Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Устройство металлических нагревателей сопротивления




Конфорки

Нагревательные устройства для электроплит предприятий общественного питания представляют собой определенных размеров греющие поверхности называемые конфорками.

Размеры и форма конфорки зависят от типа плиты, в которой они используются. Обычно площадь (размеры) рабочей поверхности конфорки определяется параметрами наплитной посуды и количеством одновременно подвергающихся тепловой обработке изделий. По форме они бывают прямоугольные, квадратные и круглые. Конфорки отечественных плит прямоугольной формы имеют размеры 417 295, 405 370, 530 325, 420 290 мм, квадратные – 300 300, а круглые – диаметром 236 и 300 мм.

По типу используемых нагревателей конфорки подразделяются на конфорки открытого, закрытого и герметичного исполнения. По способу осуществления технологического процесса на конфорки для тепловой обработки в наплитной посуде, для непосредственной жарки и для поддержания пищи в горячем состоянии.

В качестве материала корпуса конфорки обычно используется чугун, потому что он имеет большую степень черноты (0,84) и, соответственно, большой коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, что для конфорок, предназначенных для работы с наплитной посудой, имеет существенное значение. Кроме того, чугун имеет малую стоимость, достаточную механическую прочность и теплопроводность, выдерживает высокие температуры и не вступает в химические реакции с нагреваемой средой и изоляционным материалом.

Однако чугун является хрупким материалом, плохо выдерживающим термические деформации, которые возникают в корпусе за счет неравномерности его нагрева. Особенно большие деформации происходят в корпусе при резком перепаде температур (термических ударах), например при поливании жидкости на рабочую поверхность конфорки, что приводит, при неоднократном поливании, к образованию в нем трещин и быстрому выходу конфорки из строя.

В образовавшуюся трещину, при остывании конфорки после ее отключения, влага из окружающей среды попадает в изоляционный материал, изменяя его диэлектрические свойства. При последующем включении конфорки влага в изоляционном материале превращается в пар, который разрыхляет структуру изоляционного материала и при последующем остывании количество поглощаемой влаги возрастает. При этом электрическое сопротивление изоляционного материала с водой все время уменьшается. Так происходит до тех пор, пока не происходит электрический пробой изоляционного материала между спиралью и корпусом и конфорка выходит из строя.

Соответственно в процессе эксплуатации чугунных конфорок необходимо по возможности не допускать появления резких перепадов температур в корпусе и исключить возможность попадания воды на рабочую поверхность конфорки.

За температуру рабочей поверхности конфорки принимается среднеарифметическое значение установившейся температуры на ее поверхности (примерно через 90 минут после ее включения), которая определяется ее технологическим назначением. Конфорки для варочных и жарочных процессов в наплитной посуде имеют максимальную температуру на рабочей поверхности 450 СС, для жарки изделий непосредственно на поверхности конфорки – 300 °С, для поддержания готовой продукции в горячем состоянии – 250 °С. Для чугунных конфорок превышение температуры 450 ˚С не допустимо так как при более высоких температурах происходит перекристаллизация чугуна и, как следствие, коробление корпуса и быстрый выход его из строя.

По способу передачи теплоты нагреваемому изделию (посуде) конфорки подразделяются на конфорки кондуктивного, инфракрасного и индукционного нагрева. Кроме того, в зависимости от массы они подразделяются на: инерционные, малоинерционные и безынерционные.

Как уже было сказано, удельная поверхностная мощность представляет собой отношение мощности нагревателя к площади его теплоотдающей поверхности. Однако для характеристики конфорок используется относительная удельная поверхностная мощность ωотн, которая определяется как отношение мощности конфорки (Pк) к площади ее рабочей поверхности (Fк).

ωотн = , Вт/м2 (Вт/см2) (4.4)

В этом случае не вся энергия, подведенная к конфорке, будет выделяться с рабочей поверхности и, соответственно, конфорки характеризуются дополнительно техническим коэффициентом полезного действия (ηт), который определяется как отношение количества энергии выделяемой с рабочей поверхности (Qр) ко всей затраченной (Qз)

ηт = (4.5)

Коэффициент полезного действия у современных конфорок составляет не менее 70 %. Это значит, что не менее 70 % от всей энергии у них выделяется с рабочей поверхности.

