3.8 Электрические нагревательные элементы, их классификация, характеристика и методика расчета. Способы регулирования электрической мощности электронагревателей.

Основными элементами электротепловых аппаратов являются электронагреватели, преобразующие электрическую энергию в тепловую.

Классификация:

1) Открытые. Проводники, которые контактируют с окружающей средой.

2) Закрытые. В которых контакт спирали с окружающей средой нарушается (конфорки электроплит, слюдопластовый нагреватель, кварцевые нагреватели).

3) Герметичные (ТЭНы, галлогеновый кварцевый излучатель).

Герметичные трубчатые электронагреватели (ТЭНы) получили наиболее широкое распространение в тепловых аппаратах, используемых на предприятиях общественного питания.

Трубчатый электронагреватель представляет собой цельнотянутую трубку, выполненную из углеродистой или нержавеющей стали, внутри которой расположена запрессованная в периклаз нихромовая спираль.

1 – спираль; 2 – стенка трубки; 3 – контактный стержень; 4 – корпус; 5 – штуцер; 6 – электроизоляция; 7 – герметик; 8 – гайка; 9 – шайба.

Основная характеристика:

Р [Вт] – мощность;

[Вт/м²] – удельная нагрузка.

Методика расчета:

1) Определение длины заготовки:

, где L_тр-развернутая длина ТЭНа; L₁-добавка на длину; k-коэффициент.

2) Активная длина элемента:

3) Удельная нагрузка на поверхности: ;

4) Ток потребляемый спиралью:

5) Электрическое сопротивление: ; ;

6) Активная длина проволоки:

, далее рассчитывают шаг спирали и число витков.

И находят удельную нагрузку на поверхности спирали, и она

Способы регулирования мощности:

Мощность можно регулировать с помощью пакетных регуляторов (применяются при температуре меньше 90⁰С, в которых регулирование мощности происходит с помощью переключения соединения проводников.

Однофазная сеть: Трехфазная сеть:

3.9.Система энергоснабжения предприятий пищевой промышленности. Система пароснабжения, ее основные элементы.

Пар для технологических нужд предприятий обще­ственного питания может поступать по сетям от про­мышленных котельных, от центральных парогенерато­ров низкого давления, устанавливаемых в здании предприятия. Строительство выносных паровых котель­ных, специализированных для нужд пароснабжения технологических аппаратов, по экономическим сообра­жениям может быть рекомендовано лишь для пред­приятий большой производственной мощности.

Схема пароснабжения предприятия (рис. 5.5), полу­чающего пар для технологических нужд из собственной котельной, включает следующие основные моменты:

Парогенераторы , паропровод , паропотребляющие тепловые аппараты, конденсатопровод и питательный трубопровод с перекачивающими насо­сам.

Рис. 5.5. Схема пароснабжения предприятий общественного пита­ния:

/ — котлы; 2 — паропровод; 3— водоотделитель; 4 — компенсатор; 5 — коллектор; 6 — обводная линия; 7 — редукционный клапан; 8 — паровой аппарат, давление в рубашке которого выше 150 кПа; 9 — запорный вентиль; 10 — конденсатоотводчик; 11—паровой аппарат, давление в ру­башке которого равно 150 кПа и нйц^е; 12 — конденсатопровод; 13 — кон­денсатный бак; 14 — сливной трубопровод; 15 — насосы; 16 — обратные клапаны; П—трубопровод подпитки

При эксплуатации паропроводов особое внимание уделяется предотвращению потерь конденсата. Тем­пература отводимого конденсата составляет 50... 70 °С, и его повторное использование значительно уменьшает расходы теплоты на процесс парообразова­ния. Кроме того, при больших потерях конденсата конденсатный бак приходится пополнять водопроводной водой, что ведет к интенсивному отложению накипи на стенках парового котла. Это снижает коэффициент теплопередачи и, кроме того, требуя частой чистки котла, способствует его быстрому износу.

Паропровод служит для подачи пара от котла к пароиспользующим аппаратам. Он должен обеспечивать расчетную про­пускную способность пара при заданных потерях давле­ния.

Пар продвигается по паропроводу с большой ско­ростью (10...20 м/с). Встречая на своем пути воду, которая образуется как попутный конденсат, он увле­кает ее за собой. При изменении направления движе­ния пара (что наблюдается при поворотах паропровода в арматуре или теплоиспользующих аппаратах) вода с силой, зависящей от ее скорости движения и массы, наносит удар в направлении своего первоначального

движения.

Это явление называется гидравлическим ударом и может стать причиной механического разрушения

паропровода, его элементов Или частей аппарата. Для предотвращения гидравлических ударов паропровод дренируют, используя продувочные и спускные вентили,

водоотделители.

