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厨房电器

第1章厨房器具

厨房器具是一种电能转换为热能的家用电器，它属于电热器具，具有电热器具的共同性质。

本章先介绍电热器具的一些共性，然后再介绍几种有代表性的厨房器具。

近十多年来，随着人民生活水平的不断提高，电热器具工业得到了很快的发展，而且品种越来越多，质量越来越好，外观设计也随来越漂亮，据国外有关资料表明，电热器具的使用量约占家用电器的1/3左右。

电热器具主要具有以下几个优点：

（1）体积小，重量轻，使用方便，维修容易。

（2）控温方便，精确度高，容易实现自动控制。

（3）热效率高，约为50%～95%（煤的热效率为12％～20%，液体燃料为20%～40%，气体燃料为50％～60%）

（4）热惯性小。

（5）干净卫生，没有油烟污染。

由于电热器具具有这些优点，因而使用面很广。

电热器具常常根据用途不同，制造成各种类型及功能的家用电热器具，例如，电饭锅、电烤箱、电磁灶、微波炉、电热水器、电热毯、电暖器、电熨斗和电热梳等。

除此之外，电热器具也可把多种功能综合在一起，例如，带微波炉烹调的电冰箱，带干衣装置的全自动洗衣机，带制热的空气调节器，带吹热风的电风扇，等等。

1.1电热器具的结构与分类

1.1.1电热器具的基本结构

电热器具的基本结构包括三部分：

电热元件、控制元件和器具结构件。

1.电热元件

电热元件是指由电能转换成热能的装置，一般由电热材料和绝缘保护层组成。

它是电热器具的心脏，它的质量好坏关系到电热器具的使用寿命和安全性能。

2.控制元件

控制元件是指电热器具中用于控制电流、温度或时间等参数的元器件。

它决定了产品的技术性能和使用功能，产品的功能越多、性能越好，控制机构也就越复杂。

3.器具结构件

器具结构件是指满足用途和功能的壳体构件，如电饭锅的锅体、电烤箱的箱体和微波炉的炉体等。

它与不同的电热元件和控制元件配合，就构成不同的电热器具。

它的质量好坏，关系到产品的安全性能、使用寿命和功率。

一般把用途、安全、效率、造型和成本列为器具结构件的五要素。

1.1.2电热器具的分类

电热器具品种很多，分类通常采用两种方法：

按用途分类和按加热原理分类。

1．电热器具按用途分成如下几类：

（1）厨房电热器具。

例如，电饭锅、电炒锅、电烤箱、电灶、电磁灶和微波炉等。

（2）取暖电热器具。

例如，电暖器、电热毯、电热衣、电热鞋和红外线取暖器等。

（3）热水电热器具。

例如，电水壶、电热怀、咖啡壶、暖乳器、自动沸水器和速热器等。

（4）熨烫电热器具。

例如，电熨斗等。

（5）美容电热器具。

例如，电吹风、烘发器、烫发器和电热梳等。

（6）保健电热器具。

例如，红外线电灸器、热敷器和家庭消毒器等。

（7）其他专用电热器具。

例如，电烙铁、电热笔等。

2．按加热原理分成如下几类：

（1）电阻式电热器具

电阻式电热器具的加热方式有直接电加热方式和间接电加热方式两种。

直接电加热方式是直接把电压加在被加热物体的两端，让电流流过被加热物体，利用被加热物体的电阻发热达到加热的目的。

间接电加热是把电压加在专门的电热元件两端，利用电热元件的电阻发热，通过热传递的方式使被加热物体升温。

由于这种加热方式安全可靠，使用方便，目前已被广泛采用。

电阻式电热器具有电饭锅、电炒锅、电水壶、电热毯、电暖器、电吹风和电熨斗等。

（2）红外式电热器具

红外式电热器具是把电能转换成红外能来进行加热的器具。

红外线是一种电磁波，波长介于可见光与无线电波之间，可分近红外与远红外两种，也可分近红外、中红外和远红外三种。

红外式电热器具是通过加热红外线辐射物质，使其辐射出红外线来，然后加热物体。

红外式电热器具，如远红外电烤箱、红外线取暖器和红外线电灸器等。

（3）感应式电热器具

感应式电热器具是利用导体在交变磁场中产生的感应电流（即涡流）在导体内部克服内阻而产生热量的原理制成的电热器具，如电磁灶、感应式电烙铁等。

（4）微波式电热器具

微波也是一种电磁波，频率较高。

