Электрические нагревательные элементы ИК-излучения

Любое тело, если его температура выше абсолютного нуля, испускает инфракрасные (ИК) лучи (электромагнитные волны). ИК-излучение характеризуется длиной волны в диапазоне 0, 76…750 мкм. Область ИК-излучения ограничена с одной стороны видимыми красными лучами, с другой – ультракоротким радиоволнами.

Чем выше температура тела, тем больше плотность волны излучения и меньше её длина. Для приготовления пищи используется диапазон длин волн 0, 76…4мкм. Нижний предел ограничен видимым светом, а верхний – необходимой для технологического процесса плотностью излучения, так как с увеличением длинны волны температура излучателя падает, и длина волны 4 мкм соответствует температуре излучателя около 450^оС.

Электрические генераторы ИК-излучения классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются параметры, конструктивное исполнение, материал тела накала и защитной оболочки, длина волны максимального излучения.

По геометрическим параметрам все генераторы излу­чения подразделяют на точечные, линейные и плоские, что зависит от соотношения размеров самого генератора и расстояния до поверхности облучения. Точечным обыч­но называют генератор, наибольший размер которого в 5 раз меньше расстояния до облучаемой поверхности, линейным - у которого один из размеров значительно превосходит другой. Плоские генераторы имеют форму либо круглой пластины, либо прямоугольной, ширина и длина которой соизмеримы.

По конструктивному исполнению генераторы ИК-излучения бывают открытые (спираль в воздухе) и герме­тичные (без доступа воздуха).

В качестве материала тела накала в электрических генераторах ИК-излучения используют вольфрам, ни­хром, силитовые стержни и другие жаропрочные мате­риалы и сплавы, а в качестве материала защитной обо­лочки - сталь, кварцевое стекло, керамику.

В зависимости от длины волны максимального из­лучения и температуры нагрева ИК-излучатели условно подразделяются на светлые и темные.

Светлые ИК-излучатели нагреваются до такой тем­пературы, при которой испускают видимое (световое) из­лучение (750...3600 °С), а максимальная длина волны их излучения находится в пределах 0, 76...2, 6 мкм. К свет­лым ИК-излучателям относят открытые силитовые элек­тронагреватели (сэны); трубчатые кварцевые генераторы с вольфрамовой спиралью или с нихромовой спиралью в негерметизированной кварцевой трубке; зеркальные су­шильные лампы.

Силитовые электронагреватели (сэны) изготовляют из полупроводникового материала, обладающего высо­ким удельным электрическим сопротивлением, - силита (карбид кремния с добавлением кристаллического крем­ния и углерода). Сэны имеют форму цилиндрического стержня переменного (рис. 13.10, а) или постоянного се­чения. Для понижения электрического сопротивления и обеспечения надежного электрического контакта с токо­ведущей шиной пассивные концы сэнов покрывают оки­сью кремния с алюминием.

К преимуществам сэнов следует отнести их невы­сокую стоимость, малую инерционность, сравнительно большой срок службы, стабильность энергетических ха­рактеристик, простоту обслуживания; к недостаткам - малую механическую прочность, окисление материала нагревателя в среде водяного пара и снижение срока службы в этой связи на 25...30 %.

Для повышения эффективности работы сэнов их по­мещают в трубки из кварцевого стекла, обладающего высокой термостойкостью (более 1700 °С) и высокой проницаемостью для ИК-лучей, что обеспечи­вает срок службы генераторов до 3000 ч. Инерционный период сэнов не превышает 30 с; работают они в диапа­зоне температур 800...1500 °С.

Повышение допустимой рабочей температуры силитового генератора приводит к разложению карбида крем­ния и увеличению электрического сопротивления элект­ронагревателя.

Трубчатые кварцевые герметичные генераторы с вольфрамовой спиралью работают в диапа­зоне температур 2100...2500 °С. Вольфрамовая спираль, закрепленная на молибденовых фиксаторах (держате­лях), находится в кварцевой вакуумированной трубке, заполненной аргоном с добавкой паров йода. Концы спи­рали крепятся к молибденовым вводам. Срок службы генератора 5000 ч. Основная доля энергии излучения (95 %) генерируется в пределах 0, 8...2, 4 мкм. Инерцион­ный период составляет 0, 6 с.

Трубчатые кварцевые генераторы открытого типа с нихромовой спиралью в негерметизированной кварце­вой трубке работают в диапазоне температур спирали 700...1100 °С. Трубка может быть разного диа­метра (обычно 12...16 мм) и длины (0, 38...2 м). Матери­ал трубки практически полностью пропускает ИК-лучи. Кроме того, трубка предохраняет спираль от неравно­мерного охлаждения, провисания, а также защищает обслуживающий персонал от поражения электрическим током.

