Теплогенерирующие устройства.

1. Классификация теплогенерирующих устройств и особенности их конструкций

Источниками тепловой энергии, широко применяемой на предприятиях общественного питания как Российской Федерации, так и всего мира, являются: химическая энергия топлива, электрическая энергия, а также энергия, выделяемая при изменении агрегатного состояния вещества (водяной пар).

Преобразование названных видов энергии в тепловую осуществляется в теплогенерирующих устройствах (ТУ), которые являются основными элементами тепловых аппаратов. ТУ определяют прежде всего размеры теплового аппарата; от них зависит надежность и долговечность, производительность, эффективность, условия труда и безопасность жизнедеятельности.

Теплогенерирующие устройства являются основными узлами тепловых аппаратов, а их конструкция определяется видом используемого энергоносителя. В них происходит преобразование химической или электрической энергии в тепловую.

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения эти генераторы установлены на ТЭЦ или тепловой станции.

Бытовые и промышленные теплогенерирующие агрегаты, аппараты и устройства, работающие на газообразном, жидком, твердом или смешанном видах топлива, служат для отопления, приготовления пищи, сушки помещений и сельхозпродукции, термообработки поверхностей, расплавления припоев, мастик, нагрева теплоносителей (воздуха, воды и т. д.).

К таким аппаратам относятся печи всех типов, камины, калориферы, водонагреватели, теплогенераторы, горелки, титаны и другие теплогенерирующие устройства, мощность которых не превышает 100 кВт.

Классификация теплогенерирующих устройств приведена в таблице.

Таблица. Классификация теплогенерирующих устройств

2. Водяной пар и химическое горючие как топливо

Теплогенерирующей установкой называют совокупность устройств и механизмов для производства тепловой энергии в виде водяного пара, горячей воды или подогретого воздуха. Водяной пар используют для технологических нужд в промышленности и сельском хозяйстве, для приведения в движение паровых двигателей, а также для нагрева воды, направляемой в дальнейшем на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Горячую воду и подогретый воздух используют для отопления производственных, общественных и жилых зданий, а также для коммунально-бытовых нужд населения.

Теплогенерирующие установки предназначены для производства тепловой энергии из первичных источников энергии, которыми являются: органическое и ядерное топливо, солнечная и геотермальная энергия, горючие и тепловые отходы промышленных производств.

3. Электронагревательные элементы

Основной частью электрического теплового аппарата являются электронагревательные элементы, преобразующие электрическую энергию в тепловую.

В электронагревателях используется одно из основных свойств электрического тока — способность нагревать проводники. Энергия электрического тока преобразуется в электромагнитные колебания, которые превращаются в тепловую энергию или непосредственно в пищевых продуктах (ИК-нагрев, СВЧ-нагрев), или в стенках сосуда для тепловой обработки (индукционный нагрев).

Электронагреватели, греющей средой которых является жидкость (электролит), используют в электродных пищеварочных котлах. 

Электролит — вещество, которое ионизируется в растворителе, создавая электропроводящую среду.

В пищеварочных котлах имеется камера, заполненная водным раствором соды (электролит), и два электрода. При включении электродов в электрическую цепь положительные и отрицательные ионы начинают поляризоваться и двигаться к противоположно заряженным электродам. Ионы при этом ускоряются приложенным к электродам электрическим полем. При движении ионов в растворе возникают силы трения, а поскольку количество ионов в растворе велико, то возникающие силы трения переходят в тепло и нагревают раствор.

Электроды выполняются в виде пластин прямоугольной формы. Интенсивность нагрева среды зависит от площади поверхности погружения электродов в электролит, расстояния между электродами, удельного сопротивления электролита и силы тока между электродами.

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

К открытым электронагревателям относится спираль, уложенная в канавки керамических плиток, подвешенная на фарфоровых изоляторах или заключенная в керамические бусы. Основной вид передачи теплоты от спирали к нагреваемой среде — излучение.

К достоинствам открытых нагревателей относятся простота изготовления, удобство замены спирали, малая тепловая инерция, высокий КПД.

Недостатки: малый срок службы из-за возможного попадания жидкостей на поверхность и постоянного контакта с кислородом воздуха; возможность внешнего механического повреждения и межвитковых замыканий при удлинении спирали в нагретом состоянии; повышенная опасность поражения током и пожароопасность. Отмеченные недостатки настолько серьезны, что именно они не позволяют использовать открытые нагреватели в тепловом оборудовании.

