Belyaev_M_I_Teplovoe_oborudovanie_OP

http://mppnik.ru

Рис. 6.21. Схемы устройства генераторов ИК-излучения:

а, б, в — силитовые генераторы: 1 — рабочая часть; 2 — пассивный конец; 3 — металлизированное покрытие; 4 — клемма; 5 — фарфоровый изолятор; 6 — кварцевая трубка; г, д, е — трубчатые кварцевые генераторы: 1 — ввод; 2 — цоколь; 3 — фольговое звено; 4

—молибденовый ввод; 5 — кварцевая трубка; 6 — спираль; 7 — вольфрамовая поддержка; в — керамический изолятор; ж — газовая горелка ИК-излучения: 1 — сопло; 2 — конфузор; 3 — горловина; 4 — диффузор; 5— насадка; 6 — каналы; 7 — распределительная коробка; з

—плоская перфорированная керамическая плитка

сталлического 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 надежного контакта между стержнем и токопроводом. Техническая характеристика сэнов приведена в табл. 6.6.

http://mppnik.ru

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 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 (рис. 6.21, в)

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, помещенную в

трубку из кварцевого стекла (рис. 6.21, г, д, е).

Кварцевые генераторы с хромоникелевой спиралью (рис. 6.21, г) 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 (рис. 6.21, д, е) 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 налета 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 безинерционность. Недостатком – незначительная механическая прочность. Основные параметры кварцевых и газовых ИК-излучателей (рис. 6.21, ж, з) приведены соответственно в приложениях 9 и 10.

Общие принципы расчета электронагревательных элементов. Для расчета электронагревательных элементов необходимо знать следующие данные: мощность аппарата, расчетную температуру, характер среды, схему соединения нагревательных элементов, номинальное напряжение.

Мощность аппарата определяется из уравнения теплового баланса при нестандартном режиме работы или по удельной мощности, приходящейся на единицу

http://mppnik.ru

жарочной поверхности (на единицу объема рабочей камеры). Удельная мощность определяется на основании эксплуатационных данных аналогичных аппаратов.

Характер среды определяется исходя из технологических и конструктивных требований, предъявляемых к аппарату.

Количество нагревательных элементов и мощность каждого нагревателя определяются исходя из требований равномерной нагрузки фаз, необходимого числа ступеней регулирования мощности аппарата и поддержания требуемых температур на рабочих поверхностях при нестационарном и стационарном режимах работы.

Расчет закрытого электронагревателя (конфорки). Нагревательный элемент конфорки состоит из четырех спиралей равного сопротивления, соединенных попарно (1 и 3, 2 и 4), что дает возможность осуществлять трехступенчатое регулирование мощности в соотношении 4:2:1

иравномерно распределять нагрев на поверхности.

Взависимости от технологического назначения аппарата определяются размеры конфорки, форма рабочей поверхности (прямоугольная или круглая) и удельная мощность (Вт/м2).

Мощность конфорки определяется по формуле

где F — площадь рабочей поверхности, м2; W — удельная мощность, Вт/м2. Удельную мощность можно принимать в следующих пределах:

Длина спирали принимается равной длине паза. Размещение канавок для спиралей в корпусе конфорки и определение их длины осуществляют по конструктивным соображениям: число канавок принимается исходя из необходимости укладки соответствующего числа спиралей в них. Сопротивление спирали определяется по формуле

где U — напряжение сети, В; ρ — удельное сопротивление материала спирали, Ом∙мм2 /м (для нихрома при 500 — 850 °С ρ = 1,15...1,18 Ом∙мм2/м); 1 — длина проволоки спирали, м; S — площадь поперечного сечения проволоки, мм2; d — диаметр проволоки спирали, мм.

http://mppnik.ru

где а — расстояние между соседними витками, мм.

Для обеспечения нормального отвода теплоты от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками в 2 – 3 раза превышало диаметр проволоки.

