Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Повышение коэффициента полезного действия электрических плит остается нерешенной задачей в настоящее время. В целях реализации данной задачи в статье предлагается конструктивное решение по изменению конструкции электрической плиты конвекционного типа с включением устройства для ионизации воздуха «Электрической плиты ПЭ-УИЭВ». Это позволит сократить расходы энергоресурсов и ускорить технологический процесс по приготовлению пищи. Принцип работы ПЭ-УИЭВ основан на использовании метода электротермической конвекции теплообменных поверхностей жарочного настила. Предложенные конструктивные особенности плиты обеспечивают снижение образования канцерогенных веществ, улучшение вкусовых качеств при жарке и тушении. Новизна устройства заключается в том, что конструктивные изменения обеспечивают повышение коэффициента теплоотдачи от поверхности конфорки к наплитному котлу в 3 раза за счет создания условий для образования эффекта электротермической конвекции. Обработка воздуха электричеством придает ему «липкие» свойства. Воздух прилипает к заземленным поверхностям наплитных котлов. Ионизированный воздух интенсивно выполняет функцию переносчика тепла. Ионизация позволила достичь снижения образования канцерогенных веществ в 2–4 раза и обеззараживания готовых блюдах. Практическая значимость технического решения заключается в том, что предложенная конструкция позволяет снизить нагрузку на систему вентиляции и кондиционирования и может быть использована для приготовления пищи в ограниченных (закрытых) пространствах, а также обеспечивает улучшение вкусовых показателей качества. Предложенное техническое решение, в сравнении с существующими плитами, отличается тем, что обеспечивает сокращение возможности осуществления циркуляции горячего воздуха и снижение его потерь.
Плита электрическая конвекционного типа, озонирование, конвективный поток воздуха
Введение
В целях реализации национального проекта
«Наука» и государственной программы «Развитие науки и технологии» осуществляется поиск новых технических и технологических решений, обеспечивающих повышение интенсификации производства и снижения энергозатрат. Для повышения эффективности работы электрической плиты разработаны ее конструктивные изменения.
Объекты и методы исследования
Предлагаемая конструкция «Электрической плиты ПЭ-УИЭВ» (плита электрическая конвекционного типа с устройством для ионизации воздуха) относится к универсальным тепловым аппаратам. Она предназначена для варки, жарения, запекания, тушения, а также вспомогательных процессов при приготовлении пищи. Конструктивные особенности плиты обеспечивают снижение образования канцерогенных веществ, улучшение вкусовых качеств при жарке и тушении. Принцип ее работы основан на использовании метода электротермической конвекции теплообменных поверхностей жарочного настила.
Техническое решение базируется на повышении КПД за счет принудительного изменения движения конвективных потоков воздуха от греющих поверхностей. Это обеспечивает снижение теплопотерь, расхода энергоресурсов, сроков закипания воды на 26–28 %. Тепловой аппарат предусматривает дополнительное включение в его конструкцию (рис. 1) коробчатых газоходов со встроенными приточными вентиляторами и
фильтрами. Источник напряжения для ионизации воздуха связан через шину с высоковольтным электродом, подкаченным к ионизационной решетке. Электрическая схема плиты представлена на рисунке 2.
Конструктивные особенности предложенной плиты заключаются в следующем. На внешней стороне жарочного настила с двух сторон жестко фиксируются короб для подачи воздуха (4) и заборник (1), соединенные между собой через коробчатые газоходы (13). Ионизирующее устройство (6) изготовлено в виде металлической сетки (ячейка 10 × 10 мм), вмонтированной в изоляционную пластину из фторопласта. Ионизирующее устройство связано через высоко- вольтный электрод и шину с источником высоко- вольтного напряжения (до 12 кВ). Газоход (13), изготовлен из теплоизолированного материала, что обеспечивает постоянную температуру проходящего потока воздуха.