Закрытые электронагреватели (рис.) представляют собой спираль, запрессованную в электроизоляционный материал, имеющий высокую теплопроводность. Конфорки, отлитые из серого чугуна, с внутренней стороны имеют спирально расположенные каналы. В эти каналы и запрессовывается спираль с диэлектрической массой. Спираль изготовлена из нихромовой проволоки. Корпус конфорки защищает спираль от механических повреждений, но не защищает от доступа воздуха. Такие электронагреватели применяются в конфорках электроплит.

Достоинством закрытых нагревательных элементов являются их высокая надежность и долговечность по сравнению с открытыми нагревателями.

Закрытые электронагревательные элементы (конфорки):

1 — конфорка; 

2 — спираль; 

3 — стенки пазов; 

4 — изоляционная масса;

5  — экранирующий лист; 

6 — воздушная прослойка; 

7,9 — фольга; 

8 — листовой асбест; 

10— металлический лист

Недостатки: быстрый перегрев поверхности конфорки и ее коробление при снятой наплитной посуде; необходимость использования посуды только с утолщенным дном для обеспечения хорошего контакта с поверхностью конфорки; постоянный контакт спирали с кислородом воздуха, что приводит к уменьшению диаметра спирали нихромовой проволоки и снижению рабочего ресурса.

К герметически закрытым электронагревателям относятся тэны (трубчатые электронагреватели) и рэны (ребристые электронагреватели). Этот тип нагревателей наиболее широко применяется в тепловом оборудовании предприятий общественного питания.

Рэны отличаются от тэнов только наличием наружного оребре- ния, которое позволяет увеличить количество тепла, передаваемого с поверхности рэна нагреваемой среде. Их применяют в тепловых пекарских шкафах.

Тэны в зависимости от вида нагреваемой среды подразделяются на воздушные, водяные и масляные и должны эксплуатироваться только в той среде, для которой они предназначены. По сравнению с открытыми и закрытыми электронагревателями тэны имеют следующие преимущества: большой срок службы (до 10 000 ч); высокую защищенность спирали; удобство монтажа и замены; возможность изготовления сложной геометрической формы.

Недостатки: сложная технология изготовления и невозможность проведения ремонта тэнов.

4. Инфракрасный нагрев (ИК-нагрев) осуществляется ИК-генераторами. В зависимости от длины волны ИК-генераторы делятся на «светлые» (в спектре которых имеется видимое излучение) и «темные».

К «светлому» типу генераторов относятся кварцевые инфракрасные излучатели с йодным наполнителем марки КИ и КИО. В генераторах типа КИ (кварцевый излучатель) телом накала служит вольфрамовая проволока, которая находится в кварцевой герметичной трубе и нагревается до температуры 2100—2500 °С. Имеются ИК-нагреватели, у которых хромоникелевая спираль помещена в негерметичную кварцевую трубку. Температура нагрева спирали составляет 1050—1300 °С. Срок службы ИК-нагревателей до 5000 ч.

К «темным» относят излучатели, не содержащие видимого излучения, температура нагрева которых составляет 400—750 °С. Это тэны и силитовые электронагреватели (сэны). Сэны изготовляются как открытого типа, так и закрытые. Спираль может располагаться как снаружи, так и внутри керамической трубки. От места расположения спирали зависит спектр излучения. Так, при расположении спирали на поверхности керамической трубки спектр излучения будет бихроматическим (двойным) и складываться из спектра самой спирали и спектра электромагнитных волн, излучаемых нагретой трубкой.

Источником СВЧ-нагрева являются магнетроны, преобразующие электрическую энергию в высокочастотное электрическое поле.

Принцип работы СВЧ-аппарата: магнетрон, создавая электрическое поле, направляет его по волноводу в рабочую камеру, где размещен продукт, содержащий воду (вода является диполем, так как молекула воды состоит из положительных и отрицательных зарядов).

Воздействие внешнего электрического поля на продукт приводит к тому, что диполи начинают поляризоваться, т. е. поворачиваться. При повороте диполей возникают силы трения, которые превращаются в тепло. Поскольку поляризация диполей происходит по всему объему продукта, вызывая его нагрев, этот вид нагрева также называют объемным.

СВЧ-нагрев называют еще и микроволновым, имея в виду короткую длину электромагнитных волн.

Основное преимущество СВЧ-нагрева — быстрота приготовления пищи при полном сохранении пищевой и биологической ценности продукта. СВЧ-аппарат имеет высокий КПД и не оказывает отрицательных воздействий на окружающую среду.

