АКТИВИЗИРУЕМЫЙ ВОДОЙ ПЛОСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к пищевой промышленности, а более конкретно к устройствам для нагрева упакованных пищевых продуктов перед их употреблением.
Из достигнутого уровня техники известен активизируемый водой плоский нагреватель, содержащий выполненный из гибкого полимерного пористого нетканого материала плоский контейнер с замкнутой полостью, в которой размещены сложенные вместе теплогенерирующий материал, спеченный в форме пластины, и пластинчатый фильтр (см. патент US - A - №5355869, 1994),
Основной недостаток описанного выше плоского нагревателя заключается в том, что при протекании экзотермической химической реакции между магнием и водой в присутствии железа выделяется водород, что создает серьезные неудобства при его использовании.
Известен также активизируемый водой плоский нагреватель, взятый в качестве прототипа и содержащий плоский контейнер с замкнутой полостью, при этом замкнутая полость заполнена однородной смесью окиси кальция с безводным силикагелем, при содержании безводного силикагеля в количестве 1 части на 3,0-6,0 вес. частей окиси кальция, а контейнер выполнен с двумя одинаковыми и расположенными напротив друг друга стенками, соединенными между собой по краям, при этом каждая стенка контейнера выполнена двухслойной с внешним слоем из газоводопроницаемой стеклоткани и внутренним слоем из полимерного пористого нетканого материала, причем соединение стенок между собой и слоев в каждой стенке между собой выполнено в виде общего термошва (см. патент RU - U1 - №74787, 2008).
Использование в качестве теплогенерирующего материала однородной смеси окиси кальция с безводным силикагелем повышает безопасность, поскольку отсутствует выделение водорода при протекании экзотермической химической реакции, однако не позволяет полностью исключить неудобства при использовании активизируемого водой плоского нагревателя, вследствие значительного парообразования и связанного с ним попадания продуктов экзотермической химической реакции на упаковку с нагреваемым пищевым продуктом. В этом заключается основной недостаток прототипа.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по повышению удобства пользования активизируемым водой плоским нагревателем, при одновременном расширении его эксплуатационных параметров. Достигаемые при этом технические результаты заключаются: в существенном уменьшении, вплоть до полного прекращения выделения водяного пара при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой; в исключении попадания продуктов реакции на нагреваемый объект; а также в возможности установления в каждом конкретном случае максимального значения поверхностной температуры плоского нагревателя.
Поставленная задача решена тем, что активизируемый водой плоский нагреватель, содержащий контейнер, который выполнен с двумя расположенными напротив друг друга двухслойными стенками, соединенными между собой с образованием полости для теплогенерирующего материала, согласно полезной модели, дополнительно содержит корпус и замкнутую камеру из эластичного материала, заполненную водой или водным солевым раствором с температурой замерзания ниже 0°С, полость контейнера заполнена смесью окиси кальция с нанометровой толщины частицами бентонита с долей числа частиц, имеющих размер, не превышающий 10 микрон, составляющей не менее 89% при содержании бентонита в количестве одной части на 1,0-2,5 вес. частей окиси кальция, при этом корпус выполнен из двух листов газоводонепроницаемого, гибкого, теплопроводящего материала, которые соединены между собой по замкнутому контуру с образованием замкнутой полости, в которой размещены контейнер и замкнутая камера.
Использование окиси кальция с добавкой нанометровой толщины частиц бентонита обеспечивает существенное уменьшение, вплоть до полного прекращения, выделения водяного пара при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой. Благодаря этому обеспечивается возможность размещения контейнера в газоводонепроницаемом корпусе из гибкого, теплопроводящего материала с невысокой механической прочностью, а, следовательно, не дорогого. В результате повышается удобство пользования патентуемый нагревателем за счет исключения попадания продуктов реакции на нагреваемую упаковку с пищевым продуктом. Кроме того, обеспечивается возможность управления величиной температуры стенок корпуса в сторону ее уменьшения. Это позволяет расширить эксплуатационные возможности патентуемого нагревателя.
