Индукционная готовка — это процесс приготовления пищи с использованием прямого электрического индукционного нагрева посуды для приготовления пищи , а не косвенного излучения , конвекции или теплопроводности . Индукционная готовка позволяет достигать высокой мощности и очень быстрого повышения температуры: изменения в настройках нагрева происходят мгновенно. [1]
Сосуды для приготовления пищи с подходящими основаниями помещаются на индукционную электрическую плиту (также «индукционную плиту» или «индукционную варочную панель»), которая обычно имеет жаропрочную стеклокерамическую поверхность над катушкой из медной проволоки, через которую проходит переменный электрический ток низкой радиочастоты . Возникающее в результате этого осциллирующее магнитное поле индуцирует электрический ток в сосуде. Этот большой вихревой ток, протекающий через сопротивление тонкого слоя металла в основании сосуда, приводит к резистивному нагреву .
Почти для всех моделей индукционных варочных панелей емкость для приготовления пищи должна быть изготовлена из черного металла, например, чугуна или некоторых видов нержавеющей стали , или содержать его . Железо в кастрюле концентрирует ток для производства тепла в металле. Если металл слишком тонкий или не обеспечивает достаточного сопротивления электрическому току, нагрев не будет эффективным. Индукционные поверхности обычно не нагревают медные или алюминиевые сосуды, поскольку магнитное поле не может создавать концентрированный ток, но чугунные, углеродистые и нержавеющие сковороды обычно подходят. Любую емкость можно использовать, если поместить ее на подходящий металлический диск, который функционирует как обычная конфорка.
Индукционная готовка имеет хорошее соединение между кастрюлей и катушкой и, таким образом, довольно эффективна, что означает, что она выделяет меньше тепла и ее можно быстро включать и выключать. Индукция имеет преимущества в плане безопасности по сравнению с газовыми плитами и не загрязняет воздух на кухне. Варочные панели также обычно легко чистить, потому что сама варочная панель имеет гладкую поверхность и не сильно нагревается.
Первые патенты были выданы в начале 1900-х годов. [2] Демонстрационные плиты были показаны подразделением Frigidaire компании General Motors в середине 1950-х годов [3] на передвижной витрине. Индукционная плита была показана нагревающей кастрюлю с водой, при этом между плитой и кастрюлей была помещена газета, чтобы продемонстрировать удобство и безопасность. Это устройство так и не было запущено в производство.
Современные реализации появились в начале 1970-х годов, когда работа была выполнена в Научно-исследовательском центре корпорации Westinghouse Electric . [4] Эта работа была впервые представлена на съезде Национальной ассоциации строителей домов в Хьюстоне, штат Техас, в 1971 году в рамках экспозиции подразделения потребительских товаров Westinghouse. [ требуется ссылка ] Автономная одноконфорочная линейка была названа Cool Top Induction Range. Она использовала параллельные транзисторы Delco Electronics, разработанные для автомобильных электронных систем зажигания, для управления током частотой 25 кГц.
Westinghouse решила изготовить несколько сотен единиц продукции для развития рынка. Они были названы индукционными плитами Cool Top 2 (CT2). Разработкой занималась команда под руководством Билла Морленда и Терри Маларки. Плиты стоили 1500 долларов США (11 050 долларов в долларах 2023 года), включая набор высококачественной посуды из Quadraply, нового ламината из нержавеющей стали, углеродистой стали, алюминия и еще одного слоя нержавеющей стали (снаружи внутрь). Производство началось в 1973 году и прекратилось в 1975 году.
CT2 имел четыре «горелки» мощностью около 1600 Вт каждая. Поверхность представляла собой керамический лист Pyroceram, окруженный безелем из нержавеющей стали, на котором четыре магнитных ползунка регулировали четыре соответствующих потенциометра ниже. Такая конструкция, не использующая сквозных отверстий, делала диапазон непроницаемым для проливов. Электронная секция состояла из четырех идентичных модулей, охлаждаемых одним тихим, низкоскоростным, высокомоментным вентилятором.