Электрическая плита работает следующим образом. Вентиляторы (15) принудительно изменяют направление восходящего конвективного потока воздуха, нагретого жарочным настилом (8), с вертикального на горизонтальное. Воздух (t = 20–70 °С) через заборник (1) поступает в коробчатый газоход (13) и в фильтр. Очищенный воздух со скоростью 1,0–1,8 м/с поступает в тепловую завесу, где, проходя через ионизирующее устройство (6), положительно (пары, пылинки, содержащиеся в воздухе, приобретают плюсовой заряд) заряжается и ионизируется, а затем подается на рабочую
|
3 |
|
4 5 |
|
2 |
|
1 |
|
6 7 8
9
10
11 |
|
15 |
|
12 13 |
|
14 |
|
Поток воздуха |
Рисунок 1 – Электрическая плита ПЭ-УИЭВ: 1 – заборник; 2 – котел; 3 – конфорка; 4 – короб для подачи воздуха; 5 – высоковольтный электрод; 6 – ионизирующие устройство; 7 – щелевое сопло; 8 – жарочный настил; 9 – шина;
10 – корпус; 11 – источник напряжения; 12 – блок управления;13 – коробчатый газоход; 14 – фильтр; 15 – вентилятор
Figure 1 – PE-UIEV electric stove: 1 – intake; 2 – boiler; 3 – ring; 4 – air supply box; 5 – high voltage electrode; 6 – ionizing device;
7 – slotted nozzle; 8 – frying flooring; 9 – tire; 10 – the case; 11 – voltage source; 12 – control unit; 13 – box flue; 14 – the filter; 15 – fan
Романчиков С. А. Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 4 С. 131–138
|
R7 R9
R10 R8 |
|
R4 |
|
R5 |
|
R6 |
|
R1 |
|
R2 |
|
R3 |
|
Тs2 |
|
КК1 |
|
H3 |
|
H1 |
|
H2 |
|
H7 |
|
Тs1 |
|
H4 |
|
H5 |
|
H6 |
|
Вr |
|
К2 |
|
К1 |
|
КК2 |
|
380 V |
Рисунок 2 – Электрическая схема: Н1-Н7 – сигнальная лампа; К1-К2 – клемма рядовая; КК1 –клемма колодка; КК2 – клемма колодка; Вr – разъем быстросъемный FQ14; Р1-Р2 – двухпозиционный переключатель;
Р7-Р10 – шестипозиционный переключатель; R1-R6 – ТЭНы; R7-R10 – конфорки; Тs1 – аварийный термостат; Тs2 – рабочий термостат
Figure 2 – Electric circuit: H1-H7 – warning lamp; K1-K2 – ordinary terminal; KK1 – terminal block; KK2 – terminal block;
Br – quick connector FQ14; P1-P2 – two-way switch; P7-P10 – six-position switch; R1-R6 – TENY; R7-R10 – burners; TS1 – emergency thermostat; TS2 – working thermostat
поверхность жарочного настила (8). Воздушный поток проходит на высоте 2–7 см от жарочного настила. Конструктивные изменения позволяют обеспечить регулировку подачи переменного электрического тока напряжением от 1 кВ до
|
на водород (Н ) и кислород (О ). Водород
Принудительное изменение движения конвективных потоков воздуха над плитой достигаемся за счет электризации. В зависимости от кулинарной операции (варка, жарка, тушение) блок управления подает сигнал на подачу напряжения источником электроэнергии на ионизирующее устройство (6) от 1 кВ до 12 кВ при силе тока I = 2 мА и частоте f = 50 Гц.
Конструктивные изменения электрической
плиты позволяют снизить скорость движения
2 2
|
|
Положительно заряженный горячий воздух с большой скоростью притягивается к заземлённой жарочной поверхности плиты и наплитных котлов, омывая их боковые поверхности и срывая пограничный слой, изменяет свою энергию, нейтрализуя заряд, отбрасывается новыми порция- ми ионизированной воздушной смеси. При этом реализуется эффект электротермической интен- сификации теплоотдачи. Большая часть нейтрализо- ванного воздуха, достигшего заборника (1), поступает снова в коробчатый газоход (13) на очистку, электризацию и ионизацию.
