4. Генераторы ик- энергии

Источниками (генераторами) ИК-энергии могут быть излучатели, нагреваемые с помощью электроэнергии, в результате сжигания газа или какого-либо другого топлива.

Генераторы ИК-излучения в зависимости от температуры нагрева различают на:

1) светлые и 2 ) темные.

Светлые излучатели имеют температуру ≥ 1800⁰С. При этом часть энергии преобразуется в видимые лучи.

Темные излучатели имеют температуру ≤ 400⁰С, видимых лучей нет.

По классификации, принятой ранее в странах-членах бывшего СЭВ, генераторы ИК излучения классифицируются на:

1. высокотемпературные, нагреваемые до t⁰>1500⁰С (0,78<λ_max<1,8мкм)

2. среднетемпературные, нагреваемые до 1500>t>450⁰C (1,8λ_max<4)

3. низкотемпературные, нагреваемые до t⁰ < 450⁰С (λ_max>4мкм)

В электрических ИК-генераторах используется вольфрам, нихром и другие жаропрочные сплавы. Эти спирали помещают

• или в металлические,

• или в стеклянные,

• или в керамические трубки (оболочки).

Газовые ИК-генераторы могут быть:

• с газонепроницаемыми панелями,

• с пористыми керамическими плитками,

• с металлическими перфорированными панелями.

Из электрических ИК-генераторов наиболее широко в общественном питании используются ТЭНы инфракрасного излучения. Их часто называют полуизлучающими (температура на поверхности ≈ 700÷8000 ⁰С) (гриль, жарочные, пекарные, тепловые шкафы). Изготавливают такие ТЭНы из тонкостенных цельнотянутых жароупорных трубок. (δ_ст=1,0 ÷ 1,5мм, Ø7÷15мм). Внутри хромоникелевая спираль, запрессованная в периклаз.

Основным преимуществом ТЭНов по сравнению с другими излучателями является их долговечность. Средний ресурс ТЭНов до 10 000 часов (4÷8 тыс.час.).

Для низкотемпературных ТЭНов с t⁰_{пов.трубки} < 500⁰С используется обычная конструкционная сталь марок 10 или 20 (ГОСТ 1050-60) или латунь.

Для высокотемпературных ТЭНов с t >500⁰С используется нержавеющая сталь марок 1Х18 Н9Т, Х18 ЮТ.

Инерционный период ТЭНа составляет 5-6 минут.

Температура поверхности ТЭНов зависит:

• от размера и сечения спирали,

• от материала трубки.

Температура поверхности ~ равна 400÷850⁰С.

К электрическим стеклянным излучателям относятся:

1. зеркальные лампы накаливания;

2. трубчатые кварцевые лампы.

Зеркальные лампы типа ИКЗ имеют стеклянную колбу, внутренняя поверхность которых покрыта тонким слоем серебра и играет роль рефлектора.

цоколь

вольфрамовая

спираль

t ≈ 2200⁰C

Аргон

Азот

колба стеклянная параболоидной формы

рефлектор (зеркальное покрытие)

h = 80÷100

t ≈ 200-240⁰C

Рефлектор направляет отраженный лучистый поток на облучаемый объект. В фокусе рефлектора располагается вольфрамовая спираль (t_раб.= 2200⁰С).

Для уменьшения скорости испарения вольфрама колба заполняется аргоном или азотом (так как вольфрам испаряясь, осаждается на внутренней поверхности колбы и уменьшает лучистый поток).

При удалении лампы от продукта на 80-100мм температура поверхности продукта достигает 220-240⁰С.

Недостаток этих ламп – низкая термостойкость колб и возможность отпайки цоколя, хрупкость, высокая стоимость.

В процессе работы лампы покрываются налетом жира, что снижает их КПД.

Инерционность τ_ти = 0,6 сек.

Более удачны лампы с кварцевыми трубками.

Кварцевое стекло 1) термостойко; 2) прозрачно, т.е. хорошо пропускает ИК-лучи. Это позволяет изготавливать ИК-излучатели небольшого  (10÷20 мм) с высокой тепловой мощностью (115 кВт/м длины трубки).