В каждом из электронных модулей бытовая сетевая мощность 240 В, 60 Гц преобразовывалась в 20–200 В постоянного тока с помощью фазоуправляемого выпрямителя , который затем преобразовывался в переменный ток частотой 27 кГц и силой 30 А (пик) двумя массивами из шести параллельных транзисторов автомобильного зажигания Motorola в полумостовой конфигурации, приводящих в действие последовательно-резонансный LC- генератор , в котором индуктивным компонентом была катушка индукционного нагрева, а ее нагрузкой — кастрюля. Конструкция схемы, в значительной степени разработанная Рэем Маккензи [5] , успешно справлялась с проблемами перегрузки.
Электроника управления включала такие функции, как защита от перегрева кастрюль и перегрузок. Было предусмотрено снижение излучаемых электрических и магнитных полей. [6] [7] Было предусмотрено магнитное обнаружение кастрюль. [8]
CT2 был внесен в список UL и получил одобрение Федеральной комиссии по связи (FCC), оба раза впервые. Было выдано множество патентов. CT2 завоевал несколько наград, включая награду журнала Industrial Research Magazine IR-100 за лучший продукт 1972 года [9] и благодарность Ассоциации производителей стали США. Рэймонд Бакстер продемонстрировал CT2 в телесериале BBC «Завтрашний мир» . Он показал, как CT2 может готовить через кусок льда.
Sears Kenmore продала отдельно стоящую духовку/плиту с четырьмя индукционными варочными поверхностями в середине 1980-х годов (номер модели 103.9647910). Устройство также имело самоочищающуюся духовку , твердотельный кухонный таймер и емкостные сенсорные кнопки управления, передовые для того времени. Устройства были дороже стандартных варочных поверхностей.
В 2009 году компания Panasonic разработала полностью металлическую индукционную плиту, которая использовала частоты до 120 кГц [10] , что в три-пять раз выше, чем у других варочных панелей, и позволяла использовать посуду из цветных металлов.
Индукционная плита беспроводным способом передает электрическую энергию посредством индукции из катушки провода в металлический сосуд. Катушка устанавливается под варочной поверхностью, и через нее пропускается переменный ток низкой радиочастоты (обычно ~25-50 кГц [1] ) . Ток в катушке создает динамическое электромагнитное поле, которое является сильно магнитным. Когда подходящий электропроводящий горшок подносится близко к варочной поверхности, осциллирующее поле индуцирует в горшке большие вихревые токи . Катушка имеет много витков, в то время как дно горшка фактически образует один закороченный виток. Это образует трансформатор , который понижает напряжение и повышает ток. Этот большой ток, протекающий через основание горшка, производит тепло посредством джоулева нагрева ; затем горячий горшок, в свою очередь, нагревает свое содержимое посредством теплопроводности .
Для достижения высокой эффективности электрическое сопротивление в катушке должно быть как можно меньше , а в кастрюле — как можно больше, чтобы большая часть тепла вырабатывалась в кастрюле.
На частотах, обычно используемых при индукционной готовке, токи текут в основном по внешней стороне проводников ( скин-эффект ). Уменьшение скин-эффекта в катушке уменьшает ее сопротивление и тепло, теряемое в катушке. Поэтому катушка сделана из литцендратной проволоки , которая представляет собой пучок множества более мелких изолированных проводов, сплетенных вместе параллельно. Литцендрат уменьшает скин-эффект и сопротивление катушки, так что катушка остается холодной. И наоборот, увеличение скин-эффекта в кухонной посуде приводит к более эффективному соединению, что является одним из факторов, делающих предпочтительными железные материалы [11] .
Индукционная готовка обеспечивает быстрый нагрев, улучшенную тепловую эффективность и более равномерный нагрев, чем готовка за счет теплопроводности . [12] Как правило, чем выше номинальная мощность, тем меньше время приготовления. Номинальные мощности индукционных варочных панелей обычно указываются для мощности, подаваемой на сковороду, тогда как газовые номиналы указываются с точки зрения использования газа, но газ гораздо менее эффективен. На практике индукционные варочные зоны обычно имеют производительность нагрева, более сопоставимую с коммерческой газовой горелкой , чем с бытовыми горелками. Часто присутствует термостат для измерения температуры сковороды. Это помогает предотвратить сильный перегрев сковороды, если она случайно нагреется пустой или выкипит, но некоторые модели могут позволить индукционной плите поддерживать заданную температуру.
