ЧАЙНИК ИЛИ ТЕРМОПОТ С СЕТКОЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА

Полезная модель относится к бытовой технике, а именно к устройствам для нагрева воды - чайникам, электрическим чайникам и термопотам.
Известен чайник для нагрева воды, включающий емкость для воды и поверхность нагрева, которая расположена в нижней части емкости, через которую к воде подводится теплота от электрической или газовой плиты. Известен электрический чайник, который отличается от обычного тем, что теплота к поверхности нагрева подводится от трубчатого электрического нагревателя (ТЭН). Известен термопот, который отличается от электрического чайника тем, что сосуд обладает лучшей теплоизоляцией от окружающей среды. Все эти устройства хорошо известны и не требуют подробной характеристики. Все эти устройства для нагрева воды, включают емкость для воды и поверхность нагрева, которая расположена в нижней части емкости.
Известны чайники со сниженным уровнем шума, в которых эффект достигается за счет придания большой шероховатости поверхности нагрева за счет механической обработки, пескоструйной обработки, либо покрытия поверхности слоем частиц [1, 2, 3]. Все эти методы слишком сложны и не слишком эффективны, так как такими способами сложно получить нужную форму поверхности для стабилизации образования и роста пузырей.
В качестве прототипа выбран чайник или термопот для нагрева воды, включающий емкость для воды и поверхность нагрева, которая расположена в нижней части сосуда.
Технический результат полезной модели заключается в снижении шума чайника или термопота.
Чайник или термопот для нагрева воды, включает емкость для воды и поверхность нагрева, которая расположена в нижней части емкости. Для того чтобы получить эффект снижения шума достаточно покрыть поверхность нагрева чайника или термопота сеткой или решеткой или перфорированной пластиной со стороны нагреваемой среды.
Так как ТЭН располагается зачастую только в периферийной части поверхности нагрева, то сеткой или решеткой или перфорированной пластиной можно покрывать только периферийную часть поверхности нагрева.
Наилучший результат достигается при ширине ячейки сетки или решетки или отверстия перфорированной пластины от 0,7 до 1,2 мм.
Поверхность нагрева может быть покрыта двумя слоями сетки или решетки или перфорированной пластины для достижения большего эффекта.
Сетка или решетка или перфорированная пластина может быть закреплена на поверхности нагрева посредством сварных соединений.
Также сетка или решетка может быть выполнена в форме круга и закреплена в кольце, которое в свою очередь зафиксировано внутри емкости. Поверхность нагрева может быть выполнена выпуклой в сторону нагреваемой среды, чтобы обеспечить прижатие сетки к поверхности нагрева, либо сетка может быть прижата к поверхности нагрева с помощью стержней, которые консольно закреплены на кольце.
Также может быть предусмотрена возможность отсоединения и извлечения кольца вместе с сеткой из чайника или термопота.
Принцип снижения шума такой же, как при использовании шероховатых поверхностей разного рода [1, 2, 3], но покрытие поверхности сеткой значительно проще и эффективней.
На фиг.1 слева изображен обычный электрический чайник, включающий корпус 1 и круглую поверхность нагрева 2 в нижней части чайника. Поверхность нагрева покрыта сеткой или решеткой или перфорированной пластиной 3. Справа более крупно показаны: сетка 3а, решетка 3б и перфорированная пластина 3в.
На фиг.2 проиллюстрированы процессы поверхностного кипения с недогревом. Слева изображен процесс кипения без сетки (а). На поверхности нагрева 2 образуются и конденсируются пузыри 4, активного парообразования не наблюдается. В центре изображен процесс кипения (б) с сеткой 3. На поверхности нагрева образуются пузыри большого размера, достаточного для отрыва; процесс парообразования происходит активно. Справа изображено распределение температуры жидкости tж по высоте сосуда Н для процесса без сетки и с сеткой. По оси абсцисс отложена температура жидкости и отмечена температура стенки tcт и температура насыщения воды tн; по оси ординат отложена высота над поверхностью нагрева. На графике изображена зависимость для кипения без сетки tж(а) и с сеткой tж(б). График иллюстрирует тот факт, что при кипении с сеткой около поверхности существует толстый слой жидкости перегретой выше температуры насыщения.
Полезная модель весьма технологична и проста в применении. Поверхность нагрева в чайнике или термопоте в настоящее время всегда представляет собой плоский диск. Достаточно покрыть поверхность нагрева 2 сеткой 3а (см. фиг.1) и закрепить ее на поверхности нагрева посредством контактной сварки или прикрепить к кольцу, которое в свою очередь прикрепить к поверхности нагрева или к стенкам сосуда.
