦ-10) аналогично устройству вертикальных. Из емкостей для хранения смесь поступает на фризерование. [1]

В настоящее время приготовление смеси можно разделить на две технологии: порционную и приготовление смеси в потоке. Порционная технология широко применяется при производстве смеси мороженого на предприятиях малого и среднего бизнеса, где производительность линии составляет от 100 до 1250 кг/час по готовой смеси. Суть технологии заключается в составлении смеси мороженого из основных компонентов - жидкой фазы, сухих веществ, жировой фазы в емкостных теплообменных аппаратах с одновременным проведением этапов создания дисперсной эмульсии и пастеризации смеси. Для решения поставленной задачи используют ванны длительной пастеризации, универсальные резервуары, имеющие паровую рубашку и мешалку соответствующего вида. Приготовление смеси в потоке означает, что все компоненты смеси мороженого готовятся к внесению в емкости для смешивания с помощью специализированного оборудования и их подача осуществляется непрерывно и в большинстве случаев полностью автоматизирована. Обслуживающий персонал в основном занимается растариванием компонентов. Технология используется в линиях производства смеси производительностью 500, 1250, 2500 л/час по готовому продукту и определяется производительностью входящего в комплект поставки плунжерного гомогенизатора. Для комплектации используются следующие основные единицы: емкости для смешения, фильтры, пастеризационно-охладительные установки, гомогенизаторы, маслоплавители, шнековые дозаторы непрерывного действия, пластинчатые нагреватели водной фазы в потоке.

Таблица 1-Характеристика технологий приготовления смесей мороженого

Показатели	Порционная технология	Приготовление смеси в потоке
Производительность, кг/ч	100-1250	500-2500
Преимущества	- низкая стоимость емкостного оборудования - низкие требования к квалификации персонала, обслуживающего технологию производства. - простота и высокая надежность конструкций.	- гарантированное качество смеси в виду использования закрытого потока при пастеризации смеси, ее гомогенизации и охлаждении; - полное использование вторичных теплоносителей, что обеспечивает коэффициент регенерации тепла до 80% и, следовательно, - экономию теплоносителя; - низкое влияния человеческого фактора; - малые производственные площади;
Недостатки	- недостаточно высокое качество готового продукта; - неэффективность производства при производительности линии более 1250 кг/час; - чрезмерное потребление энергоносителей.	- высокая стоимость комплекта оборудования; - требования к уровню квалификации основного обслуживающего персонала.

Чаще всего, на предприятиях по производству мороженого смесь готовят в непрерывном технологическом потоке на агрегатированных комплектных установках. Такие агрегатированные комплектные установки изготовляются фирмами «Марк» и «Каттабрига» (Италия), фирмой «Тетра Пак Хойер» (Италия). Так фирма «Марк» выпускает установки «Миксмарк» различных по производительности типоразмеров - на 150, 250, 500, 1000 и 2000 литров смеси в час. [15]

Рис. 3. Агрегатированная комплектная установка «Миксмарк» (Италия) для приготовления смесей мороженого

1.3 Формирование структуры мороженого

В процессе фризерования смеси происходят изменения ее структуры. Помимо кристаллизации воды происходит взбивание в смесь воздуха, что сопровождается образованием пены. На рис. 4 схематически изображена структура мороженого. Кристаллы льда образуют суспензию в водном растворе (средний размер частиц - 40 мкм). В этом незамороженном растворе сконцентрированы водорастворимые компоненты (сахар, соли, белки). Пузырьки воздуха имеющие диаметр от 40 до 100 мкм, тонко распределены в многокомпонентной смеси. Поверхность пузырьков частично покрыта жиром. Объемное содержание воздуха в мороженом, т.е. взбитость достигает 50%.

Распределение размеров кристаллов льда является надежным объективным параметром для органолептической оценки мороженого. [12]

Рис. 4. Схематическое изображение структуры мороженого:

В-пузырьки воздуха, Л-кристаллы льда, Р - незамороженный раствор,

Ж - жировые глобулы, взвешенные в растворе

После фризерования мороженое сразу же подвергается дальнейшему замораживанию (закаливанию). Этот процесс следует проводить в максимально короткий срок, чтобы не допустить существенного увеличения размера кристаллов льда в мороженом.

Пустые стаканчики в виде стопок вставляются в пластину с отверстиями. Механизм отделения стаканчиков опускает в отверстия конвейера по одному стаканчику, затем конвейер подводит стаканчики к дозатору, который заполняет мороженым сразу 8 стаканчиков (см. рис. 5).

Рис. 5. Дозатор наполнения мороженым вафельного стаканчика

С помощью пневмоустройств на стаканчики с мороженым накладывают крышки. После этого мороженое поступает в скороморозильный аппарат, входящий в состав поточных линий, где закаливается при температуре от -25 до -37 °С в течение 20 мин (рис. 6).