Относительная удельная поверхностная мощность конфорок, предназначенных для тепловой обработки в наплитной посуде, находится в пределах от 2,3ּ104 до 3,5ּ104 Вт/м2, а для непосредственной жарки, разогрева и поддержания пищи в горячем состоянии – от 1,5ּ104 до 1,8ּ104 Вт/м2. Для тэновых конфорок удельная поверхностная мощность на трубке тэна (ωт) находится в пределах от 2,7ּ104 до 3,2ּ104 Вт/м2.

Оптимальной величиной относительной удельной поверхностной мощности для чугунных конфорок электроплит является (2,3…2,5)ּ104 Вт/м2, что в холостом режиме обеспечит температуру на рабочей поверхности 400…420 ˚С. Кроме того, превышение этого показателя приводит к значительному усложнению технологического процесса приготовления пищи и увеличению удельного расхода электроэнергии. Эта рекомендация справедлива при условии использования «черной» посуды с ровным, хорошо прилегающем к конфорке дном по всей ее рабочей поверхности.

К основным характеристикам конфорок электроплит относятся: номинальная мощность Pн, напряжение питания Uн, относительная удельная поверхностная мощность ωотн, площадь рабочей поверхности Fк, температура на рабочей поверхности tк и время разогрева τ.

Номинальная (максимальная) мощность конфорки характеризует количество выделяемой энергии. Для плит предприятий общественного питания конфорки по мощности бывают от 0,5 до 5,5 кВт на напряжение, в основном 220 В.

Температура на рабочей поверхности конфорки определяется из уравнения баланса количества подведенной энергии и отдаваемой с ее рабочей поверхности.

ωотнּFкּτּηт = αּFкּτּ(tк – tср) (4.6)

где ωотн – относительная удельная поверхностная мощность конфорки, Вт/м2;

Fк – площадь рабочей поверхности, м2;

τ – время работы, с;

ηт – технический к. п. д. (безразмерная величина);

α – коэффициент теплоотдачи от рабочей поверхности к нагреваемой среде, Вт/м2ּ˚С;

tк, tср – температура рабочей поверхности и нагреваемой среды, ˚С.

После сокращений для единицы поверхности в единицу времени уравнение (4.6) примет вид

ωотнּηт = αּ(tк – tср). (4.7)

Откуда получим выражение для температуры на рабочей поверхности конфорки

tк = + tср (4.8)

В связи с тем, что температура нагреваемой среды есть величина постоянная для конкретного технологического процесса, то температура поверхности конфорки будет зависеть от относительной удельной поверхностной мощности, ее технического коэффициента полезного действия и коэффициента теплоотдачи к нагреваемой среде.

В процессе эксплуатации конфорок при загрузке их рабочей поверхности, подвергающимся тепловой кулинарной обработке продуктом, как правило, происходит увеличение коэффициента теплоотдачи от конфорки к продукту и, как следствие, снижение температуры рабочей поверхности.

У конфорок для непосредственной жарки при размещении на их рабочей поверхности кулинарных изделий коэффициент теплоотдачи от конфорки к изделию резко возрастает, что приводит к значительному снижению температуры поверхности конфорки.

При эксплуатации конфорок, предназначенных для тепловой обработки изделий в наплитной посуде, температура рабочей поверхности конфорки при установке на нее наплитной посуды с продуктом может как снижаться, но значительно меньше чем в предыдущем случае, так и повышаться. Объясняется это тем, что между рабочей поверхностью конфорки и наплитной посудой образуется воздушный зазор, который будет представлять собой дополнительное термическое сопротивление на пути движения тепла от конфорки к продукту.

Величина этого сопротивления будет зависеть от толщины и теплопроводности прослойки воздуха и коэффициента теплоотдачи от конфорки к наплитной посуде. Так как толщина слоя воздуха между конфоркой и наплитной посудой мала, то конвективный теплообмен между ними будет отсутствовать. Лучистый же теплообмен будет определяться степенью черноты материала посуды.

В связи с тем, что теплопередача от конфорки к наплитной посуде будет осуществляться через воздух теплопроводностью и лучеиспусканием, а теплопроводность воздуха очень мала (0,036 Вт/мКּ), то термическое сопротивление будет очень сильно зависеть от толщины прослойки воздуха и степени черноты материала наплитной посуды.