Индукционные плиты, как правило, изготавливаются из стеклокерамики с низким коэффициентом теплового расширения . Поверхность плиты нагревается только кастрюлей и поэтому обычно не достигает высокой температуры. Теплопроводность стеклокерамики плохая, поэтому тепло не распространяется далеко. Индукционные плиты легко чистить, поскольку поверхность для готовки плоская и гладкая и обычно не нагревается настолько, чтобы пролитая еда пригорела и прилипла. Поверхность хрупкая и может быть повреждена сильным ударом, хотя она должна соответствовать указанным стандартам ударопрочности. [13]
Шум генерируется внутренним охлаждающим вентилятором. Электромагнитно-индуцированный акустический шум и вибрация (высокочастотный гул или жужжание) могут возникать, особенно при высокой мощности, если у посуды есть незакрепленные части или если слои кастрюли неплотно соединены друг с другом; посуда с приваренными слоями оболочки и сплошными заклепками с меньшей вероятностью будет производить этот тип шума. Некоторые пользователи более способны слышать (или более чувствительны) этот высокочастотный звук.
Некоторые методы приготовления пищи, доступные при приготовлении пищи на открытом огне, неприменимы. Людям с искусственными кардиостимуляторами или другими электронными медицинскими имплантатами обычно предписывают избегать источников магнитных полей. [ необходима ссылка ] Радиоприемники вблизи индукционной плиты могут улавливать некоторые электромагнитные помехи . Поскольку варочная панель неглубокая по сравнению с газовой или электрической варочной поверхностью, доступ для инвалидной коляски может быть улучшен; ноги пользователя могут поместиться ниже высоты столешницы, а руки пользователя тянутся сверху. [ оригинальное исследование? ]
Энергия, теряемая при газовой готовке, нагревает кухню, тогда как при индукционной готовке потери энергии намного ниже. Это приводит к меньшему нагреву кухни и снижает требуемый объем вентиляции. Газовые плиты являются значительным источником загрязнения воздуха в помещениях . [14] [15] Эффективность газовой готовки снижается, если принять во внимание образование отходящего тепла. Особенно в ресторанах газовая готовка может значительно повысить температуру воздуха в локализованных областях. Для адекватного кондиционирования горячих областей без переохлаждения других областей может потребоваться дополнительное охлаждение и зонированная вентиляция. В коммерческих условиях индукционные плиты не требуют защитных блокировок между источником топлива и вентиляцией, как это может потребоваться в газовых системах.
Некоторые устройства имеют сенсорное управление. Некоторые имеют настройку памяти, по одной на элемент, для управления временем подачи тепла. По крайней мере один производитель выпускает индукционную варочную поверхность «без зоны» с несколькими индукционными катушками. Это позволяет использовать до пяти кастрюль одновременно в любом месте варочной поверхности, а не в заранее определенных местах. [16]
.jpg/1280px-Early_induction_hob_cooker_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_II,_1909).jpg)
Посуда для приготовления пищи должна быть совместима с индукционным нагревом; как правило, нагревать можно только черные металлы. Посуда для приготовления пищи должна иметь плоское дно, поскольку напряженность магнитного поля (мощность нагрева) быстро падает с расстоянием от поверхности. ( Варочные панели в форме вока доступны для использования с круглым дном воков .) Индукционные диски — это металлические пластины, которые нагреваются индукцией и нагревают цветные металлы кастрюль посредством теплового контакта, но они гораздо менее эффективны, чем железные емкости для приготовления пищи.
Совместимую с индукцией посуду можно почти всегда использовать на других плитах. Некоторая посуда или упаковка маркируется символами, указывающими на совместимость с индукцией, газом или электричеством. Индукционные варочные поверхности хорошо работают с любыми кастрюлями с высоким содержанием черных металлов в основании. Совместимы чугунные кастрюли и любые кастрюли из черного металла или железа. Кастрюли из нержавеющей стали совместимы, если основание кастрюли изготовлено из магнитной нержавеющей стали. Если магнит хорошо прилипает ко дну кастрюли, она совместима. Посуда из цветных металлов совместима с «цельнометаллическими» плитами.
