К электронагревателям второго вида относят ИК-излучатели. В принципе, источником ИК-излучения является любое тело, имеющее температуру поверхности выше абсолютного ноля. В связи с этим, главное отличие электронагревателей первого и второго вида заключается в том, что нагрев при использовании конфорок и ТЭНов происходит в основном за счет конвекции, а при использовании ИК-генераторов - за счет радиации или лучистого теплообмена.
Тепловая обработка с использованием ИК-излучателей основана на способности продуктов поглощать лучистую тепловую энергию
Пищевые продукты, как объекты инфракрасного нагрева характеризуются терморадиационными (А - поглощательные, R - радиационные и D -пропускными) и оптическими (a - коэффициент поглощения, s - коэффициент рассеивания и k - коэффициент суммарного ослабления) свойствами. Кроме того, они способны по разному пропускать, отражать и рассеивать лучистую энергию в зависимости от длины волны. Чем больше длина волны, тем ниже температура поверхности излучения нагревателя и меньше глубина проникновения тепловых волн в нагреваемый продукт и наоборот - с уменьшением длины волны температура нагрева и глубина проникновения повышается. Для большинства продуктов глубина проникновения инфракрасного излучения невелика. В результате этого основной нагрев происходит в поверхностном слое, что приводит к образованию характерной поджаристой корочки и моделирует процесс жарки. Длинноволновые ИК-излучатели используют в мармитах для поддержания температуры готового продукта в процессе реализации.
К электронагревателям с промежуточным нагревом используемым в тепловом оборудовании относят такие, основной спектр излучения которых состоит из электромагнитных тепловых волн длиной max= 0,77-8 мкм. По современной классификации в зависимости от длины волны ИК-излучатели делятся на светлые и темные.
К светлым относят ИК-излучатели, 90% тепловых волн которых имеют длину в диапазоне max= 0,77-4 мкм. Такой диапазон входит в спектр видимого излучения и рабочие поверхности излучателей характеризуются свечением от темно-малинового до ярко-красного цвета, а их температура может составлять от 500 до 25000С. Основу конструкции электрических ИК-нагревателей, как и нагревателей первого вида, представляет проволочная спираль. Отличие ИК-излучателей заключается в наличии дополнительных конструктивных элементов и приемов, повышающих плотность и интенсивность теплового потока. Для этого используют прозрачные корпуса и различные типы отражателей теплового потока. Наибольшее распространение среди светлых ИК-излучателей в тепловом оборудовании получили:
Биспираль на керамической трубке, состоящая из крепежного отверстия 1, керамической трубки 2, нихромовой спирали 3 и контактных пластин 4 (рис 2.4,а). В процессе работы керамическая трубка нагревается и становится дополнительным источником ИК-излучения, повышая интенсивность и равномерность теплового потока. Открытая нихромовая спираль имеет температуру 1000-12000С. Главный недостаток - низкий рабочий ресурс (не более 3000 часов) в следствии окисления воздухом;
Кварцевые инфракрасные излучатели с йодным наполнителем типа КИ и КИО (рис 2.4, б и в) являются самыми надежными и эффективными электрическими ИК-излучателями. В герметичной кварцевой трубке создается вакуум, что позволяет использовать высокотемпературную вольфрамовую спираль. Кварцевое стекло обладает низким коэффициентом преломления света, что повышает концентрацию теплового потока. Этому способствует и пары йода, которыми заполняется полость трубки. Кварцевые ИК-излучатели состоят из ввода 1, цоколя 2, фольгового звена 3, молибденового ввода 4, герметичной кварцевой трубки 5, спирали из вольфрамовой проволоки 6 и вольфрамовой поддержки 7. Температура нагрева вольфрамового излучателя достигает более 2500 0С;
Сушильная лампа ИКЗ, состоящая из цоколя 1, внутреннего покрытия 2, нихромовой или вольфрамовой спирали 3, стеклянной колбы 4 (рис 2.4, г). Обычно применяется в аппаратах для сушки продуктов;
Закрытый кварцевый генератор с хромоникелевой спиралью, состоящий из вывода 1, керамического изолятора 2, спирали 3 и кварцевой трубки 4 (рис 2.4, д). Имеет более высокий рабочий ресурс по сравнению с биспиралью на керамической трубке.
Достаточно широко в качестве светлых ИК-излучателей используются и открытые проволочные спирали (см. п.2.1.1).
К темным ИК-излучателям относят такие, 90% тепловых волн которых имеют длину max более 4 мкм. Чаще всего в качестве таких нагревателей используют обычные ТЭНы с температурой нагрева до 500 0С.
СВЧ- генераторы
СВЧ-гененраторы относмятся к электронагревателям 3 вида, в которых преобразование электрической энергии в электромагнитные колебания происходит без промежуточного нагрева.
Нагрев пищевых продуктов в СВЧ-поле является сложным процессом. Его основу составляют поляризационные явления, возникающие под действием внешнего электромагнитного поля, в которое помещен продукт, как диэлектрик. Дипольные молекулы и атомы, образовавшиеся в результате поляризации, под действием высокочастотного переменного электромагнитного поля начинают интенсивно перемещаться, совершая колебательные и вращательные движения. В результате механических сил трения, возникающих между молекулами при их перемещении под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, энергия, затраченная на поляризацию, по всему объему продукта превращается в теплоту. Такой нагрев практически не зависит от теплопроводящих свойств продукта, что обеспечивает высокую скорость и равномерность.
