ТЕМА 20. Загальні відомості про теплове устаткування

1. План

1. Будова та класифікація теплових апаратів;

2. Джерела теплоти, теплоносії та теплоізоляційні матеріали;

 Ключові слова: теплообмін, тепловий апарат, теплообмінник, сорочковий теплообмінник, елементний теплообмінник, трубчастий теплообмінник; тени, інфрачервоні випромінювачі, газові пальники.

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.

3. 2. Джерела теплоти, теплоносії та теплоізоляційні матеріали

На сучасних підприємствах ресторанного господарства джерела тепла використовують електричну енергію і газ.

Електрична енергія може перетворюватися у теплову як за допомогою спеціальних елементів, що нагріваються, так і безпосередньо в харчових продуктах.

Електронагрівання забезпечує найбільш точне підтримання необхідної температури і регулювання технологічного процесу, високу культуру виробництва, дозволяє створити компактні і надійні апарати.

Електрична енергія – найбільш досконалий енергоносій. Під час перетворення 1 кВтгод електроенергії виділяється 3,6 МДж теплоти.

Найбільш широкого використання набули електричні генератори теплоти:

− резисторні;

− інфрачервоні;

− мікрохвильові;

− індукційні.

Основою металевих резисторних нагрівачів є спіраль (ніхромова), яка при включенні в електричну мережу і як електричний опір, нагрівається до температури 900…1100° С. Нагрівачі такого типу бувають відкритими, закритими, герметичними.

Відкриті електронагрівачі – це спіраль у кераміці, відкрита спіраль, спіраль у бусинах чи кварцовій трубці і т. п., де повітря вільно контактує з поверхнею спіралі.

Закритими електронагрівачами називають ті, у яких спіраль знаходиться в корпусі в діелектричному шарі, доступ повітря до спіралі через цей шар утруднений, але не виключається. До закритих нагрівачів належать електричні конфорки.

У герметичних електронагрівачах спіраль повністю ізольована від повітря. До таких електронагрівачів належать трубчасті електронагрівачі (ТЕНи). Випускаються вони трьох видів: водяні, масляні та повітряні.

У водяних ТЕНів при тій самій електричній потужності і напрузі довжина трубки значно менша, ніж у повітряних. Це викликано тим, що у воді тепловіддача відбувається інтенсивніше, ніж в олії чи повітрі. Тому водяний ТЕН, опинившись у повітрі, перегрівається і його спіраль може згоріти. При експлуатації нагрівача слід стежити, щоб він завжди був занурений у воду (а масляний ТЕН – в олію).

 Рис. 9.2 - Типи нагрівальних елементів

а – відкриті електронагрівальні елементи: 1 – спіраль; 2 – канавки; 3 – керамічна основа; б, в – закриті електронагрівальні елементи (конфорки): 1 – корпус; 2 – стінки пазів; 3 - пази-канавки; 4 – спіраль; 5 - тепло ізолюючий кожух; 6 – листовий азбест; 7 - фольга; 8 – повітряний нар; 9 – екрануючий лист; 10 – ізоляційна маса.

