Гелиопечь

Во многих странах приготовление пищи на газе потребляет существенно меньше количества первичного топлива, и выбросы СО₂ значительно ниже, чем при использовании электроэнергии. У эффективных газовых горелок 65% энергии идет на приготовление пищи.

Расход тепла на приготовление пищи присутствует всегда, в не зависимости от климатических условий и финансовых возможностей населения (никто ни ест сырой картофель или крупу).

Потребление теплоты зависит от многих факторов: демографических (количество членов и состав семьи, режим и рацион питания с учетом национальных традиций); организационных (обеспеченность предприятиями общественного питания, увеличение использования полуфабрикатов в домашнем питании); на селе большие затраты на кормоприготовление. А также технических: внедрение новых усовершенствованных приборов, обеспечивающих равномерное распределение потока тепла и поддерживающих оптимальный режим в процессе приготовления пищи, внедрение посуда со специальными покрытиями. Также и количество потребляемой электроэнергии, во многом зависит от культуры потребления и приготовления продуктов: здесь существуют значительные различия между странами и регионами.

В Северной Америке, Европе, Австралии, Новой Зеландии основными устройствами приготовления пищи являются духовые шкафы, кухонные плиты и микроволновые печи. Кухонная вытяжка и мелкая кухонная техника — кофеварки, компактные печи для хлеба и прочие — также могут потреблять много энергии. В Японии и других азиатских странах очень широко используют рисоварки. Большая часть энергии при приготовлении пищи расходуется на её разогревание. Небольшое количество идет на разморозку замороженных продуктов. Что касается вида энергии, то электроэнергии для приготовления пищи потребляется немного, в основном используется природный газ или сжиженный нефтяной газ, в том числе в странах СНГ.

В начале 80-х гг. ХХ века в Китае эффективность (КПД) дровяных печей составляла около 10%. Была принята Программа повышения эффективности: вначале до 20%, а затем до 30%. Таким образом, к концу 90-х гг. в Китае было установлено более 180 млн таких печей в домашних хозяйствах (90% от общего количества деревенских домохозяйств в Китае).

Процесс приготовления пищи и неразрывно связанное с ним горячее водоснабжение для коммунально-бытовых потребителей требует значительных объемов энергии (таблица 1).

Таблица 1 — Годовые нормативы потребности в тепловой энергии для коммунально-бытовых потребителей, тыс. ккал/чел∙год

Нагревание пищевых продуктов обеспечивает, в том числе и выполнение санитарно-гигиенических мероприятий — при нагревании выше 80 ⁰С происходит уничтожение микроорганизмов, содержащихся в них. Это обстоятельство очень важно, так как в подавляющем большинстве все пищевое сырье как растительного, так и животного происхождения обсеменено различными микроорганизмами, среди которых немало вредных и болезнетворных.

И второе. Широко известно, что для повышения качества кулинарной продукции большое значение имеет режим варки после закипания. Бурное кипение в большинстве случаев отрицательно сказывается на качестве пищи: бульоны делаются мутными, продукты деформируются, увеличиваются потери ароматических веществ и витаминов и т. д. Каши, макароны, соусы надо варить при температуре 85 — 90 ⁰С, рыбу, птицу, мясо — при 85 — 95 ⁰С.

При изменении традиционного способа приготовления пищи (если её готовить в гелиопечи по схеме рисунка 1) могут быть значительно снижены потери сырья. Так допустимый уровень потерь массы мяса при обычной варке составляет 35 — 40%. Проводя варку при температурах ниже температуры кипения (85 — 90 ⁰С) и увеличив продолжительность процесса в 5 — 7 раз, эти потери можно уменьшить до 10 — 15%., т. е. в 2,3 — 4 раза, обеспечивая значительное ресурсосбережение.

В большинстве случаев изделие достигает кулинарной готовности чаще всего, когда центральный слой прогревается до определенной температуры — температуры пастеризации, например, для мяса и рыбы 75 — 80 ⁰С, кондитерских изделий 98 ⁰С и так далее. Однако в отдельных случаях это условие является лишь необходимым, но недостаточным, так как полная кулинарная готовность возможна после необходимой выдержки во времени.

Общая продолжительность приготовления блюд зависит от многооперационности технологии приготовления и составляет различное время (таблица 2)

Таблица 2 — Время приготовления блюд

Обычная технология варки каш и жарки различных продуктов

Каши варят, с перемешиванием пока крупа не поглотит всю влагу (при варке рассыпчатых и вязких каш) или не загустеет (при варке жидких каш). После этого поверхность разравнивают, уменьшают нагрев, закрывают котел крышкой и доводят кашу до готовности (упаривают) при температуре 90 — 95 ⁰С.