微波式电热器具是把电能转换成微波能量来进行加热的电热器具，主要代表是微波灶。

1.1.3电热器具的通用技术要求

电热器具的安全主要是电的安全和热的安全。

在考虑安全问题时，不但要考虑正常使用情况下的安全，还要考虑意外情况下的安全。

因此，电热器具的设计、制造、安装和维修都应考虑下列国家规定的主要的通用技术要求（GB标准）。

1.功率

电热器具的输人功率和可拆开的电热元件的输入功率，在额定电压和正常工作温度下，一般偏差不应大于

10%。

2．温升

电热器具中所有电热元件都接人电路，并在充分发热的条件下，其输人功率超过额定功率，并等于额定功率的1.5倍的情况下工作，人们握持的手柄、旋钮、夹子等零部件的温升不得超过

15℃～35℃（环境温度以40℃为基准）。

3．在工作温度下的泄漏电流

电热器具在工作温度下的泄漏电流，按其额定输入功率计算，每千瓦应该不大于0.75mA,但整个电热器具的最大泄漏电流值不大于5mA。

4．绝缘电气强度

电热器具的绝缘电气强度应进行50Hz的交流电压试验，历时1min，要求不发生闪烁和击穿现象，试验电压的数值如表1--1所示。

表1-1绝缘电气强度的试验电压值

施加试验电压的部位

试验电压/V

带电部件和仅用基本绝缘与带电部件隔离的壳体之间

1250

带电部件和用加强绝缘与带电部件隔离的壳体之间

3750

5.防触电保护带电部件和仅用基本绝缘与带电部件隔离的壳体之间电热器具的结构和外壳应有良好的防触电保护。

6．耐热、耐燃

电热器具的外部零件和非金属材料的部件均应有足够的耐热性和耐燃性。

7．接地装置

电热器具的外壳应永久地、可靠地安装接地装置或者连接到电器进线装置的接地极上。

1.1.4电热材料、绝热材料和绝缘材料

1．电热材料

电热器具中使用的核心材料是电热材料，它是电热转换的关键部件。

常用的电热材料按材质不同可分金属、非金属和半导体三大类。

（1）金属电热材料

金属电热材料按其电阻率的大小可分为三大类：

高电阻材料（电阻率

），中电阻材料（电阻率

）和低电阻材料（电阻率

）。

按其材质又可分为如下几类：

①贵金属及其合金（如铂、铂铱等）；

②重金属及其合金（如钨、钥等）；

③镍基合金（如镍铬、镍铬铁等）；

④铁基合金（如铁铬铝、铁铝等）；

⑤铜基合金（如康铜、新康铜等）。

这些合金电热材料中，常用的是镍基合金和铁基合金。

铁基合金使用得比较普遍，镍基合金常用在高温、高强度、高磁性能及特殊的场合。

常用合金电热材料的性能、特性如表1--2所示。

表1--2常用合金电热材料的性能

性能

镍铬合金

铁铬铝合金

Cr2ONi80

Cr15Ni60

LCr13Al4

OCr13Al6M02

OCr25A15

OCr27Al7MO2

线膨胀系数

（20℃～1000℃）

/（

10-6／℃）

14

13

15.4

15.6

16

16

比热容/（kJ/（kg·℃））

0.440

0.461

0.490

0.490

0.490

0.490

导热系数

／（kJ/（m2·℃））

60.3

45.2

52.8

40.0

46.1

45.2

熔点约值/（℃）

1400

1390

1450

1500

1500

1520

电阻率（20℃）/（

mm2/m）

1.09士0.05

1.12士0.05

1.29士0.08

1.40士0.10

1.40士0.10

1.50士0.10

正常使用温度／（℃）

1000～1050

900～950

900～950

1050～1200

1050～1200

1200～1300

最高使用温度／（℃）

1150

1050

1050

1300

1300

1400

特性

奥氏体组织，基本无磁性，加工性能好，高温强度好，不变脆

铁素体组织，有磁性，电阻率高，用料省，价格低，但加工性能差，高温强度高，用后会变脆

合金材料中还有一类是变阻材料，如镍铁合金的电阻温度系数极高，这一点刚好与镍铬合金、铁铬铝合金相反，通常镍铁合金的电阻温度系数是镍铬和铁铬铝合金材料的60-100倍。

