11.2. Кипятильники
11.2.1. Кипятильники периодического действия
Кипятильники периодического действия представляют собой емкость, периодически заполняемую нагреваемой водой и опорожняемую после доведения ее до кипения. К данному виду кипятильников можно отнести простейшие устройства типа наплитной посуды, котелков, нагреваемых разными способами, самовары, чайники, переносные ТЭНы, погружаемые в ту или иную емкость с нагреваемой водой, и т.д.
Наиболее сложными кипятильниками периодического действия являются твердотопливные, которые эксплуатируются на предприятиях общественного питания, лишенных источников централизованного энергоснабжения. Прототипом этих аппаратов является самовар, поэтому иногда их называют кипятильниками самоварного типа.
Промышленность серийно выпускает кипятильник наливной КН-60М на твердом топливе. Устройство кипятильника КН-60М, работающего на твердом топливе, приведено на рис. 11.1.
Рис. 11.1. Кипятильник твердотопливный наливной КН-60М:
/ — выдвижная коробка; 2 — колосниковая решетка; 3 — сливной кран; 4 — водогрейный резервуар; 5 — газоход; 6 — крышка; 7 — камера сгорания; 8 — дверца камеры сгорания; 9 — дверца зольника
Кипятильник представляет собой цилиндр, в нижней части которого размещена топка. Над колосниковой решеткой находится камера сгорания, экранированная водонесущей обечайкой так, что боковые поверхности и свод камеры омываются водой и служат поверхностями нагрева. От верхней части свода камеры отходит цилиндрический конвективный газоход, заканчивающийся патрубком для отвода продуктов сгорания.
Нагреваемая вода заливается в водогрейный резервуар, для чего с него снимается крышка. Топливо загружается в камеру сгорания (топку) и размещается на колосниковой решетке. Для сбора и удаления остатков топлива (золы) предусмотрен зольниковый ящик. Положением дверцы топки и зольника регулируют соотношение между первичным и вторичным воздухом, поступающим в топку в целях обеспечения более полного сгорания топлива.
В качестве топлива в кипятильнике используют дрова, каменный уголь, торфяные брикеты.
В оптимальном режиме эксплуатации КПД кипятильника данной конструкции не превышает 20...25 %.
В настоящее время на небольших предприятиях общественного питания для приготовления чая, кофе, какао широкое распространение получили электрочайники (ЭЧ) и электросамовары (ЭС), которые имеют следующую маркировку: ЭЧ, ЭС — без термовыключателя; ЭЧТ, ЭСТ — с термовыключателем; ЭЧЗ, ЭСЗ — с устройством отключения при закипании воды; ЭЧТЗ, ЭСТЗ — с термовыключателем и устройством отключения при закипании воды.
Кроме отечественных широко распространены разные модели чайников многих зарубежных фирм, которые по устройству и основным характеристикам аналогичны отечественным.
Чайник представляет собой цилиндрический сосуд с вертикальным прозрачным окошком для контроля уровня заполнения. Сверху чайник закрывается крышкой с отверстием для выхода пара. В нижней части чайника установлен свернутый в спираль ТЭН. Чайник устанавливают на подставку, а ее электроконтакты соединяются с контактами в днище чайника. Шнур с трехполюсной вилкой (сеть и заземляющий провод) включают в розетку.
11.2.2. Электрические кипятильники непрерывного действия
Электрические кипятильники непрерывного действия, используемые на предприятиях общественного питания, предназначены для получения кипяченой воды для технологических целей. По устройству и принципу действия они аналогичны между собой и выпускаются на разную производительность (25, 50 и 100 кг/ч).
Отечественной промышленностью выпускаются электрические кипятильники непрерывного действия (КНЭ и ЭКГ) следующих типов: КНЭ-25, КНЭ-50, КНЭ-100, КНЭ-ЮОМ, КНЭ-ЮОМН, ЭКГ-25, ЭКГ-50 и ЭКГ-100. Кипятильники КНЭ-25, КНЭ-50 и ЭКГ-25, ЭКГ-50, ЭКГ-100 — настольного исполнения и отличаются друг от друга размерами, мощностью нагревателей и производительностью. Кипятильники КНЭ-100, КНЭ-ЮОМ, КНЭ-ЮОМН напольного исполнения имеют дополнительную подставку для установки их на полу. В отличие от кипятильников КНЭ-25, КНЭ-50, КНЭ-100 и КНЭ-ЮОМ, имеющих цилиндрическую форму, кипятильник КНЭ-ЮОМН имеет прямоугольную форму. По устройству и принципу действия кипятильники ЭКГ-25, ЭКГ-50 и ЭКГ-100 аналогичны кипятильникам КНЭ.
