 |
Расчет нагревательных элементов.
|
|
|
|
Бытовые электронагревательные приборы
(БЭНП - бытовые электронагревательные приборы).
1). Классификация приборов
Конструктивно БЭНП состоят из корпуса, нагревательного элемента, контактных штифтов, электроизоляционных материалов и теплоизолирующих элементов. Основной частью этих приборов является электронагревательный элемент, в котором электрическая энергия превращается в тепловую. Нагревательные элементы изготавливаются из проводников, имеющих высокое удельное сопротивление.
Принцип действия электронагревательных приборов основан на законе Джоуля –Ленца, который гласит, что при прохождении по проводнику электрического тока в нем выделяется количество тепла, пропорциональное квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:
Электрический нагрев имеет ряд преимуществ перед другими видами нагрева:
1) Обеспечивает более равномерный нагрев;
2) Позволяет легко регулировать температуру нагрева в широких пределах изменением величины напряжения или силы тока;
3) Допускает автоматическое включение и выключение в установленное время;
4) Обеспечивает лучшие гигиенические условия в связи с отсутствием открытого пламени, дыма, вредных газов и копоти.
5) Менее опасен в пожарном отношении
БЭНП имеют высокий коэффициент полезного действия – 50% - 70%, в отдельных случаях до 95%, тогда как у нагревательных приборов, работающих на твердом топливе к.п.д. не более 12-20%, на жидком топливе 20-40%, газообразном 50-60%
Наиболее мощные и энергоемкие бытовые приборы – нагревательные, среди которых основное место занимают приборы для приготовления пищи, отопления и нагрева воды.
Приборы электропищеприготовления делятся на четыре группы:
|
|
|
1) Электроплиты
2) Электроплитки
3) Жарочные шкафы
4) Специализированные приборы
Электроплиты классифицируются:
1. По принципу преобразования электрической энергии в тепловую:
1.1 С нагревом сопротивлением
1.2 Индукционные
2. По назначению:
2.1 Переносные
2.2 Стационарные
3. По способу установки:
3.1 Встраиваемые
3.2 Блочно-встраиваемые
4. По исполнению:
4.1 Настольные
4.2 Напольные
5. По степени автоматизации:
5.1 Полуавтоматические
5.2 Автоматические
6. По числу конфорок:
6.1 одноконфорочные
6.2 двухконфорочные
6.3 трехконфорочные
6.4 четырехконфорочные
Электроплитки классифицируются:
1. По типу применяемой конфорки:
1.1 штампованная
1.2 трубчатая
1.3 чугунная
2. По числу конфорок:
2.1 одноконфорочные
2.2 двухконфорочные
Жарочные шкафы классифицируются:
1. По виду теплоотдачи:
1.1 радиационные
1.2 конвективные
2. По месту установки:
2.1 напольные
2.2 встроенные
3. По способу автоматизации:
3.1 полуавтоматические
3.2 автоматические
Специализированные приборы классифицируются:
1. По способу нагрева продукта:
1.1 теплопроводностью:
1.1.1 Электросковороды
1.1.2 Электровафельницы
1.1.3 Контактные грили
1.1.4 Электрокастрюли
1.1.5 Электрочайники
1.1.6 Электросамовары
1.2 инфракрасным излучением
1.2.1 электрогрили
1.2.2 электрошашлычницы
1.2.3 тостеры
Существует тенденция к использованию в одном приборе нескольких видов нагрева.
Нагревательные элементы.
Широкое применение БЭНП с проволочными или ленточными нагревательными элементами стало возможно после создания специальных сплавов, удовлетворяющих следующим требованиям:
1) Высокое удельное сопротивление, не зависящее от температуры r 
2) Низкий коэффициент линейного расширения (0,45-1,30)
3) Длительное выдерживание высокой температуры без окисления расплавления.
Более других сплавов этим требованиям удовлетворяют:
|
|
|
1) Константан – сплав меди (60%) с никелем (40%)
Рабочая температура 450-500°С. В основном применяется для изготовления нагревательных элементов кипятильников.
2) Нихром (Х15Н60; Х20Н80) – сплав никеля (55-61%), хрома (15-18%), железа (21-30%) и марганца (1,5%).Выпускается в виде: проволоки Æ от 0,2 до 10 мм
ленты толщиной 0,2 - 3 мм и шириной 6 – 30 мм
Рабочая температура до 1100°С. Применяется как нагревательный элемент в электроплитках, утюгах, чайниках.
3) Фехраль (Х13104) – сплав железа (78-83%), хрома (12-15%), алюминия (3,5-5,5%), марганца (0,7%) и никеля (0,6%). Выпускается в виде проволоки Æ 0,2-6 мм. Рабочая температура 850°С. Применяется в НЭ электрических плиток, чайников, утюгов и т.д.
В НЭ токопроводящую проволоку и ленту изолируют от корпуса – от этого зависит качество, надежность и безопасность эксплуатации БЭНП.