因此，变阻材料是既具有电加热功能，又具有控制温度功能的新型电热元件。

它常与上述合金材料结合使用（如串联使用），也可单独使用，构成自动调节的民热元件。

目前常被用于热水器、自动沸水器等家用电器中。

（2）非金属电热材料

非金属电热材料可分硅类和石墨类两类。

常用的非金属材料有硅钼棒、碳化硅和多孔玻璃态碳。

硅钼棒的主要原料是二硅化钼和二氧化硅，用粉末合金法制成，在国际上又称“超级康太尔”电热元件。

它是瑞典康太尔厂1957年研制成功的一种新的耐高温电热元件，可在1600℃温下长期工作，它的电阻率

随温度升高而急剧增加，因此，很有利于快速加热和限温。

碳化硅电热元件又称为硅碳棒或硅碳管，它是用碳化硅作为原料，经高温结晶而成。

工作温度为1250℃-1400℃，极限值1500℃。

它的电阻率在900℃左右时，由大变小；在900℃一1450℃范围内则由小变大。

它的特点是高温强度高，硬而脆，电阻值一致性差，易老化，电阻值随使用时间延长而增大。

1．顶盖2．金属薄层3．多孔玻璃态碳交热体

图1-1多孔玻璃态碳

多孔玻璃态碳是另一种非金属电热元件，其结构如图1-1所示。

多孔玻璃态碳的主要特性是机械强度大，不需添加耐热的绝缘支架而能自承，并能自己形成结构件。

它的传热性好，传热面积大，因此，耗电省，热效率高。

由于热惯性小，升温和降温都比较容易，也便于温度控制。

多孔玻璃态碳还有一个显著特点是能吸附太阳能、微波能及其他辐射热能等电磁能，从而成为放热源。

（3）半导体电热材料

半导体电热材料又称为PTC（POSITIVETEMPERATURECOEFFICIENTOFRESISTIV-ITY）电热材料，其特性请参阅PTC电热元件一节。

2．绝热材料

绝热材料是电热器具中必不可少的材料，主要作用是保护人身安全和防止火灾。

其性能要求是比热容和密度小；吸湿性小；电导率低；耐热、耐火；化学性质稳定。

常用的绝热材料有保温材料、耐热材料和耐火材料三大类。

保温材料要求能耐100℃以下的低温，如木材、软木、泡沫塑料和毛毡等。

耐热材料要求能承受150℃～500℃的中温，如石棉、石棉云母等。

耐火材料要求能承受600℃以上的高温，如矿棉、硅藻土等。

3．绝缘材料

绝缘材料也是电热电器中不可缺少的一种材料，电热电器中使用的绝缘材料还需有一定的耐热性能。

绝缘材料又称为电介质，用于电气绝缘。

其性能应具有绝缘强度大、机械强度高、耐热性能好、吸湿度小、化学性能稳定和导热性好等优点。

表1-3给出了家用电热器具中常用的几种绝缘材料的绝缘性能，表1-4列出了它们的工作温度，供读者参考。

表1-3常用绝缘材料的绝缘性能

材料

绝缘强度

云母

玻璃

瓷

电木

绝缘体

大理石

氧化镁

F击穿（kV/cm）

800～2000

100～400

80～150

100～200

70～100

25～35

30

1一4常用绝缘材料的工作温度

材料名称

一般陶瓷制品

云母及云母胶合板