Переваги відкритих нагрівачів: • простота виготовлення; • зручність заміни спіралі; • мала теплова інерція; • високий ККД. Недостатки відкритих нагрівачів: • малий час служби при попаданні рідких речовин і постійного контакту з повітрям; • можливість зовнішнього механічного впливу; • велика можливість ураженням струму і пожеженебезпечність. Закриті електронагрівачі є спіраллю, запресованою в ізоляційний матеріал, що має високу теплопровідність. Цей різновид електронагрівачів використовується в чавунних конфороках електроплит, які з внутрішньої сторони мають спіральні канали, в них запресовується спіраль, виготовлена з ніхромової дроту. Переваги закритих нагрівальних елементів: • висока надійність; • довговічність. Недоліки закритих нагрівальних елементів: • необхідність використання посуду тільки з потовщеним дном для забезпечення хорошого контакту з поверхнею конфорки; • швидкий перегрів поверхні конфорки; • постійний контакт спіралі з киснем приводить до зменшення діаметру спіралі ніхромового дроту і зниженню робочого ресурсу. Обмежене застосування в наші дні теплових апаратів з відкритими і закритими нагрівачами пояснюється, як виплив з технічних характеристик, взаємодією нагрітих спіралей з повітрям, що викликає їх окислення при високих температурах і скорочує термін служби. Тому найбільш широке застосування в тепловій техніці знайшли герметичні елементи, серед яких популярніші трубчасті электронагрівчі (ТЕНи). Спіралі ТЕНів найчастіше виготовляють із сплаву нікелю з хромом (ніхром), який механічно готується в нагрітому стані і допускає високі температури нагріву. Кінці спіралі щільно навивають на контактні стрижні з неіржавіючої сталі. Для запобіганя проникнення вологи всередину трубки торці ТЕНів обробляють герметиком. Як електроізолятори використовуються періклаз, кварцовий пісок, шамот. Переваги ТЕНів: • великий термін служби; • висока захищеність спіралі; • зручність монтажу і заміни; • можливість виготовлення складної геометричної форми.

Недолік ТЕНів:

• неможливість проведення ремонту.

Рис.9.3 - Герметично закритий трубчастий електронагрівач: 1 – спіраль; 2 – стінка трубки; 3 – контактний стержень; 4 – корпус; 5 – штуцер; 6 – електроізоляція; 7 – герметик; 8 – гайка; 9 – шайба;

Принцип дії будь-якого генератора інфрачервоного випромінювання (ІЧ-генератора) заснований на випромінюванні електромагнітних хвиль нагрітими до високих температур поверхнями. Інфрачервоні випромінювачі складаються з джерела енергії і відбивача. Як джерела ІЧ-генератори найчастіше використовують ТЕНи і електронагрівачі, що складаються з вольфрамової спіралі, структуровані в герметичну кварцову трубку, яка наповнюється інертним газом і парами йоду. ІЧ-генератори використовуються спільно з відбивачами (рефлекторами), що посилають випромінювану енергію в заданому напрямі. Зрозуміло, що ефективність теплової обробки багато в чому залежить від форми і матеріалу, з якого зроблений відбивач.

Переваги ІЧ-випромінювання:

• при термообробці м'ясних кулінарних виробів тривалість процесу в порівнянні з традиційним способом обробки скорочується як мінімум на 40 відсотків;

• питома витрата електроенергії зменшується як мінімум на 20 відсотків;

• вихід готової продукції збільшується як мінімум на 10 процентів.

Такі поверхні можуть оснащуватися відбивачами різної форми, що розподіляють випромінювану енергію в заданому напрямку і дозволяють домогтися рівномірного розподілу променистого потоку по поверхні, що опромінюється.

Рис. 9.4 -Конструкція основних типів ІЧ-випромінювачів

Найбільшого поширення серед ІК-випромінювачів в тепловому обладнанні отримали:

1. Біспіраль на керамічній трубці, що складається з кріпильного отвору 1, керамічної трубки 2, нихромовой спіралі 3 і контактних пластин 4 (рис 9.4, а). В процесі роботи керамічна трубка нагрівається і стає додатковим джерелом інфрачервоного випромінювання, підвищуючи інтенсивність і рівномірність теплового потоку. Відкрита нихромовая спіраль має температуру 1000-12000С. Головний недолік - низький робочий ресурс (не більше 3000 годин) в слідстві окислення повітрям;

2. Кварцові інфрачервоні випромінювачі з йодним наповнювачем типу КІ і КВО (рис 9.4, б і в) є найбільш надійними та ефективними електричними ІЧ-випромінювачами. У герметичній кварцовою трубці створюється вакуум, що дозволяє використовувати високотемпературну вольфрамо-ву спіраль. Кварцові скло володіє низьким коефіцієнтом приломненя світла, що підвищує концентрацію теплового потоку. Цьому сприяє і пари йоду, якими заповнюється порожнину трубки. Кварцові ІК-випромінювачі складаються з введення 1, цоколя 2, фольгового ланки 3, молібденового введення 4, герметичної кварцової трубки 5, спіралі з вольфрамової прово-локи 6 і вольфрамової підтримки 7. Температура нагріву вольфрамового випромінювача досягає більше 2500 0С;

