Доработка электрочайников

Рассмотрим основные типы электрочайников, в зависи­мости от используемого в них нагревательного элемента.

Дисковый нагреватель

Широко популярны электрочайники с нагревательным эле­ментом в форме диска (установлен на дне). Плоский метал­лический нагревательный диск имеет более высокий КПД по сравнению со спиральным нагревателем. Вода, нагреваясь от электронагревателя, расположенного в нижней части корпуса и подключенного в сеть 220 В/50 Гц, закипает, так как в результате конвекции нижние прогретые слои воды подни­маются вверх. Вода после кипячения долго сохраняет тепло, чему способствует жаропрочный, теплосберегающий корпус из пластмассы.

Спиральный нагреватель

Спираль, устанавливаемая в электрочайниках, как пра­вило, сбоку, в свою очередь, воздействует лишь на воду, ко­торая с ней соприкасается, и процесс нагревания длится доль­ше. При этом спираль должна быть вся покрыта водой. По­этому в чайниках со спиралью нельзя вскипятить стакан во­ды — нужно значительно больше воды, что часто отнимает больше времени.

Такой чайник, как и предыдущий, с дисковым нагревате­лем, потребляет мощность 1,5…2,5 кВт и нагревает 1…2 л во­ды за 5…7 мин.

Две пластины

На рис.1 показан электрический чайник, работающий очень просто. Его нагревательным элементом являются две круглые металлические пластины диаметром 50 мм каждая, расположенные друг над другом и разделенные диэлектри­ком на расстоянии 6 мм одна от другой, при этом электри­ческий переменный ток проходит прямо через воду (когда она имеется в чайнике).

Поэтому для такой простейшей конструкции не критично, если в чайнике воды не будет вообще, поскольку ток через воздушный диэлектрик между пластинами течь не может. Вид на нагревательный элемент такого чайника показан на рис.2.

Особенность такого чайника — во время его работы нель­зя соприкасаться с водой и с нагревательным элементом открытой формы, поскольку можно получить удар электри­ческим током (в том числе нельзя размешивать жидкость ме­таллической, токопроводящей ложкой — в комплекте прила­гается пластиковая).

Из недостатков надо отметить:

• очень шумная работа;
• неудобная форма корпуса;
• пластины нагревательного элемента со временем незна­чительно «крошатся», но это не портит вкус чая, но не­большие крошки остаются на дне;
• корпус-пластик;
• нет индикатора закипания и автоматического отключения: пока поступает питание — вода нагревается, при этом нельзя провести аналогию с пожароопасностью устрой­ства, ведь, при выкипании большей части воды нагрева­тельный элемента просто перестает нагревать воду и потреблять электроэнергию.

Мощность рассмотренного чайника 600 Вт. Вид на дни­ще чайника в месте подключения проводников электропита­ния показан на рис.3.

Особенности нагревательных элементов

Отмечу, что чайники с «дисковым нагревательным элемен­том» много эффективнее, а главное, долговечнее, чем обыч­ные со спиральным нагревателем, но и цена у них выше.

На спирали со временем накапливается накипь, удалять ее сложно в ограниченном пространстве корпуса чайника. Накипь намного легче удаляется с чайника, имеющего нагре­вательный элемент дисковой формы, который, кстати, разо­гревает жидкость заметно тише.

Некоторые производители чайников «на спиралях» ут­верждают, что покрывают спирали золотым напылением, что спасает чайник от накипи. Обработав пару таких спира­лей кислотой, я утверждаю, что никакого намека на драгме­таллы в спиралях нет (иначе спираль стоила бы как не­сколько чайников). В связи с жесткостью воды действенно­го, а главное, удобного и простого для потребителя средст­ва для чистки чайника от накипи пока не нашли. Поэтому, на самом деле, покрывают спирали титановым сплавом. Та­кое решение действительно замедляет скорость появления накипи, но никогда не избавляет от нее полностью.

Автомобильный электрочайник

Автомобильные чайники и кофеварки, работающие от бор­товой сети автомобиля (12 В — легковой транспорт и 24 В — грузовой), снабжены шнуром питания с разъемом для вклю­чения в гнездо автомобильного прикуривателя.

На первый взгляд, устройство действительно выглядит по­лезным. Однако мощность автомобильного электрочайника в пределах 100…300 Вт. При этом важно помнить, что в боль­шинстве легковых автомобилей максимальная нагрузка на при­куриватель ограничена 300 Вт, путем установки в его электрической цепи предохранителя на ток 25 А (а в некоторых моделях автомобилей и того менее).

