Решение технических задач

1. Описание проблемной ситуации.

Описание выполняется по этапам.

Этап 1. Индивидуальные бытовые электроплитки имеют низкий КПД (30—40 %) и по сравнению с газовой плитой чрезмерно большое время t_к доведения до кипения воды с на­чальной температурой 10—20 °С.

Этап 2. Необходимо создать электроплитку с КПД 60—80 % и временем t_к не большим, чем у газовой плитки.

Этап 3. Низкий КПД связан с большими потерями теплоты, идущей на нагревание эле­ментов плитки и окружающего пространства. Большое время t_к обусловлено в первую оче­редь с предварительным нагреванием элементов плитки и ее низким КПД.

Этап 4. Устранение указанных недостатков электроплитки позволит получить значи­тельную экономию электроэнергии и времени на приготовление еды, а также заменить менее гигиеничные и более опасные газовые плитки на электроплитки.

2. Описание потребности (функции) электроплитки.

Обобщенное описание: нагревает воду в емкости до кипения.

Количественное описание: нагревает воду в емкости объемом 3-6 л. от начальной температу­ры 10 °С до кипения за 15—30 мин.

3. Выбор прототипа и его описание.

В качестве прототипа дана бытовая электроплитка, состоящая из нагревательной спирали, лежащей на теплоизоляционном огнеупорном блоке, который опирается на корпус. Электроэнергия подводится изолированным проводом через разъем. Нагрева­тельная спираль прикрыта защитным экраном из тугоплавкого металла.

В качестве первого дополнительного прототипа примем такую же конструкцию элек­троплитки, только без защитного экрана. Второй дополнительный прототип в отличие от основного имеет регулируемую мощность, т. е. вода до кипения нагревается при максималь­ной мощности, что сокращает время t_к а затем устанавливается мощность для поддержания кипения.

4. Выявление недостатков прототипа.

Потери теплоты при нагревании емкости с водой слишком большие, что приводит к низкому КПД (30—40 %). Требуется снизить потери теплоты и довести КПД до 60—80 % в соответствии с показателями других нагревательных приборов.

Время доведения воды до кипения от начальной температуры 10 °С в емкости объемом 3—6 л обычно составляет 30—60 мин. Требуется сократить это время до 15— 30 мин.

Для снижения трудоемкости приготовления пищи и потерь электроэнергии желательно иметь систему автоматического управления, которая после доведения воды до кипения под­держивает кипение (при минимальных затратах энергии) в течение заданного времени, после чего выключает подачу электроэнергии.

5. Выбор критериев качества.

За критерий качества примем КПД электроплитки, повышение которого значительной мере влияет на сокращение времени нагревания.

6. Разделение электроплитки (прототипа) на элементы.

Построение улучшенных ФС. Представляется целесообразным ввести функциональные элементы, обеспечивающие повышение количества теплоты, передаваемой емкости с жидкостью, и снижение потерь теплоты в окружающую среду.

7. Составление морфологических таблиц.

8. Оформление предварительных эскизов ТР и их описание.

Полученное ТР1, где емкость с жидкостью (кастрюля) устанав­ливается на несущем каркасе. Нагрев осуществляется спиралью, которая крепится на тонкой непроводящей решетке. Часть теплоты излучения, ушедшая от спирали вниз, отра­жается сферическим зеркалом и задерживается дополнительно слоем теплоизоляционного материала. В дополнение к плитке для ограничения потоков теплоты, уходящих в стороны от кастрюли и вверх, придается легкий металлический полый цилиндр с зеркальной вну­тренней поверхностью. Сверху на цилиндр надевается крышка.

ТР2 отличается от ТР1 тем, что спираль помещается в жестких трубках из изоляцион­ного материала (кварцевое стекло), которые заменяют собой решетку,

ТРЗ отличается от ТР1 тем, что спираль поддерживается металлическими крючками, изолированно укрепленными в стенках.

5