3. Сушильная лампа ІКЗ, що складається з цоколя 1, внутрішнього покриття 2, нихромовой або вольфрамової спіралі 3, скляної колби 4 (рис 9.4, г). Зазвичай застосовується в апаратах для сушіння продуктів;

4. Закритий кварцовий генератор з хромонікелевої спіраллю, перебуваючи щий з виведення 1, керамічного ізолятора 2, спіралі 3 і кварцової трубки 4 (рис 9.4, д). Має більш високий робочий ресурс в порівнянні з біспіра-ллю на керамічній трубці.

Джерелом НВЧ-нагріву є магнетрон — діод з магнітними і електричними полями, що пересікаються, і який перетворює енергію постійного електричного струму в енергію високочастотних електромагнітних коливань. Найбільш ефективний НВЧ-нагрів для розігрівання заморожених готових виробів.

Принцип його дії можна представити в такий спосіб. Між катодом 1 і анодом 2 при подачі напруги в 3-4 кВ створюється електричне поле під дією якого електрони рухаються від катода до анода по найкоротшій відстані. Уздовж осі магнетрона проходять силові лінії потужного магнітного поля, створюваного зовнішніми постійними магнітами 3, які змінюють траєкторію руху-ня електронів і змушують їх робити обертальний рух в зазорі між катодом і анодом, утворюючи електродне хмара 4 Електрони, проходячи поблизу щілинних зазорів резонаторів 5, змінюють напрямок руху, створюючи в дротяних перемичках 6 надвисокочастотне електромагнітне поле, яке за допомогою хвилеводу 7 генерується в простір робочої камери мікрохвильової печі і нагріває продукт. 

Переваги НВЧ-нагріву: • скорочується час приготування їж; • виключається пригорання виробів; • нагрів припиняється одночасно з припиненням подачі енергії; • поліпшуються санітарно-гігієнічні умови праці; • відсутній холостий хід і пов'язані з ним втрати тепла; • немає негативних дій на навколишнє середовище. 

Недоліки НВЧ-нагріву:

• труднощі у визначенні часу приготування страви з різним вмістом вологи кожного з вхідних в нього інгредієнтів; 

• відсутність на поверхні продукту піджареної скориночки. 

При індукційному нагріві струмопровідні матеріали поміщаються в змінне електромагнітне поле, і вихрові струми (струми Фуко), що виникають при цьому, в результаті розсіювання енергії нагрівають днище металевого посуду. Потужність, що виділяється в провіднику при такомунагріві, залежить від частоти і напруженості електромагнітного поля, розмірів провідника, відносній магнітній проникності. Джерелами електромагнітного поля служать індуктори.

Рис. 9. 5 - Структурна схема індукційного нагріву

Структурна схема використання індукційного нагріву представлена на рис. 9.5. Установка складається з випрямляча 1, який підключений до мережі змінного струму, високочастотного перетворювача 2, блоку управління 3, індуктовра 4 і діелектричної конфорки 5 на яку встановлюється наплитний посуд 6. 

Переваги індукційних нагрівачів:

• безінерційний нагрів, що скорочує час теплової обробки на 40 відсотків; 

• високий ККД; 

• найбільш точне дотримання температурного режиму. 

Недоліки індукційних нагрівачів: 

• висока вартість устаткування;

• днище посуду повинне бути з феромагнітного матеріалу.

Газ має значні переваги перед твердим і рідким паливом: споживач звільняється від турбот з приводу транспортування і зберігання палива, вивезення попелу і шлаку; покращуються санітарно-гігієнічні умови праці; не забруднюються повітряні басейни населених пунктів; теплові апарати порівняно легко можуть бути автоматизовані; підвищується культура виробництва і продуктивність праці; знижуються витрати на експлуатацію апаратів.

