Энергосберегающие способы и оборудование для тепловой обработки пищевых материалов с направленным подводом инфракрасного излучения

Г. В. Авроров,В. А. Авроров, Г. Д. Лузгин 
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 
 ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 
С НАПРАВЛЕННЫМ ПОДВОДОМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 664 
ББК 36.81 
А21 
 
 
Рецензент: 
главный конструктор АО «Пензенский машиностроительный завод»  
Н. А. Гуреев  
 
 
 
Авроров, Г. В. 
А21  
Энергосберегающие способы и оборудование для тепловой обработки пищевых материалов с направленным подводом инфракрасного излучения : учебное пособие / Г. В. Авроров, В. А. Авроров, Г. Д. Лузгин. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 156 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1413-5 
 
Приведены результаты конструкторских разработок и экспериментальных исследований по созданию новых энергосберегающих способов и оборудования для тепловой обработки пищевых продуктов с использованием направленного подвода инфракрасного излучения. Проведен анализ недостатков используемого в промышленности 
сушильного и пекарного оборудования. Сформулированы предложения по устранению 
этих недостатков путем применения направленного излучения от инфракрасных зеркальных ламп. Разработаны функциональная и структурная схемы действующей модели сушилки-печи с инфракрасными ламповыми нагревателями, и на основе закономерностей теплообмена спроектированы элементы её конструкции. Проведен сравнительный анализ эффективности ламповых излучателей и широко применяемых в тепловых установках трубчатых термоэлектронагревателей.  
Для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата: 
15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.04 «Технология продукции 
и организация общественного питания», 19.03.02 «Продукты питания из растительного 
сырья», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения», 19.06.01 «Промышленная экология и биотехнологии». Может быть полезно специалистам, работающим в 
области пищевой индустрии.  
 
 
УДК 664 
ББК 36.81 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1413-5 
” Авроров Г. В., Авроров В. А., Лузгин Г. Д., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

Оглавление 
 
Предисловие 
................................................................................................................. 5 
Тема 1. Сушка капиллярно-пористых материалов растительного  
происхождения ............................................................................................................ 9 
1.1. Анализ способов сушки сырья и используемого сушильного 
оборудования в пищевых и перерабатывающих отраслях  
промышленности 
......................................................................................................... 9 
Тема 2. Оборудование для выпечки хлеба, хлебобулочных и мучных  
кондитерских изделий 
............................................................................................... 31 
2.1. Анализ пекарного оборудования ...................................................................... 31 
Тема 3. Основные сведения о тепловых процессах и источниках  
нагрева ........................................................................................................................ 48 
3.1. Основные сведения о тепловых процессах и источниках нагрева ............... 48 
3.2. Общая структура тепловых аппаратов и ее характеристики ......................... 52 
Тема 4. Нагрев излучением: технические параметры и характеристики ............ 69 
4.1. Постановка проектной задачи по созданию универсальной 
сушилки-печи 
............................................................................................................. 69 
4.2. Выбор источников ИК-излучения и определение их характеристик ........... 71 
4.3. Исследование взаимодействия ИК-излучения с облучаемым  
материалом 
................................................................................................................. 79 
4.4. Оценка влияния покрытия образца на интенсивность его нагрева 
............... 85 
Тема 5. Разработка функциональной и структурной схем сушилки-печи  
с направленным подводом ИК-излучения 
.............................................................. 98 
5.1. Технические требования к элементам рабочей зоны и основные  
задачи проектирования энергосберегающего образца сушилки-печи ................ 98 
5.2. Разработка и анализ структурной схемы образца односекционной  
сушилки-печи 
........................................................................................................... 101 
Тема 6. Проектирование экспериментального образца односекционной  
сушилки-печи  
.......................................................................................................... 108 
6.1. Разработка компоновки сушилки-печи и ее элементов  .............................. 108 
6.2. Разработка принципиальных электрических схем сушилки-печи 
.............. 112 
Тема 7. Экспериментальные исследования сушилки-печи при выпечке  
формового хлеба и сушке материалов растительного происхождения 
............. 116 
7.1. Определение механических и тепловых параметров действующей  
модели секции сушилки-печи ................................................................................ 116 
7.2. Экспериментальные исследования процесса сушки растительных  
материалов ............................................................................................................... 123 
3 

7.3. Экспериментальные исследования процесса выпечки формового  
хлеба 
.......................................................................................................................... 129 
Тема 8. Разработка компоновок энергосберегающего теплового  
оборудования с направленным подводом инфракрасного излучения 
............... 135 
8.1. Разработка конструктивных схем сушильных установок 
............................ 135  
Тема 9. Использование направленного подвода ИК-излучения  
при нагревании жидких сред и влагосодержащих многокомпонентных  
смесей ....................................................................................................................... 147 
9.1. Энергосберегающие способы тепловой обработки жидких сред ............... 147 
9.2. Способ приготовления универсальной кормовой добавки  
для животных, птиц и рыб с использованием ИК-излучения ............................ 152 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Предисловие 
 