Недостатки: неоднозначность в определении времени при приготовлении сложных блюд с различным содержанием влаги каждого из компонентов, а также отсутствие на поверхности продукта поджаристой корочки в процессе приготовления. Отечественная промышленность выпускает СВЧ-аппараты типа «Электроника».

5. ТВЧ-нагрев. Принцип его работы заключается в следующем. Промышленный ток частотой 50 Гц посредством трансформаторного блока преобразуется в ток высокой частоты (20—40 кГц), создающий в индукторе переменное магнитное поле. Сверху на индукторе размещают наплитную посуду с утолщенным дном из металла (сковорода, чайник и т. д.). Магнитное поле индуктора вызывает в дне наплитной посуды индуктированные токи (их называют также вихревыми или токами Фуко), которые и нагревают дно посуды. Тепло теплопроводностью или конвекцией передается содержимому наплитной посуды.

Достоинствами индукционных нагревателей являются их высокая эффективность (КПД достигает 80 %), надежность, безопасность, а также полная автоматизация работы конфорки. Особенно широко индукционный нагрев применяется в бытовых электрокипятильниках типа «Тефаль».

6. Варианты классификации

По источникам тепла тепловое оборудование делится на электрическое, газовое, огневое и паровое.

Тепловые аппараты можно еще классифицировать по принципу действия — непрерывного и периодического действия.

По степени автоматизации тепловые аппараты подразделяются на неавтоматизированные, контроль за которыми осуществляет обслуживающий работник, и автоматизированные, где контроль за безопасной работой и режимом тепловой обработки обеспечивает сам тепловой аппарат при помощи приборов автоматики.

На предприятиях общественного питания тепловое оборудование может использоваться как несекционное или секционное, модулированное. Несекционное оборудование, это оборудование, которое различно по габаритам, конструктивному исполнению и архитектурному оформлению. Такое оборудование предназначено только для индивидуальной установки и работы с ним, без учета блокировки с другими видами оборудования. Несекционное оборудование для своей установки требует значительных производственных площадей, т.к. обслуживание такого оборудования осуществляется со всех сторон.

Примеры решение задач

Задача 1. 2 литра воды при начальной температуре 20 °C закипают за 600 секунд. Сила тока, потребляемая электрическим водонагревателем, 6 Ампер. Напряжение в электрической сети 230 Вольт. Удельная теплоемкость воды равна 4.182×10³ Дж/(кг×°C) при20 °C. Определить коэффициент полезного действия водонагревателя.

Дано: 

m=2 кг;

t₁=20 °C;

t₂=100 °C;

 t=600 с;
I=3 A; 

U=230 B; 

c=4.182·10³ Дж/(кг·°C)
Найти: η — ?

Решение:

КПД электрического водонагревателя равен отношению полезной работы к полной: 

Полезная работа равна количеству теплоты, необходимому для нагревания воды:

А_полез = Q_полез = с·m (Т₂ – Т₁)

Полная работа равна полному количеству теплота, которое выделяется при работе водонагревателя Q=UIt.

Задача 2. Рабочее вещество, внутренняя энергия которого U связана с давлением P и объемом V соотношением U = kPV, совершает термодинамический цикл, состоящий из изобары, изохоры и адиабаты. Работа, совершенная веществом во время изобарного процесса, в m = 5раз превышает работу внешних сил по сжатию вещества, совершенную при адиабатическом процессе. К.п.д. цикла η=1/4. Определите k.

Дано:

U = kPV

η=1/4

k-?

Решение:

Задача для самостоятельного решения:

Провести расчет газового цикла, принимая в качестве рабочего тела 1кг воздуха. Теплоемкости воздуха считать постоянными: C_р=1,0КДж/кг К, C_v=0,71КДж/кг К Газовая постоянная R=0,287 КДж/кг К, показатель адиабаты  γ =1,4. Требуется определить параметры состояния рабочего тела для характерных точек цикла, количество подводимого и отводимого тепла, работу и термический КПД цикла, если известно: начальное давление р₁=0,4 ат начальный удельный объем газа v₁=0,3 м³/кг давление в точке 2 цикла р₂=1 ат температура в точке 3 цикла t₃=300 ºС

процесс 1-2 – изотерма,

процесс 2-3 и 4-1 – изобара,

процесс 3-4 – адиабата.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите виды теплогенерирующих устройств и особенности их конструкций

2. Объясните методику применения водяного пара и химического горючего как топлива

3. Какие электронагревательные элементы вам известны

4. Объясните принцип инфракрасного нагрева (ИК-нагрев)

5. Опишите принцип работы СВЧ, ТВЦ нагревателей