5076

9.2. Теплогенерирующие устройства, использующие теплоту влажного насыщенного пара

В тепловых аппаратах предприятий общественного питания широкое распространение получили теплогенерирующие устройства по виду обогрева пищевых продуктов и технологических сред влажным насыщенным паром: обогрев глухим паром (через разделительную стенку) и обогрев острым паром (пар непосредственно контактирует с продуктом), а по конструктивному исполнению теплогенерирующие устройства подразделяются на смежные и совмёщенные.

При глухом обогреве (через разделительную стенку) пар подаётся в греющую камеру рубашечного, трубчатого или змеевикового типов, конденсируется, отдавая, теплоту парообразования разделительной стенке, а через неё продукту или технологической среде. Теплогенерирующие устройства паровых аппаратов состоят из продувочного крана греющей камеры, подводящего паропровода с регулирующим вентилем, конденсатопровода для отвода конденсата из греющей камеры, конденсационного горшка, регулирующей и защитной арматуры.

При обогреве пищевых продуктов острым паром греющая камера совмещена с рабочей камерой. Она состоит из корпуса с размещённой в нём камерой, в которую подаётся пар, взаимодействующий с продуктом, укладываемым на перфорированный противень. Конденсат из камеры стекает в парогенератор, вода в котором нагревается тэном. Расчёт греющих камер паровых аппаратов сводится к определению поверхности нагрева (конструктивный расчёт), либо для проверки соответствия поверхности нагрева технологическому процессу (поверочный расчёт).

Перед началом работы паровых аппаратов необходимо слить конденсат из греющей камеры. Для этого необходимо открыть продувочный кран и оставить его открытым на весь пусковой период. Для эффективной работы паровых аппаратов следует удалить воздух из греющей камеры – эта операция осуществляется с помощью пара. На первой стадии разогрева открывается вентиль на паропроводе на четверть оборота, при этом пар постепенно заполняет греющую камеру и при соприкосновении с холодными стенками конденсируется. По мере прогревания аппарата поступающий пар вытесняет воздух. После появления из продувочного крана упругой струи пара его закрывают и полностью открывают вентиль на паропроводе.

Быстрое заполнение греющей камеры паром в начальный период приводит к

81

образованию избыточного количества конденсата, ухудшению теплообмена и увеличению продолжительности разогрева аппарата. Образующийся конденсат удаляется через конденсатоотводчик. Периодически необходимо проверять исправность конденсатоотводчика, открывая время от времени продувочный кран. Если из последнего идёт конденсат, это свидетельствует о неисправности конденсатоотводчика. Признаками неисправной работы конденсатоотводчика служит медленный нагрев содержимого аппарата, быстрое увеличение давления в греющей камере. В любом случае необходимо отключить аппарат, выпустить пар через байпасную линию и прочистить конденсатоотводчик.

В процессе работы необходимо постоянно следить за показаниями манометров. За 5...10 мин до окончания технологического процесса следует прекратить подачу пара и содержимое рабочего сосуда будет доведено до готовности за счёт аккумулированной теплоты, что является одним из важных мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов.

9.3. Теплогенерирующие устройства, преобразующие химическую энергию сгорания топлива в тепловую

Горение топлива – это химический процесс соединения горючих компонентов с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением теплоты.

По реакции горения топлива рассчитывается количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, а также объём получаемых продуктов сгорания. Расчёты выполняются для определения потерь теплоты с уходящими продуктами сгорания, КПД тепловых аппаратов, геометрических параметров газоходов.

Теплогенерирующие устройства, преобразующие химическую энергию сгорания топлива, имеют аналогичные конструкции, отличающиеся отдельными конструктивными элементами, которые изменяются в зависимости от вида топлива и способа его сжигания.

Все виды теплогенерирующих устройств этого типа имеют топку, трубопроводы для подачи жидкого и газообразного топлива, газоходы для удаления продуктов сгорания. Вид топлива (твёрдое, жидкое или газообразное) определяющим образом влияет на конструктивные особенности топок и их классификацию.

82

Топки подразделяются на слоевые и камерные. Слоевые предназначены для сжигания твёрдого топлива на колосниковой решётке, камерные – для сжигания жидкого и газообразного топлива .

Газовыми горелками называются устройства, предназначенные для образования газовоздушной смеси, подачи её или подачи только газа (при диффузионном сгорании) в камеру сгорания (топку) и сжигания. Рациональное сжигание горючего газа зависит в первую очередь от правильного выбора типа и конструкции газовых горелок. Газовая горелка должна обеспечивать возможность зажигания газовоздушной смеси, регулирования подачи газа и воздуха, а также гарантировать при правильной её эксплуатации тщательное перемешивание горючего газа с воздухом, устойчивое горение и полное сгорание горючего газа.