Рис. 6. Закалочный туннель фирмы «Простор Л»

При переворачивании люльки специальными устройствами мороженое выгружается. Стаканчики падают на ленту конвейера, который доставляет их к месту упаковывания. Закаленное мороженое помещают в камеру хранения. [15]

1.4 Изменения, происходящие в процессе фризерования

Очевидно, что замораживание смеси - одна из самых важных технологических операций в производстве мороженого, поскольку от нее зависят качество и выход готового продукта. Состав смеси, ее состояние, скорость и степень замораживания определяют получение мороженого мелкокристаллической структуры и нежной консистенции. Хотя фризерование, прежде всего, подразумевает замораживание (формирование кристаллов льда), при этом происходит ряд других важных процессов таких, как введение воздуха, формирование небольших воздушных пузырьков и дестабилизация жировой эмульсии. Каждый из этих физических процессов принципиально важен для получения высококачественного мороженого с требуемыми физическими свойствами. Рассмотрим более подробно процессы, происходящие при фризеровании.

1.4.1 Формирование кристаллов льда

Так как смесь поступает на фризерование при температуре немного выше точки замерзания, то чтобы температура смеси стала ниже ее точки замерзания, необходим отвод тепла с помощью хладагента. Как правило, смесь охлаждается ниже точки замерзания сначала у стенки цилиндра, где температуры самые низкие. В цилиндре фризера температура понижается весьма быстро. Отвод так называемого «сухого» тепла, вызывающего лишь понижение температуры без изменения агрегатного состояния (до начала замораживания), должен занимать не более 1…2 мин. Когда начинается замораживание, лед образуется в основном у стенок цилиндра вследствие низкой температуры и естественной склонности льда формироваться на поверхности, а не внутри объема жидкости. Лезвия скребков срезают слой дендритных кристаллов, которые затем попадают со стенок в объем смеси. Там в ходе процесса, получившего название созревания, формируются дискообразные кристаллы льда, которые и обнаруживаются после фризерования. Но не так давно этот механизм формирования центров кристаллизации и созревания был поставлен под сомнение экспериментами, в которых зафиксирована картина образования льда на холодных поверхностях в динамических условиях кристаллизации. Эти исследования предполагают несколько иной механизм формирования льда. Лезвие скребка, очищая холодную металлическую поверхность, на которой сформировался лед, оставляет многочисленные участки («зародыши»), так как лезвие не полностью удаляет слой льда. Эти зародыши инициируют формирование слоя льда вдоль металлической поверхности цилиндра, а не перпендикулярно ей (в объем смеси). В условиях лабораторных экспериментов после прохода лезвия скребка наблюдался рост отдельных ледяных объектов вдоль металлической поверхности.

В зависимости от состава мороженого и температуры на выходе из аппарата во фризере кристаллизуется от 33 до 67% первоначального содержания воды в смеси, причем в процессе закаливания может замораживаться дополнительно 23…57% воды.

Формирование необходимого количества льда при замораживании недостаточно, чтобы гарантировать получение высококачественного мороженого. Средний размер и распределение размеров кристаллов льда существенно влияют на однородность и потребительские свойства мороженого. Процесс фризерования надо проводить так, чтобы получать в основном мелкие кристаллы. Хотя на органолептические свойства мороженого влияет много факторов, общепризнано, что для получения однородной его консистенции необходимо, чтобы размер основной массы кристаллов был менее 50 мкм. В противном случае, а также в присутствии очень крупных кристаллов льда (более 100 мкм), мороженое будет восприниматься грубым и льдистым.

Для получения кристаллов льда с надлежащей дисперсностью (по количеству, размерам, форме) процессом замораживания необходимо управлять - в частности, скоростью образования зародышей и ростом кристаллов. Для получения большого числа мелких кристаллов условия замораживания должны способствовать формированию зародышей и минимизировать рост кристаллов льда, для чего в соответствующей точке технологического процесса требуются очень низкие температуры. Основные используемые хладагенты (жидкий аммиак или фреон) обеспечивают получение температур до -30 ?С. Разработано несколько предложений по использованию жидкого азота для усиления образования зародышей льда, но ни одна из систем жидкого азота до сих пор в промышленности не применяется. Для получения минимального возможных кристаллов необходимо, чтобы продолжительность нахождения смеси во фризере была минимальной. Для минимизации времени нахождения во фризере и получения наименьшего размера кристаллов льда может использоваться взбивающий механизм высокой производительности.

На характеристики кристаллов льда влияет тип и количество ингредиентов в смеси мороженого. Ингредиенты смеси могут оказывать влияние двумя основными способами: 1) влиять на понижение точки замерзания; 2) влиять на механизмы кристаллизации льда (зародышеобразование, рост и созревание). На понижение температуры замерзания влияет содержание в смеси низкомолекулярных компонентов. Более высокие концентрации простых сахаров и солей ведут к пониженным температурам замерзания и меньшему количеству льда. Смесь с низкой точкой замерзания дает мягкое мороженое из-за небольшого количества кристаллов льда. На механизмы кристаллизации льда могут непосредственно воздействовать отдельные компоненты мороженого. Известно, что сахара и некоторые стабилизаторы уменьшают скорость образования зародышей льда и рост кристаллов.