Трубчатые кварцевые генераторы ИК-излучения представляют собой спираль, помещенную в трубку из кварцевого стекла.

Спираль может быть 1) хромоникелевой или 2) вольфрамовой.

1. Кварцевые генераторы с хромоникелевой спиралью (нихром) имеют температуру спирали 1400-1600^оК. Спираль помещается в негерметизированную стеклянную трубку 18-20мм. Стеклянная трубка препятствует провисанию спирали и защищает обслуживающий персонал от поражения электрическим током.

Кварцевые генераторы выпускают длиной от 0,4 до 2 метров, мощностью от 0,5 до 7,5 кВт. На концах стеклянной трубки – керамические изоляторы.

Преимущества:

• простота конструкции

• технологичность в изготовлении.

Недостаток – невозможность установки в вертикальном положении из-за провисания спирали.

Такие нагреватели установлены – в печи ПКЖ, в грилях.

2. Кварцевые генераторы с вольфрамовой спиралью имеют температуру спирали 2400-2800^оК. Вольфрамовая спираль помещается в кварцевую трубку  10мм. Трубка вакуумируется и заполняется аргоном. Добавляются пары йода в количестве 1-2мг. Йод, участвуя в регенеративном цикле (восстановление) удаляет налет вольфрама с поверхности трубки и переносит его обратно на спираль.

(При 120^о -250^оС I+W=йодид вольфрама WI₂, который стремится к спирали; диссоциирует на I и W и W оседает на спираль). Основная доля энергии излучения находится в диапазоне 0,82,4мкм.

Срок службы таких генераторов = 5 000 часов; _{разогрева} = 0,6 сек; t^о_пов.773^оК.

Но! Эти лампы используют только в горизонтальном положении (в вертикальном положении – спираль провисает и нарушается регенеративный йодный цикл).

Преимущества кварцевых генераторов:

• значительная удельная мощность;

• безинерционность.

Недостаток – незначительная механическая прочность.

При эксплуатации возможен нагрев молибденовых вводов > 300^о!  может привести к их окислению и растрескиванию трубки.

Концы выводят за пределы раб. камеры

~ 1500С – при норм. раб.в зоне электродов 400-5000С ср. часть трубки

Для КИ-220-1000

• срок службы большинства таких генераторов 5000 часов;

• практическая безынерционность _и = 0,6 сек;

• высокая удельная мощность 6-10 Вт/см².

В газовых тепловых аппаратах используют беспламенные горелки ИК -излучения.

Основным элементом является насадка из керамических плиточек размером 654512мм.

Эти плитки имеют большое количество цилиндрических отверстий Ø~1÷ 1,5мм (в 1 плитке 700 ÷ 1000отв.).

Суммарная площадь отверстий = 45-50 % излучающей поверхности плитки.

Проскок пламени внутрь горелки (в смеситель) исключается, так как  каналов плиток меньше критического.

Для выравнивания температуры и стабилизации горения над поверхностью плитки на расстоянии  8-10 мм устанавливается металлическая дожигательная сетка с ячейками 55 мм, которая препятствует отрыву пламени. На пов. панели t  9001100^оС.

При наличии сетки температура плиток повышается на 100-130⁰С.

При работе горелки видимый факел отсутствует, так как газ сгорает в устье огневых каналов или вблизи поверхности панели.

Керамические плитки за 40-50 секунд разогреваются до t⁰ = 800-900⁰С и являются источником ИК-лучей.

Недостаток – низкая механическая прочность керамических плиток и возможность засорения отверстий.

Облучательный прибор – это генератор излучения + отражатель, который перераспределяет лучистый поток в пространстве.

Отражатель повышает эффективность работы генератора.

Плотность облучения зависит от формы отражателя:

Форма отражателя	Плотность облучения, %
Без отражателя	100
Плоский	134
Сферический	234
Гиперболический	269
Параболический	334

Наибольшее распространение получили сферические и параболические отражатели.

