Основные типы электронагревателей. Принцип действия и область применения
Ответ: В зависимости от способа нагрева все электронагреватели теплового оборудования делятся на три основных вида: электронагреватели непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую; преобразователи электрической энергии в электромагнитные колебания с промежуточным нагревом (ИК-излучатели); преобразователи электрической энергии в электромагнитные колебания (СВЧ-генераторы и ТВЧ-индукторы). Для приготовления пищи на предприятиях общественного питания в основном используется тепловое оборудование с электронагревателями первого вида. ИК и СВЧ оборудование как правило применяются для сушки и разогрева продуктов. Электронагреватели непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую Электронагреватели первого вида могут быть жидкостными и металлическими. Принцип их работы основан на прохождении электрического тока через проводник с большим удельным электросопротивлением, что сопровождается выделением определенного количества теплоты. По закону Джоуля-Ленца
где Q - количество теплоты.выделяемое в проводнике; I - величина электрического тока; U – напряжение; R - электросопротивление проводника; t - время прохождения тока. Жидкостные электронагреватели представляют собой электролит (обычно водный раствор соды) через который пропускают электрический ток. Для этого в раствор электролита погружают стальные или медные пластины-электроды, подключенные к источнику тока. Тепловая мощность электронагревателей зависит от удельного сопротивления электролита, площади омываемых им пластин и расстояния между ними. Несмотря на простоту действия, жидкостные нагреватели не получили широкого распространения на предприятиях общественного питания. Их главным недостатком является нестабильность нагрева в следствии зависимости удельного сопротивления электролита от его концентрации. Электронагреватели с металлическим сопротивлением (резистивные) по степени герметичности делятся на открытые, закрытые и герметичные. Они нагреваются за счет пропускания электрического тока через проволоку навитую в виде спирали и изготовленную из специального сплава – нихрома, обладающего большим электросопротивлением Наибольшее распространение получили открытые электронагреватели, конфорки и герметичные трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Открытые электронагреватели представляют собой проволочную спираль, электроизолированную от корпуса и других частей оборудования керамическими изоляторами (рис. 2.1).
Рис. 2.1 - Открытый электронагреватель 1- канавки для укладки спирали, 2 - клеммы для подключения к электросети, 3 - нагревательная спираль, 4 - керамическое основание
Диаметр проволоки спирали обычно составляет 0,4-0,8 мм. Достоинствами таких устройств является простота конструкции, быстрый выход на рабочие режимы и хорошие условия теплопередачи. Температура нагрева спирали может достигать 800 0С. К недостаткам открытых спиралей относятся низкий уровень электроизоляции и недолговечность вследствие окисления кислородом воздуха, Их рабочий ресурс не превышает 1500 часов. В настоящее время открытые электронагреватели в основном оснащают некоторые разновидности электрогрилей (тостеры, ростеры, шаурма и др.). В этом случае они выполняют роль ИК-излучателей. Конфорки представляют собой закрытые электронагреватели с плоской рабочей поверхностью, на которую устанавливают наплитную посуду. Из-за снижения интенсивности взаимодействия с воздухом рабочий ресурс конфорок в 2…3 раза выше, чем открытых спиралей. Ими оборудуют электроплиты. Температура нагрева конфорок обычно находится в диапазоне 200-7000С. Для предприятий питания отечественными производителями выпускаются электорконфорки размерами 417´295 мм и площадью 0,12 м2, а также круглые диаметром 280 мм и площадью 0,06 м2. Конструкция прямоугольной конфорки представлена на рис.2.1.