Алюминий и медь желательны в кухонной посуде, поскольку они лучше проводят тепло. По этой причине «трехслойные» сковороды часто имеют совместимую с индукцией оболочку из нержавеющей стали, содержащую слой теплопроводящего алюминия.
Для жарки дно сковороды должно быть хорошим проводником тепла, чтобы быстро и равномерно распределять тепло. Подошва сковороды будет либо стальной пластиной, вдавленной в алюминий, либо слоем нержавеющей стали поверх алюминия. Высокая теплопроводность алюминия делает температуру более равномерной по всей сковороде. Нержавеющие сковороды с алюминиевым дном не имеют такой же температуры по бокам, как сковороды с алюминиевыми боками. Чугунные сковороды хорошо работают с индукционными варочными поверхностями, хотя этот материал не такой хороший проводник тепла, как алюминий.
При кипячении воды вода циркулирует, распределяя тепло и предотвращая появление горячих точек. Для таких продуктов, как соусы, важно, чтобы по крайней мере дно кастрюли включало в себя материал с хорошей теплопроводностью, чтобы тепло распределялось равномерно. Для деликатных продуктов, таких как густые соусы, лучше подойдет кастрюля с алюминием по всей поверхности, так как тепло поднимается по бокам через алюминий, равномерно нагревая соус.
Для индукционной готовки основание подходящей посуды обычно изготавливается из стали или железа . Эти ферромагнитные материалы обладают высокой магнитной проницаемостью , что значительно уменьшает глубину скин-слоя , концентрируя ток в очень тонком слое на поверхности металлического дна кастрюли. Это делает электрическое сопротивление в кастрюле относительно высоким, эффективно нагревая кастрюлю.
Однако для цветных металлов, таких как алюминий, глубина слоя в кастрюлях с типичными индукционными варочными панелями слишком велика, и, таким образом, эффективность со стандартной индукционной плитой низкая: резистивный нагрев в спирали и кастрюле одинаковый. Это может повредить варочную панель, которая это обнаружит и отклонит кастрюлю.
Тепло, которое может быть произведено в горшке, является функцией поверхностного сопротивления. Более высокое поверхностное сопротивление производит больше тепла для одинаковых токов. Это «показатель качества», который можно использовать для оценки пригодности материала для индукционного нагрева. Поверхностное сопротивление в толстом металлическом проводнике пропорционально удельному сопротивлению, деленному на глубину скин-слоя. Если толщина меньше глубины скин-слоя, фактическую толщину можно использовать для расчета поверхностного сопротивления. [4]
Для некоторых материалов толщина кастрюли может быть меньше толщины скин-слоя, что повышает эффективность. Например, типичная титановая походная посуда имеет толщину (обычно около 0,5 мм) примерно в 4 раза меньше толщины скин-слоя на частоте 24 кГц, что увеличивает ее эффективность на этот коэффициент по сравнению с толстым титаном. Менее практично, кусок алюминиевой фольги обычно примерно в 35 раз тоньше толщины скин-слоя алюминия, поэтому будет нагреваться эффективно (и быстро плавиться).