Работа горелки считается устойчивой, если длительное горение газа происходит без отрыва и проскока пламени. Отрыв пламени происходит при увеличении давления газа в сети и при избытке воздуха. Проскок пламени имеет место при резком понижении давления газа в сети. В этом случае пламя проскакивает внутрь смесительной трубки и горит у сопла. Скорость процесса горения, высота и форма пламени зависят от способа и скорости перемешивания горючего газа с воздухом: диффузионный (внешнее смешение), диффузионнокинетический (частичное предварительное смешение) и кинетический (полное предварительное смешение).

Наивысшая температура пламени (до 1500 °С) и наименьшая длина его достигаются при полном предварительном смешении горючего газа с воздухом.

Газовые горелки классифицируются по следующим признакам: способу подачи воздуха, номинальному давлению газа и воздуха, теплоте сгорания газа, номинальной тепловой мощности, длине факела (калибру) и методу стабилизации (созданию устойчивости) факела.

По способу подачи воздуха различают горелки внешнего смешения – горелки с подачей воздуха из окружающей среды и смешения газа с воздухом в камере сгорания за счёт разрежения в ней и конвекции. Такие горелки называются диффузионными. Длина факела пламени и его свечение в диффузионных горелках достигают наибольшей величины.

83

По номинальному давлению газа различают горелки низкого (до 5 кПа), среднего (от 5 до 100 кПа) и высокого (свыше 100 кПа) давления, соответственно номинальное давление воздуха подразделяют на низкое (до 1 кПа), среднее (от 1 до 3 кПа) и высокое (свыше 3 кПа).

Ваппаратах, применяемых на предприятиях общественного питания, используются в основном инжекционные газовые горелки низкого давления с частичным предварительным смешением газа с воздухом.

Горючие газы токсичны и в определённых концентрациях в воздухе взрывоопасны. Токсическое воздействие на организм человека возможно как за счёт действия собственно газа, так и продуктов его сгорания, поэтому необходимо строго соблюдать правила эксплуатации газовых горелок.

Перед началом работы газовых горелок проветривают помещение. Если в воздухе ощущается запах газа, необходимо отключить подачу газа и вызвать специальную службу. Для розжига горелок следует использовать только, переносной или стационарный запальник. При правильной эксплуатации горение происходит устойчиво без явлений отрыва и проскока пламени. При нормальной работе горелки пламя должно быть почти прозрачным с отчётливо выраженным голубовато-зеленоватым ядром в середине факела.

Вслучае значительного избытка воздуха пламя резко укорачивается, становится почти бесцветным, имеет расплывчатое ядро, горение происходит с потрескиванием. При недостатке воздуха пламя удлиняется, появляются жёлтые коптящие языки, свидетельствующие о неполном сгорании газа.

У горелок большой производительности перед включением следует закрыть регулятор воздуха, в противном случае произойдёт хлопок (взрыв смеси внутри горелки). Хлопок может нарушить герметичность соединений.

Впроцессе работы аппарата следует через смотровое окно периодически проверять работу горелки. При выключении аппарата вначале закрывают кран перед горелкой, а затем на спуске газопровода к аппарату.

Категорически запрещается искать утечку газа с помощью огня, так как это может вызвать взрыв. Искать утечку газа можно только путём нанесения на предполагаемые места утечки мыльной воды. К работе с газовыми аппаратами допускаются только лица, обученные безопасным методам работы и имеющие удостоверения о сдаче техминимума в соответствии с существующим законоположением.

84

9.4. Теплогенерирующие устройства для преобразования электрической энергии в тепловую

Основными элементами электротепловых аппаратов являются электронагреватели, преобразующие электрическую энергию в тепловую. При этом используется свойство проводников нагреваться при прохождении через них электрического тока.

Классификация электронагревателей. Электронагреватели можно разделить на три группы – преобразующие электрическую, энергию в тепловую, преобразующие электрическую энергию в электромагнитные колебания, которые непосредственно в пищевых продуктах превращаются в тепловую (СВЧ- и ИК-нагрев), и электронагреватели, преобразующие электрическую энергию в электромагнитные колебания металлических поверхностей (индукционный нагрев).

По виду проводника электронагреватели подразделяются на проводники с металлическим сопротивлением, с неметаллическим сопротивлением и жидкостные.

К проводникам с неметаллическим сопротивлением относятся уголь, графит, карборунд и др.

К жидкостным проводникам относятся электролиты (водный раствор соды), в том числе вода (практически не применяется в настоящее время).

Электронагреватели с металлическим сопротивлением по конструктивному оформлению делятся на открытые, закрытые (с доступом воздуха) и герметически закрытые (без доступа воздуха).