1.4.2 Дестабилизация жировой эмульсии

Смесь для мороженого содержит множество мелких жировых шариков, стабилизированных белками молока. При надлежащей гомогенизации жировые шарики в смеси остаются во взвешенном состоянии неопределенно долго. Жировые шарики в смеси частично отвердевают, что обусловлено широким диапазоном температур плавления молекул триацилглицеринов, из которых состоит молочный жир. Триаглицерины молочного жира с высокими температурами плавления находятся в смеси в виде кристаллов, а триглицериды с низкими температурами плавления - в жидком виде. Степень дестабилизации жира зависит от типа и количества и количества используемого в смеси эмульгатора и характера сдвига при замораживании. Как правило, из-за более сильного сдвига в результате действия скребков дестабилизация жира происходит сильнее во фризерах непрерывного действия, чем в установках периодического действия. На уровень дестабилизации жира также влияет степень насыщенности жирных кислот. Еще одним фактором, влияющим на степень дестабилизации жира, является характер жировой фазы. Жиры с более высоким содержанием твердого компонента обычно подвергаются дестабилизации меньше.

Чрезмерная дестабилизация жира при определенных условиях ведет к сбиванию жира. При этом жировые шарики объединяются в довольно большие скопления, проявляющиеся в виде заметных масляных зерен, ухудшающих внешний вид готового изделия (оно приобретает «сухой» вид), и влияют на физические и органолептические свойства мороженого, придавая ему «мазеобразную» структуру.

1.4.3 Введение воздуха

Одновременно с формированием кристаллов льда и коалесценцией жировых шариков в смесь вводится воздух и происходит формирование воздушных пузырьков. В готовом мороженом присутствуют воздушные пузырьки разных размеров - от нескольких мкм до более 100 мкм. Сначала образуются пузырьки большого размера, причем этот размер зависит от типа фризера и способа введения воздуха, а затем воздушные пузырьки разрушаются под действием силы сдвига в ходе замораживания. Во фризерах непрерывного действия воздух вводится под давлением в виде небольших пузырьков, а во фризерах периодического действия - за счет перемешивания жидкости. В обоих случаях воздушные пузырьки по мере замораживания уменьшаются в размерах в зависимости от параметров сдвига во фризере.

Воздушные пузырьки, формирующиеся на стадии фризерования, могут значительно различаться по размерам. Фризер периодического действия работает при атмосферном давлении, и давление вводимого воздуха одинаково как внутри, так и снаружи фризера. Замораживающий цилиндр фризера непрерывного действия находится примерно под давлением примерно до 690 кПа. Давление около 500 кПа дает примерно 100%-ную взбитость смеси, а объем воздушных пузырьков в таком фризере составляет 15…20% объема смеси. Когда давление внутри фризера становится равным атмосферному, те же самые пузырьки из-за расширения составляют уже около 50% объема продукта.

Результаты экспериментов по аэрации и уменьшению размеров воздушных пузырьков в ходе изготовления мороженого ясно свидетельствуют, что для введения воздуха в условиях типовых фризеров необходимо формирование льда. Взбивание смеси мороженого во фризерах при температурах выше точки замерзания смеси приводит к получению невысокой взбитости и относительно крупных воздушных пузырьков. Возможность уменьшения размеров воздушных пузырьков зависит от увеличения вязкости вследствие замораживания. В ходе замораживания во все более вязкой дисперсионной (незамороженной) среде образуется «кашица» из кристаллов льда. Это сочетание дисперсной (кристаллы льда) фазы и концентрированной вымораживанием непрерывной фазы приводит к резкому росту вязкости продукта в ходе замораживания. Повышенная вязкость улучшает стабилизацию воздушных пузырьков и позволяет делить их на все более мелкие. Мороженое при недостаточной взбитости получается слишком плотным, с грубой структурой и консистенцией. Мороженое с высокой взбитостью тает медленнее. [13]

Таким образом, структура мороженого характеризуется главным образом размерами кристаллов льда, количеством вводимого воздуха и его дисперсностью, т.е. размерами воздушных пузырьков. Эти параметры, в свою очередь, являются показателями интенсивности процесса фризерования.

2. Аналитический раздел

2.1 Общие технологические принципы механического охлаждения

Система механического охлаждения имеет четыре основные части: компрессор, регулирующий вентиль, испаритель, конденсатор.