Для оценки температуры спирали определяют ее геометрические характеристики

Рис. 6.22. Номограмма для определения перепада температур в изоляционном слое

метр канавки для укладки спирали, мм; dв — диаметр витка спирали, мм; h — шаг намотки спирали, мм.

По номограмме (рис. 6.22) определяют перепад температур в изоляционном слое на единицу теплового потока ∆t/ql при известной величине коэффициента теплопроводности изоляционной массы [для периклаза λ = 0,022 Вт/(м ∙°С)].

Удельный тепловой поток на единицу длины спирали будет равен

Перепад температур в изоляционном слое определяется по формуле

http://mppnik.ru

где 1,3 — коэффициент, учитывающий перепад температур в контактном слое (поверхность проволоки— изоляционная масса); tp.п — температура рабочей поверхности конфорки, °С.

Расчет герметически закрытого электронагревателя (тэна). Мощность тэнов для электротеплового аппарата определяется из уравнения теплового баланса

где Qзатр — количество теплоты, затраченное на тепловую обработку продуктов при нестационарном режиме, Дж; τ — продолжительность нестационарного режима, с.

Мощность одного тэна определяется по формуле

где n — количество тэнов.

Мощность тэна прямо пропорциональна теплоотдающей поверхности трубки F и ее удельной поверхностной мощности W:

Удельная поверхностная мощность тэна определяется в зависимости от нагреваемой среды и материала, из которого изготовлена трубка тэна.

Рекомендуемые удельные нагрузки на поверхности трубки в зависимости от условий работы тэна приведены в табл. 6.5.

Расчет тэна сводится к определению геометрических размеров его рабочих элементов и их теплового режима (рис. 6.23, а):

где D — наружный диаметр трубки тэна (от 6∙10-3 до 16∙10-3 с толщиной стенки 0,5...2,0 ∙10-3 м), м.

http://mppnik.ru

Рис. 6.23. Схема расчета трубчатых электронагревателей: а — трубчатый электронагреватель (тэн): L — развернутая длина трубки; La — длина активной (греющей) части; Lп — длина пассивной части; D — диаметр обжатого тэна; 1 — оболочка; 2 — контактный стержень; 3 — спираль; 4 — периклаз; 5 — герметик; 6 — контактные гайки; 7 — изолятор; б, в — графики зависимости температуры трубки тэна от удельной мощности: 1 — спокойная воздушная среда; 2 — движущаяся воздушная среда

Полная длина трубки после опрессовки с учетом пассивных концов будет равна

где Lп — длина пассивных концов трубки (Lп 0,05 м), м.

Электрическое сопротивление спирали R1, длина проволоки спирали 1, длина витка спирали 1в, число витков n рассчитываются, как и для конфорки, по формулам (6.50), (6.51), (6.53), (6.54), (6.55), (6.56).

Диаметр проволоки спирали принимаются в пределах (0,4...1,2) ∙10-3 м. Диаметр стержня для навивки спирали dcт принимается с учетом того, чтобы между внутренним диаметром трубки и наружным диаметром витка спирали dcп был зазор не менее 2 ∙10-3 м:

Для обеспечения нормального отвода теплоты от спирали расстояние между витками должно быть в 2 – 3 раза больше диаметра проволоки.

Геометрические характеристики спирали определяются по формулам:

где Dвн — внутренний диаметр трубки тэна, м.

Удельный тепловой поток на единицу длины спирали, перепад температур в изоляционном слое на единицу теплового потока и рабочую температуру спирали определяют соответственно по формулам (6.56), (6.57), (6.58) и номограмме (см. рис. 6.22). Температура поверхности трубки тэнов, работающих в спокойной воздушной среде, может быть определена по графику (рис. 6.23, б) в зависимости от удельной мощности W, Вт/см2; для тэнов, работающих в движущейся воздушной среде с различной скоростью— по графику (рис. 6.23, в). Пример расчета тэнов приведен в приложении 11.

Магнетроны. Основным элементом СВЧ-установки является СВЧ-генератор — прибор, в котором электрическая энергия постоянного или переменного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля сверхвысоких частот. Широкое применение в электротермических установках СВЧ в качестве генераторной лампы нашли магнетроны непрерывного

http://mppnik.ru

генерирования, которые характеризуются относительно простой конструкцией, достаточно высокой мощностью и кпд.

Конструктивно магнетрон (рис. 6.24) представляет собой диод с особой конструкцией анода. Катод для большинства магнетронов непрерывного генерирова-

Рис. 6.24. Схема магнетрона:

1 — катодные ножки; 2 — медные перемычки; 3 — резонаторы; 4 — анод; 5 — петля связи; 6 — коаксиальная линия; 7 — защитный диэлектрический колпак; 8 — катод

Кроме того, резонаторы соединены один с другим в определенном порядке медными перемычками-связками.

Для поддержания теплового режима наружная часть анода имеет рубашку (на рис. 6.24 не показана), через которую пропускается охлаждающая вода, либо оребрение. Для вывода энергии колебаний в одном из резонаторов смонтирована петля, соединенная с коаксиальной линией, которая закрыта герметическим колпачком, выполненным из материала, прозрачного для СВЧполя. Выводы катодных ножек находятся в стеклянных трубках. С боковых сторон анод закрыт крышками, образующими вместе с анодом вакуумное пространство. Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Поскольку анод является корпусом магнетрона, его обычно заземляют; катод находится под высоким отрицательным потенциалом.

Между анодом и катодом создается электрическое поле, силовые линии которого расположены радиально. Вдоль оси катода действует магнитное поле, создаваемое специальным электромагнитом, которое заставляет, вылетающие из катода электроны отклоняться от радиального направления и двигаться в пространстве по сложной спиральной траектории. Форма траектории электрона зависит от величины напряженности магнитного поля и анодного напряжения.

В пространстве взаимодействия непрерывно существует электронное облако, вращающееся вокруг катода с определенной угловой скоростью. Когда электроны проходят вблизи щелевых зазоров резонаторов, в них появляются импульсы наведенного тока и возникают собственные затухающие колебания. Связанные один с другим резонаторы представляют сложную колебательную систему.

Геометрические параметры магнетрона, параметры электрического и магнитного полей выбирают с таким расчетом, чтобы электроны, взаимодействуя с переменным электрическим полем, наведенным в зазорах резонатора, отдавали этому высокочастотному электрическому полю резонатора часть своей энергии, приобретенной при их ускорении постоянным электрическим полем, приложенным между катодом и анодом. Энергия, возникающая в системе резонаторов, с помощью индуктивной петли связи и коаксиальной линии подается к внешней нагрузке.

Магнетроны непрерывного генерирования для электротермических СВЧ-аппаратов имеют выходную мощность от 0,5 до нескольких десятков киловатт, кпд их может достигать 70 % и выше.

http://mppnik.ru

Дополнительная литература

Беляев М. И., Богачев М. К. Исследование материалов, предназначенных для защиты тэнов при их работе в жестких водах.

Бытовая электротехника «Информэлектро». 1973. № 3 (16). С. 4—8.

Беляев М. И., Иванов А. М. Качество тэнов — гарантия надежной работы тепловых аппаратов//Общественное питание. 1978. № 2. С. 55—56.

Бытовые нагревательные электроприборы. М.: Энергоиздат, 1981. С. 79—85.

Вышелесский А. Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. М.: Экономика, 1976. С. 309. Гинзбург А. С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1966. С. 398.

ГОСТ 13268—74. Электронагреватели трубчатые (тэны). М.: Госстандарт, 1974. С. 13.

Дорохин В. А. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. Киев: Вища школа, 1987. С. 406. Литвина Л. С. Газовое оборудование предприятий общественного питания. М.: Экономика, 1981. С. 201. Миндин Г. Р. Электронагревательные трубчатые элементы. М.: Госэнергоиздат, 1960. С. 80.

ГЛАВА 7

АППАРАТЫ С ИК- И СВЧ-НАГРЕВОМ

Аппараты с ИК-нагревом классифицируются по следующим признакам: принципу действия (периодического или непрерывного) и по виду используемых излучателей (светлые или темные).

Общими элементами аппаратов с ИК-нагревом являются: рабочие камеры, ИК-излучатели (светлые или темные), транспортирующий орган, обеспечивающий постоянное (или шаговое) движение продукта в рабочей камере, приборы, регулирующие температурный режим в камере.

В настоящее время в отрасли эксплуатируется значительное количество аппаратов с ИКнагревом зарубежного производства (Венгрия, ГДР, Болгария, Финляндия и др.). Принципы их устройства аналогичны принципам устройства аппаратов отечественного производства.

7.1. АППАРАТЫ С ИК-НАГРЕВОМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Печь шашлычная ПШСМ-14. В шашлычных печах и грилях осуществляют жарку мяса (шашлык), рыбы, птицы, запекают тесто с сыром и другими видами начинки. Основание печи (рис. 7.1) представляет собой сварную раму с регулируемыми по высоте ножками, на которой размещены два шкафа. Собственно печь представляет собой очаг, обмурованный огнеупорным кирпичом. В правой ее части имеется колосниковая решетка, на которой размещают горячие угли из березы, ольхи, дуба (углем, полученным из хвойных по-

http://mppnik.ru

Рис. 7.1. Печь шашлычная ПШСМ-14:

1 — подставка с двумя инвентарными шкафами; 2 — дверцы шкафа; 3 — рабочая камера; 4 — прорези для установки шпажек; 5 — отверстие для закрепления шпажки; 6 — вытяжное устройство; 7 — горн; 8 — выключатель; 9 — зольник; 10 — сварная рама; 11 — регулирующие ножки

род, пользоваться не рекомендуется). В поддувало устанавливают ящик для сбора золы.

Привод шпажек состоит из электродвигателя с червячным редуктором и зубчатой цилиндрической передачей. Вращение от электродвигателя через редуктор передается четырнадцати зубчатым колесам, каждое из которых приводит во вращение одну шпажку. При жарке на открытом огне с поверхности продукта шага под действием высокой температуры быстро испаряется и на продукте появляется румяная корочка. Кроме того, продукт приобретает определенный вкус и аромат дыма, сгоревшего жира и жидкости, выделяющейся из обжариваемого продукта.

Печь шашлычная ШР-2. Печь (рис. 7.2) состоит из твердотопливной топки, рабочей камеры, механизма привода шпажек, шкафа для хранения топлива, газохода и аппаратуры управления приводом.

Элементы печи укреплены на сварной конструкции

http://mppnik.ru

из уголковой стали. Наружная поверхность облицована эмалированными листами. Шпажки приводятся во вращение электродвигателем с редуктором через цепную передачу. С задней стороны печи расположена опора для звездочек цепной передачи, насаженных на оси и имеющих

содного конца прорези, куда вставляются шпажки при жарке шашлыков. Звездочки шпажек соединены с ведущей звездочкой редуктора велосипедной цепью. Электродвигатель включается

спомощью магнитного пускателя и тумблера. Печь соединена патрубком с дымоходом. Топка печи имеет две зоны: в первой сжигается топливо до образования равномерно горящих углей, которые затем перемещаются во вторую зону под вращающиеся шпажки. Раскаленные угли (500...600 °С) являются в данном случае ИК-излучателем, теплота от которых передается продукту. Стенки и под топки выполнены огнеупорным кирпичом.

Гриль электрический ГЭ-3. Электрогриль предназначен для приготовления на небольших предприятиях общественного питания блюд из натурального мяса — шашлыков, отбивных и птицы.

Гриль выполнен в виде металлического прямоугольного параллелепипеда с застекленной передней стенкой. На лицевой стороне аппарата размещен пульт управления (рис. 7.3).

В рабочей камере в верхней части аппарата имеется отражатель, под которым установлены два ИК-излучателя. В средней части рабочей камеры имеется съемный вертел с четырьмя шпажками. Вертел вращается электродвигателем со скоростью 2,4 об/мин посредством вала, имеющего