уходящего нагретого воздуха t = 50–70 °С с малым
коэффициентом теплоотдачи, возникающего при свободной конвекции. Пристенный ламинарный слой воздуха при этих скоростях представляет собой большое термическое сопротивление. Конвективный теплообмен усиливается за счет принудительного потока горячего воздуха вдоль поверхности конфорок (этот поток горячего воздух уходил в помещение в вертикальном направлении). В предложенном техническом решении электризованный воздушный поток создает терморадиационную защиту («налипает» на заземленную греющую поверхность пищеварочного котла (сковороды)) [2]. Это позволяет в выпуклом днище котла исключить застойные воздушные зоны, игравшие роль теплоизоляции и добавить конвективную составляющую теплопередачи через часть днища и боковую стенку.
Создание условий для горизонтального обдува горячим воздухом и переход от ламинарного
|
300 |
|
1 |
|
2 |
|
1Ф |
|
2Ф |
|
5 |
|
3Ф |
|
3 |
|
4 |
|
а |
|
б |
|
в |
|
300 |
Romanchikov S.A. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 4, pp. 131–138
Рисунок 3 – Расположение трубчатых электронагревателей конфорке: а – схема прямоугольной конфорки; б – рельеф температурного поля прямоугольной конфорки с ТЭНами, залитыми в корпус;
в – места расположения точек замера температур
Figure 3 – Location of tubular electric heater burner: a – the scheme of a rectangular ring; b – relief of the temperature field of a rectangular burner with heating elements poured into the housing; c – locations of temperature measurement points
движения горячего воздуха к турбулентному обеспечивает повышение КПД конфорок на 8,7 %. Это ускоряет время закипания воды в наплитных котлах на 8 %.
Внедрение электротермической конвекции позволяет интенсифицировать процесс теплосъёма на 25 % и более. Время закипания воды в пищеварочном котле сокращается, что приводит к снижению на 17 % расхода электроэнергии.
Известно, что температурные поля электрических конфорок имеют значительную неравномерность нагрева отдельных участков в процессе работы плиты [3].
На рисунке 3 показано расположение трубчатых ТЭНов, приблизительный рельеф температурного поля прямоугольной конфорки с ТЭНами, залитыми в корпус, а также расположение 5 точек замера температуры для определения степени неравномерности нагрева рабочей поверхности.
Максимальная температура наблюдается в средней части конфорки и местах расположения ТЭНов, минимальная температура – в плоскости симметрии между ТЭНами. На рисунке 3б хорошо заметно влияние бокового охлаждения конфорки на характер температурного поля.
Новизна устройства заключается в том, что конструктивные изменения обеспечивают повышение коэффициента теплоотдачи от поверхности конфорки к наплитному котлу в 3 раза за счет создания условий для образования эффекта электротермической конвекции. Обработка воздуха электричеством придает ему «липкие» свойства. Воздух прилипает к заземленным поверхностям наплитных котлов. Ионизированный воздух интенсивно выполняет функцию переносчика тепла. Ионизация позволила достичь снижения в 2–4 раза образования канцерогенных веществ и обеззараживания готовых блюдах.
Результаты и их обсуждение
Для подтверждения эффективности предложен- ных конструктивных изменений была изготовлена (на базе плиты ЭП-2ЖШ) экспериментальная установка (рис. 4).