К основным показателям работы кипятильника непрерывного действия относятся: часовая производительность, расход электроэнергии на приготовление 1 кг кипятка и КПД. Однако эти показатели не дают возможность оценить конструкцию кипятильника и сопоставлять его работу с работой кипятильников других конструкций, так как его часовая производительность при одном и том же расходе электроэнергии зависит от температуры, поступающей в него холодной воды, а также от температуры кипения воды, определяемой барометрическим давлением.
Для оценки работы кипятильника введен термин «нормальный кипяток», которым принято называть воду, нагретую от 10 до 100 °С. Поэтому все показатели работы кипятильников пересчитывают на нормальный кипяток, что позволяет объективно оценивать их работу. При этом определяют нормальную производительность кипятильника, расход электроэнергии на приготовление 1 кг нормального кипятка и КПД.
Кроме того, работу кипятильника характеризует первоначальная продолжительность разогрева воды до кипения и расход электроэнергии на разогрев аппарата.
За нормальную производительность кипятильника DH (кг/ч) принимают его часовую производительность при установившемся режиме и температурном перепаде между поступающей в кипятильник водой и кипятком в 90 °С.
Кипятильник типа КНЭ (рис. 11.3) состоит из питательной коробки, соединенной с водогрейным резервуаром, имеющим в верхней части переливную трубу и сборник кипятка.
Рис. 11.3. Электрический кипятильник КНЭ: 1 — водогрейный резервуар, заполненный водой; 2 — соединительная трубка; 3 — электрод нижнего уровня; 4 — сборник кипятка; 5 — электрод верхнего уровня; 6 — электрод защиты от «сухого хода»; 7 — поплавок; 8 — крышка; 9 — отражатель; 10 — отверстие; 11 — питательная коробка; 12 — клапан; 13 - переливная труба; 14 — питающий трубопровод; 15 — сливной кран; 16— ТЭН; 17 — кожух; 18 — сливной патрубок; 19 — сигнальная труба; 20 — рычаг
В водогрейном резервуаре расположены трубчатые электронагреватели, переливная труба и сливной патрубок с пробкой.
Сборник кипятка имеет разборный кран, отражатель, закрепленный в нижней части крышки, и отверстие, через которое кипяток при переполнении сборника попадает в питательную коробку. Уровень воды в питательной коробке и, следовательно, в переливной трубе поддерживается с помощью поплавкового устройства, которое состоит из поплавка, рычага и клапана.
Поплавковое устройство представляет собой рычажный механизм, большое плечо которого соединено с поплавком, а малое плечо — с герметизирующей прокладкой (пробкой).
При заполнении питательной коробки водой поплавок, всплывая, воздействует на большой рычаг с силой Fx и тем самым создает силу F2 в зоне герметизации питающего трубопровода. Длину малого и большого рычагов выбирают из условия создания усилия в зоне герметизации, превышающего усилие воды, истекающей из питающего трубопровода. При определенном уровне воды в питательной коробке выходное отверстие питающего трубопровода полностью перекрывается и поступление воды прекращается. Этот уровень зависит от зазора в зоне герметизации питающего трубопровода, а также от конечного положения поплавка. Изменением указанных параметров достигают требуемого уровня воды в питательной коробке.
Объем сборника кипятка рассчитывают исходя из условия, что разбор кипятка из него осуществляется не более чем за 15 мин. За пределами этого времени температура кипятка на выходе из разборного крана будет ниже допустимого значения.
Автоматика кипятильника обеспечивает защиту ТЭНов от «сухого хода», отключение их при наполнении сборника кипятка и включении после разбора кипятка при понижении его уровня до нижнего заданного предела. Для этого в кипятильнике установлены следующие электроды: на дне питательной коробки — электрод защиты от «сухого хода», который контролирует наличие воды, поступающей из водопровода в кипятильник, в сборнике кипятка — электроды нижнего и верхнего уровней.
В некоторых конструкциях кипятильников, примерно к середине (по высоте) переливной трубы, присоединяют отводной патрубок с краном для отбора горячей воды. Последняя используется для санитарно-технических целей и имеет температуру не ниже 70 °С. Таким образом, в таком аппарате можно одновременно приготовлять кипяток и горячую воду.