Зазначені переваги роблять газ найбільш зручним, економічним, а у деяких випадках і незамінним джерелом теплоти. Питомі витрати теплоти на газифікованих підприємствах низькі. Вартість 1 кДж теплоти, одержаної при спалюванні газу, в декілька разів нижча, ніж при використанні електроенергії. Однак газ як паливо має ряд істотних недоліків: у певній пропорції з повітрям може утворюватися вибухонебезпечна суміш; горючі гази, особливо штучні, а також продукти неповного згорання газу – токсичні.

Як паливо застосовуються природні, штучні і змішані горючі гази.

Газ є другим по важливості після електроенергії енергоносієм, активно вживаним на закладах харчування. Не дивлячись на те, що в порівнянні з дорожчою електричною енергією тепло, отримуване в результаті спалювання газу, дешевше, деякі чинники все ж таки не дозволяють говорити про перевагу цього альтернативного енергоносія. "Блакитне паливо" вибухонебезпечне, крім того, неправильна експлуатація устаткування може привести до отруєння персоналу чадним газом. Для централізованого підведення палива необхідні дорогі магістральні газопроводи. Крім цього потрібний постійний контроль системи газопостачання з боку фахівців Держнагляду. 

Основним елементом будь-якого приладу, що працює на газі, є пальник — теплогенеруючий пристрій, в якому відбувається змішування повітря з газоподібним паливом з подальшою подачею до вихідного отвору і спалюванням її тут з утворенням стійкого фронту горіння (факела). 

Пальники повинні: • забезпечувати повне спалювання газу; • працювати стійко, без відриву і проскакування полум'я в необхідному діапазоні продуктивності тепла; • бути надійними і безпечними в експлуатації. Залежно від способу спалювання газу пальника підрозділяються на: • дифузійні, в камері згорання яких за рахунок дифузії проходить часткове і незавершене змішення газу з повітрям; • інжекційні, з повним попереднім змішенням газу і повітрям. 

Дифузійні пальники бувають з природною подачею повітря з навколишнього середовища і з штучною (примусовою) подачею, коли повітряні маси нагнітаються вентилятором.

Рис. 9.6 - Принципова схема дифузійного газового пальника

 Інжекційні пальники є пристроями внутрішнього змішування з природною і примусовою подачею повітря. У них повітря для горіння засмоктується (інжектируєтся) за рахунок енергії струменя газу, який витікає з отвору малого перетину — сопла. Змішування газу і повітря відбувається всередині корпусу пальника.

Рис. 9.7 - Принципова схема інжекційного газового пальника: а) конфорочний пальник, б) трубчатий пальник; 1 – газопровід; 2 – пробковий газовий кран; 3 – сопло; 4 – регулятор первинного повітря; 5 – інжектор-змішувач; 6 – насадка; 7 – вогневі отвори. 

Переваги інжекційних пальників: • простота у виготовленні і в обслуговуванні; • не вимагається додаткової витрати енергії для подачі повітря; • при коротшому полум'ї температура горіння газу більш висока, ніж у дифузійних пальників, що дозволяє застосовувати їх для обігріву наплитного посуду; • високий ККД при зміні тиску газу в мережі і при регулюванні теплового режиму.

Найбільшого поширення набули факельні пальники, чия конструкція має на увазі наявність регулятора подачі первинного повітря, насадки, сопла і змішувача-інжектора. Принцип дії такого пальника достатньо простий. Газ подається в її сопло. Оскільки діаметр газопровідної трубки значно більше розміру сопла, газ виходить з останнього з надмірним тиском, таким чином, створюючи в змішувачі-інжекторі розрідження. За рахунок цього в змішувач з навколишнього середовища підсмоктується "первинне" повітря (від 30 до 70 відсотків об'єму, необхідного для повного згорання газу). Недостатня кількість повітря ("вторинне" повітря) поступає в камеру згорання з атмосфери за рахунок інжекційної дії газоповітряних струменів.