Чтобы получить то же поверхностное сопротивление с медью, что и с углеродистой сталью, металл должен быть тоньше, чем это практично для посуды для приготовления пищи; при 24 кГц дно медной посуды должно быть 1/56 глубины скин-слоя углеродистой стали. Поскольку глубина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню частоты, это говорит о том, что для получения эквивалентного нагрева в медной кастрюле, как в железной кастрюле при 24 кГц, потребуются гораздо более высокие частоты. Такие высокие частоты невозможны с недорогими силовыми полупроводниками. В 1973 году используемые кремниевые управляемые выпрямители были ограничены частотой не более 40 кГц. [4] Даже тонкий слой меди на дне стальной посуды для приготовления пищи защитит сталь от магнитного поля и сделает ее непригодной для индукционной плиты. [4] В черных металлах некоторое дополнительное тепло создается за счет потерь на гистерезис , но это создает менее десяти процентов от общего количества вырабатываемого тепла. [17]
Новые типы силовых полупроводников и конструкции катушек с низкими потерями сделали возможным создание цельнометаллической плиты, которую можно использовать с любой металлической кастрюлей или сковородой, даже если она не предназначена для индукции. В 2009 году компания Panasonic разработала потребительскую индукционную плиту, которая использует более высокочастотное магнитное поле 60 кГц или выше, а также другую конструкцию схемы осциллятора, что позволяет использовать ее также с цветными металлами, включая алюминиевые, многослойные и медные кастрюли и сковороды. [18] [19] В 2017 году компания Panasonic выпустила одноконфорочную настольную «цельнометаллическую» плиту, используя торговое название «Met-All», предназначенную для коммерческих кухонь. [20]
Летнее исследование ACEEE 2014 года по энергоэффективности в зданиях пришло к выводу, что «индукционная готовка не всегда является самым эффективным методом приготовления пищи. При тестировании с большой емкостью для приготовления пищи эффективность традиционной электрической технологии оказалась выше (83%), чем у индукционной (77%). Тем не менее, было показано, что эффективность традиционных приборов для приготовления пищи сильно зависит от размера емкости для приготовления пищи». [1] Методы приготовления пищи, использующие пламя или горячие нагревательные элементы, имеют значительно более высокие потери в окружающую среду; индукционный нагрев напрямую нагревает кастрюлю. Поскольку эффект индукции не нагревает напрямую воздух вокруг емкости, индукционная готовка приводит к дополнительной энергоэффективности. Охлаждающий воздух продувается через электронику под поверхностью, но он лишь слегка теплый.
Целью варочной панели является приготовление пищи; например, могут потребоваться длительные периоды томления. Опубликованные измерения энергоэффективности сосредоточены на способности варочной панели передавать энергию в металлический испытательный блок, который легче измерить повторно.
Эффективность передачи энергии, согласно определению Министерства энергетики США (DOE), представляет собой процент энергии, потребляемой плитой, которая в конце имитируемого цикла приготовления пищи была передана в виде тепла стандартизированному алюминиевому испытательному блоку.
Испытательный цикл DOE начинается с блока и варочной панели при температуре 77 °F ± 9 °F (25 °C ± 5 °C). Затем варочная панель переключается на максимальную мощность нагрева. Когда температура испытательного блока достигает 144 °F (80 °C) выше начальной комнатной температуры, мощность варочной панели немедленно снижается до 25% ± 5% от ее максимальной мощности. Через 15 минут работы при этой более низкой настройке мощности варочная панель выключается, и измеряется тепловая энергия в испытательном блоке. [21] Эффективность определяется соотношением между энергией в блоке и входной (электрической) энергией.
Такой тест, использующий два уровня мощности, призван имитировать реальное использование. Термины, связанные с тратой энергии, такие как остаточное неиспользованное тепло (сохраненное твердыми нагревательными пластинами, керамикой или катушкой в конце теста), а также потери от конвекции и излучения горячими поверхностями (включая поверхности самого блока), не учитываются.
При типичной готовке энергия, поставляемая плитой, используется для нагрева пищи лишь частично; как только это произошло, вся последующая энергия поступает в воздух в виде потерь через пар или конвекцию и излучение. Без повышения температуры пищи процедура испытаний DOE обнаружила бы, что эффективность равна нулю. Такие процедуры приготовления, как уваривание соуса, тушение мяса, томление на медленном огне и т. д., являются значительными применениями плиты, но эффективность этих практик не моделируется процедурой.
