5668

Рисунок 46 – Принципиальная схема электрических проточных водонагревателей: 1 – водогрейная ёмкость; 2 – тепловая изоляция; 3 – тэны; 4 – водяной кран

Известны водонагреватели с электродным нагревом (рисунок 47), характеризующиеся высокой компактностью и оригинальным способом регулирования мощности. Вода, проходя между электродами 5, включается в электрическую цепь и как резистивный элемент нагревается. В зависимости от площади электродов меняется подведённая мощность. Активную поверхность электродов изменяют путём механического регулирования степени экранирования электродов с помощью экрана 4 и тяги 2.

Массовое использование электродных нагревателей сдерживается существенными недостатками этой конструкции. К ним относятся: высокая электроопасность и особые требования к корпусу 3 из диэлектрического материала (см. рисунок 47); невысокая стабильность рабочих параметров при неравномерном разборе горячей поды (электрическое сопротивление поды падает с ростом температуры, что приводит к увеличению потребляемой мощности).

Рисунок 47 – Принципиальная схема электрического водонагревателя с электродным нагревом воды: 1 – наружный кожух; 2 – тяга; 3 – внутренний корпус из диэлектрического материала; 4 – экран; 5 – электроды

111

Электрические схемы электронагревателей непрерывного действия предусматривают выполнение следующих функций: коммутацию с электросетью; автоматическое ограничение верхнего уровня температуры горячей воды на выходе из нагревателя; отключение нагревательных элементов в случае «сухого хода» тэнов (оголение их поверхности при недостаточном количестве воды) и при появлении потенциала на корпусе.

На серийно выпускаемых электрических водонагревателях для поддержания заданной температуры горячей воды предусматривают терморегуляторы манометрического типа (термосигнализатopы) TC-100. Для защиты тэнов от «сухого хода» используют реле уровня электродного типа.

Паровые водонагреватели получили наибольшее применение в виде змеевиковых и кожухотрубных (см. рисунок 48). Змеевиковый водонагреватель (см. рисунок 48, а) получил своё наименование по названию основного теплообменного устройства — змеевика, т.е. трубки для транспортировки пара, выполненной в виде спирали. Для более полной конденсации пара в змеевике и исключения возможности возникновения пролётного пара за змеевиком устанавливают конденсатоотводчик. С целью удаления воздуха и остатков конденсата в теплообменнике при пуске аппарата предусмотрен продувочный кран.

Змеевик размещают вертикально по отношению к оси спирали. Пар подают в верхнюю часть змеевика и отводят снизу. В этом случае образующийся конденсат движется под действием силы тяжести под уклоном, определяемым шагом витка спирали. Taким образом обеспечивается попутное движение пара и конденсата, исключающее скопление паровых пробок в змеевике.

Для эффективного использования водонагревателя обычноно подключают к участку паропровода с повышенным давлением 300...400 кПа (2...3 атм), что с большим запасом соответствует условиям прочности и герметичности стандартных труб, и которых изготовливают змеевики. При этом температура поверхности змеевика близка к температуре насыщения (ts = 130... 135 °С), соответствующей давлению и обеспечивает максимальную производительность.

Кожухотрубный проточный паровой водонагреватель (см. рисунок 48, б) характеризуется тем, что водогрейная ёмкость 1 делится на две части и соединяется между собой пучком параллельно расположенных труб 7, в межтрубное пространство которых поступает влажный насыщенный пар. Направления водяного и парового потоков организованы так же, как и в змеевиковом водонагревателе. Число труб, их диаметр и способ расположения обусловлены требуемой площа-

112

дью поверхности нагрева, зависящей от рабочих параметров водонагревателя — мощности, производительности, реализуемой разности температур, давления насыщения и т.д. Однотрубный водонагреватель — это теплообменник типа «труба в трубе» и может рассматриваться как частный случай кожухотрубного, когда вместо пучка труб применена только одна. Такой водонагреватель используют в тех случаях, когда не требуется большой компактности. Чаще всего такие паровые водонагреватели представляют собой узел сложной машины или теплообменного аппарата.

