Электрические нагревательные элементы — теплогенерирующие устройства, преобразующие электрическую энергию в тепловую. Электронагреватели являются рабочими органами тепловых аппаратов. На предприятиях общественного питания в настоящее время наибольшее распространение получило оборудование с электрическим обогревом. Использование оборудования с электрообогревом дает значительные преимущества перед газовым и огневым обогревом, так как позволяет:
• повысить производительность труда;
• осуществить полную автоматизацию работы теплового оборудования;
• осуществлять регулирование температуры нагрева продукта в широких пределах;
• создавать хорошие санитарно-гигиенические условия для обслуживающего персонала;
• использовать оборудование с высоким КПД;
• снижать расходы на профилактическое обслуживание и ремонт оборудования;
• понижать вероятность взрыво- и пожароопасности самого предприятия.
Преобразование электрической энергии в тепловую может осуществляться одним из трех способов.
В отечественном оборудовании предприятий общественного питания основным электронагревателем является электронагреватель с металлическим сопротивлением. По конструктивному исполнению такие электронагреватели подразделяются на открытые, закрытые, но с доступом воздуха и герметичные (без доступа воздуха). Недостаток, а поэтому достаточно ограниченное применение открытых и закрытых нагревателей в тепловых аппаратах, заключается во взаимодействии нагретых спиралей с кислородом воздуха, что вызывает окисление спирали (ее медленное сгорание) при высоких температурах и ограниченный срок службы. Поэтому наибольшее применение среди электронагревателей нашли герметичные электронагреватели.
К герметичным электронагревателям относятся: трубчатые (тэны) и ребристые (рэны) электронагреватели.
Тэны и рэны имеют одинаковое устройство, отличие только в том, что рэн имеет большую наружную поверхность по сравнению с тэном за счет ребер, накатанных из тела самой трубки. Развитая наружная поверхность рэна позволяет значительно уменьшить его удельную поверхностную мощность по сравнению с таким же показателем тэна при условии одинаковой мощности них-ромовых спиралей. Изменяя наружную поверхность рэна путем накатки ребер различной высоты и шага, можно получать различную удельную поверхностную мощность при одной и той же мощности спирали и, соответственно, различные значения температур м,| поверхности рэна.
Малая удельная поверхностная мощность рэнов (при большой Мощности спирали) позволяет использовать их для нагрева сред и условиях естественной конвекции без опасения перегрева и перегорания спирали.
К недостаткам рэнов следует отнести трудности изготовления различных конфигураций, что значительно сокращает область их применения в различных видах тепловых аппаратов.
Тэны могут иметь различную конфигурацию
Спирали тэнов изготовляют из сплава никеля с хромом (нихромы), а также из железохромалюминиевых сплавов (фехрали). Концы спирали плотно навивают на контактные стержни из малоуглеродистой или нержавеющей стали. Для предотвращения проникновения влаги внутрь трубки торцы тэнов обрабатывают герметиком.
Лучшим материалом для спиралей является нихром, так как он допускает высокие температуры нагрева и механически прочен В нагретом и коллоидном состоянии. Температура его плавления 1340—1420 °С. Стойкость нихромов к высокой температуре объясняется тем, что температурный коэффициент линейного расширения сплава и его оксидных пленок одинаков. Поэтому при нагреве нихрома оксидная пленка не растрескивается. Однако при резких изменениях температуры из-за частого включения и выключения аппаратов пленка может растрескиваться, поскольку она быстрее охлаждается и медленнее нагревается, чем нихромовая спиральв образовавшиеся микротрещины попадает кислород. Кислород выделяется из периклаза, засыпаемого в трубку в качестве электроизолятора, в процессе его нагрева.
В качестве электроизоляторов используется не только периклаз, но и кварцевый песок, шамот и т. п. Изоляционные материалы должны обладать большим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, не вступать в химические реакции с нагревательным элементом, иметь низкую влагопоглошаемость, быть механически прочными.
Периклаз — кристаллический порошок плавленой окиси магния с содержанием последнего до 96 %. Его получают путем плавления в электродуговых печах увлажненной магнезии.
Кварцевый песок по химическому составу представляет собой почти чистую окись кремния (98—99 %).
Шамот — прокаленная и измельченная огнеупорная глина. Тэны изготавливаются различных видов в зависимости от вида теплового оборудования (котлы с промежуточным обогревом, водонагреватели, кипятильники, жарочные и пекарные шкафы, фритюрницы и др.), а именно:
• для нагрева воды, растворов шелочей;
• нагрева воздуха и газовых смесей;
• нагрева масла, жира.
Вид нагреваемой среды, температура нагрева, химическая активность среды по отношению к поверхности тэна определяют материал, конфигурацию и диаметр трубки, удельную мощность, ресурс работы. Тэны в основном рассчитаны на напряжение 220 В. Одна из главных характеристик тэна — его удельная поверхностная мощность (W, Вт/м2).
Изменять удельную поверхностную мощность можно за счет как увеличения скорости обдува воздуха, так и повышения температуры наружной поверхности тэна, например до 450—650 °С. При таком повышении температуры наружной оболочки тэна возрастает лучистый теплообмен.