Рис. 2.2 - Конструкция прямоугольной конфорки: 1 - чугунная плита, 2 - ребра, 3 - нагревательная спираль, 4 - нагревательная спираль, 6 - стальной лист с прокладкой из алюминиевой фольги, 7 - стальной кожух, 8 - воздушная прослойка, 9 - изоляция из двух слоев фольги и листового асбеста, 10 -электроколодка, 11 -электроконтакты
ТЭНы являются самым распространенным видом электронагревателей для теплового оборудования предприятий питания, что прежде всего объясняется высоким рабочим ресурсом – свыше 9000 часов. Они имеют трубчатый герметичный металлический корпус внутри которого размещена проволочная нагревательная спираль. Между спиралью и стенками корпуса имеется слой электроизоляции из кварцевого песка или периклаза, обладающих хорошей теплопроводностью для снижения перепада температур между спиралью и поверхностью корпуса. Для токоподвода к спирали используют контактные стержни, к которым крепятся провода от питающей электросети (рис.2.2). ТЭНы изготовляют различной конфигурации с длиной трубки до 2,5 м и номинальной мощностью в зависимости от рабочей среды соответственно: воздушные – от 0,2 до 1,2 кВт; водяные – от 0,3 до 5 кВт, масляные – от 0,3 до 0,8 кВт.
Рис. 2.3 - Конструкция и внешний вид трубчатых электронагревателей: а) ТЭН в разрезе; б) типы ТЭНов по конфигурации; 1 – трубчатый корпус, 2 – нагревательная спираль, 3 – электроизоляционный слой, 4 – контактный стержень, 5 – штуцер для крепления ТЭНа к корпусу оборудования, 6 – фарфоровый изолятор, 7- термостойкий герметик
Электронагреватели с промежуточным нагревом К электронагревателям второго вида относят ИК-излучатели. В принципе, источником ИК-излучения является любое тело, имеющее температуру поверхности выше абсолютного ноля. В связи с этим, главное отличие электронагревателей первого и второго вида заключается в том, что нагрев при использовании конфорок и ТЭНовпроисходит в основном за счет конвекции, а при использовании ИК-генераторов - за счет радиации или лучистого теплообмена. Тепловая обработка с использованием ИК-излучателей основана на способности продуктов поглощать лучистую тепловую энергию. В соответствии с законом Стефана-Больцмана количество теплоты Q, передаваемое посредством излучения от более нагретого тела к менее нагретому, может быть определено по уравнению
где e1 и e2 - степень черноты обменивающихся лучистым теплом тел; с0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; F - поверхность излучения; t - время нагрева; Т1 и Т2 - соответственно температура более и менее нагретого тела j - средний угловой коэффициент, который зависит от геометрической формы и взаимного расположения в пространстве участвующих в теплообмене поверхностей. Пищевые продукты, как объекты инфракрасного нагрева характеризуются терморадиационными (А – поглощательные, R – радиационные и D –пропускными) и оптическими (a - коэффициент поглощения, s - коэффициент рассеивания и k – коэффициент суммарного ослабления) свойствами. Кроме того, они способны по разному пропускать, отражать и рассеивать лучистую энергию в зависимости от длины волны. Чем больше длина волны, тем ниже температура поверхности излучения нагревателя и меньше глубина проникновения тепловых волн в нагреваемый продукт и наоборот – с уменьшением длины волны температура нагрева и глубина проникновения повышается. Для большинства продуктов глубина проникновения инфракрасного излучения невелика. В результате этого основной нагрев происходит в поверхностном слое, что приводит к образованию характерной поджаристой корочки и моделирует процесс жарки. Длинноволновые ИК-излучатели используют в мармитах для поддержания температуры готового продукта в процессе реализации. К электронагревателям с промежуточным нагревом используемым в тепловом оборудовании относят такие, основной спектр излучения которых состоит из электромагнитных тепловых волн длиной lmax= 0,77–8 мкм. По современной классификации в зависимости от длины волны ИК-излучатели