В одном из предпочтительных воплощений полезной модели контейнер размещен в нижней части замкнутой полости корпуса, а замкнутая камера - в ее верхней части, при этом замкнутая полость корпуса выполнена сужающейся к верху, а верхняя и нижняя части замкнутой полости выполнены с размерами, обеспечивающими фиксированное положение контейнера и замкнутой камеры при транспортировке, хранении и использовании.
Благодаря этому повышается удобство пользования патентуемым нагревателем за счет фиксированного положения замкнутой камеры, которую пользователь разрушает надавливанием при инициировании экзотермической химической реакции.
На фиг.1 изображен активизируемый водой плоский нагреватель, вид спереди, частичный разрез; на фиг.2 - пример использования патентуемого нагревателя.
Активизируемый водой плоский нагреватель (фиг.1) содержит корпус 1, контейнер 2 и замкнутую камеру 3 из эластичного материала. Корпус 1 выполнен из двух (предпочтительно одинаковых, прямоугольных) листов 4 и 5 гибкого, газоводонепроницаемого материала с высокими теплофизическими характеристиками (теплопроводностью и температуропроводностью), например алюминиевой фольги, ламистера и т.п. Листы 4 и 5 образуют две расположенные напротив друг друга стенки активизируемого водой плоского нагревателя и соединены между собой по замкнутому контуру посредством герметичного шва 6 (предпочтительно термошва) с образованием замкнутой (герметичной) полости 7.
Контейнер 2 выполнен плоским с двумя расположенными напротив друг друга стенками, каждая из которых выполнена двухслойной. Внешний слой 8 каждой стенки контейнера 2 выполнен (как и в прототипе) из газоводопроницаемой стеклоткани, а внутренний слой 9 каждой стенки контейнера 2 выполнен из гибкого полимерного пористого нетканого материала, предпочтительно полипропилена. Стенки контейнера 2 соединены по краям между собой, при этом соединение стенок контейнера 2 между собой и слоев 8 и 9 в каждой стенке выполнено в виде общего термошва 10 с образованием полости, которая заполнена реагентом в твердом состоянии, а именно, смесью 11 окиси кальция с нанометровой толщины частицами бентонита, при содержании бентонита в количестве 1 части на 1,0-2,5 вес. части окиси кальция, причем доля частиц бентонита с размером, не превышающем 10 мкм составляет не менее 89%. Выполнение каждой стенки контейнера 2 двухслойной, с одной стороны, препятствует при транспортировке и хранении активизируемого водой плоского нагревателя утечке через стенки контейнера частиц окиси кальция и бентонита, а с другой стороны, обеспечивает оптимальные условия для подачи воды в полость контейнера 2, а также сохранение работоспособности активизируемого водой плоского нагревателя при температурах, приводящих к нарушению целостности внутренних слоев 9 стенок контейнера 2.
Замкнутая камера 3 заполнена реагентом 12 в жидком состоянии, а именно: водой или водным солевым раствором с температурой замерзания ниже 0°С (поваренной соли или ацетата натрия, калия), что обеспечивает в последнем случае возможность функционирования плоского нагревателя при температуре ниже 0°С. Замкнутая камера 3 выполнена из эластичного материала (полиэтилена, тонкой резины) с обеспечением нарушения ее целостности при приложении пользователем к расположенным напротив друг друга участкам ее стенки сжимающей нагрузки.
Контейнер 2 и замкнутая камера 3 размещены в замкнутой полости 7 корпуса 1. Иными словами, замкнутая полость 7 является замкнутой реакционной зоной при протекании экзотермической химической реакции между находящимся в полости контейнера 2 реагентом в твердом состоянии и находящимся в замкнутой камере 8 реагентом 12 в жидком состоянии. Для обеспечения эффективного перемешивания реагентов контейнер 2 размещен в нижней части замкнутой полости 7, а замкнутая камера 3 - в верхней части замкнутой полости 7. В предпочтительном воплощении полезной модели замкнутая полость 7 выполнена сужающейся к верху, поскольку замкнутая камера 3 имеет меньший объем по сравнению с объемом контейнера 2.
