Trzony kuchenne

Ćwiczenie z trzonów kuchennych przeprowadzone jest z wykorzystaniem trzech rodzajów tronów elektrycznych, żeliwnego, glasceramicznego i indukcyjnego.

Celem ćwiczenia jest porównanie sprawności energetycznej urządzeń w procesie zagotowania wody oraz strat energii w procesie jej gotowania.

Dwustanowiskowy trzon żeliwny elektryczny firmy Electrolux

ze sterowaniem ręcznym wielostopniowym

zbudowany jest na bazie klasycznych żeliwnych okrągłych płytek grzejnych.

Każda płytka ma zamontowaną wewnątrz grzałkę elektryczną. Grzanie polega na przekazywaniu ciepła przez przewodzenie do przylegającego do płytki dna naczynia. W tym systemie sprawą kluczową jest dokładne przyleganie dna naczynia do płytki oraz całkowite jej przykrycie. Niedokładne przyleganie utrudnia przepływ ciepła a odsłonięcie płytki powoduje wypromieniowanie energii do otoczenia.

Ponieważ sama płytka ma dużą bezwładność cieplną wiec układ nagrzewa się powoli. Ponadto ciepło tracone jest przez nieuniknione nagrzewanie się obudowy trzonu.

Dwustanowiskowy trzon glasceramiczny firmy Electrolux

ze sterowaniem ręcznym bezstopniowym

zbudowany jest na bazie promienników ciepła.

Pod płytą z grubego szkła żaroodpornego zamontowane są dwa promienniki ciepła w których elementami grzejnymi są spirale oporowe.. Każdy promiennik przekazuje ciepło do naczynia poprzez przezroczystą płytę głównie na zasadzie promieniowania. Stąd w tego rodzaju kuchni dno naczynia nie musi tak dokładnie przywierać do płyty jak w przypadku trzonu żeliwnego, lecz powinno zdecydowanie przesłaniać cały promiennik. Producenci nie zalecają nawet patrzenia na odkryty pracujący promiennik. Nie zakryta powierzchnia promiennika emituje ciepło do otoczenia a więc je traci.

Promienniki w omawianym trzonie mogą działać na mniejszej lub większej średnicy. Po obróceniu pokrętła sterowania z pozycji „0” w prawo załączana jest powierzchnia o mniejszej średnicy, żeby to zmienić należy obrócić pokrętło w prawo do pokonania na końcu lekkiego oporu a następnie wycofać do zadanej nastawy. Wtedy załączy się promiennik o pełnej średnicy i będzie pracował tak aż do ustawienia pokrętła w pozycji „0” lub ponownego wykonania czynnosci opisanej powyzej.

Trzony glasceramiczne mają dla każdego stanowiska dwie kontrolki, załączenia i nagrzania. Pierwsza (zielona na panelu sterowania) pokazuje czy dane stanowisko pracuje - jest aktualnie załączone - a druga (czerwona na plycie) czy jest gorące. W czasie pracy część płyty nad promiennikiem nagrzewa się bezpośrednio od grzałki oraz pośrednio od dna naczynia . Po odłączeniu, pomimo że spirala promiennika się nie żarzy, płyta nad nią nadal jest gorąca. Pokazuje to kontrolka nagrzania, zapobiegajac ewentualnemu oparzeniu. Obecnie trzony glasceramiczne wyposażone są niekiedy w szybkosprawne promienniki kwarcowe - grzałka oporowa zamknięta jest w rurze kwarcowej wypełnionej gazem szlachetnym. Można wtedy podać większą moc na grzałkę bez obawy jej spalenia. Jest to podobna technologia jaką stosuje się w żarówkach halogenowych czy ksenonowych.

Tego typu promienniki emitują bardzo dużo promieniowania i producenci wyraźnie przestrzegaja przed uszkodzeniem wzroku przez patrzenie na nieosłonięte stanowiska

Obydwa omawiane rodzaje trzonów mają grzałki oporowe. Ciepło przekazują albo głównie przez przewodzenie (trzon żeliwny) albo przez promieniowanie (trzon glasceramiczny)

Na zupełnie innej zasadzie działa jednostanowiskowy trzon indukcyjny firmy Bonet z wielostopniowym sterowaniem dotykowym.

Jest to pojedynczy wzbudnik zamontowany pod płytą ceramiczną.

Sensory sterowania opisane są na płycie obok zaznaczonego stanowiska naczynia.

