详述了电热型食具消毒柜的控制参数、温度变化规律以及温度控制方式。
1 电热食具消毒柜工作原理
电热型消毒柜,一般以乳白石英管远红外辐射电热元件为热源,对消毒柜内腔及其中的食(饮)具加热,依赖120℃以上的高温,以物理方法杀灭或消除食具上的致病微生物,达到无害化的目的。
由于采用红外辐射电热元件,了解红外线的特性对产品设计和正确地使用消毒柜都有意义。乳白石英是高辐射系数材料,其热惯性小,表面允许温度高,能将输入电能的70%转换为辐射能,因此,柜内传热方式以热辐射为主。红外线对食具表面附着的水分和微生物,具有一定的穿透能力,杀菌效果好。作为能量载体的红外线,具有类光特性,它能以光速直接入射或经柜内壁反射到食具表面,使消毒工作周期相对较短。红外线是直线传播的,被食具遮挡的部位,形成“阴影区”。
在消毒柜工作时,柜内空气和食具托架也被加热。柜内温度场中存在温度梯度,形成流体密度差,产生流体与固体表面之间的对流换热。同时,柜内相接触物体及同一物体上的不同点之间,因存在温差而产生热传导。在加热过程中,在上述三种传热方式的共同作用下,使柜内温度逐渐趋于均匀,以消除消毒“死角”,处于“阴影区”的致病微生物也能被杀灭。
目前,电热型及电热——臭氧组合型消毒柜是消毒柜的主流产品。
2 控制参数
消毒柜的基本实用性能是以消毒指标或杀灭率定量表示的消毒效果。实践证明,对电热型消毒柜而言,其消毒效果与消毒温度及消毒时间等代用性能密切相关。虽不能定量地表示它们之间的关系,但对生产厂来说,检测消毒温度和消毒时间更经济,便于对产品质量和性能进行有效地控制。因此,有关标准给出了温度、时间等控制参数值。
2.1 温度(℃或K)
包括消毒温度θC、限温温度θmax及部件温升Δθ。
(1)消毒温度:指消毒柜内规定的中心点达到120℃以上的温度。
(2)限温温度及偏差:柜内分层均匀地放入规定的标称负载(定量的食具),柜内各规定的测试点的温度应在125+45-5℃的范围内。测试点数目因柜容积而异,并要求测试五个工作周期,取第3、4、5周期中各测试点温度的算术平均值。温度达θmax应停止加热。这是一个温度均匀性指标,为了安全和考虑到材料的耐热性能而限制温度上限,同时也为了消除消毒“死角”。
(3)部件温升:为了设备及人身安全,消毒柜与其它电器产品一样,有关部件的温升不允许超过规定值。
2.2 时间(min)
包括消毒时间TC和工作周期T。
(1)消毒时间:柜内中心点,温度保持在120℃以上的时间。它与消毒温度是影响消毒效果的最重要的参数。有关标准均规定消毒时间大于15min。
(2)消毒工作周期:从室温开始加热升温到断电后温度降至120℃的总时间,为工作周期。消费者希望既能达到消毒效果,工作周期又不要过长。关于这一点,标准虽未规定,但在选择加热功率和温度控制方式时,应予重视。
3 温度变化规律
分析柜内温度随时间变化的规律θ=f(t),对于合理地选择加热功率和控温方式,以满足标准规定的消毒温度和消毒时间具有重要意义。
设电热元件总功率为P(W或kW),全部转换为热量Q(J或kJ),则dt时间内的微元热量dQ=Pdt。这些热量分别传给食具(含食具托架)、柜内空气和箱体,使其温度升高,并有部分漏热量通过箱体散失。由能量平衡关系:
式中:dQ1=Σm1ic1idθ-m1i,c1i为各种材质食具的质量(kg)及比热(kJ/kg·℃);dQ2=Σm2ic2idθ-m2i,c2i为各种箱体材料的质量及相应比热;dQ3=m3c3dθ-m3,c3为柜内空气质量及比热; dQ4=KF(θ-θ0)dt——为通过箱体的漏热量,其中(θ-θ0)为柜内外温差(℃);F为柜外表面计算散热面积(m2);K为箱体的传热系数()。
根据传热学理论,消毒柜多层平壁的传热系数为
式中:α1、α2——为柜内外表面平均自然对流放热系数(),一般α1≈3～4,α2≈5～6;λi——为各种箱体材料的导热系数(),高温硬质聚氨脂泡沫λ理论值0.018,实际值为0.023;δi——各种箱体材料的厚度(m),聚氨脂发泡层厚度一般为22～25mm。
从式(4)、(6)可见:
①升温过程,温度随时间按指数曲线上升。表达式体现了箱体结构、环境温度及负载量等因素对温度的影响。如箱体结构一定,温度变化主要受环境温度、加热功率、食具质量和比热及加热时间等因素的影响。
②如功率一定,负载量小,时间常数也小,则升温快。反之,负载量大,升温缓慢。食具材质、形状及尺寸、摆放方式及测试点是否位于“阴影区”等因素都影响温度测试值和消毒时间。因此,对标称负载和测试方法必须作出具体规定,否则测试结果会引起争议。还有的企业在空载(不放入食具)条件下测试。
③负载量一定,在一定的时间内,柜内温升(θ-θ0)与加热功率成比例。对于采用双金属温控器控温的消毒柜,为了延长消毒时间,适当降低加热功率或消毒阶段的加热功率,是一种有效的手段。
断电后的降温冷却曲线也是按指数曲线变化。断电后,消毒柜储存的热能通过箱体向周围介质散失,温度从限温温度最终降至环境温度。对一个确定的消毒柜,表征其散热能力的传热系数K基本不变。降温速率主要取决于食具的总热容量Σm1ic1i(kJ/℃),食具越多,降温越慢。表达式为
4 温度控制方式
有各种控温方式可供选择,不同控温方式,对消毒温度和消毒时间有很大影响。
4.1 碟形双金属温控器控制
(1)单温控器恒功率连续加热方式
箱体结构确定后,通过选择加热功率及温控器的动作温度,合理地布置加热元件和温控器的安装位置,控制温度和消毒时间。这是目前多数产品应用的方法。简单、可靠、成本低,但消毒时间及温度上限受环境温度、负载量、食具形状及摆放方式等因素影响。由于功率偏大;导致消毒时间短(特别是当负载量小的时候),为延长消毒时间,而选用动作温度较高的温控器,又造成温度均匀性差,局部温度超过了限温值,表面温升高,成为许多产品的共同性问题。为了提高柜内温度均匀性和延长消毒时间,适当降低加热功率或合理选择各加热元件的功率,是很有效的方法。温度变化曲线如图1所示。
(2)双温控器变功率连续加热方式
减小加热功率,虽会延长消毒时间,但工作周期也相应地变得更长。较合理的加热方式是双温控器变功率连续加热方式,采用动作温度高低不同的两个温控器控制加热过程。全功率加热至消毒温度以上时,低温温控器首先动作,给出信号,自动降低加热功率,温度变化率随之减小,缓慢升温至高温动作的温控器动作,停止加热,进入保温过程。温度变化曲线如图2。
我们来分析消毒阶段食具温度变化率。
设有质量MC(kg)、比热为C(kJ/kg·℃)的食具,消耗功率PC(kW),转换为热量QC(kJ),并被食具吸收,在t(S)时间内,使其温度从消毒温度θC(℃)上升至限温温度θmax(℃)。则
由式(9)、(10)可见,对一定质量和材质的食具,欲延长消毒时间,减小温度上升速率,必须降低加热功率。这种控温方式,比较有效地克服了单温控器控温的缺点,柜内温度均匀,消毒效果好。
4.2 电子温度传感器定时控制
(1)恒温定时断续加热方式
采用晶体管或热敏电阻温度传感器、继电器等构成电子温控器。连续检测柜内温度,全功率加热至设定温度θN后,自动转换成断续加热方式。θN值可根据需要设定,如θN=135±5℃。在消毒阶段,柜内温度始终在设定值上下偏差范围内波动,近似于恒温。断续加热时间由定时电路控制,并可调整。温度曲线见图3。
(2)微电脑控制
采用电子温度传感器微电脑控制取代上述电子控制电路,可靠性高,要求节能和一柜多用时,更具优越性。可以附加温度显示、加热温度和时间选择、工作状态声光提示等功能。检测温度变化率(反映负载量),自动调节加热功率。
考虑到食具消毒的实际需要,产品价格和消费心理等因素,电脑型消毒柜,在近期还不能成为主流产品。
作者：陈维治 北京轻工学院(100037)