делятся на светлые и темные. К светлым относят ИК-излучатели, 90% тепловых волн которых имеют длину в диапазоне lmax= 0,77–4 мкм. Такой диапазон входит в спектр видимого излучения и рабочие поверхности излучателей характеризуются свечением от темно-малинового до ярко-красного цвета, а их температура может составлять от 500 до 25000С. Основу конструкции электрических ИК-нагревателей, как и нагревателей первого вида, представляет проволочная спираль. Отличие ИК-излучателей заключается в наличии дополнительных конструктивных элементов и приемов, повышающих плотность и интенсивность теплового потока. Для этого используют прозрачные корпуса и различные типы отражателей теплового потока. Наибольшее распространение среди светлых ИК-излучателей в тепловом оборудовании получили: Биспираль на керамической трубке, состоящая из крепежного отверстия 1, керамической трубки 2, нихромовой спирали 3 и контактных пластин 4 (рис 2.4,а). В процессе работы керамическая трубка нагревается и становится дополнительным источником ИК-излучения, повышая интенсивность и равномерность теплового потока. Открытая нихромовая спираль имеет температуру 1000–12000С. Главный недостаток – низкий рабочий ресурс (не более 3000 часов) в следствии окисления воздухом; Кварцевые инфракрасные излучатели с йодным наполнителем типа КИ и КИО (рис 2.4, б и в) являются самыми надежными и эффективными электрическими ИК-излучателями. В герметичной кварцевой трубке создается вакуум, что позволяет использовать высокотемпературную вольфрамовую спираль. Кварцевое стекло обладает низким коэффициентом преломления света, что повышает концентрацию теплового потока. Этому способствует и пары йода, которыми заполняется полость трубки. Кварцевые ИК-излучатели состоят из ввода 1, цоколя 2, фольгового звена 3, молибденового ввода 4, герметичной кварцевой трубки 5, спирали из вольфрамовой проволоки 6 и вольфрамовой поддержки 7. Температура нагрева вольфрамового излучателя достигает более 2500 0С; Сушильная лампа ИКЗ, состоящая из цоколя 1, внутреннего покрытия 2, нихромовой или вольфрамовой спирали 3, стеклянной колбы 4 (рис 2.4, г). Обычно применяется в аппаратах для сушки продуктов; Закрытый кварцевый генератор с хромоникелевой спиралью, состоящий из вывода 1, керамического изолятора 2, спирали 3 и кварцевой трубки 4 (рис 2.4, д). Имеет более высокий рабочий ресурс по сравнению с биспиралью на керамической трубке.
Рис. 2.4 - Конструкция основных типов ИК-генераторов
Достаточно широко в качестве светлых ИК-излучателей используются и открытые проволочные спирали (см. п.2.1.1). К темным ИК-излучателям относят такие, 90% тепловых волн которых имеют длину lmax более 4 мкм. Чаще всего в качестве таких нагревателей используют обычныеТЭНы с температурой нагрева до 500 0С. СВЧ- генераторы СВЧ-гененраторыотносмятся к электронагревателям 3 вида, в которых преобразование электрической энергии в электромагнитные колебания происходит без промежуточного нагрева. Нагрев пищевых продуктов в СВЧ-поле является сложным процессом. Его основу составляют поляризационные явления, возникающие под действием внешнего электромагнитного поля, в которое помещен продукт, как диэлектрик. Дипольные молекулы и атомы, образовавшиеся в результате поляризации, под действием высокочастотного переменного электромагнитного поля начинают интенсивно перемещаться, совершая колебательные и вращательные движения. В результате механических сил трения, возникающих между молекулами при их перемещении под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, энергия, затраченная на поляризацию, по всему объему продукта превращается в теплоту. Такой нагрев практически не зависит от теплопроводящих свойств продукта, что обеспечивает высокую скорость и равномерность. Количество теплоты p, выделяемое в единице объема продукта за единицу времени при воздействии на него СВЧ-поля можно определить, как