Установлено, что параболическая форма рефлектора обеспечивает наиболее равномерное облучение за счет отражения параболической поверхностью параллельного пучка лучей.

Рефлекторный отражатель характеризуется: размерами светового окна –Д глубиной отражателя – Н фокусным расстоянием – ƒ углом охвата - 2φmax

Отражатели рефлекторного типа делятся на:

• неглубокие - 2φ_max < 180⁰

• глубокие - 2φ_max ≥ 180⁰

Генераторы излучения устанавливаются в фокусе отражателя, (фокус – это точка, в которой сходятся все лучи при освещении отражателя параллельным потоком излучения).

Фокусное расстояние сферического отражателя определяется по формуле:

ƒ_сф=1/2r, где r – радиус сферы, м.

Отражатели могут быть металлические и стеклянные.

Фокусное расстояние параболического и параболоидного отражателя

Д

ƒ _пар=

4tg φ/2

Применяют в основном 3 вида материала для отражателей :

1. листовая сталь с блестящим гальваническим покрытием хромом или никелем;

2. листовой алюминий с различным покрытием. Наиболее часто – анодированный или полированный Al

3. нержавеющая сталь.

Внутренние поверхности рабочей камеры аппаратов тоже целесообразно облицовывать такими листами.

Преимущества ИК- нагрева:

При ИК-нагреве нет контакта между генератором и продуктом.

• Среда, окружающая продукт – прозрачна для ИК-лучей, поэтому среда не нагревается или нагревается слабо и не является теплопередающей;

• Температура продукта выше температуры окружающей среды;

• При использовании для мясных изделий ИК-нагрева:

• продолжительность τ по сравнению с традиционным способом ниже на 40-60% ;

• удельный расход электроэнергии ниже на 20-60% ;

• выход готовой продукции выше на 10-16% .

О глубине проникновения лучей в продукт

При термообработке продуктов «светлыми» излучателями значительная доля лучистой энергии проникает в изделие на глубину не менее 3мм.

Нормальная толщина кулинарных изделий 20-25мм.

При обработке капиллярно-пористых тел ИК-лучами температура материала на глубине 5-6мм становится выше температуры поверхности тела.

Другими исследователями (Селюков Л.Г., Красников В.В.) установлено, что многие пищевые продукты проницаемы для ИК-лучей, проникающих в толщу материала до 30мм.

Именно этим, т.е. большой глубиной проникновения коротковолнового излучения в продукты, объясняется малое время тепловой обработки при ИК-нагреве.

Органолептические показатели качества мясных кулинарных изделий, обработанных ИК-лучами, в большинстве случаев выше аналогичных показателей изделий, обработанных на электроплите.

Как и при кондуктивном нагреве (теплопроводностью) с помощью ИК-излучения можно передавать продукту мощный поток тепла.

Но, в отличие от кондуктивного нагрева, ИК-излучение проникает на глубину в несколько миллиметров (а не только на поверхность), поэтому мощность потока тепла может быть увеличена без опасности перегрева продукта.

При ИК-обогреве поверхность продукта остается открытой. С нее идет интенсивное испарение воды, вызывающее охлаждение поверхностных слоев. Это также позволяет подводить к продукту интенсивный поток тепла (до тех пор, пока поверхностные слои не будут чрезмерно обезвожены).

Сравнивая с конвективным нагревом с помощью ИК можно интенсифицировать процесс нагрева.

При конвективном нагреве в горячей воздушной среде основной поток тепла воспринимается продуктом через теплоотдачу.

Известно, что коэффициент теплоотдачи  находится в степенной зависимости со скоростью движения теплоносителя. Поэтому интенсифицировать процесс нагрева при конвективном способе можно

1-е – повысив температуру теплоносителя;

2-е – повысив скорость движения теплоносителя (напр. установим вентилятор т.е. вынужденная конвекция).

Для существенной интенсификации нагрева продукта необходимо значительно увеличить скорость движения теплоносителя. Но при этом происходит быстрое обезвоживание поверхности продукта, что в большинстве случаев приводит -или к порче продукта (ухудшению качества), или к большим потерям массы продукта.