Величина усредненного воздушного зазора между конфоркой и наплитной посудой в процессе эксплуатации зависит от качества прилегания дна наплитной посуды к поверхности конфорки. При неровном дне наплитной посуды усредненный воздушный зазор возрастает, что приводит к увеличению термического сопротивления и, как следствие, к увеличению температуры поверхности конфорки.

Соответственно, при установке наплитной посуды с продуктом, имеющей сильно неровное дно из белого материала, например алюминия, на конфорку температура рабочей поверхности последней значительно возрастает. Значительное увеличение температуры на рабочей поверхности конфорки приводит к значительному увеличению температуры спирали и, как следствие, к резкому сокращению срока ее службы. Кроме того, увеличивается время тепловой обработки, расход электроэнергии и снижается качество готового изделия.

Для тепловой обработки различных кулинарных изделий и ведения различных стадий технологического процесса на рабочей поверхности конфорки нужна разная температура. Для ее изменения у конфорок имеется несколько (обычно три) ступеней мощности, переключение на которые позволяет изменять относительную удельную поверхностную мощность и, как следствие, температуру на поверхности.

Время разогрева конфорки до установившейся температуры зависит от ее удельной массовой мощности ωm (кВт/кг).

ωm = , (4.9)

где Pк – мощность конфорки, кВт;

m – масса конфорки, кг.

Для чугунных конфорок, имеющих большую массу, удельная массовая мощность находится в пределах 0,1…0,3 кВт/кг, а время разогрева до установившейся температуры составляет 20…60 мин. Тэновые и инфракрасные конфорки имеют массовую мощность в пределах 1,5…3,0 кВт/кг, а время их разогрева – 2…5 мин. Соответственно, чугунные конфорки обладают большой тепловой инерционностью, что затрудняет регулирование их температурного режима в процессе тепловой кулинарной обработки.

Однако большая масса конфорки аккумулирует большое количество энергии, которое затем отдает продукту на стадии его разогрева, тем самым обеспечивая оптимальный подвод энергии к продукту без значительного увеличения установленной мощности. В связи с этим конфорки с большой массой обладают значительным преимуществом в осуществлении соморегулируемого технологического процесса тепловой кулинарной обработки.

В конфорках открытого типа кондуктивного нагрева (рис. 4.4) керамические изоляторы с пропущенной через них нагревательной спиралью вставляются в пазы чугунного корпуса со стороны, противоположной жарочной поверхности. Изоляторы и спираль закрываются экранирующим листом и теплоизоляцией аналогично конфорке со спиралями запрессованными в изоляционной массе. Корпус конфорки имеет большую массу, что предопределяет большую инерционность конфорок этого типа.

Поскольку воздух, окружающий спираль, является практически неподвижным, тепло от нее к корпусу конфорки передается главным образом излучением, при этом проволока спирали сильно перегревается даже при небольших удельных нагрузках ввиду того, что слой неподвижного воздуха представляет собой значительное термическое сопротивление.

Естественно, что форма изолятора в этом случае имеет существенное значение. Изолятор, по возможности, должен как можно меньше перекрывать спираль обеспечивая возможность передачи лучистой энергии от спирали к корпусу конфорки в виде прямого излучения. Для улучшения теплоотвода от спирали пазы в корпусе конфорки и изоляторы имеют форму (в поперечном сечение) обеспечивающую минимальный зазор между спиралью и корпусом по большей части ее сечения.

За счет развитой поверхности корпуса, значительно превышающей поверхность проволоки спирали, и минимальном расстоянии между ними улучшается теплоотток от спирали, что приводит к снижению температуры спирали и увеличению срока ее службы.

Обычно в конфорках этого типа используется две спирали, а их расположение в корпусе осуществляется таким образом, чтобы обеспечить относительно равномерный нагрев рабочей поверхности при включении одной спирали.

Прямоугольная конфорка закрытого типа кондуктивного нагрева (рис. 4.5) состоит из чугунного корпуса, в пазах которого в электроизоляционной массе запрессованы спирали (обычно четыре), чаще всего из нихрома. Для уменьшения потерь теплоты нижней стороной конфорки электроизоляционный слой закрыт листом альфоли и кожухом, имеющим тепловую изоляцию в виде асбестового листа. В большинстве типов конфорок под листом альфоли размещают стальной лист, который обеспечивает поддержание изоляционной массы, а асбестовый лист удаляют от него на некоторое расстояние. При этом образовавшееся воздушное пространство служит дополнительным термическим сопротивлением.