В 2013 и 2014 годах DOE разработало и предложило новые процедуры испытаний, позволяющие проводить прямое сравнение эффективности передачи энергии между индукционными, электрическими резистивными и газовыми варочными поверхностями и плитами. В процедурах используется новый гибридный испытательный блок из алюминия и нержавеющей стали. В предлагаемом правиле перечислены результаты реальных лабораторных испытаний, проведенных с гибридным блоком. Для сопоставимых (больших) варочных элементов были измерены следующие показатели эффективности с повторяемостью ±0,5%: 70,7% - 73,6% для индукционных, 71,9% для электрических катушек, 43,9% для газовых. DOE подтвердило, что «индукционные блоки имеют среднюю эффективность 72,2%, что не намного выше, чем эффективность 69,9% гладко-электрических резистивных блоков или 71,2% электрических катушек». [22] Министерство энергетики США отметило, что эффективность индукции в 84%, указанная в предыдущих документах технической поддержки, не была измерена лабораториями Министерства энергетики США, а просто «взяла ссылку на внешнее испытательное исследование», проведенное в 1992 году. [22]
Независимые испытания производителей [23] [1] и другие субъекты, по-видимому, демонстрируют, что фактическая эффективность индукционной готовки обычно остается между 74% и 77% и иногда достигает 81% (хотя эти испытания могут следовать разным процедурам). Эти испытания показывают, что к среднему эталонному значению эффективности индукции в 84% следует относиться с осторожностью.
Для сравнения и в соответствии с выводами Министерства энергетики США, средняя энергоэффективность приготовления пищи на газе составляет около 40%. Ее можно повысить только при использовании специальных кастрюль с ребрами. [24] [25]
При сравнении с газом относительная стоимость электрической и газовой энергии, а также эффективность выработки электроэнергии влияют на общую экологическую эффективность [26] и стоимость использования.
Сковорода изолирована варочной поверхностью, а напряжение, генерируемое в сковороде, слишком низкое, чтобы представлять опасность поражения электрическим током. Варочная панель может определять наличие посуды, контролируя подаваемую мощность. Как и в случае с другими электрическими керамическими варочными поверхностями, максимальный размер сковороды может быть указан производителем, а минимальный размер также указан. Система управления отключает элемент, если кастрюля отсутствует или недостаточно велика. Если сковорода выкипает, она может стать очень горячей — термостат на поверхности отключит питание, если обнаружит перегрев, чтобы предотвратить поломки плиты и потенциальные пожары.
Индукционное оборудование может быть встроенной поверхностью, частью плиты или отдельным поверхностным блоком. Встроенные и напольные блоки обычно имеют несколько элементов, что эквивалентно нескольким горелкам на газовой плите. Отдельные индукционные модули обычно одно- или двухэлементные. Все такие элементы имеют электромагнит, запечатанный под жаропрочным стеклокерамическим листом . Кастрюля помещается на керамическую стеклянную поверхность и нагревает свое содержимое.
Азиатские производители заняли лидирующие позиции в производстве недорогих однозонных индукционных поверхностей. В Японии некоторые модели рисоварок работают на индукции. В других частях света индукционные плиты используются реже.
Индукционные плиты могут применяться на кухнях коммерческих ресторанов, поскольку требуют меньших затрат на установку, вентиляцию и противопожарное оборудование. [27] К недостаткам коммерческого использования относятся возможные поломки стеклянной варочной поверхности, более высокая первоначальная стоимость и необходимость использования магнитной посуды.
В Соединенных Штатах по состоянию на начало 2013 года более пяти десятков брендов предлагали индукционное варочное оборудование, включая как встроенное, так и настольное бытовое оборудование и оборудование коммерческого класса. Более двух десятков брендов предлагают встроенные бытовые приборы; бытовые настольные приборы предлагают более двух десятков брендов. [ необходима цитата ] Национальная ассоциация строителей жилья в 2012 году подсчитала, что в Соединенных Штатах индукционные варочные панели составляли всего 4% продаж по сравнению с газовыми и другими электрическими варочными панелями. [28] Глобальный рынок индукционных варочных панелей оценивался в 9,16 млрд долларов в 2015 году. [ необходима ссылка ] В апреле 2010 года The New York Times сообщила, что «В независимом опросе [в 2009 году], проведенном маркетинговой исследовательской компанией Mintel среди 2000 интернет-пользователей, владеющих бытовой техникой, только 5 процентов респондентов заявили, что у них есть индукционная плита или варочная панель. Тем не менее, 22 процента людей, опрошенных Mintel в связи с их исследованием [в 2009 году], заявили, что их следующая плита или варочная панель будут индукционными». [29]
Медиа, связанные с Индукционные плиты на Wikimedia Commons