电工陶瓷及耐火粘土

氧化镁和石英沙

温度范围／℃

＜500

700～800

400～1600

500～1700

1.2电热元件

电热材料与绝热材料、导热材料、绝缘材料等组合构成既能通电发热，又能满足特定用途的独立的零部件称为电热元件。

电热元件按其材质与空气接触程度可分为开启式电热元件、半封闭式电热元件和封闭式电热元件三种。

开启式电热元件的电热材料完全裸露在空气中，其结构简单，制造容易，应用广泛，但表面带电，需注意安全。

半封闭式电热元件的电热材料与空气不完全隔绝，有一定的绝缘层，安全性能和机械强度相对提高，寿命也较长。

封闭式电热元件的电热材料与空气完全隔绝，可以加热各种介质，安全性能好，热效率高，寿命更长。

电热元件按电热转换方式不同可分为电阻式、红外式、电磁感应式和微波式四大类。

其中，电阻式电热元件又可分为电阻式电热元件和PTC电热元件两种。

电热元件按其外观形状又可分为裸露电热元件、管状电热元件、板状电热元件、带状电热元件和薄膜状电热元件等。

1.2.1裸露电热元件

裸露电热元件是利用金属材料按一定的形状绕制而成（如开启式电炉的电炉丝），外部不加任何绝缘物质，完全裸露于空气中。

裸露电热元件一般利用金属电热材料制成。

可以使用铂、铱一类贵金属及其合金，或者使用钨、钼等重金属及其合金制作，也可以使用镍铬、镍铬铁基合金，或者使用铁铬铝、铁铝等铁基合金制作，还可使用铜基合金制作。

由于镍基合金和铁基合金电热材料价格比较便宜，具有电流热效应好、机械强度高和能耐高温等优点，因此被广泛使用。

镍基合金与铁基合金电热材料相比，镍基合金比较贵重，其优点是延展性好，容易缠绕加工；经高温加热后冷却，也不会变脆，不容易氧化起皮，使用寿命长。

因此，常用在温度比较高的场合。

在一般性的电热元件上使用，铁基合金比镍基合金优越，主要表现在用料长度可减少21%,重量减轻1/3，表面功率增大27%。

由于铁基合金的电阻率大30，还可在保持长度和总电阻相同的条件下，增天截面积，降低表面负荷，增加有效辐射面积来提高寿命。

电热器具中一般根据使用的工作温度和电热材料的常用温度范围来确定电热材料的种类，而后根据表面负荷、额定功率和工作电压来计算选取长度和线径。

1.2.2管状电热元件

管状电热元件有金属管状电热元件、石英辐射管状电热元件、陶瓷包覆式电热元件和远红外电热元件等多种。

1．金属端部2引出端子3．电热丝4．石英管

图1一3石英辐射管状电热元件

3．陶瓷包覆式管状电热元件

1．引出线2.釉层3.肉瓷料4．电热丝

图1一4陶瓷包覆式管状电热元件

陶瓷包覆式管状电热元件的结构与金属管状电热元件相似，只是填充料使用陶瓷料，陶瓷外包覆一层釉层，经陶瓷烧结工艺而形成一个不可分拆的整体、，结构如图1一4所示。

陶瓷包覆式管状电热元件的优点是：

电气绝缘性能好，表面不带电，安全可靠；机械和热的稳定性好，热膨胀系数小，抗热冲击性能好；表面无明火，且光洁，不易粘灰尘，对被加热物质无污染；热效率高；结构简单，成本低，使用方便。