Сохраняемость формы корпуса 1 при транспортировке и использовании активизируемого водой плоского нагревателя обеспечивается также тем, что верхняя и нижняя части замкнутой полости 7 выполнены с размерами, обеспечивающими фиксированное положение контейнера 2 и замкнутой камеры 3 соответственно в нижней и верхней части замкнутой полости 7 корпуса 1 при транспортировке, хранении и использовании патентуемого нагревателя.
На фиг.2 используются также следующие обозначения: 13 - внешний кожух, 14 - упаковка с нагреваемым пищевым продуктом, 15 -пластина из теплоизоляционного материала (картона, толстой бумаги, полимерного материала). Внешний кожух 13 выполнен из коррозионно-стойкого, газоводонепроницаемого, гибкого листового материала, например, алюминиевой фольги, ламистера. В предпочтительном случае внешний кожух выполнен герметичным в виде двух расположенных напротив друг друга стенок 16 и 17, соединенных между собой герметичным швом, предпочтительно термошвом 18. Кроме того, внешний кожух 13 выполнен с многоразовым защелкивающимся затвором 19, расположенным в его верхней части. Упаковка 14 с нагреваемым пищевым продуктом, активизируемый водой плоский нагреватель и пластина 15 размещены в полости внешнего кожуха 13, при этом активизируемый водой плоский нагреватель размещен между упаковкой 14 с нагреваемым пищевым продуктом и пластиной 15.
Активизируемый водой плоский нагреватель используется следующим образом. Для инициирования экзотермической химической реакции между находящейся в контейнере 2 окисью кальция и водой, находящейся в замкнутой камере 3, пользователь прикладывает сжимающее усилие к расположенным напротив друг друга верхним участкам листов 4 и 5 корпуса 1 между которыми расположена замкнутая камера 3 с водой или водным солевым раствором с температурой замерзания ниже 0°С. При приложении к выполненной из эластичного материала замкнутой камере 3 сжимающей нагрузки (усилия) увеличивается давление находящегося в ней реагента 12 в жидком состоянии. При достижении давлением в замкнутой камере 3 предельно допустимого значения, происходит разрушение ее стенки, а, следовательно, подача реагента 12 в жидком состоянии (воды или водного солевого раствора с температурой замерзания ниже 0°С) в замкнутую полость 7, Здесь необходимо отметить, что предельно допустимое давление реагента 12 в жидком состоянии (далее вода), как правило, определяется механической прочностью швов или других соединений, неизбежно присутствующих в замкнутых оболочках. Вода, поступающая в замкнутую полость 7 корпуса 1, пройдя сначала через поры каждого слоя 8 и 9 каждой стенки контейнера 2 вступает в контакт с находящейся в его полости смесью 11 окиси кальция с частицами бентонита. В результате осуществляется экзотермическая химическая реакция между окисью кальция и водой.
На основании проведенных исследований было установлено, что использование в качестве добавки к окиси кальция нанометровой толщины частиц бентонита с размерами не более 10 мкм обеспечивает после смешения добавки с частицами окиси кальция формирование на поверхности частиц окиси кальция «центров» капиллярной конденсации водяного пара, обеспечивающих задержку сорбированной воды при термической десорбции, а, следовательно, обеспечивающих уменьшение парообразования при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой. Дело в том, что при измельчении фрагментов бентонита, представляющих собой нанослойную структуру, образуются частицы нанометровой толщины (от 10 до 50 нм), гранулометрический состав которых зависит от того, какие конкретно средства используется для диспергирования фрагментов бентонита. При перемешивании частиц окиси кальция с имеющими существенно меньшие размеры частицами бентонита, последние за счет сил адгезии прилипают к поверхности частиц окиси кальция. Что касается формы, то частицы бентонита, расположенные на поверхности частиц окиси кальция имеют криволинейную форму с выпуклостью, обращенной к поверхности соответствующих им частиц окиси кальция, при этом с уменьшением размера частиц бентонита кривизна формы частиц увеличивается. В результате, с одной стороны, в местах контакта имеющих криволинейную форму частиц бентонита с более крупными частицами окиси кальция образуются микроскопические промежутки между загнутыми краями частиц бентонита и расположенными напротив их участками поверхности соответствующих им частиц окиси кальция, а с другой стороны, загнутые края частиц бентонита с размером 2-10 мкм образуют частично замкнутые полости с небольшими выходными устьями.
