Věda a technika v pozadí
Ohniště 21. století!
Sporák na uhlí.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Teorie
Profesionální kuchaři sice často dávají přednost plynovým sporákům, ale my se podíváme na ty elektrické, na jednotlivé druhy varných ploch. Jednou z prvních aplikací elektrického proudu bylo jeho využití u elektrické topné spirály. Při průchodu elektrického proudu odporovou spirálou zalitou v keramické hmotě vzniká teplo, které zahřívá kovou plotýnku, kterou je spirála přikrytá. První jednoduché aplikace měly často pouze topnou spirálu uloženou v šroubovité drážce (nejčastěji v šamotovém tělese) a příkon takového vařiče, plotýnky, se nedal nijak regulovat. V dalším vývoji tohoto principu již měly plotýnky topné těleso rozděleno nejčastěji na tři skupiny a spínač připojoval např. po 200 W příkon na 200, 400 a 600 W. Dnes bývá počet regulačních stupňů většinou až šest, čímž se dosahuje hospodárnějšího využití elektřiny.
V tepelných elektrických spotřebičích se mění elektrická energie ve vnitřní energii vodičů. To se projevuje jejich zahříváním. Zahřívání vodičů při průchodu elektrického proudu si vysvětlujeme srážkami volných elektronů v kovu s jeho ionty, přičemž elektrony předávají vodiči část své kinetické energie. Tím se zvětšuje celková vnitřní energie vodiče. Vodič má vyšší teplotu než okolí a tepelnou výměnou je předává svému okolí.
Protože vodič předává teplo na úkor odebrané elektrické energie, určíme je stejným způsobem, jako jsme určovali práci elektrického proudu v předchozím článku. Prochází–li vodičem při napětí U proud I po dobu t, platí pro teplo QJ
Uvedený vztah pochází z roku 1841 a nazývá se po svých objevitelích Joulův–Lenzův zákon a teplo QJ je označováno Jouleovo teplo.
James Joule.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.
Dnešní sporáky se dělají s varnou deskou vyrobenou buď z litinových plotýnek nebo se sklokeramickou deskou. Sklokeramická deska je sice dražší, ale energeticky úspornější. Použitý sklokeramický materiál má extrémně nízkou tepelnou roztažnost, proto ani při velkých teplotních rozdílech nepraská. Sklokeramickou desku může ohřívat topná spirála, halogenová trubice a indukční spirála.
| technologie | účinnost | čas potřebný k ohřátí 2 l vody |
energie potřebná k přivedení 2 l vody do varu (z 20 °C) |
|---|---|---|---|
| indukční vařič | 83 až 90 % | 4 min 46 s | 745 kJ |
| halogenový vařič | 60 % | 9 min 0 s | 1120 kJ |
| topná spirála, litinový vařič | 45 % | 8 min 0 s | 1490 kJ |
| plyn | 55 % | 6 min 2 s | 1220 kJ |
Do červena rozžhavená odporová topná spirála umístěná pod deskou vyzařuje teplo přímo do dna nádoby. Významný podíl na rychlost ohřevu má právě sálavá složka. Plný výkon dosahuje plotýnka již za 10 až 20 sekund. V plotýnkách jsou umístěna čidla, termostaty, které udržují stálou teplotu plotýnek a současně zamezí jejímu přehřátí. V tom je i rozdíl oproti dřívějším litinovým plotýnkám. Tam se, ve většině případů, pro regulaci ohřevu mění příkon plotýnky. Čím větší příkon, tím je i větší teplota plotýnky. U sklokeramického systému je příkon plotýnky stále stejný, ale teplota se mění podle doby zapnutí, připojení na síť.
Podobný princip je využit i u halogenových trubic. Varná trubice je naplněna halogenidovými plyny a sálavá složka tepla je zde vyšší, než u odporových topných spirál. Tím je i ohřev mnohem rychlejší.
Indukční varná deska využívá vlastnosti tzv. vířivých (Foucaultových) proudů, které vznikají v masivních vodičích pohybujících se v magnetickém poli nebo v časově proměnném magnetickém poli, kde jsou vodiče v klidu. Vlivem časové změny magnetického indukčního toku se ve vodiči indukují proudy, jejichž směr nelze přesně určit. Důsledkem jejich vzniku je zahřívání vodiče. Toho se dá využít ke kalení součástek vložením do cívky s vysokofrekvenčními proudy, tzv. vysokofrekvenční ohřev, nebo při vaření na sklokeramických varných indukčních deskách.
Pohled na indukční vařič zevnitř.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Primárním obvodem sklokeramické varné indukční desky je cívka uložená pod sklokeramickou deskou, zatímco sekundárním obvodem je varná nádoba. Ze spotřebitelské sítě je odebíráno napětí o frekvenci 50 Hz. Měnič ho převede na hodnotu 25 – 35 kHz a dodá indukční cívce pod sklokeramickou deskou. Cívkou začne procházet vysokofrekvenční elektrický proud a zároveň se kolem ní vytváří silné magnetické pole. Umístěním varné nádoby na varnou zónu získáváme dva obvody vázané indukční vazbou. Dno nádoby supluje sekundární cívku, kterou prochází indukční tok generovaný primární cívkou. V silném dnu varné nádoby zhotoveném z vodivého a zmagnetizovatelného materiálu dochází ke vzniku Foucaultových vířivých proudů. Následkem je ohřátí dna nádoby, které přímo předává tepelnou energii obsahu varné nádoby. Proto jsou energetické ztráty tak nízké a energetická efektivnost indukčních varných desek dosahuje 90 %. Ztráty v indukční cívce a ostatních prvcích se pohybují kolem 4 % a samotná elektronika nespotřebovává více jak 6 % dodané elektrické energie. Další výhodou indukčních varných desek je okamžitá regulace výkonu a rychlost ohřevu. Mezi nevýhody indukčních varných desek počítáme vyšší pořizovací náklady a nutnost používání speciálního nádobí. Varnou nádobu lze podrobit testu vhodnosti použití k indukčnímu ohřevu. Nejjednodušším způsobem je přiložení permanentního magnetu u dna nádoby. Magnet u dna musí držet, protože dno nádoby musí být zmagnetizovatelné.