Благодаря тепловой изоляции теплота, выделяемая спиралями, в основном, направляется на рабочую поверхность конфорки, а температура на наружной поверхности кожуха не превышает 120…140 ˚С.

Нагревательные спирали конфорки (если их четыре) соединяются по две параллельно в две секции на клеммной колодке, которая обычно размещается на нижней части кожуха. Каждая спираль обычно укладывается в четыре прямолинейных паза, расположенных вдоль большей стороны конфорки. В секции спирали соединяются по парно через одну.

Для улучшения теплоотвода от спирали пазы в чугунном корпусе конфорки имеют форму (в поперечном сечение) обеспечивающую минимальный зазор между спиралью и корпусом по большей части ее сечения.

Электроизоляционная масса (периклаз в смеси с шамотом и огнеупорной глиной), находящаяся между спиралью и корпусом, обладает высоким электрическим сопротивлением (хороший диэлектрик), что позволяет располагать спираль на расстоянии 1,5…2,0 мм от корпуса. Кроме того, этот материал обладает высокой теплопроводностью, за счет чего значительно улучшаются условия теплопередачи от спирали к корпусу, что приводит к снижению температуры спирали и значительному увеличению срока ее службы в сравнении с конфорками открытого типа.

Регулирование мощности конфорки обычно осуществляется с помощью кулачкового переключателя в соотношении 4:2:1 за счет различного соединения секций нагревательных спиралей: параллельно, одна секция и последовательно.

Круглая конфорка закрытого типа (рис. 4.6) состоит из чугунного корпуса, в пазах которого в электроизоляционной массе запрессованы одна, чаще две спирали обычно из нихрома. Форма спиралей и варианты их укладки могут быть различными. В качестве примера на рис. 4.6 б, в представлены два варианта размещения спиралей различной формы. Замена в спирали проволоки цилиндрической формы на тонкую ленту при неизменной массе резистивного элемента увеличивает его поверхность, за счет чего уменьшается удельная поверхностная мощность, и, соответственно, температура на его поверхности.

В случае укладки плоских спиралей из ленты пазы в чугунном корпусе имеют прямоугольную форму. При укладке круглых спиралей из проволоки цилиндрической формы пазы закругляются по радиусу с центром в центре спирали аналогично пазам прямоугольной конфорки.

Конструкция круглой конфорки аналогична прямоугольной и отличается от нее формой, крепежом и клеммным разъемом. В связи с тем, что конфорка круглая то ее крепеж в плите осуществляется центральным болтом, а для исключения ее вращения предусмотрен стержень-ограничитель поворота конфорки, который фиксирует ее положение входя в соответствующее отверстие в корпусе плиты. Выводные концы спиралей выводятся на клеммный разъем, который обычно размещается в нижней боковой части конфорки.

Конфорки с залитыми тэнами представляет собой в основном чугунный корпус круглой или прямоугольной формы, в котором залиты тэны. Форма тэнов может быть самой разнообразной, а их выводные концы могут располагаться в различных частях корпуса. Тэны в корпусе располагаются таким образом, чтобы было обеспечено относительно равномерное распределение температурного поля по рабочей поверхности конфорки. При их расположении следует учитывать, что допустимый минимальный радиус изгиба тэна должен быть не менее двух наружных диаметров трубки тэна.

В качестве примера на рис. 4.7 представлена прямоугольная конфорка с залитыми тэнами, выводные концы которых расположены в центральной части конфорки. Под чугунным корпусом на некотором расстоянии закрепляются на внутренней поверхности кожуха листы альфоли и асбеста. При этом образовавшееся воздушное пространство служит дополнительным термическим сопротивлением.

Конфорки с залитыми тэнами обладают рядом преимуществ по сравнению с конфорками, у которых в качестве нагревателей использованы спирали. Основными преимуществами являются:

1. Увеличение срока службы корпуса за счет большей жесткости, чему способствует армирование чугунного корпуса конфорки тэнами. В результате этого уменьшается возможность образования трещин в корпусе при знакопеременных тепловых нагрузках, а в случае их образования конфорка продолжает работать до выхода из строя тэнов.