Компрессор, чаще всего, поршневой состоит из одного или нескольких цилиндров и служит для сжатия пара до высокого давления. На вход компрессора на стороне всасывания поступает большой объем пара, находящегося под низким давлением и при низкой температуре. Из компрессора пар поступает на линию высокого давления - в линию нагнетания. Таким образом, компрессор разделяет две стороны машинного охлаждения - всасывания и нагнетания. Сторона высокого давления проходит от компрессора до регулирующего вентиля и включает конденсатор. Горячий пар, выйдя из компрессора, проходит через конденсатор, то есть змеевик, охлаждаемый водой или воздухом. Охлаждение хладагента в конденсаторе приводит к превращению пара в жидкость с температурой, равной примерно комнатной. Жидкий хладагент подается на регулирующий вентиль под высоким давлением, который служит вторым компонентом, разделяющим стороны высокого и низкого давления. Регулирующий вентиль - это, как правило, обыкновенный игольчатый клапан. Хладагент проходит через него, расширяется и превращается в пар низкого давления. Кипение хладагента в испарителе требует теплоты, которая отводится от среды, окружающей испаритель. Этот отвод теплоты и дает холодильный эффект. Пары хладагента, выходящие из испарителя, направляются обратно к компрессору. Таким образом, хладагент используется повторно, сжимаясь, конденсируясь и расширяясь. Этот цикл повторяется снова и снова. [10]

2.2 Типы хладагентов, используемых во фризерах

Основным хладагентом, применяемым в промышленном производстве мороженого, является аммиак. Важные достоинства аммиака - это поглощение большого количества тепла при испарении (большой охлаждающий эффект) и рабочие давления, приемлемые для циклов замораживания с типичными рабочими температурами между -15 и 30 ?С. К другим достоинствам аммиака относятся:

- легкость обнаружения утечек;

- не очень большая токсичность при низких концентрациях, несмотря на очень резкий запах и сильно выраженный раздражающий эффект на слизистую оболочку и влажную кожу;

- применение давления обычно выше атмосферного, в связи с чем в систему не попадают жидкие и газообразные смеси.

Тем не менее, аммиаку присущи и некоторые недостатки, в том числе относительно низкая плотность, которая приводит к тому, что для работы с образующимся объемом пара требуются трубы относительно большого диаметра.

К другим его недостатком относятся:

- агрессивность по отношению к латуни и другим медным сплавам;

- трудности автоматизации работы системы охлаждения с этим видом хладагента. [10]

В качестве хладагентов широко используют фреоны. R-12 применяется в течение многих лет в небольших фризерах мороженого, однако этот хладагент был запрещен международным соглашением, включенным в Монреальский договор 1987 г. Использование этого хладагента в уже существующем оборудовании разрешено, однако с 1 января 1996 г.производство данного хладагента запрещено.

К основным достоинствам галогенизированных хладагентов относятся:

- их пары не являются токсичными и не имеют неприятного запаха;

- безвредность для пищевых продуктов;

- возможность использования небольших компактных систем охлаждения.

К основным недостаткам галогенизированных хладагентов, помимо относительно низкого охлаждающего эффекта относятся:

- необходимость отсутствия примесей воды;

- сложность обнаружения утечек;

Кроме того, считается, что эти соединения вредны для окружающей среды, так как вызывают разрушение озонового слоя, а большинство из них вносят вклад в глобальное потепление климата планеты.

Сравнительная характеристика вышеперечисленных хладагентов представлена в табл. 2

Таблица 2 - Сравнительная характеристика свойств хладагентов

Показатели	CO2	Аммиак	Фреон (R-12)
Давление испарения, кПа (по манометру)	2191	137,8	81,3
Давление конденсации, кПа (по манометру)	7084	1068	640,9
Охлаждающий эффект, кДж/кг	131,8	1104	118,6
Потребность в хладагенте на тонну, г/с	7,6	0,9	8,4
Плотность пара при температуре-15?С, кг/м3	59,8	3,2	10,7

Существует ряд современных хладагентов, которые более экологически приемлемы. Многие из них можно использовать для охлаждения в оборудовании для изготовления мороженого. К ним относятся R-507, R-404A. Но и их применение создает определенные проблемы. Во-первых, при использовании R-507 по-прежнему следует считаться с его воздействием на окружающую среду, и поэтому конструкция и эксплуатация новых холодильных систем должны гарантировать отсутствие утечек. Кроме того, системы, в которых используют новые хладагенты, требуют увеличенных конденсаторов. Помимо этого, использование R-507, R-404A предполагает использование масел на основе полимеров сложных эфиров, поскольку ни один из них не совместим с маслами, традиционно применяемыми в холодильных системах. [13]

2.3 Классификация фризеров

Слово «фризер» в переводе с английского означает «охладитель мороженого». Фризеры - это машины, имеющие особую конструкцию и незаменимые при производстве как мягкого, так и твердого мороженого. [11]

Фризеры для замороженных десертов конструируются так, чтобы выполнять определенные функции в различных условиях и при различных затратах. Фризер для мягкого мороженого должен продолжать производство замороженного продукта с перерывами в течение нескольких часов работы. Фризеры периодического действия предназначены для замораживания порции смеси для отгрузки в течение короткого периода. Фризеры непрерывного действия непрерывно получают смесь с помощью насосов и непрерывно выпускают замороженный продукт.