1.2.3板状电热元件

板状电热元件主要由电板体、绝缘填充料和电热元件三部分组成，结构与上述电热元件大同小异。

电热板的形状有圆形、方形、平板形、凸形和凹形，等等，如图1一5所示。

图1-5电热板的几种外形结构

1.2.4带状电热元件

带状电热元件简称电热带。

它的外形呈圆形或扁平形，像一根柔软的带子，因此而得名。

国外也称为哈发平片或电热电线。

1．电热丝2.耐高温的绝缘体3．编织物

图1-6带状电热元件结构示意图

它的结构主要由三部分组成，如图1-6所示。

最里层是采用镍铬、铜铬或硅一石墨纤维制作的圆形或扁形电热丝，常由6根、8根或12根平行组成扁平的宽带。

当中一层是耐高温的绝缘体，如硅橡胶、玻璃纤维和石英纤维等。

最外面一层是编织物。

一条完整的电热带，在发热体两端用不发热的绝缘软导线引出，再接电源。

带状电热元件按使用条件可分为不防潮、防潮、防水和防爆四种。

按工作温度又可分为100℃、250℃、450℃和800℃等4个等级。

带状电热元件的规格单根长度划分有lm到100m，按单位长度功率划分有10W/m至230W/m，高温型的可达800W/m。

1.2.5薄膜状电热元件

薄膜状电热元件可制成片状和带状，如图1一7所示。

它常以康铜箔和康铜丝作为电热材料，以聚酯亚铵薄膜作为绝缘体，因此，具有良好的电气、机械性能且耐老化、耐粒子辐射。

薄膜状电热元件的厚度常用的是0.12～0.14mm，它的重量只有相同硅橡胶电热元件的1/5～1/3。

薄膜状电热元件的电阻稳定性很好。

当温度在150℃～196℃变化范围内，其阻值相对于20℃时的变化不超过

1%。

许多小家用电热器具中常用薄膜状电热元件作为电热元件。

薄膜状电热元件的安装方式常用环氧树醋胶粘剂粘贴。

图1一7薄膜状电热元件

1.2.6PTC电热元件

PTC（POSITIVETEMPERATURECOEFFICIENTOFRESISTIVITY）电热元件是一种正温度系数的热敏电阻。

它具有加热效率高、无明火使用及安全可靠等优点，并且还具有温度能力，因此，1960年以来被广泛使用。

PTC电热元件具有以下几个特性：

1．电阻温度特性

PTC电热元件的电阻温度特性如图1-8所示。

起始时，PTC电热元件具有负温度系数特性，其电阻值随温度的上升而下降，一般电阻率为0.1～10

m左右，变化率并不大。

当温度升到T0点时，阻值最小。

当温度越过T0点，PTC电热元件的电阻值随温度的上升而急剧上升，增加的倍数可达到103～105倍以上，具有很大的正温度系数特性，从而使电路中通过的电流减少，功率下降，元件发热量减小，元件表面温度下降。

随着元件表面温度的下降，PTC电热元件的电阻值急剧减小，电路中的电流又增大，功率增加，元件表面温度又上升。

PTC电热元件在电路中会反复出现上述变化，最终促使元件表面保持一个恒定的温度值。

这就是PTC电热元件的温度自限能力。

PTC电热元件的T0点就称为居里点，T0点的温度称为居里温度。

2.电流-电压特性

PTC电热元件接通电压后，电流将随着电压的增大而迅速增加；当到达居里点温度后，电流到达最大值；电热元件进人PTC区域，如果电压继续增大，其电流反而很快减小，如图1-9所示。

这时，PTC电热元件达到最高工作温度，PTC所消耗的功率为

P=IU=D（T1-T2）（1-1）

式中，D—放热系数；

T1—元件表面最高工作温度；

T2—被加热介质温度。

图1一10电流时间特性

从上式可以看到，一个PTC电热元件一旦制造完成，它的工作温度基本确定，放热系数D将随使用环境的风速变化而略有变化，而它的发热功率就将随外部环境条件T2的变化而改变。

也就是说，T2越低，散热条件越好，PTC的发热功率就越大，反之就越小。

这个特性显示PTC电热元件有随环境温度的需要而自动调节功率输出的功能。

3.电流时间特性

PTC电热元件通电后，其电流随时间变化从零增大到居里点时的最大值，再随时间的延长而减小到达稳定值，其随时间的变化曲线如图1-10所示。

PTC电热元件之所以具有上述特性，是因为它使用纯度较高的钛酸钡（BaTiO3）作原料，掺人0.3％的镧族元素烧结而成。

PTC电热元件居里点T0的温度就是其最高的工作温度。

为了适合不同用途对温度范围的不同要求，可通过改变掺入杂质的方法，来改变居里点T0的温度。

用不同的镧（La）族元素来转换钛酸钡中的钡，可把居里点移向高温侧或低温侧。

例如，用锡（Sn）、锶（Sr）或锆（Zr）掺杂，可使居里点向低温侧移动；而添加铅（Pb）则可使居里点向高温侧移动。

通过这种方法可得到居里温度在100℃～350℃范围内某一温度值的PTC电热元件。

当然，在设计PTC电热元件时，需考虑它的放热系数、膨胀系数、静特性、非线性电阻效应和结构参数的影响。

制造时还需考虑它的晶粒、厚度及电极的形成方式，可通过适当的计算来确定。

目前生产的PTC电热元件有圆盘式、蜂窝式、口琴式和带式等多种，广泛应用于各种电热器具中。

1.2.7电能与热能的转换

所有电热器具都是由电能转换成热能的装置。

由电能转换成热能所得到的热量可按焦耳－楞次定律计算：

（1-2）

因

，又

则式（1-2）变为

（1-3）

式中，Q—电热元件发出的热量（J）;