Проведенные исследования на эксперименталь- ной установке позволили получить следующие результаты:
- Установлено, что создание эффекта электротермической конвекции обеспечивает увеличение температуры по высоте наплитного
|
Работа конфорки на ½ мощности Замеры подаваемого напряжения |
|
Замеры силы тока |
|
Работа конфорки на мах |
|
Замеры температуры |
|
Замеры потока воздуха |
Рисунок 4 – Экспериментальная установка
Figure 4 – Experimental setup
Романчиков С. А. Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 4 С. 131–138
Таблица 1 – Сравнительная характеристика теплопроизводительности электрической плиты и коэффициента полезного действия
|
100
90
|
Температура, t °С, |
80
1082
t = -3E-06τ2 + 0,06τ + 19,9
t = -2E-05τ2 + 0,096τ + 19,6
2
1388
1536
Table 1 – Comparative characteristics of the heat output of the electric
|
||||||||||||||||||||
70 t = -4E-06τ + 0,058τ + 19,4
60
50
С использованием ионизированной электроконвекции
40
30 С использованием электроконвекции
20 Традиционный нагрев
10
|
|
Время нагрева, τ, с |
|
0 |
|
300 |
|
600 |
|
900 |
|
1200 |
|
1500 |
0
котла в 2–3 раза. Это повышает теплоотдачу конфорок на max и ½ мощности (табл. 1, рис. 5).
- Обоснованы технологические режимы подачи напряжения для ионизации циркулирующего возду- ха в период приготовления пищи (жарение 5–7 кВ, приготовление 1 блюд и кипятка 10,5–12,5 кВ).
- Выявлено влияние ионизации воздуха на время закипания воды и получены уравнения регрессии (рис. 6).
- Установлено, что наложение электрического поля на подаваемый горячий воздух (t = 50–70 °С) позволяет увеличить общий коэффициент тепло- отдачи от потока ионизированного электризован- ного воздуха перед касанием отрицательно заряженных стенок котлов на 22–33 %. Технологи- ческие режимы ионизации циркулирующего воздуха сокращают время закипания воды на 26–28 % с использованием полной мощности конфорок на 22–24 % при ½ мощности.
- Выявлена степень прироста теплоотдачи в зависимости от напряжения электрического поля при ионизации. Установлено, что график (рис. 7) зависимости Nu = f(U) можно подразделить на три основных участка: 1 – квадратичный (от 0 до 4 кВ), 2 - линейный (от 4 до 12 кВ) и 3 - экспоненциальный (от 12 кВ).
Рисунок 6 – Зависимость повышения температуры воды от времени нагрева при работе конфорок на полную мощность
Figure 6 – The effect of the increase in water temperature on the heating time when the burners are operating at full power
|
С испо |
|
льзование |
|
м ионизиров |
|
анной |
|
6 |
|
Эу |
|
электрок |
|
онвекции |
|
5 |
|
4 |
|
3 |
|
2 |
|
5 |
|
4 |
|
3 |
|
2 |
|
1 1 |
|
1 |
|
2 |
|
Ду |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
адиционны |
|
й нагрев |
|
5 |
|
Иу |
|
3 Ку |
|
Тр |
Рисунок 7 – Прирост теплоотдачи в зависимости от напряжения электрического поля, наложенного на воздушный поток горячего воздуха
Figure 7 – The increase in heat transfer depending on the voltage of the electric field imposed on the air flow of hot air
|
|
0,3 0,6 0,9 |
|
1,2 1,5 1,8 2,0 2,2 |
|
Скорость воздушного потока, v, м/с – без ионизации; – при ионизации и U = 12 кВ. |
28
26
24
|
Время закипания, τ, мин |
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12000 В |
|
4 |
|
80 С |
|
6 |
|
6000 В |
|
2 |
|
90 С |
|
3 |
|
5 |
|
160 С |
|
- |
|
+ |
|
80 С |
|
250 С |
|
70 С |
|
7 |
|
8 |
|
1 |
|
Поток воздуха |
|
9 |
|
10 |
|
11 |
|
14 13 12 |
|
1 |
|
|
- удельные эксплуатационные издержки;
|
|
|
|
Рисунок 5 – Принципиальная схема работы плиты при
принудительной ионизации воздуха
Figure 5 – Schematic diagram of the plate operation with forced air ionization
Figure 8 – Specific indicators of the technical efficiency of the upgraded plate: K – specific capital costs;
|
|
|
Romanchikov S.A. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 4, pp. 131–138
|
|
Коэффициент теплоотдачи, ΔNu |
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Квадратичный
Линейный
Экспоненциальный