2. Уменьшение металлоемкости и, как следствие, снижение мощности и, соответственно, относительной удельной поверхностной мощности при соблюдении требований разогрев жарочной поверхности за 60 мин. Расчеты показывают, что допустимая относительная удельная поверхностная мощность конфорки с залитыми тэнами для электроплиты ПЭСМ-4 может быть снижена до 2,5ּ104 Вт/м2.

3. Упрощение технологии изготовления благодаря сокращению узлов конструкции и возможности избавления от ручного труда.

Следует отметить, что все сказанное справедливо лишь при условии высокой надежности тэнов, поскольку абсолютная неремонтопригодность конфорки сводит на нет все ее преимущества при использовании тэнов низкого качества.

К малоинерционным конфоркам относятся тэновые конфорки. Они бывают прямоугольными и круглыми. По форме поперечного сечения тэны в конфорке могут быть круглыми, овальными или плоскими. Их конфигурация может быть самой разнообразной, обеспечивающей достаточную равномерность нагрева наплитной посуды.

Обычно в конфорке используется два тэна одинаковой мощности. Регулирование мощности конфорки осуществляется за счет различного их соединения. При слабом нагреве тэны включаются последовательно, при среднем − один тэн, при сильном нагреве − параллельно. Удельная поверхностная мощность на трубке тэна находится в пределах от 2,7ּ104 до 3,2ּ104 Вт/см2.

В качестве примера на рис. 4.8 приведена конструкция тэновой конфорки с двумя тэнами круглого сечения. Она состоит из корпуса, двух тэнов различной формы и мощности, укрепленных в пазах трех опорных пластин. Концы тэнов выведены в торец конфорки через фигурные шайбы. Под нагревателями расположен отражатель, выполняющий одновременно функцию поддона.

К практически безынерционным конфоркам относятся конфорки с инфракрасными нагревателями. Они бывают прямоугольными и круглыми. В качестве нагревателей в них используются кварцевые и силитовые излучатели (генераторы) совместно с отражателями.

Рабочая поверхность конфорки изготавливается из материала прозрачного для ИК-лучей (например, ситала) или не прозрачного, но имеющего малую массу. В случае использования прозрачного материала энергия от излучателей в виде прямого излучения передается наплитной посуде, а в случае непрозрачного – в основном виде вторичного излучения и частично теплопроводностью от материала рабочей поверхности конфорки.

В качестве примера на рис. 4.9 представлена прямоугольная конфорка с ИК-излучателями, рабочая поверхность которой выполнении из непрозрачного для ИК-лучей материала. Она состоит из корпуса, съемного настила, ИК-излучателей, отражателей и теплоизоляционного материала.

ИК-излучатели, представляющие собой нихромовую спираль в кварцевой трубке, размещены в фокусе отражателей. Поскольку в качестве нагревателей использованы открытые ИК-излучатели, то данная конфорка относится к нагревателям открытого типа.

Съемный настил образующий рабочую поверхность конфорки составлен из отдельных взаимно перемещающихся тонких штампованных металлических пластин исключающих температурные деформации рабочей поверхности и обладающих достаточной механической прочностью. Металлоемкость такой конфорки в десятки раз меньше чугунной. Соответственно ее малая инерционность позволяет неограниченно автоматизировать технологический процесс тепловой кулинарной обработки.

Другим направлением в создании электронагревателей является изготовление нагревателей с очень низкой удельной поверхностной мощностью как на поверхности самого элемента, так и спирали. В результате этого уменьшается температура как изоляционного слоя, так и проволоки. К этому типу нагревателей относятся так называемые плоские электронагреватели. Рабочая температура этих нагревателей не превышает 500 ˚С, поэтому для их изготовления используют листы слюдонита или слюдонитового картона. Токоведущая проволока в этом случае размещается равномерно на поверхности этого листа, приклеивается и изолируется слоем из диэлектрика. В том случае, если этот слой представляет собой герметик (влагонепроницаемый термоустойчивый лак) спираль практически полностью изолируется от окислительного воздействия воздуха, что исключает термическую коррозию.

При реализации данного направления оказывается эффективной замена проволоки цилиндрической формы на тонкую пленку, так как в этом случае при неизменной массе резистивного элемента увеличивается его поверхность, уменьшаются удельная поверхностная мощность, а следовательно, и температура. Однако в связи с низкой удельной поверхностной мощностью данный тип нагревателе не используется в аппаратах общественного питания.