Продолжительность фризерования зависит от механических и физических факторов, а также от свойств смеси. К механическим и физическим факторам относятся:

- тип и конструкция фризера;

- состояние стенок цилиндра и скребков;

- скорость взбивающего механизма;

- температура хладагента;

- скорость хладагента при прохождении им камеры фризерования;

- количество масла, отложившегося на наружной стенке цилиндра;

- требуемая взбитость;

- температура, при которой извлекается мороженое;

На продолжительность фризерования влияют следующие характеристики смеси:

- состав;

- точка замерзания;

- методы обработки;

- вид и количество вкусоароматических материалов.

Фризеры различаются в зависимости от выполняемых ими функций по конструктивным признакам - существуют модели напольные и настольные (напольные фризеры легче перемещать); для одного или нескольких вкусов (одноцилиндровые, двухцилиндровые); для производства обычного мороженого, для молочных коктейлей, для мягкого мороженого или для того и для другого. [13]

Кроме этого, фризеры классифицируются в зависимости от ряда признаков:

1) по принципу действия;

2) по принципу осуществления первой стадии взбивания;

3) по типу системы охлаждения;

Рассмотрим классификации подробнее на примере конкретных марок фризеров.

2.3.1 Классификация фризеров по принципу действия

По принципу действия различают фризеры:

а) периодического действия (ФПД);

б) непрерывного действия (ФНД);

в) полунепрерывного действия.

В аппаратах периодического действия все операции - наполнение цилиндра фризера смесью, фризерование и выпуск мороженого осуществляются последовательно, одна за другой. Примером фризера периодического действия может служить фризер ОФА и ОФА-М. В них каждая партия продукта дозируется, ароматизируется, окрашивается и замораживается отдельно. Производительность фризеров ОФА и ОФА-М равна 200 кг/ч. [9]

Во фризерах периодического действия (рис. 7) через воронку 1 в цилиндр 3 заливается самотеком определенная порция смеси (40-50% его полной емкости). В цилиндре смесь перемешивается мешалкой 4, состоящей из ножевой рамы и взбивателя. Циркулирующий в рубашке 5 рассол или испаряющийся холодильный агент охлаждает смесь, которая достигает криоскопической температуры, а затем при дальнейшем отводе тепла намерзает тонким слоем на стенке цилиндра.

При вращении мешалки, шарнирно подвешенные на ней ножи 2, прижимаются центробежной силой к стенке цилиндра и срезают с нее замерзший слой. Обнажающаяся при этом теплопередающая поверхность покрывается новым слоем смеси, который также примерзает к стенке и срезается ножами. Для ускорения разгрузки цилиндра в мешалке ФПД устроены винтовые ребра, направляющие мороженое к выходу. Напора, создаваемого этими ребрами, достаточно только на преодоление сопротивлений внутри цилиндра и в разгрузочной задвижке. Поэтому разгрузка фризера периодического действия, так же и загрузка, происходит самотеком.

Рис. 7. Технологическая схема ФПД

1-воронка; 2-нож; 3-цилиндр; 4 - мешалка;

5-рубашка; 6 - разгрузочная задвижка.

Во фризерах непрерывного действия (фризеры ОФИ, ОФЕ) операции, составляющие рабочий процесс (загрузка, фризерование и выгрузка) совершаются непрерывно, одновременно, а подача смеси и воздуха в цилиндр фризера - принудительным путем. Во фризерах непрерывного действия смесь и воздух подаются в цилиндр при помощи насосов. Процесс замораживания в ФНД осуществляется принципиально так же, как и в ФПД. И здесь смесь намерзает на стенки цилиндра и срезается с нее подвижно укрепленными на мешалке ножами. Однако, в отличие от ФПД, в ФНД мешалка занимает большую часть емкости цилиндра и полезная его емкость, т.е. одновременная емкость рабочей камеры, образуемой кольцевым зазором между мешалкой и стенкой цилиндра, сравнительно мала (2 - 4 л), что способствует интенсивности замораживания. В ФНД длительность фризерования измеряется секундами против 3…15 мин в ФПД. Под давлением насосов, непрерывно подающих смесь и воздух, полученное в цилиндре мороженое также непрерывно вытесняется из него. Если замораживание в ФПД и ФНД происходит по одному и тому же принципу, то механизм второго элемента фризерования - взбивания - в ФНД существенно отличается от ФПД.