поток температурой 20–70 °С при скорости 1,2–1,5 м/с, поступая через щелевое сопло на заземленные пищеварочные котлы, установленные на жарочном настиле с вмонтированным электродом отрицательного заряда, позволяет:
– повысить эффективность работы электрической
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
|
Напряжение электрического поля, U, кВ
Рисунок 9 – Диаграмма зависимости времени закипания воды от скорости воздушного потока
Figure 9 – Chart of the effect of the air flow rate on the boiling time
- Определены удельные показатели техни- ческой эффективности плиты с конструктивными изменениями: Ку – удельные капитальные затраты, руб./блюдо; Иу – удельные эксплуатацион-
плиты на 18–21 % за счет разрушения пристенного
слоя и роста электротермоотдачи;
-
- сократить время закипания жидкости на 26–28 %, расход электроэнергии на 18 %, образование канцерогенных веществ в 2 раза;
- улучшить вкусовые качества готовых блюд;
- сократить затраты энергоресурсов на работу приточной вентиляции помещения и снижение тепловых потерь в 2 раза;
- увеличить коэффициент теплоотдачи от струи электризованного воздуха перед касанием отрица-
|
– удельные
тельно заряженных стенок котлов на 22-33 %;
затраты времени приготовлении пищи, с/блюдо;
|
|
- Определено, что установленная мощность источника высокого напряжения, при выходном напряжении от тока нагрузки, электробезопасна для обслуживающего персонала.
- Определено влияние скорости воздушного потока на время закипания воды. Оптимальная скорость воздуха вдоль жарочной поверхности для интенсификации процессов теплообмена определена в интервале 1,2–1,5 м/с (рис. 9). Электротермическая конвекция позволяет интенсифицировать процесс теплосъёма дополнительно на 18–21 %. Время закипания воды в котле существенно уменьшается, а потребление электроэнергии значительно снижается.
Выводы
Таким образом, искусственно созданный поло- жительно заряженный ионизированный воздушный
- сократить потребляемую мощность на циркуля- цию и ионизацию оборотного воздуха (0,3–1,0 % от потребляемой мощности плиты);
- обеспечить возможность интенсификации теплоотдачи к котлам до 28 %;
- повысить коэффициент полезного действия тепло- вого аппарата на 18 %.
В ходе анализа основных направлений повышения эффективности технологических процессов продовольственного обеспечения группировки войск (сил) РФ были выявлены преимущества газового топлива по отношению к другим видам топлива.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности
Выражаю благодарность профессорско- преподавательскому составу кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств», ИТМО, г. Санкт- Петербург.
1. Топоров, А. В. Обоснование критериев оценки военно-экономической эффективности процессов материально- технического обеспечения войск (сил) / А. В. Топоров, В. И. Бабенков // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2017. - Т. 96, № 1. - С. 23-28.
2. Целыковских, А. А. Анализ системы государственного заказа ведущих зарубежных стран / А. А. Целыковских, А. М. Смуров // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - 2017. - Т. 96, № 1. - С. 41-46.
3. Пьянков, А. А. Проблемные вопросы планирования и реализации мероприятий технического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации в рамках государственной программы вооружения и пути их решения / А. А. Пьянков, М. С. Белорозов // Вооружение и экономика. - 2016. - Т. 37, № 4. - С. 57-69.
4. Пьянков, А. А. Основные проблемы планирования и управления развитием системы вооружения применительно к существующей системе технического обеспечения Вооруженных Сил / А. А. Пьянков // Вооружение и экономика. - 2015. - Т. 30, № 1. С. 23-34.
5. Фитерер, Д. В. Пути совершенствования технических средств продовольственной службы / Д. В. Фитерер, С. А. Романчиков // Актуальные вопросы совершенствования системы технического обеспечения : сборник научных трудов всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) / Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации. - Пермь, 2017. - С. 141-148.