Поэтому в ряде случаев использование ИК-излучения является единственным путем интенсификации процесса.

ИК-генераторы бывают - электрические и - газовые.

Газовые излучатели обычно дешевле и экономичнее в эксплуатации. ИК-излучение распространяется (передается) прямолинейно. Это надо учитывать при размещении излучателей в аппарате.

Продукты с большой проницаемостью в инфракрасной области лучше размещать на горизонтальной конвейерной ленте, изготовленной из металла. Нагреваясь, лента в свою очередь передает тепло продукту (печь ПКЖ).

Целесообразно облучать продукт со всех сторон.

Конструкция аппарата должна обеспечить создание равномерного лучистого потока по всей поверхности продукта.

Расположение излучателей с четырех сторон продукта приводит к увеличению потерь энергии за счет отражения от поверхности.

Иногда целесообразно использовать импульсное облучение (печь ПКЖ), при котором этап обработки продукта чередуется с его «лежкой».

Иногда продукту задают вращательное движение (гриль).

Внутреннюю обшивку аппарата изготавливают из материалов, обладающих большим коэффициентом отражения, что позволяет создавать более равномерный тепловой поток и повышает эффективность работы установки.

Наибольшее распространение получили нержавейка, полированный и анодированный алюминий.

4. Аппараты с ИК-нагревом

Наиболее распространенными ИК тепловыми аппаратами являются грили.

Гриль – в переводе с французского griller – "обжигать", т.е. это предполагает именно не жаренье пищи, а обжигание горячим воздухом.

Грили относятся к оборудованию для жарки мяса.

Грили могут быть электрическими или газовыми.

Более предпочтительным можно считать газовые аппараты (быстрый нагрев, плавное регулирование t°). Но использование в украинских ресторанах ограничено. Это связано с тем, что существует большое кол-во запретов на эксплуатацию газового оборудования.

Бывают контактные и бесконтактные.

Контактные грили бывают прижимные и с вращающимися разогретыми роликами.

Есть лава-гриль, шаурма-гриль, есть пицца-гриль и др.

Первоначально сложилось мнение, что Гриль подразумевает процесс термообработки, при котором исключен контакт продукта с нагревателем. Тепло передается через горячий воздух.

В дальнейшем, с увеличением зарубежных поставок, модельный ряд оборудования с названием "Гриль" значительно расширился и включил в себя оборудование, предусматривающее контакт продукта с нагреваемой поверхностью. Это контактные виды грилей, где продукт кладется непосредственно на нагреваемую пов., смазываемую маслом или жиром.

Таким образом, гриль “скрестили” с обыкновенной жарочной пов. (фрай-топом).

Так же на гриле готовят мясо без добавления жира.

Иногда, чтобы привлечь дополнительных посетителей в ресторан гриль выносят из производственных помещений в торговый зал, и посетители могут наблюдать за приготовлением и даже участвовать в этом процессе. Как правило, для этих целей используется лава-гриль (в зарубежных каталогах на английском – chargrill), который имитирует раскаленный древесный уголь в мангале. Газовая горелка докрасна раскаляет кусочки лавовых камней, а они, благодаря своей пористой структуре, служат источником интенсивного ИК- излучения. От раскаленных камней (t° около 500-700°С) тепловые лучи направляются на продукт, с поверхности которого быстро испаряется влага,- в результате на поверхности продукта образуется корочка.

Т.к. нет прямого контакта продукта и пламени, то нет и подгорания продукта.

Недостаток лавовых камней - надо камни достаточно часто мыть. И через примерно 4-5 месяцев менять. - Капающий на камни жир может загораться и издавать неприятный запах.

Поэтому многие производители заменяют лавовый камень керамическими вставками ( Angelo Po, Италия) или металлическими сплавами (Elektrolux).

Согласно ГОСТу 21621-76. "Электрогрили и эл.шашлычницы бытовые" t° излучателя д.б. не < 700°С, а ужарка шашлыка не > 40% , ужарка антрекотов не > 37%.

