ТЕМА 20. Загальні відомості про теплове устаткування

2. 1. Будови та класифікація теплових апаратів

Теплова обробка продуктів відбувається в теплових апаратах, які класифікуються за технологічним призначенням, джерелами тепла (видами енергоносіїв), способом обігрівання, принципом роботи, ступенем автоматизації.

За технологічним призначенням розрізняють теплові апарати універсальні (плити) і спеціалізовані; останні, у свою чергу, поділяються на варильні (котли, кавоварки, сосисковарки, пастакукери, вакуум-апарати тощо), жарильні (сковороди, фритюрниці, жарильні, пекарські, конвекційні, пароконвекційні шафи, грилі, жарильні поверхні), водонагрівальні (водонагрівачі, кип’ятильники, чайники, самовари) і допоміжні (марміти, теплові стійки, термоси).

За джерелами тепла апарати поділяються на електричні, парові, газові, рідинно-паливні.

За способом обігрівання розрізняють контактні теплові апарати і апарати, що являють собою поверхневі теплообмінники з безпосереднім і непрямим обігрівом.

У контактних теплових апаратах нагрівання продукту, що обробляється, відбувається шляхом безпосереднього зіткнення з теплоносієм.

У поверхневих теплообмінних апаратах із безпосереднім обігрівом тепло від середовища, що гріє, до того, що нагрівається, передається через роздільну стінку, а в апаратах з непрямим обігрівом – через проміжний теплоносій.

За принципом роботи розрізняють апарати безперервної дії, в яких завантаження, теплова обробка і вивантаження продукту відбувається одночасно, і періодичної дії, в яких продукт послідовно завантажується, піддається тепловій обробці і розвантажується.

За ступенем автоматизації апарати поділяються на: неавтоматизовані, тобто такі, в яких контроль за безпечною роботою і дотриманням режиму теплової обробки здійснює обслуговуючий персонал; напівавтоматизовані, де безпечна робота апарата забезпечується приладами автоматики, а режим теплової обробки контролюється обслуговуючим персоналом, і автоматизовані, в яких контроль за безпечною роботою і дотриманням теплового режиму роботи здійснюється приладами автоматики.

Теплові апарати повинні відповідати вимогам технології готування їжі, забезпечувати теплову обробку продуктів при мінімальній затраті енергії, мати високий ступінь надійності, створювати оптимальні умови роботи для обслуговуючого персоналу і відповідати вимогам техніки безпеки і виробничої санітарії. Вимоги до теплових апаратів можна поділити на експлуатаційні, конструктивні, економічні і охорони праці.

До експлуатаційних вимог належать: відповідність апарата своєму цільовому призначенню, максимальна інтенсивність праці, відмінна якість готових виробів, продуктивність, зручність в обслуговуванні.

Конструктивні вимоги: простота будови, розбирання, збирання і регулювання апарата, невелика маса і малі габаритні розміри, антикорозійність частин, що стикаються з харчовими продуктами.

Економічні вимоги: дешевизна апарата, невеликі питомі витрати енергоносія, довговічність, автоматизація і високий коефіцієнт заповнення робочого об’єму.

До вимог охорони праці належить: безпека роботи, достатня міцність апарата, наявність запобіжних клапанів, автоматичних сигналізаторів та інших пристосувань для попередження аварій.

Усі теплові апарати незалежно від їх виду і призначення мають загальну будову і складаються з таких основних частин: робочої камери; пристрою, що гріє; корпусу апарата, теплоізоляції; кожуха; основи; арматури і контрольно-вимірювальних приладів. У деяких апаратів ті чи інші основні частини можуть бути сполучені.

У робочій камері відбувається теплова обробка харчових продуктів. Її форма та розміри можуть бути різними. Переважно це циліндричні або прямокутні камери.

Рабоча камера закривається дверцятами (кришкою), що встановлюється зверху або збоку. Кришка може щільно (герметично) закриватися або вільно прилягати.

Розрізняють апарати з нерухомою робочою камерою (жарильна, пекарська шафи, стаціонарний харчоварильний котел, жарильні поверхні тощо) і з перекидною (електросковорода, котел, що перекидається).

В апаратах, де продукт стикається зі стінками робочої камери, останні виготовляються із нержавіючої сталі, алюмінію, чавуну. В інших – стінки, як правило, із звичайної вуглецевої сталі.

Пристрій, що гріє, перетворює різні види енергії в теплову енергію і передає її стінками робочої камери. Цей пристрій може бути різним, залежно від джерела тепла. У вогневих і газових апаратах – це камера згорання (топка) і газоходи, розташовані всередині апарата, в паровій харчоварильній апаратурі – парова сорочка; у електрохарчоварильних котлах – парогенератор, в якому розташовані електронагрівальні елементи. У деяких апаратів пристрій, що гріє, сполучається з робочою камерою, наприклад, в електричних жарильних шафах.