где e – относительная диэлектрическая проницаемость материала; – частота колебаний поля; Е – напряженность поля; – угол диэлектрических потерь. Диэлектрические свойства материалов зависят от их природы, влажности, температуры и частоты колебаний поля. Так, для таких упаковочных материалов, как полиэтилен и второпластe = 2–2,2, а для большинства пищевых продуктов e = 30–60. Поэтому при нагреве продуктов в СВЧ-поле упаковочные материалы и воздух не нагреваются. Повышение влажности продукта приводит к увеличению его диэлектрической проницаемости, так как относительная диэлектрическая проницаемость воды составляет e» 80. С ростом частоты колебания СВЧ-поля снижается глубина его проникновения в глубь продукта. В связи с этим возникает необходимость подбора определенной толщины продукта, чтобы избежать перегрева его отдельных слоев. Главным достоинствами СВЧ-нагрева является относительно равномерный нагрев продукта по всему объему, что ускоряет тепловую обработку по сравнению с традиционными методами в 6 и более раз. Равномерность нагрева позволяет условно относить такой способ тепловой обработки к варке. Его широко используют для быстройразморозки небольших объемов продуктов. Это же является и главным недостатком способа, так как он не позволяет получить поджаристой корочки на поверхности продукта, характерной для жарки. Поэтому СВЧ-нагрев рекомендуется применять в комбинации с ИК и другими традиционными способами нагрева.
Рис. 2.5 - Схема конструкции магнетрона
Устройство для создания СВЧ-поля в тепловом оборудовании называется магнетроном (рис.2.5). Принцип его действия упрощенно можно представить следующим образом. Между катодом 1 и анодом 2 при подаче напряжения в 3–4 кВ создается электрическое поле под действием которого электроны движутся от катода к аноду по кратчайшему расстоянию. Вдоль оси магнетрона проходят силовые линии мощного магнитного поля, создаваемого внешними постоянными магнитами 3, которые изменяют траекторию движения электронов и заставляют их совершать вращательное движение в зазоре между катодом и анодом, образуя электродное облако 4. Электроны, проходя вблизи щелевых зазоров резонаторов 5, меняют направление движения, создавая в проволочных перемычках 6 сверхвысокочастотное электромагнитное поле, которое с помощью волновода 7 генерируется в пространство рабочей камеры микроволновой печи и нагревает продукт.
ТВЧ-генераторы ТВЧ-генераторы также относятся к электронагревателям 3 вида. Принцип нагрева ТВЧ-генераторами основан на том, что в металлах, помещенных в высокочастотное электромагнитное поле, возникают вихревые индукционные токи. Это приводит к быстрому нагреву металлов в следствии их электросопротивления. Особенностью индукционного нагрева является то, что тепловая энергия Q экспотенциально уменьшается в зависимости от глубины проникновения электромагнитного поля по уравнению (7). Поэтому при ТВЧ-нагреве быстрому нагреву подвергаются только поверхностные слои.
где Н0 – напряженность магнитного поля на поверхности металла.; z – координата толщины металла; – глубина проникновения электромагнитного поля; – коэффициент излучения.
Рис. 2.6 - Структурная схема ТВЧ-нагрева
Структурная схема использования ТВЧ-нагрева представлена на рис. 2.5. Установка состоит из выпрямителя 1, который подключен к сети переменного тока, высокочастотного преобразователя 2, блока управления 3, индуктора 4 и диэлектрической конфорки 5 на которую устанавливается наплитная посуда 6. Индукционные конфорки обладают рядом существенных преимуществ, по сравнению с резистивными: – высокая надежность (ресурс исчисляется десятками тысяч часов); – низкая тепловая инерционность (дно наплитной посуды нагревается одновременно с включением конфорки); – высокий к.п.д. и низкий расход электроэнергии; – рабочая поверхность конфорки сильно не нагревается, что исключает вероятность ожогов, имеющих место при работе с обычными конфорками; – возможность полной автоматизации работы оборудования с ТВЧ-нагревом.
|
, (5)
, (6)
, (7)
, (8)