В общем процессе увеличения объема системы смесь - мороженое при фризеровании в ФНД можно рассматривать три стадии - введение воздуха в смесь, его вработка, т.е. перемешивание и равномерное распределение воздушных пузырьков в массе смеси, наконец, расширение воздушных пузырьков при выходе мороженого из цилиндра. Сущность последней стадии сводится к следующему. Смесь в цилиндре ФНД находится под давлением, которое создается принудительной подачей смеси и воздуха в цилиндр, возрастанием вязкости мороженого по мере его замерзания, а также сопротивления в путях прохождения смеси и мороженого; вследствие этого воздушные пузырьки в мороженом во время пребывания его в цилиндре находятся в сжатом состоянии и по выходе мороженого из цилиндра расширяются, что увеличивает объем мороженого, а следовательно, и его взбитость. [6]

Во фризерах полунепрерывного действия подача смеси в цилиндр может быть непрерывной, а выдача готового продукта производится порциями через определенные промежутки времени, как например, во фризере Ф2А14. Он не снабжен охлаждаемым прилавком для готового продукта, поскольку хранение мороженого предусматривается непосредственно в цилиндре фризера при автоматическом включении и выключении холодильной установки и мешалки, благодаря чему достигается поддержание температуры продукта на заданном уровне и предотвращается примерзание его к стенке цилиндра. [15]

Следует заметить, что фризеры полунепрерывного действия используются, как правило, при производстве мягкого мороженого в розничной торговле и на крупных предприятиях не применяют. В серийном производстве применяют фризеры непрерывного действия.

2.3.2 Классификация фризеров по принципу введения воздуха в смесь

Как уже было сказано выше, смесь во фризер периодического действия (ОФА и ОФА-М) поступает под действием гравитационных сил. Резервуар со смесью в них расположен над замораживающим цилиндром, и смесь поступает в цилиндр через калиброванное отверстие в основании трубопровода смеси. При поступлении смеси в цилиндр воздух втягивается одновременно с ней, и взбивание происходит при атмосферном давлении. Недостатком такого принципа введения в смесь воздуха является то, что регулирование соотношения смесь: воздух при этом происходит не вполне точно, кроме того, взбитость находится в диапазоне 35-55%. [5]

По принципу осуществления первой стадии взбивания фризеры непрерывного действия делятся на два типа: с подсосом воздуха и с нагнетанием.

На рис. 8 показана технологическая схема фризера с подсосом воздуха.

Смесь из приемного бачка 1 поступает к насосу первой ступени 5, который по соединительной линии 3 подает ее в насос второй ступени 4. Насосы работают с разным числом оборотов: насос второй ступени вращается в три с лишним раза быстрее, чем насос первой ступени. Насос второй ступени, таким образом, обладает большой производительностью. Всасывающая линия насоса 4 в то же время является нагнетательной линией насоса 5, и питание насос 4 получает только из линии 3; вследствие этого между насосами создается разрежение, и насос второй ступени через устроенный в линии 3 воздушный клапан 2 подсасывает воздух и перемещает его со смесью.

Рис. 8. Технологическая схема ФНД с подсосом воздуха:

1-приемный бачок; 2-воздушный клапан; 3-соединительная линия;

4 - насос второй ступени; 5 - насос первой ступени; 6 - мешалка; 7-нож;

8 - цилиндр; 9 - выпускной патрубок.

Количество всасываемого воздуха регулируется при помощи клапана 2. Насыщенная воздухом смесь подается насосом 4 под давлением в цилиндр фризера 8 и попадает в рабочую камеру между стенкой цилиндра и мешалкой 6. Здесь наряду с охлаждением и замерзанием смеси происходит также окончательная вработка воздуха. Под давлением насоса второй ступени, непрерывно подающего в цилиндр смесь, мороженое вытесняется из цилиндра и выходит из патрубка 9. Таким образом, во фризерах с подсосом воздуха насос первой ступени подает смесь с воздухом в цилиндр, поддерживает в цилиндре необходимое давление и вытесняет мороженое из фризера. К фризерам этого типа относятся практически все фризеры отечественного производства (ОФА, ОФА-М, ОФИ, ОФЕ), поскольку такая подача воздуха не требует дополнительных устройств и обеспечивает равномерное перемешивание смеси на начальном этапе фризерования.

Технологическая схема фризера непрерывного действия с нагнетанием воздуха используется во фризерах зарубежного производства (рис. 9).

По этой схеме смесь поступает из танка или приемного бачка 1 при помощи насоса 11 непосредственно в цилиндр 9. Сюда же через фильтр 6 воздушным компрессором 7 по особой линии 5 нагнетается воздух.

Рис. 9. Технологическая схема ФНД с нагнетанием воздуха.

1-приемный бачок; 2-воздушный вентиль; 3 - обратный клапан; 4 - нож;

5 - линия подачи воздуха; 6 - воздушный фильтр; 7 - воздушный компрессор; 8 - насос для мороженого; 9 - цилиндр;

10 - мешалка; 11 - насос для смеси

Первичное перемешивание воздуха со смесью и его вработка осуществляется в самом цилиндре. Для выдачи мороженого из цилиндра предусмотрен насос. Во фризерах этого типа мороженое в цилиндре также находится под давлением и на выходе из фризера расширяется. Взбитость регулируется изменением давления воздуха при помощи воздушного вентиля 2. Попадание смеси в воздушную линию предотвращается посредством обратного клапана 3. Таким образом, характерной особенностью такого фризера является раздельная подача воздуха и смеси в цилиндр, а также отсасывание мороженого насосом, расположенным на выходе из цилиндра. [10]

2.3.3 Классификация фризеров по типу системы охлаждения

По типу системы охлаждения фризеры бывают:

а) с рассольным охлаждением;

б) с непосредственным охлаждением, которые, в свою очередь, подразделяются на фризеры с затопленной системой и с циркуляционной системой.