Для этих целей подходит обычная сетка из нержавеющей стали с ячейкой шириной 0,5÷2,0 мм [4]. Наилучшего результата можно достичь при ширине ячейки 0,7÷1,2 мм.
Снижение шума достигается за счет стабилизации процесса образования и роста паровых пузырей. Согласно определению кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости нагретой выше температуры насыщения [5]. Кипение в чайнике можно охарактеризовать как поверхностное кипение с недогревом жидкости [6]. В чайнике температура жидкости значительно недогрета до температуры насыщения в течение всего цикла работы, за исключением только последнего этапа интенсивного кипения, который продолжается всего несколько секунд и характеризуется низким уровнем шума.
Рассмотрим процесс кипения в чайнике без использования сетки. После включения чайника вода в сосуде изначально недогрета до температуры насыщения, только возле поверхности образуется тонкий пограничный слой, температура которого выше температуры насыщения (см. фиг.2). В центрах парообразования, которыми являются микротрещины на поверхности нагрева, возникают небольшие паровые пузыри. Так как пограничный слой очень тонкий пузыри мгновенно конденсируются, после чего в микротрещинах начинают расти новые пузыри. Таким образом, при кипении чайника каждая микротрещина представляет собой источник гидравлических колебаний.
На поверхности нагрева постоянно возникают и конденсируются множество пузырей очень малого диаметра, что приводит к появлению громкого шума.
В процессе нагрева воды общая температура возрастает, кипение становится более интенсивным, что приводит к интенсивному перемешиванию воды в сосуде и истончению пограничного слоя [6]. Вследствие чего, даже при небольшом недогреве чайник продолжает создавать немалый шум.
Рассмотрим процесс кипения чайника с сеткой на поверхности нагрева. Сетка выполняет сразу несколько функций: создает центры парообразования в местах соприкосновения с поверхностью нагрева, препятствует истончению пограничного слоя при интенсивном кипении, развивает поверхность теплообмена.
Площадь поверхности сетки накрывающей поверхность нагрева почти в полтора раза больше, чем площадь самой поверхности нагрева, поэтому сетка весьма способствует улучшению теплообмена. За счет этого температура жидкости в ячейках сетки значительно возрастает (см. фиг.2). На поверхности нагрева также образуются пузыри, но теперь они находятся в слое воды перегретой выше температуры насыщения, поэтому они быстро достигают размеров, необходимых для отрыва (0,5÷1,0 мм), отрываются и всплывают.
При кипении с сеткой можно наблюдать активное парообразование с самого начала работы чайника. Пузырьки перегреваются в пограничном слое выше температуры насыщения и преодолевают толщу холодной воды, не конденсируясь. За счет активного парообразования в сосуде происходит интенсивное перемешивание жидкости, но благодаря сетке пограничный слой сохраняется.
Эффект подтвержден экспериментально с сетками с шириной ячейки 0,7 мм, 1,2 мм и 2,0 мм. Во всех случаях был достигнут значительный эффект снижения шума. Аналогичный результат можно получить, если использовать не сетку, а решетку или перфорированную пластину, с тем же размером ячейки (см. фиг.1)
Список литературы:
1. Патент GB2386532A, IPC1-7: A47J 27/21; Н05В 3/80. Electric water heater with reduced noise level [Текст] / Johnston Simon Richard, заявитель STRIX Ltd. Дата публикации - 17.09.2003.
2. Патент GB2411332A, IPC1-7: A47J 27/21; A47J 36/02; Н05В 3/78. Noise reduction in water heating vessels [Текст] / Johnston Simon Richard, Scott Michael James, заявитель STRIX Ltd. Дата публикации - 24.08.2006.
3. Патент GB2445070A, ECLA: A47J 27/21 B2; H05B 3/82. Noise reduction in electric water-heating vessels [Текст] / Wright Peter H; Mottram Andrew; Gaeta Antonio Martin; Ashmore Andrew Karl, OTTER CONTROLS Ltd. Дата публикации - 25.06.2008.
4. ГОСТ 3826-82. Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. Технические условия [Текст]. - Введ. 1984-01-01. - М.: Издательство стандартов, 2003.
5. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов [Текст]. - 2-е изд. испр. и доп.- М.: Издательство МЭИ, 2005. - 550 с., ил. ISBN 5-7046-1270-9.
6. Исоченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов [Текст]. - 3-е изд. перераб. и доп.- М.: «Энергия», 1975. - 488 с., ил.