В учебном пособии приведены результаты разработок и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре «Пищевые производства» Пензенского государственного технологического университета и направленных на создание энергосберегающих способов и оборудования для сушки, выпечки мучных изделий, запекания, тушения, нагревания жидких сред и т. п. на основе использования направленного подвода инфракрасного излучения. 
Результаты исследований, разработанные способы и конструктивнотехнологические схемы, выполненные компоновки оборудования, а также технические решения отдельных устройств определили не только структуру данного издания, но и его основную особенность, заключающуюся в том, что 
предложенные способы и конструкторские разработки отличаются технической 
новизной и являются патентозащищенными. 
В первых двух темах в качестве введения в проблему дан краткий обзор 
проводимых исследований в области сушки растительного сырья и выпечки 
мучных изделий, характеризуемых наибольшей энергонапряженностью. 
В первой теме учебного пособия приведена классификация и дан анализ 
известных способов обезвоживания сырья растительного происхождения  
и применяемого для этого технологического оборудования. Сформулированы 
первоочередные задачи дальнейшего совершенствования процесса сушки сырья. 
Во второй теме приведена классификация применяемого пекарного оборудования и способов нагрева зоны выпечки. Приведены технические параметры 
и примеры расчета печей с паровым и электрообогревом. Отмечены конструктивно-технологические преимущества и недостатки существующих печей по затратам энергии, материалоемкости, удобству обслуживания и другим признакам.  
Проведенный анализ известных способов и оборудования для сушки  
и выпечки позволяет сделать вывод, что с позиций энергосбережения, экологичности процессов и технических возможностей предпочтительной может 
оказаться тепловая обработка сырья и полуфабрикатов с использованием 
направленного инфракрасного излучения при условии обеспечения более точного регулирования температуры нагрева продуктов. Это позволит существенно интенсифицировать процесс и создать, в частности, энергосберегающую 
универсальную сушильно-пекарную установку непрерывного действия. 
Третья тема посвящена анализу тепловых процессов и источников 
нагрева продуктов. Сформулированы конструктивно-технологические, эксплуатационные, энергетические, экологические, экономические требования и критерии, обуславливающие выбор более эффективного и энергосберегающего 
теплового оборудования. 
5 

Дан анализ преимуществ и недостатков паровых, газовых и электрических источников нагрева рабочих зон теплового оборудования. Приведены 
примеры расчета параметров термоэлектронагревателя и инжекционной газовой горелки и их использования в тепловом технологическом оборудова- 
нии. 
В четвертой теме на основании предложенных патентозащищенных 
способов нагрева продуктов сформулирована проектная задача по созданию 
универсальной туннельной конвейерной сушилки-печи с направленным подводом инфракрасного излучения. Осуществлен выбор источников излучения,  
в качестве которых приняты зеркальные инфракрасные лампы мощностью от 
175 до 500 Вт, и определены их характеристики. Проведены исследования взаимодействия ИК-излучения с облучаемым конструкционным материалом. 
Установлено, что для изготовления элементов рабочей зоны конвейерной сушилки-печи наиболее подходящим является применение легированной жаропрочной стали марки 12Х18Н10Т. Проведен выбор дополнительного кремнийорганического покрытия элементов рабочей зоны, позволяющего дополнительно увеличить температуру нагрева облучаемой поверхности без увеличения 
энергозатрат.  
В пятой теме сформулированы технические требования к элементам 
рабочей зоны и поставлены основные задачи создания действующей модели 
универсальной сушилки-печи с направленным подводом инфракрасного излучения к обрабатываемому продукту. Осуществлена разработка и проведен 
анализ структурной схемы односекционной сушилки-печи, являющейся единичным конструктивным модулем для создания многосекционного теплового 
аппарата.   
Шестая тема посвящена описанию результатов проектирования конвейерной сушилки-печи, описанию ее компоновки и основных ее узлов. Разработаны принципиальные электрические схемы автоматического регулятора 
«напряжение – температура» и силового питания блоков инфракрасного излучения.  
В седьмой теме учебного пособия приводятся результаты экспериментальных исследований изготовленной модели односекционной сушилки-печи 
при сушке растительного сырья, используемого в качестве натуральных обогатителей функционального назначения для выпечки хлебобулочных изделий. 
Определены механические и тепловые параметры образца сушилки-печи при 
выпечке формового хлеба. 
В восьмой теме дано описание разработанных способов и различных видов энергосберегающего теплового оборудования с использованием направленного автоматически регулируемого подвода ИК-излучения:  
6 