U—电热元件两端的工作电压（V）;

I—通过电热元件的电流（A）;

—电热元件工作状态下的电阻值（

）；

—通电时间（S）;

—通电时间（h）;

P—电热元件的电功率（W）。

上式中的

是指电热元件的纯电阻值。

若遇到电路中存在电感和电容且不可忽略时，需用阻抗Z来计算：

（1-4）

（1-5）

（1-6）

（1-7）

电抗包括容抗

和感抗

，其关系式为

式中，

—交流电频率（Hz）;

L—电感量（H）

C—电容量（F）。

此时，电路的功率因素为

（1-8）

例1-1有一只电饭锅，电热元件的电阻值为92

，若煮饭15min，问该电饭锅吸收了多少热量（不计热量损耗）？

解

=

电热器具由电能转换成热能后，它都需通过对流、传导和辐射的方式把热量传递给食品。

在这传递过程中存在热量损失，食品得到热量的多少可通过对流换热、传导方程式和辐射四次方定律来计算。

具体计算可参考其他相关书籍，在此不作详细介绍。

1.3控制元件

电热器具的控制元件有温控元件、时控元件和功率控制元件三大类。

1.3.1温控元件

常用的温控元件有控温器和限温器两类。

控温器能控制发热温度的高低，限温器限制发热温度的高低。

温控元件按结构不同又可分热双金属片控温元件、磁性控温元件、热敏电阻和热电偶等多种。

现分别介绍如下：

1．热双金属片温控元件

热双金属片温控元件是由两层或两层以上热膨胀系数不一样的金属或合金，沿着整个接触面，彼此牢固结合的片状复合材料，再与一副触点配合而成。

其中一层金属的热膨胀系数小，另一层金属的热膨胀系数大。

常温下，双金属片保持平直，使触点接通或断开，当它受热时，膨胀系数小的金属伸长少，膨胀系数大的金属伸长得多，因此，双金属片向热膨胀系数小的方向弯曲。

弯曲产生的位移可用来使电路上触点断开或接通。

这就是热双金属片控温元件的工作原理。

（a）常闭触点（b）常开触点

图1-11热双金属片温控原理示意图

热双金属片温控元件有常闭型和常开型两种，如图1-11所示。

所谓“常闭型“，就是它在冷态时，电触点是闭合的，只有当它受热达到一定程度时，该双金属片弯曲，使电路断开。

所谓“常开型”，就是它在冷态时，电触点处于断开状态，当它受热并达到一定程度时该金属片弯曲，才使电路闭合。

在实际应用中，根据用途不同，又做成不同的形状，有单支点形、双支点形、不等宽形、U形和碟形等多种类型，如图1一12所示。

（d）U形

（e）碟形

图1-12双金属片的形状

1.温控调节螺钉2.温控触点3.动簧片4.热双金属片

图1-13缓动式温控器结构

由双金属温控元件组成的温度控制机构称为双金属温控器。

常用的双金属温控器有缓动式和闪动式两种，并常采用一个螺钉来实现温度调整，如图1-13和图1-14所示。

1.热双金属片2.贮能簧片3.触点4.瓷珠5.温控调节螺钉6.瓷珠7.弹性机构8.瓷环

图1-14闪动式温控器结构

缓动式温控器的双金属片受热后，依靠双金属片变形量的逐渐增大，缓慢地使触点通、断，其通、断的过程中，会有电弧产生，易使触点熔化而焊死失效。

触点动作寿命通常只有3000～4000次。

常用于电饭锅、电烤箱和电熨斗等电热器具中。

闪动式温控器比缓动式温控器多设计了一个弓形贮能簧片，当双金属片受热达到某一程度时，弯曲产生一定的位移量，触点在弓形贮能簧片的帮助下，能迅速接通或断开，减少电弧的产生，延长使用寿命（可以正常动作50000次左右）。

温控器上常安装一个温度调节螺钉，用来调节控制温度的高低。

由于双金属片温控器结构简单、动作可靠且价格低廉，因此，被广泛应用，几乎达到8596以上。

2.磁性温控元件

磁性温控元件常见的是磁钢限温器，被