Деление электронагревателей на три группы условное и зависит от среды, в которую они помещены. Так, электронагреватели с металлическим сопротивлением при работе в воздушной среде излучают электромагнитные колебания и поэтому одновременно являются и ИК-генераторами. В жидкой среде и при контактном нагреве теплота в основном передаётся конвекцией и теплопроводностью, поэтому в данном случае электронагреватели с металлическим сопротивлением относятся к первой группе.

85

Электронагреватели с металлическим сопротивлением. В

электротепловых аппаратах, используемых на предприятиях общественного питания, наибольшее распространение получили электронагреватели с металлическим сопротивлением.

Электронагреватели с металлическим сопротивлением должны обладать большим удельным сопротивлением (более 10-6 Ом∙м), быть термостойкими, т. е. не окисляться при высоких температурах, жаропрочными (не изменять механических свойств при t = 1000...1200 °С), иметь низкий коэффициент удлинения. Для изготовления электрических проводников используют сплавы никеля с жаропрочными присадками: хромоникелевые (нихром), железохромоникелевые (фехраль, хромаль) (см. таблицу 5). Продолжительность работы при высоких температурах должна быть более 10000 ч.

Таблица 5 – Основные показатели нихрома и фехраля

Для безопасности работы и увеличения срока службы спирали укладывают в изоляционный материал, обладающий высоким электрическим сопротивлением, хорошей теплопроводностью и незначительной влагопоглощающей способностью. В качестве электроизоляционных материалов используются специальные материалы: периклаз (окись магния с температурой плавления 1700°С и измельчённая в шаровых мельницах), шамот (прокаленная и измельчённая огнеупорная глина), кардиерит (керамика), фарфор, слюда, кварцевый песок и др. (см. таблицу 6).

86

Открытые нагревательные элементы представляют собой спираль,

помещённую в керамические бусы, или подвешенную на фарфоровых изоляторах, или уложенную в пазы керамических панелей. Передача теплоты в них осуществляется преимущественно излучением (распространены в тепловых аппаратах незначительно).

Достоинствами нагревателей являются простота изготовления, удобство замены спирали; хорошие условия теплопередачи. К недостаткам относятся меньший срок службы по сравнению с закрытыми и герметически закрытыми нагревателями, так как они не защищены от механических повреждений и от коррозийного воздействия влажного атмосферного воздуха и агрессивных жидких сред; повышенная электро- и пожароопасность.

Закрытые нагревательные элементы представляют собой спираль,

запрессованную в электроизоляционную, хорошо проводящую теплоту массу и помещённую в корпус, который предохраняет её от механических повреждений, но не защищает от доступа воздуха. В качестве изоляционного материала в конфорках обычно используется периклаз (окись магния) и шамотная глина. Нагревательная спираль изготавливается из нихрома марки Х20Н80 или фехрали марки Х23Ю5.

В конфорках обычно помещается спираль, состоящая из четырёх секций, соединённых попарно. Это позволяет осуществлять трёхступенчатое регулирование мощности (сильный, средний, слабый нагрев) в соотношении 4:2:1. Регулирование мощности осуществляется четырёхпозиционным трёхступенчатым пакетным переключателем.

87

В зависимости от технологического процесса и температуры на поверхности конфорок они выпускаются нескольких типов: с максимальной рабочей температурой на поверхности 450 °С – для ведения основных процессов варки и жарки

внаплитной посуде, с максимальной рабочей температурой на поверхности 300 °С – для жарки изделий непосредственно на поверхности конфорки и с максимальной рабочей температурой на поверхности 250 °С – для поддержания

вгорячем состоянии готовой кулинарной продукции.

Кдостоинствам закрытых нагревательных элементов относятся их более высокие надёжность и долговечность по сравнению с открытыми нагревательными элементами. Недостатком являются чувствительность к длительным перегревам, поэтому их нельзя эксплуатировать без наплитной посуды. При нарушении этого требования на поверхности появляются трещины, что приводит к неравномерности температурного поля на поверхности конфорки, ухудшению процесса теплопередачи и перегоранию спирали. К недостаткам также следует отнести и то, что спираль соприкасается с воздухом и быстро окисляется.

Герметически закрытые трубчатые электронагреватели (тэн, рэн)

получили наиболее широкое применение в тепловых аппаратах, используемых на предприятиях общественного питания.

Трубчатый электронагреватель (тэн) представляет собой цельнотянутую трубку, выполненную из углеродистой или нержавеющей стали, внутри которой расположена запрессованная в периклаз нихромовая спираль. Концы спирали соединяются со стальными контактными стержнями, свободные концы которых выводятся наружу и присоединяются к электросети. Стержни с помощью фарфоровых изоляторов изолируются от трубки. Перед установкой изоляторов концы трубки заливают термостойким лаком (герметиком) дли защиты периклаза от влаги.

Для увеличения поверхности теплообмена иногда трубку тэна оребряют, и

такой ребристый электронагреватель носит название рэн.