Корпус – це основна частина апарата, на якій монтуються всі інші вузли і деталі; він буває різної форми у вигляді каркасу з листової або кутової сталі (харчоварильні котли, електросковороди, жарильні, пекарські шафи тощо).

Теплоізоляція слугує для зменшення втрат апаратом тепла у навколишнє середовище і для запобігання опіків у обслуговуючого персоналу.

Кожух захищає ізоляцію від руйнування і надає апарату привабливішого зовнішнього вигляду.

Апарат встановлюється на основу, виконану здебільшого у вигляді відливки з чавуну різної форми або каркаса з кутової сталі.

Пуск, зупинка, контроль за роботою апарата, регулювання його теплового режиму і забезпечення безпеки обслуговуючого персоналу здійснюється за допомогою контрольно-вимірювальних приладів і арматури.

За технологічним призначенням всі теплові апарати поділяються на: варильні, жарильні, жарильно-пекарські, водонагрівальні і допоміжні.

Апарати з електричним і газовим обігрівом можуть бути використані для здійснення процесів варіння і смаження. Парові харчоварильні апарати призначені переважно для варіння.

Розігрівання окремих охолоджених страв, нагрівання продуктів до температури менше за 100°С, підсушування хліба для панірування тощо здійснюється у теплових шафах, температура повітря в яких не більше 120...150°С.

Для підтримання готової продукції у гарячому стані існують спеціальні апарати різної конструкції – марміти, термоси, електростійки та ін.

Для проектування і виробництва нових конструкцій апаратів, забезпечення максимальної уніфікації вузлів і деталей, зниження експлуатаційних затрат розроблена схема класифікації теплового устаткування, а також ГОСТи на плити, харчоварильні котли, кип’ятильники тощо.

Вихідними параметрами теплових апаратів є: для плит – площа жарильної поверхні, для кип’ятильників – годинна продуктивність, для котлів – ємність.

Апарати, що працюють на електроенергії, газі, парі, рідкому паливі, включаються в один параметричний ряд, який складається з декількох типів, що працюють на одному і тому ж виді енергоносія.

Апарати одного типу мають один або декілька типорозмірів.

Крім того, всі апарати можна поділити на універсальні (плити) і спеціалізовані, призначені для проведення певних технологічних процесів. Останні мають великий ККД, забезпечують кращу якість виробів і покращують умови праці.

Теплові апарати виготовляються з матеріалів, які повинні відповідати таким вимогам:

• бути достатньо міцними, не піддаватися корозії в результаті контакту з харчовими продуктами і мийними засобами, легко очищуватися від залишків їжі;

• забезпечувати надійну роботу апарата при мінімальних масі, габаритних розмірах і вартості деталей.

Матеріали поділяються на: конструкційні, електротехнічні, теплоізоляційні і захисні покриття.

Як конструкційні матеріали використовують сталь, чавун, латунь, алюміній і його сплави, бронзу, неметалеві матеріали. Сталь і чавун застосовуються, як правило, із захисними покриттями. Для захисту від корозії покриттів застосовують емаль, пластмаси, епоксидні смоли, бакелітовий лак; з пластичних мас-фторопласт, вініпласт, текстоліт тощо. До металічних покриттів належать цинкування, хромування, нікелювання, лудіння.

Для виготовлення деталей і вузлів теплових апаратів використовуються такі матеріали: сірчаний чавун СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 15-32 (конфорки плит, горілки), нержавіюча високолегована сталь – 12Х18НІОТ (елементи конструкцій і вузлів, що стикаються з харчовими продуктами (варильні посудини, кип’ятильники), МСт3 (елементи апаратів, що не стикаються з харчовими продуктами), Ст2 оцинкована, латунь Л36, склокераміка.

Електротехнічні матеріали, що використовуються для виготовлення нагрівальних елементів (конфорки електроплит, ТЕНи), поділяють на електроізоляційні й ті, що використовуються для перетворення електричної енергії в теплову.

Для виготовлення нагрівальних спіралей використовують ніхроми (сплави нікелю з хромом) і фехралі (залізохромалюмінієві сплави).

Як електроізолюючий матеріал застосовують периклаз (плавлений окис магнію), кварцовий пісок, шамот (прожарена і подрібнена вогнеупорна глина), слюду, фарфор, кварцове скло, кераміку.

Теплоізоляційні матеріали, що використовуються у теплових апаратах, повинні мати низький коефіцієнт теплоємності і теплопровідності, високу термостійкість, антикорозійність, низьку гігроскопічність, невелику щільність, а також бути достатньо міцними, зручними в монтажу та економічними.