Во фризерах с рассольным охлаждением используется циркулирующий в рубашке фризера рассол, охлаждаемый в испарителе холодильной машины. Рассол - это водный раствор соли. Если соль растворена в воде, то температура замерзания в рассоле ниже температуры замерзания чистой воды. Чем больше растворено соли, тем ниже температура замерзания рассола, но только для определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации соли температура замерзания рассола повышается, а не понижается. Следовательно, раствор любой соли в воде должен иметь определенную концентрацию, при которой температура его замерзания минимальна.

На рис. 10 показана принципиальная схема фризера с рассольным охлаждением.

Рис. 10. Холодильная схема фризера с рассольным охлаждением:

запорная задвижка; 2 - цилиндр; 3 - рубашка фризера.

Рассол подается насосом из испарителя холодильной установки в рубашку фризера 3 и омывает наружную поверхность цилиндра 2. Рассол, отепленный в результате поглощения тепла от смеси, возвращается в испаритель для повторного охлаждения, а затем снова в рубашку. На входе и выходе из рубашки ставятся запорные задвижки 1. В настоящее время рассольное охлаждение практически не применяется.

Принцип действия фризеров с непосредственным охлаждением основан на кипении холодильного агента (чаще всего аммиака, в некоторых конструкциях - фреонов).

Фризеры с непосредственным охлаждением, в свою очередь, делятся на два вида - с затопленной системой и с принудительной циркуляцией холодильного агента.

На рис. 11 представлена схема фризера непосредственного охлаждения с затопленной системой.

Рис. 11. Холодильная схема фризера с затопленной системой непосредственного охлаждения:

1 - маслоспускной вентиль; 2 - маслоотделитель; 3-мешалка;

4 - цилиндр; 5 - рубашка; 6 - соленоидный вентиль; 7 - отбойник;

8 - аккумулятор; 9 - поплавковый регулирующий вентиль;

10 - газовый запорный вентиль; 11 - запорный жидкостной вентиль;

12 - бародросселирующий вентиль.

К данному типу фризеров относится фризер ОФА, который работает по следующей схеме: жидкий холодильный агент при давлении конденсации поступает через запорный вентиль 11 и поплавковый регулирующий вентиль (ПРВ) 9 и аккумулятор 8. ПРВ выполняет двойную функцию: снижает давление холодильного агента до давления испарения и поддерживает постоянный уровень в аккумуляторе (примерно наполовину его высоты). Жидкость низкого давления из аккумулятора сливается самотеком в рубашку 5, проходя через маслоотделитель 2. Этим достигается освобождение холодильного агента от масла и предотвращается осаждение масла на теплопередающей поверхности. Кроме того, поскольку маслоотделитель расположен ниже рубашки, свежая жидкость поступает под уровень, чем обеспечивается спокойное заполнение рубашки без разбрызгивания.

В рубашке холодильный агент испаряется, и образующиеся влажные пары попадают в верхнюю часть аккумулятора, выполняющую функцию отделителя жидкости. Под воздействием отбойников 7 капельки жидкости оседают в аккумуляторе и вновь включаются в рабочий цикл, а осушенные пары уходят во всасывающую линию, пройдя на своем пути через фильтр и ряд вентилей. Таким образом, во фризерах с затопленной системой рубашка всегда находится под заливом, и питание ее осуществляется самотеком из расположенного выше аккумулятора.

Схема фризера непосредственного охлаждения с циркуляционной системой показана на рис. 12. Во фризерах этого типа (фризеры ОФИ, ОФА-М, ОФЕ) аккумулятор расположен ниже рубашки. Подача холодильного агента осуществляется принудительным путем, в большинстве случаев при помощи инжектора.

В жидкостной линии 12 перед ПРВ 11, посредством которого осуществляется дросселирование холодильного агента и заполнение аккумулятора 2, устраивается ответвление. Часть жидкости высокого давления подводится по этому ответвлению к редукционному вентилю 13, дросселируется до давления (избыточного) 2-2,5 ат (т.е. выше давления в аккумуляторе), а затем поступает в инжектор 1, расположенный в нижней части аккумулятора. При выходе из сопла инжектора жидкость попадает в аккумулятор и его давление снижается до давления испарения. Устремляясь с большой скоростью вверх по трубе 3, инжекторная жидкость увлекает за собой жидкость из аккумулятора и подает ее в рубашку фризера, состоящую из двух концентрических полостей 7 и 8. Попав во внутреннюю полость 7, жидкий холодильный агент омывает стенку цилиндра и испаряется за счет тепла смеси. Пары холодильного агента и избыток жидкости стекают через переливные окна 6 во внешнюю полость рубашки, а затем по сливной трубе 4 - в аккумулятор.