Тэны изготавливают различной длины, диаметров и конфигурации Тэны должны использоваться только в той среде, для которой они предназначены.

Температура поверхности трубки тэна зависит от удельной мощности на поверхности и условий теплоотдачи к нагреваемой среде.

88

Всоответствии с ГОСТом на тэны срок их службы должен составлять от 6000 до 10 000 ч, однако на практике срок их службы колеблется в более значительных пределах. Это свидетельствует о том, что в существующих конструкциях тэнов, технологии их изготовления, реальных условиях эксплуатации имеются факторы, существенно влияющие на срок службы тэнов. К таким факторам относятся следующие: неравномерная плотность периклаза в различных частях тэна (на изгибах и у контактных стержней), неравномерность шага намотки спирали, смещение спирали относительно оси трубки, контактирование витков спирали и тэнов сложной конфигурации, образование накипи на поверхности тэнов, коррозия оболочки тэнов.

Взависимости от условий теплообмена между поверхностью тэна и окружающей средой их выпускают в следующих исполнениях: воздушные — для подогрева воздуха в тепловых, жарочных, пекарных шкафах и аппаратах с принудительной циркуляцией воздуха; водяные — для нагревания воды в пищеварочных котлах, автоклавах, пароварочных аппаратах, кипятильниках, водонагревателях; масляные — для нагревания масла и пищевых жиров в жаровнях и фритюрницах. Выпускают также тэны для заливки в металлические отливки (конфорки, утюги, вафельницы).

Тэны, выпускаемые для тепловых аппаратов предприятий общественного питания, в основном рассчитаны на напряжение 220 В. Они выпускаются мощностью от 0,2 до 4 кВт. Устанавливаются тэны в аппаратах индивидуально или блоками.

Одной из разновидностей трубчатых нагревательных элементов являются

сэны – силитовые электронагреватели. Они изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих повышенным удельным сопротивлением. Силит представляет собой спёк карбида кремния с добавлением кристаллического кремния и углерода. Силит обладает высокой теплостойкостью. Изготавливают сэны в форме цилиндрического стержня постоянного или переменного сечения. Сэны постоянного сечения изготовляют из крупнозернистого карбида кремния, переменного сечения – из мелкозернистого. Концы нагревателей покрывают окисью кремния с алюминием для понижения электрического сопротивления и обеспечения надёжного контакта между стержнем и токопроводом. Сэны обладают рядом преимуществ по сравнению с другими электронагревателями, а именно: сравнительно низкая стоимость, быстрый выход их на рабочий режим (не более 30 с), возможность

89

получения температуры в пределах от 1073 до 1773 К, длительный срок службы, простота изготовления и обслуживания. Недостатками сэнов являются окисление материала в среде водяного пара и снижение срока службы вследствие этого на 25...30 %. Кроме того, повышение допустимой рабочей температуры силитового излучателя приводит к разложению карбида кремния и увеличению электрического сопротивления нагревателя.

Для увеличения срока службы сэнов их помещают в трубки из кварцевого стекла при удельной мощности на поверхности трубки Wт=12,5 Вт/см2 и при групповом расположении Wт = 2,5 Вт/см2.

Энергия излучения силитового излучателя на 90 % генерируется в пределах

1,05...5,0 мкм.

Трубчатые кварцевые генераторы ИК-излучения представляют собой спираль, помещённую в трубку из кварцевого стекла. Кварцевые генераторы с хромоникелевой спиралью работают в диапазоне температур спирали 1350...

1570 К. Спираль выполняется из сплава Х20Н80Т или ОХ27Ю5А и помещается в негерметизированную кварцевую трубку диаметром 18...20 мм. Стеклянная трубка препятствует провисанию спирали и защищает обслуживающий персонал от поражения электрическим током. Кварцевые генераторы выпускают длиной от 0,4 до 2,0 м, мощностью 0,5...7,5 кВт.

Преимуществами кварцевых генераторов являются простота конструкции и технологичность в изготовлении. Недостатками – невозможность установки в вертикальном положении из-за провисания спирали.

Кварцевые генераторы с вольфрамовой спиралью работают в диапазоне температур спирали 2400...2800 К. Вольфрамовая спираль помещается в кварцевую трубку диаметром 10,75 мм. Трубка вакуумируется и заполняется аргоном до давления 80 кПа с добавкой паров йода в количестве 1...2 мг. Это обеспечивает удаление налёта вольфрама с внутренней поверхности трубки. Срок службы генератора 5000 ч. Концы спирали крепятся к молибденовым выводам.

Температура в активной зоне поверхности трубки составляет 723...773 К, в пассивной – 423 К. Основная доля энергии излучения (95 %) генерируется в пределах 0,8...2,4 мкм. Инерционный период 0,6 с.

Преимуществами кварцевых генераторов являются значительная удельная мощность и безынерционность. Недостатком – незначительная механическая прочность.

90