– модульной барабанной сушилки для сушки сыпучих материалов с 
наружным обогревом барабана; 
– барабанной сушилки длинномерных материалов с внутренним обогревом барабана; 
– малогабаритной барабанной сушилки с подвижной нагревательной кареткой;  
– цилиндрической сушилки для сушки больших объемов сыпучих влагосодержащих материалов; 
– барабанной установки для выпечки блинной ленты; 
– малогабаритных печей с каменным подом и конвейером для выпечки 
пиццы, мелкоштучных хлебобулочных и мучных кондитерских изделий. 
В девятой теме дано описание энергосберегающих способов нагрева  
и перемешивания жидких сред с использованием направленного подвода  
ИК-излучения и приведены сведения по созданию энергосберегающей технологии получения универсальной кормовой добавки для кормления сельскохозяйственных животных, птиц и рыб. 
Учебное пособие рекомендуется для студентов высших учебных заведений при изучении дисциплин основной и вариативной частей рабочих учебных 
планов по направлениям подготовки бакалавриата 15.03.02 «Технологические 
машины и оборудование», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания». 
Издание может быть полезно магистрантам по соответствующим направлениям подготовки 15.04.02, 19.04.02, 19.04.04 и аспирантам по направлению 
подготовки 19.06.01 «Промышленная экология и биотехнологии», направленность подготовки – «Процессы и аппараты пищевых производств», а также 
специалистам пищевых предприятий и предприятий машиностроения для пищевой промышленности.  
Изучение и освоение материалов данного учебного пособия позволит 
студентам дополнительно повысить уровень своих компетенций: 
– в способности разрабатывать мероприятия по совершенствованию технологических процессов производства пищевой продукции различного назначения. Студенты будут глубже знать технологические процессы производства 
пищевой продукции различного назначения, уметь разрабатывать мероприятия 
по совершенствованию этих процессов и владеть навыками разработки более 
эффективных технологических процессов при производстве продукции из различных видов сырья; 
– в умении моделировать технические объекты и технологические процессы и готовности проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом результатов. Студенты будут знать основы исследования 
7 

технологических процессов и объектов, организации и проведения экспериментов, анализа и интерпретации результатов; уметь проводить экспериментальные исследования и обрабатывать их результаты; владеть навыками исследования процессов и технических объектов и вопросами организации и проведения экспериментальных работ; 
– в способности принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций в соответствии с техническими заданиями. Студенты будут знать основы проектирования технологического оборудования пищевых производств; уметь проектировать детали и 
узлы машин; владеть навыками и основами проектирования деталей машин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

ТЕМА 1. СУШКА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ  
РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 
 
1.1. Анализ способов сушки сырья и используемого сушильного  
оборудования в пищевых и перерабатывающих отраслях  
промышленности 
 
Сушка представляет собой термический процесс удаления влаги из влагосодержащих материалов путем ее испарения или выпаривания и относится  
к важным тепловым процессам многих отраслей промышленности. 
Принципиальная схема процесса сушки1 выглядит следующим образом 
(рис. 1.1). 
 
 
 
Рис. 1.1. Блок-схема процесса сушки 
 
Влажность материала выражается как  
 
 
 
1
W
U
w
W
G
U
 
 


,   
(1.1) 
 
где U – влагосодержание,  
W – масса влаги,  
G – масса сухого материала. 
 
                                                 
1 Стабников В. Н., Баранцев В. П. и др. Процессы и аппараты пищевых производств. – М: 
Агропромиздат, 1985. 

9 

В процессе сушки влажность стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому 
1
2
3
(
,
,
, )
U
U x x
x W
 
 и 
1
2
3
(
,
,
, )
T
T x x
x W
 
. Данные зависимости описывают динамику сушки и нагрева тела. 
По способу подвода теплоты к высушиваемому продукту различают следующие виды сушки 2 3 4 5: 
– конвективная – непосредственное соприкосновение высушиваемого 
продукта с сушильным агентом, например, с нагретым воздухом; 
– контактная (кондуктивная) – передача теплоты от теплоносителя  
к продукту через поверхность соприкосновения; 
– радиационная – передача теплоты инфракрасными лучами; 
– сублимационная – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме; 
– диэлектрическая – нагревание продукта в поле токов высокой или 
сверхвысокой частоты. 
Скорость сушки определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого продукта к границе раздела сред.  
Выбор оптимального варианта процесса сушки, результаты теплового 
расчета сушильных установок и их конструкция во многом определяются параметрами состояния влажного воздуха и его изменением в ходе процесса. Перед 
началом сушки сушильный агент является смесью сухого воздуха с паром  
и в процессе сушки его влажность увеличивается. Влажный воздух характеризуется барометрическим давлением, парциальным давлением водяного пара, 
абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией (теплосодержанием) и др.6.  
Когда продукт находится в контакте с влажным воздухом, возможны два 
процесса: испарение влаги из продукта (десорбция) при парциальном давлении 
пара над поверхностью продукта, превышающем его парциальное давление  
в воздухе, и увлажнение продукта, т. е. поглощение пара из окружающего 
влажного воздуха (сорбция).  
Влажность продукта, соответствующая состоянию равновесия и называемая равновесной влажностью, определяет способность продукта удерживать 
влагу. 
Перенос теплоты при сушке сопровождается сопутствующим переносом 
влаги. При испарении влаги с поверхности продукта возникает перепад влаго                                                 
2 Джемисон Р. Х. Физика и техника инфракрасного излучения. – М: Советское радио, 1965. 
3 Красников В. В. Кондуктивная сушка. – М6 Энергия, 1973. 
4 Сэбиси Г., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. – М: Мир, 1987. 
5 Атаназевич В. И. Сушка пищевых материалов. – М: ДеЛи, 2000.
6 Гинзбург А. С. Сушка пищевых продуктов. – М: Пищепромиздат, 1960.  
10