Электроизоляционные материалы должны обладать следующими свойствами:
1) Высокой электрической прочностью;
2) Выдерживать частые значительные колебания температуры;
3) Не снижать качество при длительной эксплуатации;
4) Иметь малую гигроскопичность
5) Обладать хорошей теплопроводностью и высокой механической прочностью
Для Н.Э. с рабочей температурой до 800°С в качестве изолирующих материалов применяют:
1. асбестовый картон;
2. фарфор;
3. жароупорный миканит;
4. слюду флагопит;
Для Н.Э. с рабочей температурой до 1700°С используют:
1. электротехническую керамику;
2. шамот;
3. периклаз (MgO);
4. кварцевый песок (SiO2);
При изготовлении Н.Э. для уменьшения габаритов прибора проволоку свивают в спираль, а ленту наматывают на плоское электроизоляционное основание. Тепло от Н.Э. может передаваться тремя способами:
1) За счет теплопроводности (при непосредственном соприкосновении) в электрических утюгах.
2) За счет конвекции
а) естественной – при нагревании воды – более теплая поднимается вверх, более холодная вниз
3) Лучеиспусканием (в электрических каминах).
Возможно совмещение двух или трех способов.
В зависимости от назначения Н.Э. выполняются открытыми или закрытыми. Последние, в свою очередь, подразделяются на герметичные и негерметичные.
15.12.98г
Н.Э. открытого типа представляют собой спирали, открыто размещенные в канавках соответствующего профиля, или свободно подвешенные на кронштейнах – изоляторах.
|
|
|
Н.Э. закрытого типа выполняются из спиралей или лент, помещенных в закрытую оболочку из электроизоляционного материала, предохраняющую от механических повреждений, но не препятствующую доступу воздуха. Например: чешуйчатые керамические бусы.
Герметичные Н.Э. трубчатого типа являются наиболее совершенными. Спираль Æ 4-5 мм, выполненную из нихрома помещают в трубке Æ 8-10 мм, изготовленной из латуни, нержавеющей стали или другого материала, допускающего температуру нагрева от 400 до 800°С. Свободное пространство в трубке заполняется кварцевым песком или порошком окиси магния. Для предохранения спирали от воздействия воздуха и влаги концы трубки герметично заделываются электроизоляционными втулками и заливаются стекловидной эмалью.
Н.Э. такого типа имеют хорошие условия для теплопередачи, долговечны, нечувствительны к механическим и химическим воздействиям. Срок их службы достигают 10000 часов.
Расчет нагревательных элементов.
Исходя из напряжения питающей сети и необходимой мощности нагревательного элемента производится расчет требуемой длины и диаметра проволоки. Величина тока в цепи рассчитывается по формуле:
(А)
Сопротивление проводника: 
(Ом)
По величине тока из специальной таблицы:
| Допустимая величина тока (А) | Диаметр проволоки при t=700°С (мм) |
| 0,17 | |
| 0,30 | |
| 0,45 | |
| 0,55 | |
| 0,65 | |
| 0,75 | |
| 0,85 |
определяется диаметр проволоки. Затем определяется длина проволоки по формуле: 
, где S – площадь сечения проволоки, мм2
r - удельное сопротивление проволоки. (Для нихрома r=1.1 
)
Электроплиты:
Наиболее энергоемкий и универсальный прибор, предназначенный для приготовления пищи. Она состоит из конфорочной панели, оснащенной двумя, тремя и четырьмя конфорками, жарочного шкафа и панели управления. Электроплиты оснащают световыми индикаторами включения нагревателей, контактными или сигнальными часами, аппаратурой автоматического программирования, грилем, электроприводом вертела. Электроплиты предназначены для включения в сеть однофазного переменного тока U = 220В и трехфазного тока напряжением 380/220В. Установочная мощность отечественных плит до 8 кВт, зарубежных – до 17 кВт. Конфорка выполняет функцию нагревателя. Форма конфорки круглая 
Æ 90,100,110 (под кофейник); 145,180,220 мм. Наибольшее распространение получили конфорки с диаметрами 145 и 180 мм.
|
|
|
Конфорки делятся на две группы:
1) нормального нагрева (время разогрева до рабочей температуры 10-12 мин для чугунных и 4-5 минут для трубчатых);
2) ускоренного нагрева (3-6 минут для чугунных и 1-2 минуты для трубчатых);
Автоматической конфоркой называется конфорка ускоренного нагрева, обеспечивающая автоматическое проведение различных технологических процессов с самостоятельным переходом из режима разогрева в заданный тепловой режим.
Потребляемая мощность конфорок может регулироваться от 100 Вт до 2300 Вт.
Конфорка, изготовленная из одного ТЭНа, позволяет сделать его съемным или откидывающимся на угол 90°, что значительно облегчает очистку отражателя.