Основная доля (80 %) энергии ИК-излучения гене­рируется в пределах 2...3, 5 мкм. Инерционный период составляет 60 с. Такие генераторы изготовляют мощ­ностью 0, 5...7, 5 кВт на напряжение 220 В. Они просты по конструкции, ремонтопригодны. К недостаткам этих генераторов следует отнести относительно малый срок службы (1000 ч) и невозможность их установки в верти­кальном положении из-за провисания спирали.

Зеркальные сушильные ИК-лампы типа ЗС, ИКЗ от­носятся к герметичным электронагревателям. Конструк­тивно они аналогичны осветительным лампам накаливания и представляют собой стеклянную колбу с внутренней параболической поверхностью, покрытой тонким слоем алюминия, что обеспечивает отражение свыше 90 % всех лучей. В фокусе параболы расположена вольфрамо­вая моноспираль. Область излучения лампы составляет 0, 8...5 мкм. Длина волны, соответствующая максимуму излучения, равна 1, 05 мкм. Энергетический КПД лампы 70 %. Однако эти излучатели отличаются хрупкостью, что не всегда соответствует санитарно-гигиеническим тре­бованиям, так как лампы изготовляют из тонкостенного стекла.

Темные ИК-излучатели нагреваются до темпера­туры 450...750 °С; видимое световое излучение в их спектре отсутствует, а длина волны максимального из­лучения изменяется в п ределах 2, 6...4 мкм. В качестве ИК-излучателей используют тэны, металлические (пре­имущественно нихромовые) спирали и керамические или чугунные панели. В панельных излучателях нагрев осуществляется с помощью резисторных нагревателей. Панели создают равномерный широкий поток ИК-лучей, не требуют постоянного ухода и наблюдения, долговеч­ны. Однако из-за большой инерционности (1...1, 5 ч) их эффективное использование затруднено.

В тепловых аппаратах с ИК-нагревом обычно исполь­зуют несколько ИК-излучателей; их размещение обеспе­чивает равномерное распределение лучистого потока по всей поверхности нагреваемого изделия, что позволяет избежать местных перегревов.

Отражатели ИК-излучателей. Для повышения эф­фективности работы ИК-излучателей применяют отра­жатели, которые собирают энергию, испускаемую излу­чателями в направлении, противоположном продукту, и направляют ее на поверхность продукта. При этом плот­ность лучистого потока на поверхности продукта будет зависеть не только от мощности излучателя, но и от фор­мы и отражающей способности материала отражателя. Наиболее широко используются плоские, сфериче­ские, параболические и гиперболические рефлекторные отражатели. Максимальную плотность лучистого по­тока и его равномерное распределение по поверхности продукта при прочих равных условиях обеспечивают параболические отражатели (за счет создания параболи­ческой поверхностью параллельного пучка лучей).

Отражатели изготовляют из листовой стали с гальва­ническим полированным покрытием (хром или никель) и листового алюминия с любым покрытием (эти материалы имеют большой коэффициент отражения в области ИК- спектра). Наиболее широкое применение нашли анодиро­ванные и просто полированные алюминиевые отражате­ли, коэффициент отражения которых равен 98%.

Нагревательные элементы на основе сверх­высокочастотных генераторов

Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев основан на эффективном поглощении влагой, содержащейся в на­греваемом продукте, сверхвысокочастотной электромаг­нитной энергии, подводимой в рабочую камеру от гене­ратора (магнетрона).

Магнетрон представляет собой мощный электрова­куумный прибор, преобразующий энергию постоянного электрического тока в энергию сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Для тепловой кулинар­ной обработки пищевых продуктов используются маг­нетроны, работающие в дециметровом диапазоне частот [(433, 915, 2375) ± 50] МГц. Магнетроны бытовых печей объектов общественного питания в основном работают на частоте (2375 ± 50) МГц.

Принцип работы магнетрона основан на взаимодей­ствии движущихся зарядов в электрическом поле и маг­нитном (направленном перпендикулярно). Магнитное поле обычно создается постоянным магнитом. Охлаждение в основном принудительное воздушное (мощные магнетроны для промышленных печей имеют водяное охлаждение). КПД магнетронов (преобразование электрической энергии в сверхвысокочастотную электромагнитную) составляет примерно 70 %, срок службы - не менее 1000 ч.

Сверхвысокочастотная электромагнитная энергия от магнетрона через диэлектрический защитный колпак поступает в специальный волновод или непосредствен­но в рабочую камеру микроволновой печи. Диэлектри­ческий колпак изготовляют из материала, прозрачного для СВЧ-энергии.