Тэн, предназначенный для нагрева воды, нельзя использовать для нагрева воздуха или масла, поскольку это приведет к повышению температуры на наружной поверхности тэна, его перегреву, потери герметичности и, как следствие, к быстрому перегоранию спирали. Удельная мощность тэнов для нагрева воды, воздуха или масла колеблется в определенных пределах. Например, для нагрева воды или слабых растворов щелочей поверхностная мощность составляет (9—11)104 Вт/м2; для нагрева воздуха — (2,2—6,0)104; для нагрева масла, жира — (3,0—3,5)104 Вт/м2. Большинство тэнов Имеют наружный диаметр от 8 до 16 мм.
Приборы контроля и управления электротепловых аппаратов
Для автоматического поддержания заданных величин — температуры, давления, уровня жидкости — применяются различные приборы: терморегуляторы, манометры, реле уровня. Значение заданного параметра поддерживается автоматически. Рассмотрим работу этих приборов.
Терморегулятор Т 32 предназначен для поддержания заданной температуры в электротепловых аппаратах (тепловых, жарочных шкафах, фритюрницах). Он состоит из термобаллона, капиллярной трубки, мембранной коробки, контактной группы с подвижными и неподвижными контактами и задающего механизма. Положение подвижных контактов зависит от положения толкателя. В свою очередь толкатель жестко связан с фигурной пружиной, которая им и управляет.
Термобаллон помещают в среду, температуру которой необходимо контролировать. Давление, возникающее в термобаллоне, по капиллярной трубке передается на мембранную коробку. При достижении заданной температуры в камере мембранная коробка воздействует на пружину и происходит резкое изменение ее положения. Левый конец пружины переместится вниз, толкатель также опустится и отожмет подвижные контакты от неподвижных. Цепь разрывается и тэны обесточиваются. Когда температура в камере понизится, упадет давление в термобаллоне, мембранная коробка поднимется вверх и пружина вернется в исходное положение. Подвижные контакты замкнутся с неподвижными контактами.
При положении ручки «Окл» винт, вращаясь в неподвижной Гайке, воздействует на мембранную коробку, которая в свою очередь оказывает давление на пружину и опускает толкатель. Все контакты будут разомкнуты. Для того чтобы включить тэны, ручку поворачивают по часовой стрелке, винт вывертывается из гайки, давление на пружину ослабевает и пружина поднимает толкатель, замыкая контакты. Фигурная пластинчатая пружина обеспечивает резкий переход из одного крайнего состояния в другое, что позволяет значительно уменьшить искровой разряд между подвижными и неподвижными контактами.
Электроконтактный термометр ЭКТ. Принцип его работы ана логичен принципу работы описанного выше терморегулятора температуры. Термометр ЭКТ состоит из чувствительного элемента (баллона, соединенного капиллярной трубкой с манометрической трубкой) и контактной группы.
Электроконтактный манометр ЭКМ относится к показывающим и регулирующим приборам давления. От электроконтактного термометра ЭКМ отличается отсутствием термобаллона и капиллярной трубки. Электроконтактный манометр имеет такую же контактную группу, что и ЭКТ, но контакты его замыкаются и размыкаются под действием давления не в собственной замкнутой системе чувствительного элемента, а во внешней (измеряемой) среде.
Датчик-реле давления РД-4 относится к регулирующим приборам и состоит из чувствительного элемента — мембраны — и контактной группы микропереключателя. Резиновая мембрана закреплена между корпусом и крышкой. Давление к чувствительному элементу подается снизу. Противодействие ему создает пружина, сжатие которой производят регулировочным винтом. Чем включается. Контакты пускателя включают двигатель насоса или соленоидный вентиль подачи воды. При повышении уровне сжата пружина, тем при большем давлении произойдет переключение контактов микропереключателя, на кнопку которого передается от мембраны через золотник и рычаг. Для защиты от повреждений и загрязнений реле закрыто крышкой (колпаком). Укрепляется реле с помощью кронштейна.
Реле уровня. Регулирование уровня воды и некоторых других жидкостей можно осуществлять по следующей схеме. Один вывод вторичной обмотки разделительного трансформатора подсоединяли к металлическому корпусу резервуара, другой — к обмотке реле уровня. Вторую клемму обмотки реле уровня подсоединяют к электроду, введенному в резервуар через изоляционную втулку. Когда электрод находится в воде, цепь обмотки реле замкнута. Размыкающий контакт отключает обмотку магнитного пускателя и поступление воды прекращается.
После понижения уровня воды ниже электрода цепь обмотки реле размыкается. Обмотка реле отключается, и насос или соленоидный вентиль отключается.
Электрическое реле уровня применяется и для защиты тэнов от «сухого хода», т. е. для отключения электронагревателей при понижении уровня воды и оголении тэнов в оборудовании. При отсутствии воды (на воздухе) такие тэны быстро нагреваются до очень высокой температуры и выходят из строя.