Производитель чайника заявляет в аннотации к инструк­ции, что вода будет доведена до кипячения за несколько де­сятков минут, а это значит, что столько же времени борто­вая сеть будет испытывать повышенную нагрузку. В лучшем случае есть риск перегорания предохранителя, а в худшем…

В реалии время, которое будет затрачено на кипячение, достаточно велико. По моим экспериментам, оно составля­ет 35…40 мин и зависит от режима движения (на холостых работает двигатель или на больших оборотах) и от количест­ва воды. Возможно, проще и быстрее воспользоваться тер­мосом, костром или походным примусом, сделав остановку на природе.

Самым простым способом для увеличения скорости по­догрева жидкости в таком автомобильном чайнике, с учетом неразборности и неремонтопригодности «штатного нагрева­тельного элемента» — спирали, является повышение напря­жение питания. Но повышать его бесконечно нельзя, к тому же, с повышением приложенного напряжения пропорциональ­но возрастает ток в электрической цепи и потребляемая ус­тройством мощность.

Приобретя автомобильный электрочайник (рис.4), я все­сторонне испытал его, и предлагаю его простое усовершен­ствование. Конструктивно такой чайник выполнен как аналог «сетевого» электрочайника со спиралью сбоку, с той лишь разницей, что спираль рассчитана на относительно низкое напряжение бортовой сети автомобиля, т.е. на напряжение 12…20 В. На рис.5 показан вид на спираль автомобильного чайника. Объем чайника 0,6 л, длина шнура с разъемом для прикуривателя — 70 см. Мощность — 170 Вт.

Нагревательный элемент изготовлен из нержавеющей ста­ли. К достоинствам можно также отнести материал корпуса — термостойкая пластмасса, встроенный терморегулятор, све­товой индикатор подачи питания, защиту от перегрева и вы­кипания, автовыключение и блокировку от включения без жидкости в резервуаре.

Усовершенствования автомобильного чайника

В холодном состоянии сопротивление спирали автомо­бильного электрочайника составляет R=1,4…1,5 Ом (замер цифровым тестером М838 с соответствующим допуском ошиб­ки показаний прибора). Чайник рассчитан на напряжение пи­тания 12 В. При номинальном значении приложенного напряжения, ток в цепи 8,6 А. Практика эксплуатации показа­ла, что при напряжении 12 В автомобильный чайник нагре­вает воду (объем 500 мл) до кипения очень долго — более 30 мин. Это обстоятельство побудило на проведение ряда экспериментов с подключением чайника к повышенному (относительно рекомендуемого) напряжению питания для ус­корения нагрева жидкости.

Эксперименты показали, что при работающем двигателе автомобиля Kia Sportage, напряжение в бортовой сети колеб­лется от 12,6 В (холостые обороты) до 13,8 В (вращение ко­ленчатого вала более 2000 об/мин — по тахометру). В послед­нем случае тот же чайник, заправленный холодной водой с начальной температурой +24°С нагревает воду до кипения (+98…100°С) за 36 мин. Хотелось бы, чтобы чайник нагре­вал воду до кипения всего за несколько минут.

И это оказалось возможным при увеличении напряжения питания, приложенного к автомобильному электрочайнику. Сделать это возможно с помощью универсального устройст­ва регулируемого преобразователя напряжения 12…24 В, ко­торое есть в продаже в магазинах автотоваров и товаров для дома (рис.6).

Выставив на регуляторе напряжении +19 В, я добился то­го, что мой чайник обеспечивает закипание воды всего за 6 мин. Оказалось, что при повышенном до 19 В постоянном напряжении питания ток, потребляемый чайником, возрас­тает до 13,5 А.

Увеличивать напряжение питания электрочайника сверх 19 В не рекомендую из-за возможного выхода спирали из строя (напомню, по паспортным данным, взятым из руковод­ства по эксплуатации, она рассчитана на напряжение пита­ния — от бортовой сети автомобиля — 12 В ±10%).

Кроме того, увеличивать напряжение питания больше чем 19 В нельзя и по другой причине: соединительный провод от штекера прикуривателя к чайнику длиной 0,7 м изготовлен из двойного провода ПШШВ сечением всего 0,75 мм², по­этому при токе в цепи более 5 А этот провод нагревался уже в первую минуту после подключения. Этот кабель я перепа­ял и заменил другим с сечением каждой жилы 2,5 мм².