Продолжительность варки (упаривания) каши гречневой из ядрицы быстро разваривающейся — 1 час, из поджаренной крупы — 1,5 — 2, из не пропаренного зерна — 4,5 часа. Кашу рисовую упаривают около 1 ч, пшеничную 1,5, перловую —2 –3 ч.

Температура клейстеризации крахмальных зерен — разрушение нативной структуры крахмального зерна при варке сопровождается набуханием. Температура клейстеризации картофельного крахмала наступает при 55 — 65 ⁰С, пшеничного — при 60 — 80, кукурузного — при 60 — 71, рисового — при 70 — 80 ⁰С. При жарке на нагретых поверхностях температура на поверхности продукта в момент окончания процесса жарки составляет 135 ⁰С (образование обезвоженной корочки), а в центре изделия — 80 — 85 ⁰С. Этот способ тепловой обработки называют жаркой с малым количеством жира. При жарке в жире (во фритюре) продукт полностью погружают в жир, нагретый до 160 — 180 ⁰С. При этом температура на поверхности продукта в момент окончания процесса так же, как при жарке с малым количеством жира, составляет 135 ⁰С, в центре изделия — 80 –85 ⁰С.

Принимая во внимание сложность количественной оценки потребляемой энергии на приготовление пищи, её незначительную долю в общем расходе тепла на тепловые процессы, например, быта децентрализованного потребителя (около 6 — 8%), можно и нужно эту область теплопотребления передать, на летний период, в сферу ответственности энергетики ВИЭ.

На рисунке 1 изображена схема гелиопечи для варки пищи, разработанная в Конструкторском Бюро Альтернативной энергетики «ВоДОмёт» (г. Омск).

Рисунок 1 — Схема гелиопечи для варки пищи
1 — солнечное излучение; 2 — солнечный соляной пруд; 3 — корпус (обечайка) печи; 4 — отражающая поверхность здания; 5 — котел (ёмкость) для варки пищи

Аккумулированная солнечным соляным прудом 2 теплота прямого и отраженного от поверхности 4 солнечного излучения 1 обеспечивает поддержание в ней температуры близкой к температуре придонного слоя. Как видно из схемы, в печи 3 температура при высокой теплопроводности стенок может быть близкой к температуре соляного рассола солнечного соляного пруда 2 — 85 — 95 ⁰С. В печи 3 могут быть как по отдельности, так и все вместе размещены котлы 5 с различными продуктами, начиная с бульонов и заканчивая компотом (описание солнечного соляного пруда см. в монографии автора: Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.).

Конечно, для гелиопечи должны быть разработаны свои технологии варки различных блюд исходя из того, что температура в печи в большинстве случаев не будет достигать 100 ⁰С, а значит увеличивается время варки. Например, для приготовления завтрака, котел с мясом необходимо будет ставить в печь поздним вечером, после чего варка будет происходить всю ночь без участия человека. В такой печи нет опасности что каша, макароны или рыба подгорит или не доварится.

Гелиопечь может быть частью теплового оборудования летнего кафе, столовой или ресторана, рисунок 2.

Рисунок 2 (разрез по А — А рисунка 1) – Схема летнего кафе, пристроенного сбоку к гелиопечи для варки пищи
1 — солнечный соляной пруд, 2 — корпус (обечайка) печи, 3 — котел, 4 — мармит, 5 — стол раздачи, 6 — помещение приема пищи летнего кафе (летней столовой детского оздоровительного лагеря, ресторанчика с летней баней)

Такая архитектура (компоновка) предприятия торговли или общественного питания позволяет иметь значительные запасы готовых блюд различного ассортимента, причем не потерявших своих вкусовых качеств, разогретых в не зависимости от времени суток и количества посетителей. Ведь известно, что при охлаждении сваренных крахмалосодержащих продуктов количество растворимой амилозы в них снижается в результате ретрограции (выпадения в осадок). При этом происходит старение крахмальных студней (синерезис), изделия черствеют. Скорость старения зависит от вида изделий, их влажности и температуры хранения. Чем выше влажность блюда, кулинарного изделия, тем интенсивнее снижается в нем количество водорастворимых веществ. Наиболее быстрое старение протекает в пшенной каше, медленнее, манной и гречневой. Повышение температуры тормозит процесс ретрограции. Поэтому блюда из крупы и макаронных изделий, которые хранятся в мармитах 4 с температурой 70 — 80 ⁰С, будут иметь хорошие органолептические показатели в течение 4 часов. Если в предлагаемую печь поставить вечером рыбу, картофель, кашу и т. п., то к утру завтрак будет готов — в том числе горячая вода для чая, кофе (в куллере температура воды 95 ⁰С).

Гелиопечи можно использовать для экстрации (вываривания) жира из пищевой кости — длительность процесса  10 часов, для приготовления кормов домашним животным и птицам.