Диэлектрические свойства материалов зависят от их природы, влажности, температуры и частоты колебаний поля. Так, для таких упаковочных материалов, как полиэтилен и второпласт = 2-2,2, а для большинства пищевых продуктов = 30-60. Поэтому при нагреве продуктов в СВЧ-поле упаковочные материалы и воздух не нагреваются. Повышение влажности продукта приводит к увеличению его диэлектрической проницаемости, так как относительная диэлектрическая проницаемость воды составляет 80. С ростом частоты колебания СВЧ-поля снижается глубина его проникновения в глубь продукта. В связи с этим возникает необходимость подбора определенной толщины продукта, чтобы избежать перегрева его отдельных слоев.
Главным достоинствами СВЧ-нагрева является относительно равномерный нагрев продукта по всему объему, что ускоряет тепловую обработку по сравнению с традиционными методами в 6 и более раз. Равномерность нагрева позволяет условно относить такой способ тепловой обработки к варке. Его широко используют для быстрой разморозки небольших объемов продуктов. Это же является и главным недостатком способа, так как он не позволяет получить поджаристой корочки на поверхности продукта, характерной для жарки. Поэтому СВЧ-нагрев рекомендуется применять
ТВЧ-генераторы
ТВЧ-генераторы также относятся к электронагревателям 3 вида. Принцип нагрева ТВЧ-генераторами основан на том, что в металлах, помещенных в высокочастотное электромагнитное поле, возникают вихревые индукционные токи. Это приводит к быстрому нагреву металлов в следствии их электросопротивления. Особенностью индукционного нагрева является то, что тепловая энергия Q экспотенциально уменьшается в зависимости от глубины проникновения электромагнитного поля по
Индукционные конфорки обладают рядом существенных преимуществ, по сравнению с резистивными:
1- высокая надежность (ресурс исчисляется десятками тысяч часов);
2- низкая тепловая инерционность (дно наплитной посуды нагревается одновременно с включением конфорки);
3- высокий к.п.д. и низкий расход электроэнергии;
4- рабочая поверхность конфорки сильно не нагревается, что исключает вероятность ожогов, имеющих место при работе с обычными конфорками;
5- возможность полной автоматизации работы оборудования с ТВЧ-нагревом.
Газовые горелки
В последнее время все большее распространение получило газовое оборудование. Газ главный альтернативный по отношению к электрической энергии энергоноситель. Основное преимущество газообразного топлива перед электричеством малая инерционность нагрева, возможность плавного регулирования нагрева, относительная дешевизна вырабатываемой теплоты. Единица теплоты, полученной в результате горения газа на сегодняшний день более чем в 6 раз дешевле, чем при использовании электрической энергии.
Устройства, обеспечивающие сжигание газа в целях получения теплоты, называют газовыми горелками. На предприятиях питания и торговли применяют в основном инжекционные горелки. В этих устройствах предварительно перемешиваются газ и необходимый для горения воздух. Воздух подается в специальный смеситель за счет кинетической энергии мощной высокоскоростной струи газа, вытекающего через специальное отверстие малого сечения («сопло»). В состав горючей смеси входит 3070% воздуха, необходимого для полного сжигания. Сгорание в этом случае происходит в виде факела (рис. 2.10), выходящего из сопла горелки 1 и состоящего из двух зон. Во внутреннем конусе 2 (светлом и прозрачном) сгорание происходит за счет кислорода воздуха подготовленной горючей смеси (первичный воздух), а во внешнем конусе 3 - за счет дополнительного воздуха (вторичный воздух), поступающего из вне через поверхность факела.
Инжекционные газовые горелки устроены следующим образом (рис.2.11); газ по трубопроводу 1 из газовой магистрали поступает в смеситель 2. В смесителе газ смешивается с кислородом воздуха, образуя горючую смесь, и поступает в насадку 3, которая равномерно распределяет смесь по множеству огневых отверстий 4. Форма огневых отверстий насадок может быть разнообразной. В зависимости от этого они делятся на кольцевые, трубчатые, щелевые и т.д.).
Факел бывает устойчивым только в определенном диапазоне давлений газа перед горелкой, который регулируется специальным пробковым краном. Если давление очень высокое, то горение становится шумным, факел пульсирует относительно огневого канала и может погаснуть. Это явление называют «отрывом» факела. При малых давлениях газа факел может проникнуть внутрь горелки - наступает «проскок» пламени. В пределах от проскока до отрыва пламени сгорание газа происходит устойчиво и качественно. В отдельных случаях, имеет место неполное сгорание, характеризующееся высоким коптящим факелом или отрывом пламени. В этом случае следует отрегулировать положение регулятора первичного воздуха 6 и добиться устойчивого горения прозрачного голубого факела.
Теплотой сгорания называют количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1м3 горючего газа, если он поступает в горелку при нормальных условиях (атмосферном давлении 760 мм рт.ст. и температуре 0°С).
Расход газа можно плавно регулировать ручкой 5 газового запорно-peгулировочного крана. Диапазон регулирования от «проскока» до «отрыва» факела горелки называют пределом тепловой мощности. Некоторые газовые грили и плиты оснащаются инфракрасными горелками. Инфракрасные (ИК) газовые горелки (рис. 2.13) называют беспламенными или, что более правильно, микрофакельными. Они обеспечивают высококачественное сжигание газа вследствие инжекции всего воздуха, необходимого для горения. Газ сгорает в огневых отверстиях малого диаметра 0,81,5 мм. При этом факел состоит лишь из внутреннего конуса; он прозрачен и практически не виден. Теплота нагреваемым предметам передается ИК-излучением от керамических насадок 2 или плиток 3, внутри которых расположены огневые каналы. Температура нагрева керамических плиток может достигать 8501000 0С. Регулирование мощности микрофакельных (ИК) горелок можно только в дискретном режиме «Включено» «Выключено», что снижает другие их положительные качества.