Лавовый камень применяется чаще в газовых грилях. Реже в электрических грилях - барбекю, они меньше размером и массой.

О том, что эффективнее – ГАЗ или ЭЛектр-во? – споры ведутся до сих пор.

Общеизвестно, что газовые грили быстрее выходят на рабочую температуру и позволяют более точно и плавно регулировать нагрев.

Газовые грили приближены к приготовлению продукта на углях, поэтому считаются более “ естественными “.

Они выигрывают по энергопотреблению, т.к. электрогрили достаточно энергоемки. Газ обходится дешевле. А в мобильных уличных точках фаст- фуд ( автоприцепы и т. п.) альтернативы газовому баллону нет.

С другой стороны, если гриль устанавливается в помещении, то необходимо иметь мощную вентиляцию.

Если для Эл. гриля хватит обычной вытяжной вентиляции, то для газового гриля понадобится вытяжно- приточная система, обеспечивающая приток свежего воздуха, т. к. газ при горении сжигает кислород.

И еще – на газовое оборудование сложнее получить разрешение у госорганов.

Существует еще один вид грилей, так называемые "куриные" (по-английски chicken roaster) или ротационные грили карусельного типа. Основное предназначения этих грилей – обжарка кур, но используя нехитрые приспособления в виде люлек, крючков или решетчатых цилиндров, можно значительно расширить ассортимент за счет крупно-кусковых п/ф из мяса или рыбы, а так же "грилировать" на глазах у посетителей разнообразные овощи. При этом из всех возможных вариантов термообработки, только непрерывно вращающийся гриль способен приготовить продукт в так называемом импульсивном режиме нагрева. Вращаясь около неподвижного источника тепла, продукт получает порции тепловой энергии не постоянно, как на сковороде или в жарочном шкафу, а переменной интенсивности. За время пока разогретая ИК-источником сторона продукта уходит в тень, полученный импульс тепла успевает равномерно распределиться в толще продуктов. Таким образом, импульсивный нагрев в ротационном гриле позволяет обеспечить красивую равномерную обжарку с прекрасными органолептическими показателями и минимальными потерями.

Из "неправильных" грилей, конструкция которых предусматривает непосредственный контакт продукта с нагретой поверхностью, наибольшее распространение получили открытые гладкие и рифленые (griddle) а так же контактные, или кондуктивные грили (clamshells) имеющие две греющие поверхности – одна сверху, другая снизу; эти поверхности могут быть скреплены одна с другой шарнирно и раскрываться как книжка. Продукт укладывается на нижнюю плиту и накрывается верхней, обжариваясь одновременно с двух сторон. Жарочные поверхности имеют независимые нагреватели. Возможна эксплуатация только одной жарочной поверхности.

Другая конструкция контактного гриля "саламандра" тоже имеет две поверхности – плиты. Но нижняя плита неподвижна, а верхнюю можно вертикально поднимать и опускать. В нижней части гриля установлены 4ИК-нагревателя. В верхнюю встроены две кварцевые трубки, имеющие температуру излучателя 1050°С.

Нагрев верхней и нижней частей гриля раздельный. Положение верхней части может быть фиксированным или подвижным. Поэтому можно готовить шашалык, люля-кебаб, запекать рыбу целиком, готовить блюдо в горшочках, жульенницах, а также разогревать изделия на решетке, входящей в комплект гриля.

Жарочные поверхности обычно изготавливаются из чугуна (это наиболее дешевые) или из нержавеющей стали (они в среднем на 10-20% дороже чугуна). Недавно появились контактные грили со стекло-керамической поверхностью нагрева с тремя вариантами исполнения (гладкие, рифленые и комбинированные). (Они еще на 30-40% дороже). Главное преимущество этих грилей – это высокая скорость достижения заданной t° (200°С за 3мин) и быстрое остывание после выключения. Продукт готовиться быстро, равномерно, не пригорает, рабочая поверхность легко чистится.

Какой именно материал єффективнее? – вопрос неоднозначный.

Некоторые считают, что на пов. из нержав. стали продукт быстрее нагревается и меньше пригорает.