Рис. 12. Холодильная схема фризера с циркуляционной системой непосредственного охлаждения:

1- инжектор; 2 - аккумулятор; 3 - внутренняя труба; 4 - сливная труба;

5 - цилиндр; 6 - переливное окно; 7 - внутренняя полость рубашки;

8 - внешняя полость рубашки; 9 - мешалка; 10 - газовый трубопровод;

11 - ПРВ; 12 - жидкостная линия; 13 - редукционный вентиль

Жидкость оседает в аккумуляторе, а пары по трубопроводу 10 попадают во всасывающую линию. Принудительная циркуляция холодильного агента повышает интенсивность теплопередачи, однако при инжекторной подаче часть холодильного агента, поступающая в инжектор, оказывается вне контроля ПРВ, и при неправильном регулировании появляется некоторая опасность переполнения аккумулятора и попадание жидкости в газовую линию («залива» газовой линии). Указанный недостаток устраняется во фризерах, в которых инжектор заменен циркуляционным насосом, в то же время преимущества циркуляционной системы в таких фризерах сохраняются. Применение насоса значительно повышает интенсивность процесса и производительность фризера. [5]

Рассмотрим более подробно устройство и принцип работы каждого из фризеров.

2.4 Фризер периодического действия ОФА

Фризер ОФА (рис. 13) состоит из цилиндрового блока с рабочим цилиндром, рубашкой и мешалкой, системы охлаждения и механизма привода, смонтированных на общей станине. Цилиндр 5 закрыт с торцов крышками: задней 31 - стационарной и передней 8 - откидной. В верхней части передней крышки имеется загрузочная воронка 9, в нижней - окно с задвижкой 6 для выгрузки мороженого из цилиндра. Над цилиндровым блоком расположена мерная ванна 13, из которой смесь сливается в цилиндр через кран 12 и воронку 9. В мерной ванне предусмотрено поплавковое устройство 14, которое перекрывает клапан в патрубке и тем самым прекращает поступление смеси в ванну при заполнении ее на 40-60% полной емкости цилиндра (остальная незаполненная емкость оставляется с расчетом на увеличение объема смеси при взбивании). Открывается клапан вручную при помощи рукоятки 22. В передней стенке ванны устроено смотровое стекло. Сверху ванна закрывается крышкой.

Мешалка состоит из ножевой рамы 10 и взбивателя 7, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. На ножевой раме, кроме укрепленных шарнирно двух ножей, имеются также разгрузочные пластины 4.

Взбиватель устроен в виде решетки. На валу закреплено три поперечных пластины, через которые пропущено десять параллельных валу стержней.

Вращение взбивателя и ножевой рамы во взаимно противоположных направлениях осуществляется следующим образом. От электродвигателя 26 вращение передается через цепную передачу на промежуточный вал 28. От этого вала приводится во вращение через пару шестерен полый вал 30 в направлении, противоположном промежуточному валу. Внутри полого вала проходит вал 29, который от вала 28 при помощи цепной передачи получает вращение в направлении. одинаковом с промежуточным валом.

Рис. 13. Фризер периодического действия ОФА

В полом валу устроены пазы, в которые входят выступы задней планки ножевой рамы. На задней цапфе вала взбивателя имеется палец, входящий в отверстие вала 29. Таким образом, ножевая рама и взбиватель при вращении валов 30 и 29 также вращаются навстречу друг другу.

Для смазывания приводного механизма в заднем картере цилиндра расположены две ванны: нижняя 23 с разбрызгивателем 24, посаженным на вал электродвигателя и верхняя 27, в которой разбрызгивание масла осуществляется шестерней привода полого вала.

Нижнюю ванну заполняют маслом через указатель уровня 25, верхнюю - непосредственно, сняв крышку.

Для предотвращения утечек масла предусмотрены сальниковые устройства.

Холодильная схема фризера ОФА - затопленная, работает по принципу, описанному на стр. 36. Жидкий аммиак через фильтр 19 и поплавковый регулирующий вентиль 32 попадает в аккумулятор - отделитель жидкости 17, затем стекает в маслосборник 3, где масло оседает, и освобожденный от масла аммиак заполоняет рубашку 1. Для спуска масла в нижней части маслосборника устроен вентиль 2. Влажные пары поступают в аккумулятор, где капельки жидкости задерживаются отбойниками, а осушенные пары уходят во всасывающую линию. Кран 15 перекрывает выход паров из рубашки. Для включения замораживания кран 15 открывают.

Давление и температура испарения аммиака регулируются бародросселирующим вентилем 20, таким же, как во фризере ОФИ.