Проміжними теплоносіями, що передають тепло речовині, яка нагрівається, можуть бути:

1) водяна пара або гаряча вода;

2) мінеральні масла; 

3) високотемпературні органічні теплоносії.

Речовини, що використовуються як проміжні теплоносії, повинні відповідати таким вимогам: забезпечувати необхідну температуру при нагріванні і створювати можливість її регулювання у процесі теплової обробки продуктів. Теплоносій повинен бути термічно стійким, корозійностійким, дешевим.

Вода в теплових процесах підприємств ресторанного господарства використовується як теплоносій (нагрівальне середовище) для безпосереднього нагрівання харчових продуктів (варіння), і як проміжний теплоносій у нагрівальних оболонках апаратів, що працюють в одно- і двофазному режимі.

Якість води характеризується прозорістю (вмістом зважених речовин), сухим залишком, загальною твердістю, лужністю і кислотністю. Під сухим залишком розуміють загальну кількість розчинених у воді речовин (кальцію, магнію, натрію, заліза, алюмінію та ін.), яка залишається після випаровування води і висушування залишку. Сухий залишок виражають у міліграм-літрах води.

При нагріванні і кип’ятінні води загальна її твердість визначає інтенсивність відкладання накипу на теплообмінних поверхнях апаратів, що, як наслідок, знижує інтенсивність теплообміну. Утворення накипу залежить не тільки від твердості води, але й від рівня мінералізації. Крім того, склад води безпосередньо впливає на її корозійну активність.

Вибираючи матеріали для захисту теплообмінних поверхонь від корозії і утворення накипу, необхідно враховувати властивості води. Загальну твердість і корозійну активність води можна змінювати.

Гаряча вода як теплоносій використовується переважно в апаратах для підтримання готової продукції у гарячому стані. Порівняно з вологою насиченою парою гаряча вода має ряд недоліків: більш низький коефіцієнт тепловіддачі, нерівномірне температурне поле вздовж поверхні теплообміну, а також висока теплова інерційність апарата, що ускладнює регулювання теплового режиму середовища, яке нагрівається.

Водяна пара – один із найбільш широко застосовуваних теплоносіїв. Основними перевагами його є: високий коефіцієнт тепловіддачі від конденсуючої пари до стінки теплообмінника, сталість температури конденсації (при даному тиску); можливість достатньо точно підтримувати температуру нагрівання, а також, у разі необхідності, регулювати її, змінюючи тиск пари; доступність, пожежна безпека тощо.

Недоліком водяної пари є значне зростання тиску з підвищенням температури. Тому насичена водяна пара застосовується для процесів нагрівання тільки до помірних температур (у межах 150 °С).

У теплових апаратах підприємств ресторанного господарства більш широко використовується волога насичена пара.

Процеси смаження і випікання протікають при більш високих температурах, тому як проміжні теплоносії використовуються так звані високотемпературні теплоносії: органічні й кремнійорганічні рідини, топочні гази.

Органічні рідини – це органічні речовини (гліцерин, етиленгліколь), деякі похідні ароматичних вуглеводнів (дифеніл та ін.), діарилметани (дитолілметан-ДТМ, дикумілметан-ДКМ), дифенільна суміш (даутерм А).

З перерахованих органічних теплоносіїв вимогам теплових процесів найбільше відповідають дифенільна суміш, ДКМ і ДТМ. Це легкорухомі рідини жовтуватого кольору з різким характерним запахом, при горінні чадять. Органічні рідини застосовуються як в однофазному (рідкому) стані, так і в двофазному (рідина – пара), не викликають корозії металів, дешеві, термостійкі, витримують тривалі й багаторазові нагрівання без помітної зміни своїх властивостей.

Температури кипіння органічних теплоносіїв становлять відповідно: ДКМ –336°С, ДТМ – 296°С, дифеніальна суміш – 258 °С.

Основний недолік органічних теплоносіїв – це різкий характерний запах, який потребує ретельної герметизації сорочок теплових апаратів для забезпечення нульової концентрації їх у навколишньому середовищі.