Таким образом, частицы бентонита с размерами до 10 мкм, находящиеся на поверхности частиц окиси кальция за счет сил адгезии, создают условия для капиллярной конденсации водяного пара, как в промежутках между частицами бентонита и окиси кальция, так и в образованных частицами бентонита, в результате загиба их краев частично замкнутых полостей. При этом в последнем случае десорбция воды из частично замкнутых полостей будет существенно затруднена (см. Физический энциклопедический словарь, М. ГНИ «Советская энциклопедия», т.2, 1962, с.277). Это приводит к уменьшению парообразования при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой.
Было установлено, что использование добавки в виде нанометровой толщины частиц бентонита с долей числа частиц, имеющих размер не превышающий 10 мкм, составляющей не менее 89% и при содержании бентонита в количестве одной части на 2,5 вес. части окиси кальция обеспечивает уменьшение паровыделения на 50% по сравнению с меньшим содержанием бентонита, а именно в количестве 1 части на 3,0 вес. частей окиси кальция. При содержании бентонита в количестве 1 части на 2,0 вес. части окиси кальция парообразование полностью прекращается при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой. Было установлено также, что дальнейшее увеличение содержания бентонита в смеси (до соотношения компонент 1:1) приводит дополнительно к снижению температуры поверхности корпуса 1 (до 40-50°С), хотя температура внутри реагирующей смеси остается практически неизменной. Дальнейшее увеличение содержания бентонита в смеси не приводит к каким-либо изменениям параметров реакционного процесса. Кроме того, во всем указанном выше диапазоне содержания бентонита в смеси интервал времени между моментом инициирования экзотермической химической реакции до момента уменьшения температуры корпуса 1 до 100°С составляет 26-35 минут, иными словами, больше чем в прототипе.
Таким образом, заполнение полости контейнера 2 смесью 11 окиси кальция с частицами бентонита при содержании бентонита в количестве 1 части на 1,0-2,5 вес. частей окиси кальция с долей нанометровой толщины частиц бентонита с размером, не превышающем 10 мкм, составляющей не менее 89%, обеспечивает существенное уменьшение парообразования вплоть до его полного прекращения при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой, а также обеспечивает возможность ограничения величины нагрева стенок корпуса 1, которые образованы листами 4 и 5.
Уменьшение парообразования при протекании экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой позволило разместить контейнер 2 и замкнутую камеру 3 в общем корпусе 1, а, следовательно, исключить попадание продуктов реакции на нагреваемую упаковку 14 с пищевым продуктом. В результате повышается удобство пользования активизируемым водой плоским нагревателем при отсутствии необходимости в использовании корпуса с высокой механической прочностью.
Тепло, выделяющееся в процессе протекания экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой, сначала через внутренние 9 и внешние 8 слои стенок контейнера 2, а затем через образованные листами 4 и 5 стенки корпуса 1 передается предметам, находящимся в тепловом контакте со стенками корпуса 1. В предпочтительном примере, представленном на фиг.2, одна из стенок корпуса 1 находится в тепловом контакте с одной из стенок упаковки 14 с нагреваемым пищевым продуктом. Другая стенка корпуса 1 с помощью пластины 15 из теплоизоляционного материала теплоизолирована от стенки 17 внешнего кожуха 13. Следовательно, тепловой поток от активизируемого водой плоского нагревателя к упаковке 14 с нагреваемым пищевым продуктом будет существенно больше величины теплового потока, направленного через пластину 15 к внешнему кожуху 13. В результате обеспечивается повышение эффективности использования тепла, выделившегося в результате протекания экзотермической химической реакции. Здесь необходимо отметить, что использование многоразового защелкивающегося затвора 19 позволяет уменьшить потери тепла при нагреве упакованного пищевого продукта за счет исключения конвекционных потоков. По окончании экзотермической химической реакции затвор 19 открывают, извлекают упаковку 14 с нагретым пищевым продуктом.
Промышленная применимость полезной модели подтверждается также возможностью ее реализации при использовании широко известных в пищевой промышленности технологического оборудования и материалов.