Здесь необходимо обратить внимание на то, есть ли полировка метала. При полированной рабочей пов. уменьшается прослойка жира между ней и продуктом. Поэтому блюдо получается диетическим, с меньшим содержанием жира.

Вместо полировки может быть хромирование нержавейки. Оно имеет привлекательный внешний вид , но требует острожного обращения( т.к. легко остаются царапины).

Ещё один момент.

Если не предусмотрена так называемая сэндвич-конструкция (когда между листами нержавейки есть медные пластины), то тепло распространяется достаточно неравномерно.( мы опять говорим о t max).

Этого недостатка лишены грили с чугунными рабочими пов-тями.

Хотя чугун медленнее нагревается, он и медленнее остывает, позволяя долго держать тепло даже при выключенном гриле ( и таким образом экономя газ или эл. эн.).

К тому же чугун явл. гигроскопичным материалом и впитывает масло и жир, что позволяет избежать пригорания продуктов.

В целом чугунные грили на сегодняшний день в Украине наиболее востребованы.

При всем многообразии конструкций грилей, они имеют один общий конструктивный принцип – горизонтальное расположение нагревательных элементов. А если вращающийся шампур расположить вертикально, то такое же положение займут ИК-ТЭНы или специально приспособленные газовые горелки. Гриль такой конструкции называется шаурма (gyros grill). При этом ТЭНы или газовые горелки располагаются на задней стенке, а по бокам – теплоотражатели, необходимые для равномерного распределения тепла.

Горизонтальные грили традиционно предназначены для приготовления кур, свиных голяшек, ребрышек. Некоторые фирмы, специализирующиеся на производстве таких грилей, расширили их функции. Например, испанская фирма МСМ, предлагает интересную комбинированную модель: фрай-топ и гриль-саламандра одновременно.

Сравнительно недавно на рынке появился новый вид газового гриля. Длинная газовая горелка прикрыта сверху массивным полуцилиндром из нержавеющей стали, который и явл. в данном случае вторичным источником мощного ИК-излучения. Над ним располагается регулируемая по высоте решетка с продуктом, а под ним – емкость с водой.

Преимущества использования подобного гриля:

+ раскаленные от газовой горелки нагревательные элементы обеспечивают равномерную и качественную жарку продукта;

+ емкость с водой создает повышенную влажность (продукт сохраняет сочность и меньше теряет в весе. Напр. Для 2-х кг.курицы – не более 200гр. Т.е. это10%), а так же служит для мгновенного охлаждения жира и устранения неприятного запаха;

+ возможность регулировки расстояния между нагревательными элементами и продуктом создают возможность выбора оптимального режима термообработки п/ф из различного сырья;

+ благодаря универсальной конструкции гриль можно использовать для обжарки плоских продуктов на решетке и в виде кусочков на шампурах.

Для инженерного обеспечения работы гриля к месту его установки необходимо подвести газ или эл.кабель соответствующего сечения. Важно не забыть о дыме и резких запахах, выделяющихся от раскаленного гриля, и подвесить над ним вентиляционный зонт, соед. с вытяжной вентиляцией.

Ранее были популярны специальные роликовые грили специально предназначенные для обжаривания сосисок (или) поддержания их в горячем состоянии.

В корпусе наприлавочного аппарата смонтирована группа валиков, совершающих знакопеременное вращение: сперва валики разворачиваются на некоторый угол в одну сторону, затем в противоположную, опять в прежнюю и т.д.

Валики снабжены электронагревателями с терморегуляторным заданием/поддержанием температуры.

Сосиски кладут между валиками и они равномерно обжариваются, причем это делается на глазах у посетителей кафе. Есть модели на 5 валиков (одновременно обжаривается 12 сосисок) или 9 валиков (24-32 сосиски)

P.S. Газовые грили с ИК-горелками позволяют экономить до 40% топлива. ( Компания "Блу Сил", Англия)

Газовые грили очень экономичны: расход 50-литрового баллона достаточен в среднем на 5…6 дней (при режиме работы 10-12часов в сутки). (фирма "ROTISOL",Франция)