Таким же методом можно воспользоваться для улучше­ния нагрева электрокофеварки или «автомобильного» спи­рального кипятильника, также рассчитанных на питания от 12-вольтовой бортовой сети авто.

Автомобильная «кружка-нагревалка»

Я приобрел по акции в магазине автомобильную кружку — всего за 6 USD, производства, разумеется, КНР. Никакой сертификации и обозначения модели кружки с полезным объ­емом 0,5 л нет (рис.7).

Она комплектуется герметичной крышкой (сверху корпу­са) и шнуром питания со штекером на конце. Длина шнура — 65 см. В штекере встроен индикаторный светодиод с ограни­чительным резистором, что позволяет удостовериться в том, что питание на кружку через штекер поступает.

Подключив устройство в своем автомобиле, я обнаружил, что нагревает жидкость оно слабо. В первоначальном, «штат­ном» режиме, за 3 ч непрерывного «кипячения» от напряже­ния 14,3 В не удавалось получить кипение воды (вероятно, «кружка-нагревалка» китайцами предназначалась не для это­го, а лишь для подогрева заранее вскипяченной жидкости).

И тогда я решил усовершенствовать конструкцию. Чтобы разобрать «кружку-нагревапку», надо спить всю воду, развернуть ее дном кверху и, поддев отверткой, снять дно из изолирующей прокладки (рис.8).

За прокладкой с липким внутренним слоем скрывается один саморез, который крепит «все и вся». Открутив его кре­стовой отверткой, мы достигнем самого подстаканника и про­водников, идущих (внутри корпуса) от разъема к нагревате­лю-спирали (рис.9).

«Штатная» спираль представляет собой 5 витков нихромовой проволоки в несгораемой изоляции, намотанной на корпус кружки почти у ее основания (у днища); диаметр проволоки 0,8 мм, ее длина (если развернуть спираль) со­ставила 81 см. С учетом того, что к кружке через разъем под­ключается кабель питания с сечением жилы примерно (не бо­лее) 1 мм², длина которого составляет еще 65 см, то паде­ние напряжение на подводящих проводах еще более сокращает потребляемый устройством ток (проходящий по всей электрической цепи — от разъема прикуривателя до спирали).

Замерив сопротивление «штатной» спирали, я получил зна­чение 5,4 Ом. Кружку мы подключаем через разъем и провод. Таким образом, эквивалентное сопротивление электрической цепи в «штатном» режиме будет примерно 7…8 Ом. Соответ­ственно, ток в цепи чуть менее 2 А. Это подтверждается по­казаниями амперметра, встроенного в зарядное устройство.

Сам стакан, на который намотана спираль, изготовлен из твердой пластмассы.

На основании изложенного я предположил, что «разо­греть» корпус кружки до температуры кипения жидкости впол­не возможно не только повышением приложенного напря­жения, но и уменьшением сопротивления электрическому то­ку самого нагревательного элемента.

Без всяких расчетов я отрезал примерно 25 см от спи­рали и вновь подключил ее к подводящим проводам. Теперь если в усовершенствованную кружку-нагревалку на 2/3 его объема налить жидкость с температурой +22°С, то ее на­грев до кипения произойдет примерно через 30 мин.

Еще более сокращать спираль, конечно, можно, но бес­смысленно. Или надо, сократив еще более спираль, увели­чить сечение проводников со штекером не менее чем в 2,5 раза и максимально (до 30…40 см) сократить их длину. Ду­маю, что для очень быстрого подогрева жидкости — в тече­ние нескольких минут — на такой вариант тоже можно пой­ти (ток в цепи будет 8… 10 А).

В качестве источника питания во всех вариантах эксперимента подключалось зарядное устройство 12 В/6 А (рис.10).

Наличие пластмассовых деталей, пусть и экологичных (как заявляет производитель), не прибавляет репутации рассмот­ренных чайников ничего хорошего: ведь последствия дефор­мации и возможные вредные выделения «дешевого» в про­изводстве пластика под действием температуры полностью не изучены. Такие чайники могут быть изготовлены из нека­чественного пластика, который может выделять, при взаи­модействии с кипятком, токсичные радикалы, опасные для здоровья. Поэтому электрочайник должен иметь корпус или металлический или из специальной пластмассы.

Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург