ПЛОСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
FLAT HEATER

Изобретение относится к пищевой промышленности, а более конкретно к устройствам для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением теплом, выделяющимся при экзотермической химической реакции между реагентами в твердом и жидком состояниях.
Из достигнутого уровня техники известен плоский нагреватель, содержащий корпус, разделенный на отсеки и выполненный из гибкого теплопроводящего материала, при этом один отсек заполнен реагентом в жидком состоянии, а остальные отсеки корпуса выполнены одинаковыми и заполнены реагентом в твердом состоянии, причем полость каждого отсека с реагентом в твердом состоянии отделена от полости отсека с реагентом в жидком состоянии посредством соответствующего затвора, разрушаемого вручную при инициировании экзотермической химической реакции между реагентами в твердом и жидком состояниях (см. патент US-А-№5035230, 1991).
Основной недостаток описанного выше плоского нагревателя с двумя расположенными напротив друг друга контактными поверхностями заключается в том, что он неудобен как при использовании, так и при транспортировке и хранении. Действительно, наличие в плоском нагревателе отсека, заполненного реагентом в жидком состоянии, приводит к увеличению его весогабаритных параметров, а необходимость использования (даже при нагреве объектов с небольшой площадью) нескольких последовательно разрушаемых затворов в виде нитевидных перетяжек с развязывающимся узлом приводит не только к усложнению конструкции плоского нагревателя, но и к увеличению времени, затрачиваемого пользователем на приведение плоского нагревателя в рабочее состояние. Кроме того, наличие в плоском нагревателе отсека с реагентом в жидком состоянии и разрушаемых вручную затворов, которые характеризуются низкой надежностью, приводит к необходимости принимать специальные меры предосторожности при транспортировке и хранении плоского нагревателя.
Известен также плоский нагреватель, взятый в качестве прототипа и содержащий размещенный в корпусе контейнер с двумя расположенными напротив друг друга стенками из гибкого, пористого (газо-водопроницаемого) материала, которые соединены между собой по краям с образованием полости, в которой размещен спеченный в форме пластины реагент в твердом состоянии, при этом корпус выполнен в виде поддона и снабжен патрубком для подачи в его полость реагента в жидком состоянии - воды (см. патент US-A-№5355869, 1994, фиг.9).
Безусловным преимуществом прототипа перед описанным выше плоским нагревателем является отсутствие в нем полости, заполненной реагентом в жидком состоянии, а также разрушаемых затворов. Вследствие этого отпадает необходимость в использовании специальных мер предосторожности при транспортировке и хранении плоского нагревателя, взятого в качестве прототипа, а также упрощается процесс приведения его в рабочее состояние.
Однако прототип имеет следующие недостатки: - низкую эффективность использования тепла, выделившегося в результате экзотермической химической реакции, поскольку, во-первых, тепловой контакт с плоским нагревателем (взятым в качестве прототипа) может быть осуществлен только с одной его стороны, а во-вторых, вследствие выполнения корпуса плоского нагревателя в виде поддона, значительная часть водяного пара, образующегося в результате экзотермической химической реакции, рассеивается в окружающем пространстве, иными словами, не участвует в процессе нагрева пищевого продукта;
- неудобство при использовании вследствие непосредственного контакта упаковки нагреваемого пищевого продукта с продуктами экзотермической химической реакции.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению повышения эффективности использования тепла, выделившегося в результате протекания экзотермической химической реакции при одновременном повышении удобства пользования плоским нагревателем и снижении материалоемкости корпуса. Достигаемый при этом технический результат заключается, с одной стороны, в увеличении (при тех же, как и в прототипе, размерах контейнера с экзотермическим составом в твердом состоянии) в два раза площади теплоотдающей поверхности, за счет выполнения плоского нагревателя двухсторонним (с двумя расположенными напротив друг друга теплопередающими стенками корпуса), а также в существенном снижении потерь в окружающую среду водяного пара, образовавшегося в результате протекания экзотермической химической реакции, а с другой стороны, в исключении контакта нагреваемого объекта с продуктами экзотермической химической реакции. Дополнительный достигаемый технический результат заключается в снижении требований к прочностным параметрам корпуса плоского нагревателя за счет обеспечения снижения в полости корпуса максимального значения давления водяного пара в процессе протекания экзотермической химической реакции.
Поставленная задача решена тем, что в плоском нагревателе, содержащем размещенный в корпусе контейнер из гибкого газо-водопроницаемого материала с инициируемым жидким реагентом экзотермическим составом в твердом состоянии, согласно изобретению корпус выполнен из двух одинаковых листов газо-водонепроницаемого, теплопроводящего материала, которые герметично соединены между собой по замкнутому контуру с образованием, по крайней мере, для одного контейнера с экзотермическим составом в твердом состоянии замкнутой полости с двумя расположенными напротив друг друга теплопередающими стенками, при этом замкнутый контур включает расположенные напротив друг друга два горловинных участка, сопряженных верхними концами между собой пробочным участком, а также два расположенных напротив друг друга боковых участка, нижние концы которых сопряжены между собой донным участком, нижний конец каждого горловинного участка сопряжен с верхним концом соответствующего ему бокового участка посредством соответствующего плечевого участка, при этом листы корпуса выполнены в форме, обеспечивающей образование выступающих наружу теплорассеивающих участков листов, которые расположены с внешней стороны и между каждым плечевым участком замкнутого контура и смежным с ним горловинным участком.
Преимущество предложенного плоского нагревателя перед прототипом заключается в том, что выполнение его корпуса из двух одинаковых листов газо-водонепроницаемого, теплопроводящего материала, которые герметично соединены между собой по замкнутому контуру с образованием, по крайней мере, для одного контейнера с экзотермическим составом в твердом состоянии замкнутой полости с двумя расположенными напротив друг друга теплопередающими стенками, обеспечивает повышение эффективности использования тепла, выделившегося в результате протекания экзотермической химической реакции за счет увеличения в два раза площади теплоотдающей поверхности плоского нагревателя (так как в отличие от прототипа предложенный плоский нагреватель является двухсторонним), а также за счет существенного снижения потерь в окружающую среду образующегося в результате протекания экзотермической химической реакции водяного пара. Кроме того, обеспечивается повышение удобства пользования плоским нагревателем за счет исключения контакта нагреваемого объекта с продуктами экзотермической химической реакции.
Кроме того, признаки, касающиеся выполнения листов корпуса в форме, обеспечивающей образование выступающих наружу теплорассеивающих участков листов, которые расположены с внешней стороны и между каждым плечевым участком замкнутого контура и смежным с ним горловинным участком, обеспечивают, за счет теплоотвода, интенсификацию процесса конденсации водяного пара, образующегося в полости корпуса плоского нагревателя при протекании экзотермической химической реакции, а следовательно, снижение максимально достигаемого в полости корпуса давления водяного пара в процессе протекания экзотермической химической реакции. Следствием вышесказанного является снижение требований к прочностным параметрам корпуса плоского нагревателя, а следовательно, снижение его материалоемкости, а следовательно, стоимости плоского нагревателя.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения ожидаемого технического результата приведенной выше совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 изображен плоский нагреватель, вид спереди, частичный разрез; на фиг.2 - то же, частичный поперечный разрез; на фиг.3 и 4 - плоский нагреватель другой формы; на фиг.5 - контейнер с четырьмя отсеками; на фиг.6 - плоский нагреватель с удаленным пробочным участком замкнутого контура термошва; на фиг.7 - схематично показано использование плоских нагревателей для нагрева нескольких упаковок с пищевыми продуктами.
Плоский нагреватель (фиг.1 и 2) содержит корпус, в замкнутой полости 1 которого размещен, по крайней мере, один контейнер 2 с инициируемым жидким реагентом экзотермическим составом 3 в твердом состоянии. Контейнер 2 выполнен из газо-водопроницаемого материала, при этом, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, каждая стенка контейнера 2 выполнена двухслойной, а именно: с внешним слоем из газо-водопроницаемой стеклоткани и внутренним слоем - из гибкого пористого нетканого материала, например, полипропилена. Выполнение стенок контейнера 2 из указанных выше материалов, с одной стороны, обеспечивает сохранность содержимого контейнера 2 при транспортировке плоского нагревателя за счет того, что размер пор в нетканом материале много меньше минимального размера частиц экзотермического состава 3 в твердом состоянии, и термостойкость, соответствующую термостойкости стеклоткани, а с другой стороны обеспечивает возможность соединения стенок контейнера 2 между собой и слоев в каждой стенке между собой с помощью общего термошва.
Корпус плоского нагревателя выполнен из двух одинаковых листов 4 и 5 газо-водонепроницаемого, теплопроводящего материала: алюминиевой фольги, пропитанной стеклоткани и т.п. Листы 4 и 5 герметично соединены между собой по замкнутому контуру (термошвом 6, например) с образованием, по крайней мере, для одного контейнера 2 с экзотермическим составом 3 в твердом состоянии (предпочтительно на основе оксида кальция) замкнутой полости 1 с двумя расположенными напротив друг друга теплопередающими стенками. Листы 4 и 5 могут быть герметично соединены между собой по замкнутому контуру не только с помощью термошва 6, но также с помощью клея, пайки или сварки.
Замкнутый контур (термошва 6 на фиг.1, 3 и 4) включает расположенные напротив друг друга первый 7 и второй 7′ горловинные участки, которые верхними концами сопряжены между собой пробочным участком 8, удаляемым или разрушаемым пользователем перед подачей им внутрь корпуса плоского нагревателя жидкого реагента; первый 9 и второй 9' боковые участки, расположенные также напротив друг друга и сопряженные между собой своими нижними концами донным участком 10. Нижний конец первого горловинного участка 7 сопряжен с верхним концом соответствующего ему первого бокового участка 9 первым плечевым участком 11, а нижний конец второго горловинного участка 7' сопряжен с верхним концом соответствующего ему второго бокового участка 9′ вторым плечевым участком 11'. Здесь необходимо отметить, что границы сопрягаемых между собой участков 7, 8,7′, 11′, 9′, 10, 9 и 11 на чертежах обозначены штриховыми линиями 12. В предпочтительном варианте осуществления изобретения листы 4 и 5 имеют прямоугольную форму, замкнутый контур термошва 6 имеет симметричную относительно оси 13 форму, а участки 8, 9, 9′ и 10 выполнены по краям листов 4 и 5 (фиг.1). Однако листы 4 и 5 могут иметь и другую форму (например, форму пятиугольника - фиг.3, или трапецеидальную форму - фиг.4), но обязательно обеспечивающую образование выступающих наружу теплорассеивающих участков 14 и 14′ соответственно листов 4 и 5, которые расположены с внешней стороны и между каждым плечевым участком 11 и 11′ и смежным с ним соответственно горловинным участком 7 и 7′ замкнутого контура.
Плечевые участки 11 и 11′ замкнутого контура выполнены, предпочтительно, прямолинейной (фиг.1 и 4) или дугообразной формы (фиг.3) с обращенной наружу выпуклостью. Последний вариант является более предпочтительным, так как увеличение длины плечевых участков 11 и 11′ приводит к увеличению проходящего через эти участки теплового потока.
Горловинные участки 7 и 7′, предпочтительно, расположены относительно друг друга под острым углом, вершина которого обращена вниз. Это обеспечивает удобство подачи жидкого реагента в полость корпуса.
Для повышения удобства пользования плоский нагреватель может быть снабжен элементами, указывающими на рекомендуемое место реза или отрыва верхнего участка каждого из листов 4 и 5 с находящимся там горловинным участком 8 термошва 6, например, в виде вырезов 15 (фиг.1) или нанесенной на внешнюю поверхность, по крайней мере, одного из листов 4 или 5 линии реза, отрыва (не показана). Кроме того, на листах 4 и 5 может быть выполнена полоска 16 с пониженной механической прочностью (фиг.4).
Контейнер 2 может быть выполнен с полостью, разделенной, по крайней мере, на два отсека (путем, например, формирования термошвов 17 фиг.5) при этом экзотермический состав в твердом состоянии распределен между отсеками, пропорционально их объемам. Следствием вышесказанного является лучшая сохраняемость формы плоского нагревателя при транспортировке и хранении.
Сформированное входное отверстие на фиг.6 обозначено позицией 18, а на фиг.7 плоские нагреватели обозначены позицией 19, упаковки с пищевыми продуктами позицией 20, теплоизолирующий корпус 21.
Плоский нагреватель изготавливается следующим образом. Одинаковые листы 4 и 5 из газо-водонепроницаемого, теплопроводящего материала (алюминиевой фольги, ламистера и т.п.) накладывают друг на друга с обеспечением совмещения их одноименных краев. Герметично соединяют листы 4 и 5 между собой по разомкнутому контуру, включающем участки 9, 11, 7, 8, 7′, 11′ и 9′. Затем в полость между листами 4 и 5 через отверстие между нижними концами боковых участков 9 и 9′ вставляют контейнер 2 с инициируемым жидким реагентом (водой) экзотермическим составом 3 в твердом состоянии. Предпочтительно, в качестве экзотермического состава 3 в твердом состоянии используется однородная смесь оксида кальция с безводным силикагелем при содержании безводного силикагеля в количестве 1 части на 3,0-6,0 вес. частей оксида кальция, обеспечивающая длительность выделения тепла, равной 8-10 мин. После этого, вакуумируют полость между листами 4 и 5 и формируют донный участок 10 замкнутого контура с образованием замкнутой полости 1.