На підприємствах ресторанного господарства використовують апарати, в яких передача тепла від одного тіла (джерела тепла) до іншого (термічно оброблюваного середовища) здійснюється через нагрівальну стінку. Такі апарати називаються поверхневими теплообмінниками. Існує багато конструкцій поверхневих теплообмінних апаратів, які

відрізняються одна від одної розташуванням. Найбільш широко використовують оболонкові, кожухотрубні, змійовикові і ребристі теплообмінники (рис. 2.2).

Оболонкові теплообмінники, харчоварильні котли, автоклави, сковороди з непрямим обігрівом, марміти мають циліндричні, сферичні чи плоскі подвійні стінки, через які відбувається теплообмін. Характеризуються такі теплообмінники відносно низьким коефіцієнтом теплопередачі, що обумовлено невеликою швидкістю руху рідинного теплоносія в оболонці і малим значенням коефіцієнтів тепловіддачі продуктів.

               a                                   б                                                 в                                  г

Рис. 9.1 Різновиди теплообмінників: а –оболонковий; б – кожухотрубний; в – змійовиковий; г – ребристий

Кожухотрубні теплообмінники – (парові кип’ятильники, водонагрівачі, водонагрівальні пристрої) – це пучок труб, розташованих у циліндричній камері (кожусі). До нижньої частини міжтрубного простору кожуха подається середовище, що нагрівається, у верхню розподільну коробку пучка труб – теплоносій.

Змійовикові теплообмінники (водонагрівальні пристрої вогневих плит, парові водонагрівачі, парогенератори з поверхнями нагріву) – це труби у формі змійовика, зануреного в посудину з рідиною. Теплоносій подається у змійовик зверху і, охолоджуючись, стікає вниз.

Ребристі теплообмінники (конфорки вогневих плит з боку топки, оребрені поверхні кип’ятильних посудин вогневих кип’ятильників) використовують у тому випадку, коли теплоносієм є гаряче повітря.

У деяких апаратах можуть використовуватися декілька поверхневих теплообмінників. Наприклад, у стаціонарному харчоварильному електричному котлі парогенератор з блоком ТЕНів, що мають у робочій частині форму спіралі, можна розглядати як змійовиковий теплообмінник, а систему варильна посудина – зовнішній котел – як оболонковий. У цьому котлі (при стаціонарному режимі) мають місце такі види теплообміну:

у парогенераторі– тепловіддача від трубчастої поверхні нагріву до води під час кипіння. Робочий тиск в оболонці котла 50 кПа (0,5 кгс/см2). Для парогенератора характерний розвинений режим інтенсивного кипіння. Різниця температур між поверхнею, що гріє (ТЕН), і проміжними теплоносіями (вода) – t 10°С;

у нагрівальній оболонці котла – тепловіддача від продукту, що нагрівається при вільній конвекції; тепловіддача від теплоносія при конденсації пари на вертикальній і сферичній (днище) поверхнях варильної посудини.

Залежно від джерела тепла всі теплові апарати поділяються на три групи: 1) електричні; 2) газові; 3) парові.

Кожна група апаратів, класифікованих за джерелами тепла, має різну будову, але об’єднує їх те, що в кожному апараті є пристрій, що гріє, за допомогою якого здійснюється той чи інший технологічний процес готування їжі.

У апаратах з електричним обігріванням одним із основних елементів є електронагрівач певної конструкції. Ця група апаратів найбільш широко застосовується на підприємствах ресторанного господарства завдяки простоті використання, можливості автоматизації регулювання ступеня нагріву, точності обліку витрат енергії.

Теплові апарати з газовим обігріванням можна зарахувати до вогневих апаратів, оскільки при спалюванні газу в них утворюються полум’я і продукти згорання газу. Однак наявність різних видів апаратів і окремих їх елементів, різних конструкцій газових горілок, наявність газопроводу і підвищені вимоги до якості спалювання газу при обслуговуванні газових апаратів вимагають виділення їх у самостійну групу.

У парових апаратах використовується насичена водяна пара низького тиску, що має високий коефіцієнт тепловіддачі і велику теплоту пароутворення. Подається вона в камери апаратів, що нагріваються. При використанні теплоносія пари в апаратах застосовують подвійні днища і стінки, трубчасті змійовики. Пара, що надходить у паровий харчоварильний апарат, конденсується і віддає теплоту пароутворення стінкам апарата, а конденсат відводиться з камери, що гріє. Одержання високих температур при нагріванні апарата насиченим водяним паром обмежене через відносно низький тиск пари, що застосовується у парових харчоварильних апаратах – 50–200 кПа.