Принцип действия кипятильника основан на использовании свойства двух сообщающихся сосудов, в одном из которых жидкость меняет свою объемную плотность.
При разных объемных плотностях жидкостей в сообщающихся сосудах высота столба жидкости определяется при условии равенства давления, создаваемого жидкостями в нижней точке:
В кипятильнике сообщающиеся сосуды представляют собой: с одной стороны — питательная коробка и соединительная трубка, а с другой — водогрейный резервуар и переливная труба. В начальный момент оба сосуда заполнены холодной водой, уровень которой в питательной коробке и переливной трубе одинаков. При нагревании воды в водогрейном резервуаре и переливной трубе уровень ее в переливной трубе повышается. Однако это повышение уровня небольшое, так как вода при нагревании изменяет свою плотность незначительно, и ее перелива из переливной трубы не происходит.
При кипении воды в водогрейном резервуаре появляются пузырьки пара, которые, поднимаясь вверх, концентрируются в переливной трубе, обеспечивая резкое снижение объемной плотности смеси воды с паром. Соответственно уровень кипятка с паром в переливной трубе должен быть намного выше уровня холодной воды в питательной коробке, за счет чего и происходит перелив кипятка из переливной трубы в сборник кипятка. Уровень подъема кипятка с паром зависит от высоты начального столба воды в переливной трубе и интенсивности кипения.
Начальный уровень воды в переливной трубе выбирается таким образом, чтобы перелив ее в сборник кипятка происходил только при интенсивном кипении воды в водогрейном резервуаре с учетом образования накипи в переливной трубе в процессе эксплуатации. В отечественных кипятильниках при заполнении обоих сосудов холодной водой вода в переливной трубе поддерживается поплавковым клапаном на расстоянии примерно 70 мм ниже верхней кромки трубы.
Если уровень воды в переливной трубе и питательной коробке выше установленного, то производительность кипятильника возрастает, но вода может поступать в сборник кипятка некипяченой, и, наоборот, если этот уровень ниже установленного, кипяток выбрасывается из переливной трубы только при интенсивном кипении вместе с большим количеством пара, в результате чего производительность кипятильника снижается.
При выходе из строя поплавкового устройства уровень воды в питательной коробке поднимается до уровня сигнальной трубы, которая должна обязательно соединяться через видимый разрыв с канализацией. При появлении воды из сигнальной трубы (в месте разрыва) кипятильник должен быть немедленно выключен, а поплавковое устройство отремонтировано, так как в этом случае в сборнике кипятка находится смесь сырой и кипяченой воды, которая непригодна в пищу.
В случае засорения сигнальной трубы или отсутствия ее соединения с канализацией при выходе из строя поплавкового устройства возникает опасность переполнения питательной коробки и перелива сырой воды через отверстие 10 (см. рис. 11.3) в сборник кипятка.
При выходе из строя системы ограничения верхнего уровня кипятка в сборнике происходит его переполнение и перелив кипятка из сборника через то же отверстие в питательную коробку. В этом случае кипятильник перегоняет воду по замкнутому циклу практически без поступления холодной воды из водопроводной сети. При этом происходит интенсивное непрерывное кипение воды с выделением большого количества пара, который выходит из-под крышки в окружающую среду.
Процесс приготовления кипятка в кипятильнике заключается в следующем. Холодная вода из водопроводной сети по питающей трубе через клапан поступает в питательную коробку, а из нее по соединительной трубке — в водогрейный резервуар и переливную трубу. Когда уровень воды в переливной трубе и питательной коробке достигает требуемой величины, поплавковый клапан перекрывает поступление воды.
Когда нагревательные элементы включены, находящаяся рядом с ТЭНами вода нагревается и поднимается вверх. В верхней части водогрейного резервуара и в переливной трубе собирается более горячая вода из-за меньшей ее плотности, а в нижней части — более холодная. В верхней части водогрейного резервуара вода быстро нагревается до кипения, так как в ней находится около трети теплоотдающей поверхности ТЭНов. Кипение воды сопровождается значительным выделением пузырьков пара, которые, будучи намного легче воды, устремляются вверх, но не конденсируются, поскольку температура воды близка к температуре пара. При этом объемная плотность смеси становится намного меньше и происходит выброс кипятка с паром из переливной трубы.
Кипяток, ударяясь об отражатель, направляется в сборник кипятка. Пар, соприкасаясь с холодными стенками питательной коробки, конденсируется и стекает в сборник кипятка. Кроме того, со стенками питательной коробки частично соприкасается и кипяток, поэтому температура его на выходе из разборного крана ниже температуры кипения. При этом вода в питательной коробке частично нагревается, что приводит к повышению КПД кипятильника.