Плоский нагреватель используется следующим образом. Для приведения плоского нагревателя в рабочее состояние (иными словами, для осуществления инициирования экзотермической химической реакции между находящимся в контейнере 2 экзотермическим составом 3 в твердом состоянии и жидким реагентом) необходимо предварительно сформировать входное отверстие для подачи жидкого реагента в полость корпуса плоского нагревателя. В предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутое выше входное отверстие 18 формируется в результате удаления (путем отрыва или отрезания) верхней части листов 4 и 5 с находящимся там пробочным участком 8 замкнутого контура термошва 6 (фиг.6) в соответствии с имеющимися на корпусе плоского нагревателя элементами, указывающими на рекомендуемое место реза или отрыва (вырезы 15, например).
Инициирование экзотермической химической реакции между экзотермическим составом 3 в твердом состоянии (предпочтительно однородной смеси оксида кальция с безводным силикагелем) и жидким реагентом осуществляется путем налива определенного экспериментально объема жидкого реагента (воды) в полость корпуса плоского нагревателя через сформированное входное отверстие 18 (фиг.6). Для осуществления этой операции может быть использована, например, мерная емкость (аналогично тому, как описано в прототипе). После налива соответствующего количества жидкого реагента сформированное входное отверстие 18 закрывается путем прижима прилегающих к входному отверстию 18 участков листов 4 и 5 друг к другу с последующим загибом этих участков в одну и ту же сторону на 180°.
После этого плоский нагреватель используется для нагрева одного или двух упакованных пищевых продуктов. Основное преимущество предложенного плоского нагревателя заключается в том, что он может быть использован для одновременного нагрева нескольких упаковок 20 с пищевым продуктом путем размещения в общем корпусе 21 и в чередующейся последовательности и вплотную друг к другу вертикально расположенных одинаковых плоских нагревателей 19 и также расположенных вертикально одинаковых упаковок 20 с пищевым продуктом (фиг.7).
Плоский нагреватель функционирует следующим образом. Жидкий реагент (вода), налитая через входное отверстие 18 в полость корпуса плоского нагревателя, пройдя сначала через поры в слоях стенок контейнера 2 поступает в его полость, заполненную экзотермическим составом 3 (однородной смесью оксида кальция с безводным силикагелем). При контакте оксида кальция с водой происходит экзотермическая химическая реакция. Тепло, выделившееся в результате экзотермической химической реакции между оксидом кальция и водой, сначала через стенки контейнера 2, а затем через листы 4 и 5 передается с двух противоположных сторон нагреваемым объектам. Экзотермическая химическая реакция между оксидом кальция и водой сопровождается образованием водяного пара, что приводит к росту давления в полости корпуса плоского нагревателя. Однако наличие в предложенном плоском нагревателе выступающих наружу теплорассеивающих участков 14 и 14′ (соответственно, листов 4 и 5) приводит к увеличению теплоотвода от участков стенок корпуса плоского нагревателя, прилегающих к плечевым участкам 11 и 11′ термошва 6. В результате, в прилегающих к этим участкам областях полости корпуса плоского нагревателя повышается интенсивность процесса конденсации водяного пара, что приводит к снижению максимального значения давления водяного пара в полости корпуса плоского нагревателя, достигаемого в процессе протекания экзотермической химической реакции. Следствием вышесказанного является снижение требований к механической прочности корпуса плоского нагревателя, а именно к толщине листов 4 и 5. Этот вывод следует из результатов, полученных при испытании плоских нагревателей, выполненных с теплорассеивающими участками 14 и 14' и без них. Во всех испытаниях листы 4 и 5 изготавливались из ламистеровой пленки толщиной 0,07 мм. Также во всех испытаниях использовались: экзотермический состав 3 в виде однородной смеси 50 г оксида кальция и 10 г безводного силикагеля марки МСКМ, а также жидкий реагент - вода в количестве 50 мл. Было изготовлено 80 плоских нагревателей, показанных на фиг.1; 100 плоских нагревателей аналогичной конструкции, но без теплорассеивающих участков 14 и 14′ (иными словами с участками 7, 7′, 11 и 11′ термошва 6, расположенными по краям листов 4 и 5); а также 50 плоских нагревателей, показанных на фиг.3. В процессе испытаний произошло разрушение корпуса соответственно: у четырех плоских нагревателей из 80; у 39 плоских нагревателей их 100 и у одного из 50.
Таким образом, признаки, касающиеся наличия у плоского нагревателя теплорассеивающих участков, являются существенными с точки зрения снижения материалоемкости плоских нагревателей, а следовательно, и их стоимости.
Промышленная применимость предложенного изобретения подтверждается возможностью реализации его с использованием известных материалов и технологических процессов, широко используемых в пищевой промышленности.