Вода, прошедшая тепловую обработку в трубе, проложенной по дну солнечного соляного пруда 1, будет пастеризованной, т. е. такой в которой уничтожены болезнетворные бактерии, а жизнедеятельность остальных микроорганизмов существенно подавлена. Как известно, пастеризационный эффект предопределяется температурой нагрева и продолжительностью выдержки воды при этой температуре. Минимальная температура пастеризации равна 63 ⁰С, а выдержка при такой температуре должна составлять не менее 60 минут. На практике пастеризационный эффект достигается при нагреве воды до температуры не менее 80 ⁰С и выдержке в течение 15 — 20 с.

Вода, подвергнутая пастеризации, предназначена для мойки посуды, столовых приборов, узлов и деталей пищевого оборудования.

Солнечную печь можно использовать также как для многочисленных видов производственной деятельности, так и для обслуживания большого потока отдыхающих, путешественников, тем более что основной их поток всегда приходится на лето.

Для удовлетворения аппетита гурманов, которых, как правило, предостаточно среди отдыхающих, не с пустыми кошельками, гелиопечь можно использовать для подсушки, варки и копчения вареных, варено-копченых и полукопченых колбас, сосисок, сарделек, свинокопченостей и рыбных изделий

Гелиопечь позволяет обеспечить один из основных этапов технологического процесса производства колбас, консервов, мясных и рыбных изделий — термическую обработку (таблица 3).

Таблица 3 — Технологические операции термообработки колбасных изделий и копченостей

Как видно из таблицы 3 солнечная энергия, аккумулированная в солнечном соляном пруду, как некая другая подходит для наиболее деликатных операций приготовления изысканных блюд.

Выгода приготовления изысканных блюд налицо, так как стоимость копченой рыбы, в рознично торговле, в 2 раза выше, чем свежей.

Температура рабочей среды при холодном копчении 20 — 45, а при горячем 60 — 150 ⁰С, что позволяет осуществлять копчение также с использованием энергии солнечного соляного пруда.

Предотвращению порчи продуктов, увеличению сроков их хранения способствует своевременная термообработка (пастеризация), при которой под воздействием высокой температуры уничтожается болезнетворная микрофлора. Гелиопечь можно использовать для размещения сливкосозревающих ванн, в которых происходит нагрев сливок, до температуры сбивания их в масло. В гелиопечи (камере) можно осуществлять сушку под вакуумом при производстве животных кормов (мясокостной, мясной, кровяной и костной муки) и технических жиров сухим способом.

Объемы продуктов — молока, пива, вина, и других, подлежащих пастеризации, огромны. Эффективность пастеризации молочных продуктов при температуре 76 ± 2 ⁰С составляет 98,3 — 99,5%, а при 82 ± 2 ⁰С — 99,6 — 99,8%.

Приготовление пищи и корма для животных будет напоминать работу современных стиральных машин, когда главное загрузить однотонные вещи (а, для приготовления, пищи необходимые полуфабрикаты), а дальше все происходит в автоматическом режиме.

Применение гелиопечи в южных регионах

На маслодобывающих заводах Узбекистана при переработке семян хлопчатника в качестве вторичного продукта получают шрот, который реализуется как концентрированный корм, поскольку он содержит свыше 40% сырого протеина.

Хлопковый шрот должен содержать не более 0,02% свободного госсипола. В противном случае при вскармливании животным шрот может привести к отравлению, т. к. госсипол является клеточным, сосудистым и нервным ядом, вызывающим воспалительные процессы в тканях. Этот токсин воздействует на сердце, печень, почки, вызывает в пораженных органах кровоизлияния и инфильтраты. Хлопковый шрот рекомендуется ограниченно включать в кормовые рационы молочных коров, мясного скота и овец. Проблематично использование шрота в кормах для свиней, которые, как и птицы, чувствительны к токсичным проявлениям госсипола. Для улучшения кормовых рационов сельскохозяйственных животных и птиц животноводам нужен шрот с низким содержанием свободного госсипола (до 0,01%) и клетчатки (до 15%). Ранее такой шрот был получен в промышленных условиях Кокандского МЖК на основе низкотемпературной жарки грубоизмельченной хлопковой мятки при 75 — 80 ⁰С и переработки мезги по методу форпрессование-экстракция. Однако при этом ухудшались технико-экономические показатели работы предприятия, из-за дополнительного потребления энергии.

Следовательно, для жарки шрота, без ухудшения показателей работы предприятий, из-за отсутствия расходов органического топлива, можно использовать больших размеров гелиопечь для варки хлопкового шрота, снабдив её соответствующей механизацией.

Широкое применение гелиопечей в России позволит значительно сократить неоправданные расходы топлива, позволит улучшить экологическую обстановку, поднять энергозащищенность населения, индустрии отдыха и коммунального хозяйства и повысить их энергетический суверенитет.

Осадчий Геннадий Борисович, инженер-изобретатель