Grzanie indukcyjne polega na wywoływaniu przez wzbudnik prądów wirowych w ferromagnetycznym dnie naczynia. Wzbudnik jest poziomo ułożoną pod płytą cewką zasilana prądem przemiennym o średniej częstotliwości (dane te są najczęściej tajemnicą producenta). Jeżeli w zmiennym polu elektromagnetycznym wzbudnika znajdzie się ferromagnetyk wówczas w jego wnętrzu powstają zmienne prądy wirowe o dużym natężeniu (gdyż material ferromagnetyka stawia maly opór mając stosunkowo duży przekrój poprzeczny) których przepływ podgrzewa ów materiał. Dobór odpowiedniej częstotliwości jest sprawą kluczową. Zbyt mała częstotliwość nie daje prądów wirowych o wystarczającym natężeniu - a więc mniej efektywnie grzeje - zaś za duża wywołuje zjawisko „naskórkowości”. Polega ono na tym, że prądy (także wirowe) o dużej częstotliwości płyną wyłącznie po powierzchni przewodnika. Zjawisko to wykorzystywane powszechnie w metalurgii do tzw. hartowania powierzchniowego, w gastronomii jest wysoce niepożądane bo też obniża sprawność procesu grzania. Pamiętać bowiem należy, że chodzi nam o obróbkę termiczną zawartości a nie samego naczynia. Dno naczynia powinno być podgrzewane na wskroś żeby proces był efektywny gastronomicznie.

Ze względu na mechanizm grzania energia pobierana jest prawie wyłącznie przez ferromagnetyczne dno naczynia. Stąd po zestawieniu garnka trzon właściwie nie pobiera energii choć praca jałowa - szczególnie przy nastawach maksymalnej mocy jest zdecydowanie nie polecana przez producentów z uwagi na możliwość uszkodzenia sterowania. Maszyny indukcyjne nie lubią pracy jałowej stąd np.: elektrownie bardziej boją się dużego niedociążenia niż przeciążenia

Ponieważ wzbudnik indukuje pole elektromagnetyczne o dość dużym natężeniu praca w pobliżu takiego trzonu może być szkodliwa dla ludzi z rozrusznikiem serca czy innymi niezbędnymi do życia urządzeniami elektronicznymi.

Wykonanie ćwiczenia

Dla każdego trzonu wykonujemy następujące czynności

• Do garnka wlewamy odmierzoną objętość wody Q [cm³] - tak żeby był wypełniony w ¾ objętości

• Robimy zerowe odczyty temperatury wody w garnku T₀ [ºC] i wskazań watomierza W₀ [Wh]

• Ustawiając stanowisko trzonu na pełną moc doprowadzamy wodę do wrzenia pod przykryciem mierząc temperaturę T co minutę oraz czas dojścia do wrzenia t_w [min]

• Odczytujemy wskazania watomierza W_w [Wh]

• Regulując moc stanowiska utrzymujemy stan lekkiego wrzenia pod przykryciem przez 15 minut

• Odczytujemy wskazania watomierza W_w15 [Wh]

• Odkrywamy naczynie i regulując moc utrzymujemy stan lekkiego wrzenia przez następne 15 minut.

• Odczytujemy stan watomierza W_w30 [Wh]

Sporządzamy wykres temperatury w czasie dla procesu zagotowania wody

Obliczamy ilość energii włożonej w układ w procesie zagotowania wody jako różnice

[Wh]

Obliczamy ilość energii włożonej w wodę doprowadzoną do stanu wrzenia przy założeniu upraszczającym ze na podniesienie temperatury 1 cm³ o 1ºC w całym badanym zakresie temperatur potrzebna jest 1 kaloria czyli 4.1855 dżula [J] czyli 0,0011626 watogodziny [Wh]

[Wh]

Następnie obliczamy sprawność urządzenia w procesie jako stosunek energii efektywnej (przetworzonej) do całkowitej

[-]

Kolejno obliczamy ilość energii potrzebnej na podtrzymanie 15 minut wrzenia (a właściwie temperatury 100ºC) jednego cm³ wody pod przykryciem

[Wh/cm³]

bez przykrycia

[Wh/cm³]

oraz ich stosunek

[-]

porównując jak bardziej energochłonne jest gotowanie bez przykrycia

UWAGA

Odczytujac liczbe impulsów z liczników sprzeżonych z watomierzami należy pamiętać że jeden impuls licznika watomierza jednofazowego

Oznacza 1Wh

zaś jeden impuls z licznika watomierza trojfazowego oznacza 10Wh

Po wykonaniu obliczeń dla wszystkich trzech typów trzonów wyniki i porównania prezentujemy w tabelach i na wykresach.

Trzon	Żeliwny	Glasceramiczny	Indukcyjny
Objętośc wody Q	cm^3	cm^3	cm^3
Zerowy odczyt watomierza W0	Wh	Wh	Wh
Temp początkowa wody T0	°C	°C	°C
Czas dopr. do wrzenia tw	min.	min.	min.
Odczyt Ww	Wh	Wh	Wh
Odczyt W15	Wh	Wh	Wh
Odczyt W30	Wh	Wh	Wh
Energia zużyta przez trzon Eu	Wh	Wh	Wh
Energia zużyta przez zagotowaną wodę Ew	Wh	Wh	Wh
Sprawność procesu zagotowania wody η
Energia Ew15 (gotowanie pod przykryciem)	Wh/cm^3	Wh/cm^3	Wh/cm^3
Energia Ew30 (gotowanie bez przykrycia)	Wh/cm^3	Wh/cm^3	Wh/cm^3
Stosunek powyższych energii n

Tomasz Plewicki

30 stycznia 2011

1

---