Трубчатые электрические нагреватели

Тэны (рис. 4.10, а)представляют собой цельнотянутую металлическую (в основном стальную) трубку круглого, овального или любого другого по форме сечения. Внутри трубки расположена запрессованная в периклаз спираль. Иногда в трубке размещается две спирали. Концы спирали соединены с выводными контактными стержнями, служащими для присоединения к электрической сети. Торцы трубки закрываются керамическими втулками – изоляторами и заделываются термостойким лаком (герметиком), чтобы исключить возможность попадания внутрь трубки воздуха и влаги.

Для изготовления тэна трубка берется несколько большего диаметра и меньшей длины. Точно по центру в ней размещается спираль, соединенная с контактными стержнями, и все пространство заполняется изоляционным материалом (периклазом). Для лучшего заполнения свободного пространства внутри трубки электроизоляционным материалом процесс осуществляется с использованием вибрационного станка. Затем осуществляется обжатие тэна в специальных валках. При этом диаметр трубки уменьшается примерно на 30 %, а ее длина возрастает – на 15 %.

В процессе обжатия изоляционная масса превращается в монолит, а диаметр проволоки спирали увеличивается примерно на 30 %. Соответственно улучшается контакт между спиралью и периклазом, значительно увеличивается его теплопроводность и, как следствие, улучшается теплопередача от спирали к трубке тэна, что приводит к снижению температуры спирали и позволяет увеличить на ней удельную поверхностную мощность. Кроме того, за счет увеличения диаметра проволоки спирали в процессе обжатия уменьшается ее электрическое сопротивление примерно в 1,3 раза.

После обжатия тэнам придают необходимую конфигурацию, которая может быть самой разнообразной (рис. 4.11). Изгибать тэны допускается с радиусом изгиба большим или равном двум диаметрам трубки тэна (R 2Dт). На тэны предназначенные для работы в жидких средах и герметичных объемах наваривают штуцера для крепления.

Для увеличения поверхности теплообмена трубку тэна иногда оребряют. Такой ребристый электронагреватель носит название рэн (рис. 4.10,б).

В зависимости от агрессивности нагреваемой среды и температурного режима, при котором тэн будет работать, трубки тэнов изготавливаются из различных материалов.

В зависимости от условий теплообмена между поверхностью тэна и окружающей средой их выпускают для аппаратов предприятий общественного питания в следующих основных исполнениях: для нагрева воздуха (в тепловых, жарочных, пекарных шкафах, конвектоматах и пароконвектоматах); для нагрева воды (в пищеварочных котлах, автоклавах, кипятильниках, водонагревателях, мармитах и др.); для нагрева масла и пищевых жиров (в жаровнях, фритюрницах). Это различие определяется удельной поверхностной мощностью на трубке тэна (ωт):

для воздушных тэнов ωт = (0,9…2,5) ּ 104 Вт/м2 для работы в неподвижном воздухе и ωт = (4,5…5,5) ּ 104 Вт/м2 для работы в воздухе движущемся принудительно;

для водяных тэнов ωт = (8…14) ּ 104 Вт/м2;

для масляных тэнов ωт = (3…6) ּ 104 Вт/м2;

для залитых в металл ωт = (5…7) ּ 104 Вт/м2.

Таким образом, тэны одинаковой мощности, рассчитанные на работу в разных средах, имеют разные размеры: воздушные тэны самые габаритные, тэны с металлическим оребрением и залитые в металл, а так же масляные – средних размеров, а водяные – самые компактные.

Использование водяных тэнов в масляной и особенно в воздушной среде недопустимо, так как это неизбежно приводит к увеличению рабочей температуры спирали и ее преждевременному выходу из строя.

Тэны устанавливают индивидуально или блоками. Установка блоками позволяет путем изменения схемы их соединения регулировать мощность аппарата и обеспечивать равномерность нагрузки по фазам.

Инфракрасные излучатели

Любое тело, если его температура выше абсолютного нуля испускает инфракрасные (ИК) лучи (электромагнитные волны). Инфракрасное излучение характеризуется длиной волны излучения, которое находятся в диапазоне 0,76…750 мкм (микрометр). Область ИК-излучения ограничена, с одной стороны, видимыми красными лучами, с другой – ультракороткими радиоволнами.

Чем выше температура тела, тем больше плотность и меньше длина волны излучения. Для приготовления пищи используется диапазон длин волн от 0,76 до 4,0 мкм. Нижний предел ограничен видимым светом, а верхний – необходимой для технологического процесса плотностью излучения, так как с увеличением длины волны температура излучателя падает и 4 мкм соответствует температуре излучателя, примерно 450 °С.

Источники ИК-излучения характеризуются длиной волны максимального излучения λmax, которая зависит от температуры, и для абсолютно черного тела определяется по закону Вина

λmax = = мкм, (4.10)

где Т – температура излучателя, К;

с – константа (для абсолютно черного тела с = 2898) мкмּК.

Для серых тел константа (с) умножается на степень черноты (ε). Излучательная способность природных тел меньше, чем у абсолютно черного тела. Взаимное излучение и поглощение в системе двух реальных тел определяется не только температурой Т и степенью черноты ε, но и величиной, формой и взаимным расположением их поверхностей. Интегральное излучение реальных тел находят по закону Стефана-Бодьцмана, по которому мощность потока теплоты Q (Вт), переданного при лучеиспускании в системе двух тел, вычисляется по формуле

Q = σ ּ εп.с. ּ ּH, (4.11)

где σ = 5,67ּ10-8 – постоянная Больцмана;

εп.с – приведенная степень черноты, равная произведению степеней черноты обменивающихся лучистой теплотой тел;

Н – взаимная излучающая поверхность двух тел, м2;

T1, T2 – абсолютные температуры соответственно первого и второго тела, К.

Электрические генераторы ИК-излучения классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются длина волны максимального излучения, геометрические параметры, конструктивное исполнение, материал тела накала и защитной оболочки.

По геометрическим параметрам все генераторы излучения подразделяются на точечные, линейные и плоские, что зависит от соотношения размеров самого генератора и расстояния до поверхности облучения. Точечным обычно называют генератор, наибольший размер которого меньше расстояния до облучаемой поверхности в 5 раз, линейным – у которого один из размеров значительно превосходит другой.

По конструктивному исполнению ИК-излучатели делятся на открытые (спираль в воздухе) и герметичные (без доступа воздуха).

В качестве материала тела накала в электрических генераторах ИК-излучения используются вольфрам, нихром, силитовые стержни и другие жаропрочные материалы и сплавы, а в качестве материала оболочки – сталь, кварцевое стекло, керамика.

Источниками ИК-лучей в общественном питании могут служить тела, нагретые до температуры 450…3600 °С. Излучатели в зависимости от длины волны максимального излучения (λmax), а следовательно, и температуры нагрева делятся условно на «светлые» и «темные».

К «светлым» относятся такие излучатели, которые нагреваются до такой температуры, при которой они испускают видимое (световое) излучение (750…3600 °С), а длина волны их максимального излучения находится в пределах 0,76…2,6 мкм. К таким излучателям относятся: трубчатые кварцевые генераторы типа НИК, КИ, КИО и нихромовая спираль в негерметизированной кварцевой трубке; зеркальные сушильные лампы – ЗС, ИКЗ; силитовые электронагреватели (сэны).

Силитовые генераторы ИК-излучения относятся к нагревателям открытого типа. Их изготавливают из полупроводниковых материалов, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением. Одним из таких материалов является силит, который представляет собой смесь карбида кремния с добавлением кристаллического кремния и углерода. Сэны имеют форму цилиндрического стержня переменного (рис. 4.12, а) или постоянного сечения. Для понижения электрического сопротивления и обеспечения надежного электрического контакта с токоведущей шиной пассивные концы сэнов покрывают окисью кремния с алюминием.

К преимуществам сэнов следует отнести сравнительно низкую их стоимость, малую инерционность, сравнительно большой срок службы, стабильность энергетических характеристик, простоту обслуживания. К недостаткам – малую механическую прочность, окисление материала нагревателя в среде водяного пара и снижение срока службы в этой связи на 25…30 %.

Для повышения эффективности их работы сэны помещают в трубки из кварцевого стекла (рис. 4.12, б), обладающего высокой термостойкостью (более 1700 °С) и высокой проницаемостью для ИК-лучей, что обеспечивает срок их службы до 3000 ч. Инерционность сэнов не превышает 30 с. Они работают в диапазоне температур 800…1500 °С при удельной поверхностной мощности на трубке до 12,5ּ104 Вт/м2 и излучают 90 % энергии в области 1,0…5,0 мкм.