Рідкі кремній органічні речовини займають проміжне положення між органічними і неорганічними сполуками. Теплоносії застосовуються тільки в рідкій фазі, оскільки їхні пари нестійкі.

Кремній органічні рідини відрізняються низькою температурою застигання (від –60 до –140°С), високою теплопровідністю, стійкістю до окиснення, хорошими діелектричними властивостями, малою в’язкістю; вони вибухобезпечні, не мають запаху і корозійної активності.

Вологе повітря – суміш сухого повітря і водяної пари – широко застосовується як теплоносій у процесах випікання, смаження.

Об’єм пари в 1 м3 вологого повітря, рівний щільності пари п при парціальному тиску рп, називається абсолютною вологістю. Якщо при постійній температурі збільшувати вологість повітря, то щільність водяної пари буде зростати.

Теплова ізоляція

Теплова ізоляція застосовується для зниження температури поверхні апаратів і трубопроводів, зменшення ними втрат тепла у навколишнє середовище.

Теплоізоляційні матеріали повинні мати: низький коефіцієнт теплопровідності, невелику щільність, високу термостійкість, низьку гігроскопічність; бути біостійкими, нешкідливими і відзначатися корозійною активністю. Крім цього, бути недорогими і зручними при монтажу. У теплових апаратах доцільно використовувати теплоізоляційні конструкції з різних матеріалів у поєднанні з повітряними прошарками малої товщини.

Теплоізоляційні матеріали залежно від коефіцієнта теплопровідності поділяються на чотири класи:

Клас А – з коефіцієнтом теплопровідності від 0,08 Вт/(м°С)

Клас Б – від 0,08 до 0,12 Вт/(м °С)

Клас В – від 0,12 до 0,17 Вт/(м °С)

Клас Г – від 0,17 до 0,21 Вт/(м °С)

За структурою і формою теплоізоляційні матеріали кожного класу поділяються на дві основні групи: 1) сипкі – засипки, набивки і 2) штучні, що мають форму листів, плит, цегли тощо.

При виборі товщини шару ізоляції потрібно керуватися економічною доцільністю: збільшення шару ізоляції здорожує її, але водночас зменшує теплові втрати, тобто знижує експлуатаційні витрати підприємства.

На практиці застосовується ізоляція товщиною від 30 до 100 мм залежно від способу обігрівання апарата і температури поверхні стінок. Для ізоляції стінок теплових апаратів

використовуються різні матеріали (альфоль гофрована, перліт та ін.) у різних поєднаннях. Температура поверхні ізольованих стінок апарата не повинна перевищувати температури навколишнього повітря більш ніж на 40–50°С.

Передача тепла ізоляційними матеріалами, які є твердою масою з повітряними порами, здійснюється не лише завдяки теплопровідності, але також конвекції та випромінюванню. При збільшенні розмірів пор дія конвективних струмів збільшується, внаслідок чого інтенсифікується передача тепла. Крім того, в пористих матеріалах вагоме значення має передача тепла випромінюванням. Тому величина коефіцієнта теплопровідності таких матеріалів приймається умовно, у цьому випадку використовують так званий еквівалентний коефіцієнт теплопровідності, що враховує, крім теплопровідності, конвекцію і випромінювання.

Товщина шару ізоляції гарячих поверхонь теплових апаратів і паропроводів вибирається на основі техніко-економічних розрахунків.

4. Додаткова література

1. Черевко А.И., Попов Л.Н. Оборудование предприятий общественного питания: Т.2: Торгово-технологическое оборудование.  Москва: Экономика, 1988. 271 с.

2. Каталог устаткування (механічного, теплового, холодильного) підприємств громадського харчування. І.О. Конвісер, Г.А. Бублик. Т.Б. Паригша.  Київ:  КДТЕУ, 1999. 346с.

3. Елхина В.Д., Богачёв М.К., Проничкина Л.П. Оборудование предприятий общественного питания.  Т.1.:Механическое оборудование.  Москва:  Экономика, 1987.  447 с.