6. Романчиков, С. А. Изменение условий разработки новых продуктов питания для импортозамещения в условиях экономических санкций / С. А. Романчиков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2017. - Т. 49, № 4. - С. 178-183.
7. Пат. № 2350846 Российская Федерация, МПК F 24 C 7 06. Электрическая плита / Алексеев Г. В., Антуфьев В. Т., Громцев С. А. [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - № 2007115514/03; заявл. 24.04.2007; опубл. 27.03.2008; Бюл. 9.
8. Алексеев, Г. В. Использование математического моделирования для ресурсосберегающих пищевых производств / Г. В. Алексеев, О. И. Аксенова // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. - 2014. - № 3. - С. 1-10.
9. Алексеев, Г. В. Современные подходы к рациональному использованию ресурсов при первичной обработке пищевого сырья / Г. В. Алексеев, Е. И. Верболоз // Вестник Международной академии холода. - 2003. - № 4. - С. 35-39.
10. Модель тепловой нагрузки при динамической абразивной обработке пищевых материалов / Г. В. Алексеев, Б. А. Вороненко, Д. В. Харитонов [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2016. - Т. 70, № 4. - С. 56-60. DOI: https://doi.org/10.20914/2310-1202-2016-4-56-60.
11. Роль компьютерного моделирования в подготовке специалистов продовольственного направления / Г. В. Алексеев, И. И. Бриденко, Е. И. Верболоз [и др.] // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научно-технической конференции / Воронежский государственный университет. - Воронеж, 2017. - C. 161-168.
12. Верболоз, Е. И. Влияние тепловой обработки на функциональные свойства рыбных фаршей / Е. И. Верболоз, Г. В. Алексеев, О. И. Аксёнова // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2016. - № 1. - С. 107-112.
13. Николюк, О. И. Инновационные решения для повышения пищевой ценности продовольственного пайка / О. И. Николюк, С. А. Романчиков // Ресурсное обеспечение силовых министерств и ведомств: вчера, сегодня, завтра: сборник статей II Международной научно-практической конференции / Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации. - Пермь, 2016. - С. 308-311.
14. Бабакин, Б. С. Исследования тепломассообмена воздухоохладителя в условиях электроконвекции / Б. С. Бабакин, М. А. Еркин // Применение псевдокипящего слоя и флюидизированных систем в пищевой вкусовой и биотехнологической промышленности : тезисы докладов научно-технической конференции. - Пловдив, 1989. - С. 19-20.
15. Simulation of electrical convection effect onto the heat exchange in air condensator / I. A. Rogov, B. S. Babakin, N. A. Mikhajlov [et al.] // Электронная обработка материалов. - 1991. - № 1. - С. 54-58.
16. Коденцова, В. М. Современные тенденции в витаминологии / В. М. Коденцова // Вопросы питания. - 2018. - Т. 87, № S5. - С. 59-60. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10145.
17. Вржесинская, О. А. Использование в питании человека обогащенных пищевых продуктов: оценка максимально возможного поступления витаминов, железа, кальция / О. А. Вржесинская, В. М. Коденцова // Вопросы питания. - 2007. - Т. 76, № 4. - С. 41-48.
18. Вржесинская, О. А. К обоснованию уровня обогащения витаминами и минеральными веществами пищевых продуктов массового потребления / О. А. Вржесинская, В. М. Коденцова // Вопросы питания. - 2011. - Т. 80, № 5. - С. 64-70.
19. Валеева, Э. Р. Риск для здоровья подростков, обусловленный химической контаминацией пищевых продуктов / Э. Р. Валеева, Г. А. Исмагилова // Вопросы питания. - 2018. - Т. 87, № S5. - С. 179-180. DOI: https:// doi.org/10.24411/0042- 8833-2018-10287.
20. Коденцова, В. М. Анализ отечественного и международного опыта использования обогащенных витаминами пищевых продуктов / В. М. Коденцова, О. А. Вржесинская // Вопросы питания. - 2016. - Т. 85, № 2. - С. 31-50.