Водоотделитель представляет собой стальной сосуд ,обычно цилиндрической формы, уста­навливаемый на паропроводе на пути движения пара от котла к потребителю. Проходя через водоотделитель, пар наталкивается на находящиеся в водоотделителе перегородки, резко меняет свое направление, благодаря чему частицы воды, имеющие большую плотность, выпадают из его потока.

Редукционные клапаны бывают : пружинные, рычаж­ные, мембранные. В паропроводах предприятий обще­ственного питания в качестве редукционного клапана используют пружинный клапан .

Компенсаторы используют при наличии зна­чительной длины прямолинейных участков паропровода.

3.10 Новое направление в конструировании электроконфорок плит. Малоинерционная электроконфорка и особенности ее конструирования. Расчет основных параметров электроплит (тепловой и технический КПД, коэффициенты теплоотдачи, удельные характеристики).

На кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Могилевского государственного университета продовольствия разработана новая конструкция малоинерционной электроконфорки для плиты типа ПЭМ0,17 (ПЭМ0,51), принципиально-конструктивная схема которой представлена на рис. 4.7.

1 - основание; 2 - вкладыш; 3 - нагревательные элементы; 4 - отражающий экран; 5 - теплоизоляция; 6 - кожух; 7 – клеммная колодка; 8 - крепежные изделия

Рис. 4.7  Принципиально-конструктивная схема электроконфорки КЭМ-0,17

Основным элементом является плитный настил, состоящий из основания 1 прямоугольной в плане формы (5303258 мм) и центрального вкладыша 2, выполненного в форме круга 289 мм. Центральный вкладыш расположен с основанием с зазором 1,5 мм и имеет в своей центральной части отверстие 5 мм. Такая конструкция плитного настила позволяет значительно уменьшить коробление его рабочей поверхности и, следовательно, существенно повысить срок его службы. В качестве нагревателей используются ТЭНы из нержавеющей стали, расположенные с воздушным зазором толщиной 8 мм с настилом. ТЭНы расположены симметрично и удерживаются с помощью опорной рамки. Тепловая изоляция выполнена из асбестового картона (КАОН-1 ГОСТ 2850-80) и отражающего экрана из полированной нержавеющей стали 12Х18Н10Т, расположенных внутри тонколистового наружного кожуха, соединенного с плитным настилом с помощью элементов крепления. Для обеспечения подвода электроэнергии в нижней части кожуха расположена клеммная колодка.

Применение взамен массивного чугунного литого корпуса тонкого стального листа позволило существенно снизить массу нагревательного устройства, а замена нихромовых спиралей, запрессованных в корпус, на ТЭНы обусловила ремонтопригодность изделия, повышение срока его службы и повысила безопасность работы и надежность в эксплуатации при повышенной тепловой эффективности. Наличие воздушного зазора между ТЭНами и плитным настилом позволяет получить равномерный нагрев рабочей поверхности конфорки, что уменьшает ее температурную деформацию и, несомненно, повышает эксплуатационные характеристики устройства.

технический КПД электроконфорки, для стационарного режима работы представляет собой отношение количества теплоты, отдаваемого через рабочую поверхность, к общему генерируемому количеству теплоты за единицу времени, иопределяется по формуле

, (4.4)

где Q₁  полезно используемое количество теплоты, Вт;

N  потребляемая мощность аппарата, Вт,

N = U ^. I , (4.5)

где U  напряжение, В;

I  сила тока, А.

, Вт, (4.6)

где   суммарный коэффициент теплоотдачи, ;

F  площадь рабочей поверхности электроконфорки, м²;

t_п  средняя температура рабочей поверхности электроконфорки, ^оС;

t_в  температура окружающей среды, ^оС;

,

(4.7)

Где _к  коэффициент теплоотдачи конвекций, ;

_к = 3,42 ^. (t_п - t_в)^0,25; (4.8)

_л  коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, .

,

(4.9)

где С₀  коэффициент излучения абсолютно черного тела, С₀ = 5,7 Вт/м²K⁴;

  коэффициент излучения (для стали  = 0,8, для чугуна  = 0,84);

T_п  абсолютная температура рабочей поверхности электроконфорки, К;

T_в  абсолютная температура окружающей среды, К.