Повышение допустимой рабочей температуры силитового излучателя приводит к разложению карбида кремния и увеличению электрического сопротивления нагревателя.

Кварцевый генератор с вольфрамовой спиралью (рис. 4.12, в) относится к нагревателям герметичного типа и работает в диапазоне температур спирали 2100…2500 °С. Вольфрамовая спираль, закрепленная на молибденовых фиксаторах (держателях), находится в кварцевой вакуумированной трубке, заполненной аргоном с добавкой паров йода. Концы спирали крепится к молибденовым вводам. Срок службы генератора 5000 ч. Основная доля энергии излучения (95%) генерируется в пределах 0,8…2,4 мкм. Инерционный период составляет 0,6 с. Наибольшее распространение в аппаратах общественного питания нашли генераторы типа КИ-220-1000 мощностью 1000 Вт.

Кварцевый генератор открытого типа, представляющий собой нихромовую спираль в негерметизированной кварцевой трубке (рис. 4.12, г), работает в диапазоне температур спирали 700…1100 °С. Трубка может быть различного диаметра (обычно 12…16 мм) и длинны (от 0,38 до 2 м). Материал трубки практически полностью пропускает ИК-лучи. Кроме того, трубка предохраняет спираль от неравномерного охлаждения, провисания, а также защищает обслуживающий персонал от поражения электрическим током.

Основная доля (80%) энергии излучения генерируется в пределах 2,0…3,5 мкм. Инерционный период составляет 60 с. Генераторы выпускаются мощностью 0,5…7,5 кВт на напряжение 220 В. Они просты по устройству, ремонтопригодны и нашли широкое распространение в аппаратах предприятий общественного питания. К недостаткам их следует отнести малый срок службы (1000 ч) и невозможность установки в вертикальном положении из-за провисания спирали.

Цокольные инфракрасные лампы типа ЗС, ИКЗ относятся к герметичным нагревателям. По устройству они аналогичны осветительным лампам накаливания и представляют собой стеклянную колбу с внутренней параболической поверхностью, покрытой тонким слоем алюминия, что обеспечивает отражение свыше 90% всех лучей. В фокусе параболы расположена вольфрамовая моноспираль. Область излучения лампы составляет 0,8…5,0 мкм. Длина волны, соответствующая максимуму излучения, равна 1,05 мкм. Энергетический к. п. д. лампы – 70 %. Однако, такие излучатели хрупкие, что не всегда соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, так как лампы изготовляются из тонкостенного стекла.

К «темным» ИК-излучателям относятся излучатели, нагретые до 450…750 °С, в спектре излучения которых отсутствует видимое световое излучение, а длина волны максимального излучения изменяется в пределах от 2,6 до 4,0 мкм. В качестве излучателей используются тэны, металлические (преимущественно нихромовые) спирали и керамические или чугунные панели. В панельных излучателях нагрев осуществляется с помощью резисторных нагревателей. Панели создают ровный поток ИК-излучения, не требуют постоянного ухода и наблюдения, долговечны. Однако из-за большой инерционности (1,0…1,5 ч) затрудняется их эффективное использование.

В тепловых аппаратах с ИК-нагревом обычно используется несколько ИК-излучателей, при этом их размещение обеспечивает равномерное распределение лучистого потока по всей поверхности нагреваемого изделия, что позволяет избежать местных его перегревов.

Для повышения эффективности работы ИК-излучателей применяются отражатели, которые собирают энергию, испускаемую излучателями в направлении, противоположном продукту, и направляют ее на поверхность продукта. При этом плотность лучистого потока на поверхности продукта будет зависеть не только от мощности излучателя, но и формы и отражающей способности материала отражателя.

Наиболее широко используются плоские, сферические, параболические и гиперболические рефлекторные отражатели. Параболическая форма отражателя обеспечивает наибольшую плотность лучистого потока и равномерное ее распределение по поверхности продукта при одинаковых условиях излучения за счет создания параболической поверхностью параллельного пучка лучей (табл. 4.2).

Таблица 4.2




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2015-06-30; Просмотров: 2211; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.089 сек.