После выброса порции кипятка из переливной трубы уровень его понижается, поэтому в нижнюю часть водогрейного резервуара по соединительной трубке начинает поступать холодная вода. При этом уровень воды в питательной коробке понижается, поплавок опускается и водопроводная вода заполняет питательную коробку до требуемого уровня. За это время на верхней части ТЭНов накапливается большое количество пузырьков пара, которые отрываются от них и устремляются в переливную трубу, при этом вновь происходит выброс порции кипятка (интервал между выбросами — несколько секунд).
Каждый раз после выброса порции кипятка холодная вода из питательной коробки поступает в нижнюю часть водогрейного резервуара. В это же время в верхней части водогрейного резервуара вода кипит, что объясняется большей плотностью холодной воды. Самопроизвольно холодная вода вверх не поднимается, т.е. конвективное перемешивание отсутствует. Теплопроводность воды очень мала, поэтому температура верхних слоев ее в водогрейном резервуаре не понижается при поступлении в его нижнюю часть холодной воды. Из переливной трубы кипяток выбрасывается в сборник кипятка периодически; отбирать же кипяток можно через сливной кран непрерывно.
Существенным недостатком в работе кипятильника непрерывного действия является интенсивное образование накипи на ТЭНах и в переливной трубе. В зависимости от жесткости воды и производительности кипятильника ТЭНы и переливная труба кипятильника покрываются накипью слоем 10...20 мм за 4...6 мес интенсивной эксплуатации (8... 10 ч/сут).
Образование накипи на ТЭНах увеличивает термическое сопротивление на пути движения тепла от спирали к воде, что приводит к увеличению температуры спирали и, как следствие, преждевременному выходу ее из строя.
Значительное образование накипи в переливной трубе существенно уменьшает ее сечение. При этом возникает ситуация, когда при незначительном выделении пузырьков пара (температура воды 94... 96 °С) обеспечивается соответствующая плотность воды с паром в переливной трубе, необходимая для перелива, что приводит к переливу в сборник кипятка некипяченой воды. Соответственно внутренний диаметр переливной трубы выбирается исходя из производительности кипятильника с учетом образования накипи.
Кипятильник типа ЭКГ по устройству и принципу действия аналогичен кипятильнику типа КНЭ и отличается от него тем, что в нем кипящая вода выбрасывается из водогрейного резервуара в сборник кипятка не через центральную переливную трубку, а по кольцевому щелевому каналу, образованному стаканом-отражателем и водогрейным резервуаром. Поскольку площадь переливной щели во много больше сечения переливной трубки, то продолжительность ее зарастания накипью значительно больше и данный кипятильник к ней менее чувствителен.
Кипятильник (рис. 11.5) представляет собой аппарат цилиндрической формы. Он состоит из кожуха, водогрейного резервуара с расположенными в нем ТЭНами, сборника кипятка, стакана-отражателя, щелевого переливного устройства, питательной коробки, поплавкового клапана уровня, крышки, электродов «сухого хода», электродов верхнего и нижнего уровня.
Вода из водопроводной сети через питающий трубопровод и поплавковый кран поступает в питательную коробку, соединенную с водогрейным резервуаром соединительной трубкой. В водогрейном резервуаре вода нагревается ТЭНами до кипения.
Рис. 11.5. Принципиальная конструктивная схема электрического кипятильника ЭКГ: 1 — кожух; 2 — водогрейный резервуар, заполненный водой; 3 - сборник кипятка; 4 - стакан-отражатель; 5 - питательная коробка; 6 - ручка; 7 - крышка; 8 - поплавок; 9 - кольцевой щелевой канал (переливное устройство); 10 — соединительная трубка; 11 — ТЭН; 12 — сигнальная труба; 13 — рычаг; 14 — ось вращения; 15 — клапан; 16 — сливной кран; 17 — электроды верхнего и нижнего уровней; 18 — электрод защиты от «сухого хода»
Питательная коробка служит для подачи воды в водогрейный резервуар и поддержания заданного уровня (ниже верхнего края на 50...65 мм) в кольцевой переливной щели. Внутри питательной коробки находится электрод «сухого хода» и поплавковое устройство. Сигнальная труба предназначена для слива воды в канализацию в случае переполнения питательной коробки; в этом случае она свидетельствует о неисправности поплавкового клапана.