К основной характеристике электроконфорки как нагревателя закрытого типа относится удельная мощность W, которая представляет собой отношение номинальной потребляемой мощности электроконфорки к площади ее рабочей поверхности и определяется по формуле

	, Вт/м2 ,	(4.10)

11. Классификация способов тепловой обработки пищевых продуктов и их анализ. Поверхностные и объемные способы обработки пищевых продуктов. Теплоизоляционные материалы, основные характеристики изоляции. Расчет тепловой изоляции. Нагревательные элементы и их основные характеристики.

Тепловой обработкой называется технологический процесс, который основывается на изменении теплового состояния (изменение температуры) продуктов и сред, участвующих в этом про­цессе.

По механизму передачи теплоты обрабатываемому продукту способы тепловой обра­ботки подразделяются на по­верхностные (кондуктивные), объемные и комбиниро­ванные.

Поверхностные способы имеют следующие недостатки: большая дли­тельность процессов, существенные затраты топливно-энергетических ресурсов, высокая трудоемкость.

К основным способам тепловой обработки относятся варка и жарка.

Варка — это способ тепловой обработки пищевых продуктов в жидкой среде (вода, молоко, бульон, отвар и т. п.) или в среде влаж­ного насыщенного водяного пара. Данный способ тепловой обра­ботки является «щадящим» и рекомендуется к использованию в диетическом, лечебно-профилактическом и детском питании, по­скольку отсутствует нежелательный перегрев поверхности пище­вых продуктов.

Жарка — это способ тепловой обработки пищевых продуктов при непосредственном соприкосновении их с греющей средой или греющей поверхностью при температуре, обеспечивающей обра­зование на поверхности продуктов корочки. Существуют несколько разновидностей жарки: жарка основным способом, жарка во фри­тюре, жарка в паровоздушных средах, выпечка.

При жарке основным способом продукт нагревается за счет теплоты, передаваемой от нагретой поверхности с которой сопри­касается продукт. Жарочная поверхность, как правило, смазыва­ется небольшим количеством жира (5-10% от массы обрабаты­ваемого продукта), который ввиду плохой теплопроводности выпол­няет роль ограничителя температуры и обеспечивает равномерное распределение ее на жарочной поверхности. В процессе жарки на­гретый жир, обладающий пониженной вязкостью, проникает в на­ружные слои обжариваемых изделий, обеспечивая создание специ­фического вкуса и аромата.

При жарке во фритюре продукт нагревается за счет тепло­ты, передаваемой от нагретого жира, со всех сторон окружающего обрабатываемый продукт. Масса используемого жира в 4-5 раз превышает массу обрабатываемых изделий, что приводит к образованию равномерно окрашенной корочки по всей поверхности об­рабатываемых продуктов.

При жарке в паровоздушных средах продукт нагревается за счет теплоты, передаваемой от нагретого воздуха, перегретого водяного пара или их смеси.

Выпечка является разновидностью жарки и представляет со­бой совокупность гидротермических процессов тепловой обработ­ки тестовых заготовок. В процессе выпечки образуется готовое изделие, отличное от заготовки объемом, внешним видом, струк­турой и вкусом.

Способы тепловой обработки	Температура ,°С		Аппарат
	среда	продукт
1.Варка
а) в воде при атм. давлении	100	60…100	Котлы, пароварочные аппараты, пароконвектоматы
б) в воде при давлении > атм. давлении	135…>100	>100	Автоклав, сковороды, вакуумаппарат
в) разряжение	50…<100	50…<100
2.Жарка
а) жир, масло (Vж=0,05 Vп)	150…220	70…115	Сковороды, жаровни и т.п.
б) жир, масло (Vж=1,5…2 Vп)	150…220	70…115	фритюрница
в) воздух, паровоздушная смесь	150…300	150…300	Жарочные пекарные шкафы, печи, термокамеры и пароконвектоматы

Объемные способы тепловой обработки пищевых продуктов. Объемные способы нагрева продуктов основываются на взаимодействии продукта (и прежде всего содер­жащейся в его структуре свободной воды) с электро­магнитным полем. Электромагнитные волны от гене­ратора излучения проникают в продукт на значительную глубину и частично или полностью поглощаются в нем. При этом электромагнитная энергия превращается в теплоту, что вызывает нагрев продукта. Затем теплота и влага выделяются из продукта, т. е. поток теплоты и поток влаги совпадают по направлению.

Отмеченное явление существенно снижает влия­ние теплопроводности продуктов, что вызывает их мед­ленный темп нагрева при поверхностных способах тепловой обработки.

Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев. Пищевые продукты по своим электрическим свойствам представ­ляют собой неидеальные диэлектрики, в которых при наложении внешнего электрического поля возникают токи проводимости и токи смещения. Токи проводи­мости создаются свободными электрическими зарядами (преимущественно ионами), перемещающимися по всему объему диэлектрика. Токи смещения создаются связанными зарядами, способными перемещаться лишь на незначительные расстояния; смещение этих зарядов под действием внешнего электрического поля называ­ется поляризацией диэлектрика.

Важнейшей особенностью СВЧ-нагрева яв­ляется возможность достижения высокого темпа на­грева продуктов при применении генераторов (магнет­ронов, ламп бегущей волны и др.), создающих СВЧ-поля большой напряженности. Излучения проникают глубоко в продукт и поглощаются, находящейся в продукте свободной влагой. При этом энергия электромагнитных волн преобразуется в тепловую. Продукт греется сразу и по всему объему.

Таким образом, основное преимущество СВЧ-на­грева — высокая скорость нагрева. Однако ему прису­щи и недостатки — отсутствие корочки на поверхности продукта и, как правило, естественный цвет сырого продукта.

Тепловая изоляция – это слой материала, уменьшающий тепловые потери в окружающую среду. Температура наружных стенок аппарата, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 60 ⁰С для варочных аппаратов и 70 ⁰С для жарочных, что исключает возможность ожогов.

Основные требования к теплоизоляционным материалам: низкий коэф. теплопроводности, теплостойкость и влагостойкость. Кроме того, тепловая изоляция д/б недорогостоящей, доступной, долговечной, прочной и сохранять форму долгое время.

В качестве изоляционных материалов служат вещества различного минерального происхождения (щебень, глина, гипс и т.п.), растительного (торф, бумага, солома и т.п.), животного (шерсть, шелк и др.).

Для изоляции стенок тепловых аппаратов наиболее широко применяются мятая альфоль, перлит, шлаковата, Стеклова в разных сочетаниях, а также с воздушными прослойками и без них. Толщина слоя изоляции горячих поверхностей аппаратов и паропроводов в пределах от 30 до 100 мм.

Кол-во теплоты, которую отдает единица площади поверхности тепловой изоляции за единицу времени, опр-ся по уравнению:

,

где q₁– тепловой поток от наружной поверхности тепловой изоляции, Вт/м²

– коэф. теплоотдачи от наружной поверхности тепловой изоляции к воздуху, Вт/м²*К.

t_нар– температура наружной поверхности теплоизоляционного слоя, равная температуре наружной стенки теплового аппарата, ⁰С

t_окр– температура окружающего воздуха, ⁰С.

Коэф. теплоотдачи с достаточной степенью точности м/б определен по эмперическому соотношению:

Тепловой поток, проводимый слоем тепловой изоляции определяется по уравнению теплопроводности через плоскую стенку:

где – коэф. теплопроводности материала тепловой изоляции, Вт/(м*К)

– толщина слоя изоляции, м

t_вн– максимальная температура внутреннего слоя тепловой изоляции, ⁰С.

Приравняв тепловые потоки q₁ = q_2, получим:

Нагревательные элементы подразделяются: на электрические нагревательные приборы, газовые горелки, жидкотопливные форсунки, устройства для сжигания твердого топлива, паровые теплообменники.

Электрические нагревательные элементы получили наибольшее распространение в качестве греющих элементов тепловых аппаратов предприятий общественного питания, т.к. они компактны, способны выделять необходимую теплоту; просты, надежны и удобны в регулировании технолог. режимов; у них высокий КПД и т.д. В зависимости от способа трансформирования электрической энергии в тепловую электрические нагревательные элементы подразделяются на электронагреватели сопративления, электродные нагреватели, ИК-генераторы, лазерные генераторы, СВЧ-генераторы и индукционные нагреватели.

Газовые горелки– устройства, обеспечивающие качественное сжигание горючего газа с целью получения и распределения тепловой энергии. В общественном питании эксплуатируются горелки, работающие на низком избыточном давлении газа (до 2000 Па). Процесс горения газа возможен при образовании газовоздушной смеси с концентрацией в пределах воспламенения. Газовые горелки делятся: на диффузионные, кинетические, горелки инфракрасного излучения и горелки с принудительной подачей газа и воздуха.

Жидкотопливные форсунки предназначены для сжигания жидкого топлива. Процесс сжигания жидкого топлива аналогичен процессу сжигания газа, но не требует предварительного распыливания и газификации (испарения) жидкости. В зависимости от способа распыливания топлива жидкотопливные форсунки подразделяют на механические, паровые, воздушные и испарительные.

Для сжигания твердого топлива используют специальные теплообменные устройства– топочные камеры, которые подразделяются в зависимости от формы на цилиндрические, коробчатые (в форме параллелепипеда) и щелевые.