Трубчатая конфорка, сверху плоская, состоящая из двух или трех двухконцевых нагревательных элементов (ТЭН) согнутых в виде одного или нескольких витков спирали Архимеда. Для повышения к.п.д. под ТЭН устанавливается отражатель. Трубчатые работают при температурах на поверхности 650-800°С. Выполнены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с толщиной стенки трубы 0,6-1,0 мм. К.П.Д. всех конфорок превышает 65%, трубчатых 78%
Жарочные шкафы электроплит
Состоит из металлического муфеля, изолированного снаружи стекловолокном или минеральной ватой. Теплоизоляция покрыта металлической фольгой (алюминевой0. Муфель крепиться к передней стенке, образуя загрузочное окно, закрываемое дверцей, в которую вмонтировано смотровое стекло. Контроль температуры осуществляется терморегулятором. По способу нагрева ж.ш. подразделяют на шкафы с радиационным, конвективным нагревом и сверхвысокочастотные. (СВЧ)
1. В шкафах с радиационным нагревом нагревателем служат ТЭНы ø 7 
9 мм с температурой 450 600 ºС, размещенные по поду и своду муфеля. Верхний нагреватель устанавливается внутри рабочего пространства, нижний снаружи, причем мощность верхнего 850 1200 Вт, нижнего 1200 1500 Вт.
Встречается самая разнообразная конфигурация нагревателей, оказывающая определяющее влияние на равномерность нагрева рабочего пространства. Экономичность ж.ш. зависит от теплоты потерь через стенки и уплотнение дверцы.
2. Шкафы с конвективным нагревом нагрев рабочего пространства и тепловая обработка продукта производятся потоком горячего воздуха, который циркулирует с помощью вентилятора. Выпускаются фирмами: АЕГ, «Баукнехт», ВВС, «Сименс» и др. Вентилятор размещается на задней стенке шкафа. Колесо вентилятора расположено внутри ТЭНа и отделено от рабочего пространства экраном с отверстием для всасывания воздуха. Поток горячего воздуха из вентилятора направляется вдоль боковых стенок, свода и пода.
|
|
|
Жарочные шкафы европейских электроплит имеют объем 60 дм3, американских – 100 дм3. Установочная мощность составляет соответственно 2,5; 4,0 кВт. Основная масса шкафов имеет радиационный нагрев.
3. Сверхвысокочастотные шкафы используются как дополнительной оборудование к электрической плите и служат для приготовления вторых блюд из мяса и рыбы, печения фруктов и овощей, размораживания продуктов.
Действие СВЧ-шкафов основано на превращении электромагнитной энергии в тепловую внутри самого продукта. Основное преимущества – сокращение на 75% времени приготовления по сравнению с традиционными способами, возможность применения любой посуды кроме металлической.
Состоят из корпуса, генераторного устройства, волновода, рабочей камеры, системы коммутации и блокировок, системы охлаждения, таймера, переключателя мощности. Генераторное устройство выполняется на базе магнетронов непрерывного действия. Потребляемая мощность составляет 1,2 1,6 кВт, КПД 30 40%.
Возможна утечка СВЧ энергии за пределы установки. При больших плотностях утечки возможно неблагоприятное воздействие на организм человека. Норма – плотность потока мощности утечки 1 мкВт/см2.
Приборы инфракрасного нагрева.
Применение инфракрасного излучения уменьшает длительность процессов тепловой обработки, затраты на электроэнергию, технологические потери продукта. Сущность ИК-способа нагрева заключается в том, что энергия сообщаемая продукту излучением, выделяется в виде теплоты во всем объеме продукта. Время обработки сокращается на 40 50%, биологическая ценность продукта не ухудшается. При обработке ИК-излучением продукт не соприкасается с греющими элементами, поэтому необходимость в использовании жиров отпадает.
Конструкция инфракрасных излучателей:
Для эффективной работы ИК-излучателей необходимо совпадение оптических свойств ИК-излучателей и обрабатываемых продуктов.
Т.е. спектр излучателя должен соответствовать поглощательной, отражательной и пропускной способностям пищевых продуктов.
Это достигается, если генератор ИК-излучателя генерирует излучение с длиной волны 1,2-2,25 мкм. При этом температура достигает 1000 2000 ºС. Кварцевый излучатель представляет собой спираль, помещенную в кварцевую трубку и изготовленную из железо-хромовых, никель-хромовых сплавов. Для защиты кварцевой трубки применяют металлическую сетку. Для увеличения срока службы нагревательного элемента ограничивают доступ воздуха в кварцевую трубку, для чего запаивают или герметизируют концы трубки. Иногда трубку заполняют инертным газом.
 |  | ||
1. сетка
2. спираль
3. кварцевая трубка
4. изолирующая трубка
5. вывод
6. контактная металлическая сетка
Для повышения КПД устанавливают отражатели трапецеидальной формы. Тепловой поток увеличивается на 30%. Удельный расход электроэнергии: ω = Рτ/m 
, где
τ – время приготовления, час;
Р – мощность прибора, кВт;
m – первоначальная масса продукта,кг.
Интегральная интенсивность лучистого потока рассчитывается по формуле:
, где
Т – средняя температура рабочей поверхности, [К].
Наиболее мощные и энергоемкие бытовые электроприборы – нагревательные, среди которых основное место занимают приборы для приготовления пищи, отопления и нагрева воды.
При полной электрификации быта в доме для одной семьи площадью до 150 м2, в год расходуется около 20000 кВт·ч электроэнергии из которых 80% идет на отопление и нагрев воды, а 20% на приготовление пищи.
|
|
|