3.12 Пароварочные аппараты. Устройство, принцип действия, правила эксплуатации. Парожарочный аппарат. Назначение, устройство, принцип действия. Особенности тепловой обработки пищевых продуктов в среде перегретого пара.

Пароварочный аппарат АПЭСМ – 2. Аппарат представляет собой шкаф, состоящий из двух секций и подставки. В каждой секции есть две обособленные варочные камеры, в которых на съемных уголках устанавливается посуда — перфорированные и неперфорированные сотейники со съемными крышка­ми. Рабочие камеры закрываются дверцами, снабженными ручками-запорами. В основании расположен парогенератор с четырьмя тэнами и питательный бачок с поплавковым клапаном, соединенный с парогенератором и линейным водопроводом. Образующийся при обработке продуктов конденсат собирается на дне камеры и отводится по трубопроводу в канализацию. Для слива воды в парогенераторе предусмотрен сливной патрубок с вентилем, присоединенный к трубопроводу, отводящему конденсат в канализацию. Для регулирования количества пара, подаваемого в отдельные рабочие камеры аппарата, в каждой из них предусмотрена заслонка с выдвижной ручкой.

1 — вентиль на сливном трубопроводе; 2 — тэны; 3 —парогенератор; 4 —ножки; 5 —дверца камеры; 6—вентиль на парогенераторе; 7 —замок; 8 — основание; 9 — пульт управления; 10 — болт заземления; II — кожух клеммника тэнов; 12 — питательный бачок; 13- датчик системы автоматики зашиты от сухого хода; 14 — паропровод; 15 — сотейник перфори­рованный; 16 — съемный угольник дли установки посулы; 17 — варочная камера; 18 — сотейник перфорированный; 19 — колпак (верхняя крышка); 20 — трубопровод для отвода конденсата в канализацию; 21 -лампы сигнальные; 22 — выключатель; 23 — переключатель

Паровой жарочный шкаф содержит несущий каркас ], отделенный теп­ловой изоляцией 2 от теплоизолированного корпуса 3; рабочую камеру 4, установленную с зазором относительно корпуса 3 и нагревательные элементы 5 (на схеме указаны трубчатые электронагреватели, но возможно примене­ние любых типов - пластинчатых, трубчатых, пленочных и др.), размещен­ные на передней стенке рабочей камеры 4. В рабочей камере 4 размещается сетчатая емкость 6 для продуктов. Под рабочей камерой 4 расположен паро­генератор 7 с нагревательными элементами 8, который снабжен пароподво-дящим патрубком 9 и соединен по принципу сообщающихся сосудов с пи­тателем 10 с помощью переливной трубки П. Вода в питатель подается из водопровода через трубопровод 12, а ее уровень в питателе регулируется поплавковым регулятором 13. Аппарат снабжен дополнительной цилиндри­ческой вертикальной перегородкой 14, установленной в зазоре с образова­нием канала для подвода пара 15 и канала для его перегрева 16 перед вхо­дом в рабочую камеру. Перегородка установлена на стержневых опорах 17. Рабочая камера снабжена крышкой 18, оборудованной смотровым окном 19 и патрубком 20 с регулируемой шиберной заслонкой для отвода излишнего пара в местный вентиляционный отсос.

Образующийся при обработке продуктов конденсат удаляется из рабо­чей камеры 4 через конденсатопровод 21. Регулирование работы нагрева­тельных элементов 5 осуществляется при помощи подсоединенных клеммных колодок 22 через щит управления 23.

Площади поперечных сечений каналов 15 и 16 равны между собой и равны площади пароподводящего патрубка 9.

преимущества

• выход готовой продукции увеличивается на 2.5... 6%;

• продолжительность тепловой обработки сокращается на 10 -15%, что приводит к увеличению подооборота;

• формоустойчивость увеличивается на 3,5%, что приводит к повыше­нию потребительских качеств;

• влажность готовых изделий увеличивается на 10... 12%;

• пористость увеличивается на 3%, что приводит к увеличению степе­ни усвоения хлеба;

• удельный объем увеличивается на 23,5%.

Тепло перегрева пара мало по сравнению с его теплотой конденсации, а объем, пара на единицу отдаваемого тепла значительно больше, чем для насыщенного пара, что приводит к увеличе­нию диаметра паропроводов.

Ввиду того что тепло перегрева относительно мало, коэффициенты теплоотдачи от перегретого пара значительно ниже, чем от насыщенного, перегрев пара требует дополнительных затрат, перегретый водяной пар редко применяют в качестве нагревающего агента. Иногда используют небольшой перегрев его для компенсации тепловых потерь в подводящих паропроводах.