Рисунок 48 – Принципиальная схема парового проточного водонагревателя: а – змеевикового; б – кожухотрубного; 1 – водогрейная ёмкость; 2 – змеевик; 3 – патрубок разбора горячей воды; 4 – тепловая изоляция; 5 – конденсатоотвод; 6 – продувочный кран; 7 – пучок теплообменных труб; 8 – паровое межтрубное пространство

Пластинчатые паровые водонагреватели используют в различных отраслях. Опыт эксплуатации пластинчатых теплообменников в качестве пастеризацион- но-охладительных агрегатов свидетельствует об их неоспоримых преимуществах, таких как высокая компактность; развитая поверхность теплообмена; заложенная в конструкцию турбулизация потока нагреваемой среды и, следовательно, интенсификация теплообмена; высокая степень унификации конструкций при изменении производительности аппарата; технологичность изготовления; удобство монтажа; ремонтопригодность благодаря возможности разборки аппарата. Последний фактор особенно важен для водонагревателей, так как он позволяет эффективно удалять накипь с пластин, выделившуюся в процессе эксплуатации.

113

Пластинчатые теплообменники (см. рисунок 49) комплектуются из выштампованных из нержавеющей стали пластин 7.

Рисунок 49 – Пластинчатый теплообменник: а – общий вид; б – пластины; 1 – пластина; 2 – станина; 3 – резиновые прокладки; 4 – выступ пластины

Пластины монтируются на станине 2 и образуют своеобразный «пакет». Штампованная поверхность пластин имеет специальные выступы, которые образуют многочисленные каналы и турбулизируют поток. Уплотнение пластин осуществляют прокладками 3 из термостойкой пищевой резины, приклеенными по периферии. Для задания способа движения теплоносителя пластины компонуют в группы. Аппараты могут быть разборными или полуразборными, когда пластины попарно сварены. Последний вариант целесообразен для создания паровой полости, так как в ней практически не образуется накипи.

Газовые проточные водонагреватели имеют водогрейную ёмкость 7 (см.

рисунок 50). Она герметична и представляет собой проточную систему, в нижнюю часть которой через водяной кран подаётся холодная вода, а через патрубок 6 нагретая вода отводится к потребителю. Для обеспечения автоматического режима работы проточных водонагревателей газовая горелка подключена к системе газоснабжения посредством терморегулятора и термомагнитного клапана.

Термомагнитный клапан выполняет все функции газовой автоматики безопасности, отключающей подачу газа к горелке в случае загасания запальника 9. Датчиком пламени служит горячий спай 13 хромель-копелевой термопары. Терморегулятор выполняет функции автоматики peгулирования, поддерживая уровень воды на выходе из водонагревателя не выше 80... 90˚С. В терморегуляторе используют датчики дилатометрического типа. Дилатометрический

114

датчик состоит из двух сплавов с различными коэффициентами термического расширения, что чаще всего приводит к изгибу биметаллической пластины при нагреве.

Рисунок 50 – Принципиальная схема ёмкостных проточных газовых водонагревателей: 1 – водогрейная ёмкость; 2 – термометр; 3 – газоход; 4 – турбулизатор; 5 – жаровая труба; 6 – патрубок отбора горячей воды; 7 – водяной кран; 8 – топка; 9 – запальник; 10 – инжекционная газовая горелка; 11 – дилатометрический терморегулятор; 12 – термомагнитный (электромагнитный) клапан; 13 – горячий спай термопары; 14 – дилатометрический датчик терморегулятора; 15 – переносной запальник

Водонагреватели надёжны в работе, просты в обслуживании, рассчитаны на работу под давлением воды в водогрейном объёме до 600 кПа (5 атм), что в реальных условиях фактически невозможно, так как эксплуатация системы разрешена лишь при открытом контуре линии разбора горячей воды. Они устойчиво работают на самотяге при разрежении в газоходе не менее 5 Па (50 мм вод. ст.). Вопреки принятой в общественном питании системе индексации тепловых аппаратов в качестве основного параметра для водонагревателей типа АГВ указывается их вместимость. Это объясняется тем, что такие аппараты впервые были разработаны и изготовлены для бытовых целей. Производительность водонагревателей ЛГВ-80 составляет около 65 кг/ч, а АГВ-120 до 180 кг/ч. Для водонагревателей этого типа характерны такие недостатки, как большие габаритные размеры, масса и длительный период разогрева. Трубчатые проточные водонагреватели (колонки, см. рисунок 51) применяются и быту, на предприятиях малой мощности, а также на передвижных предприятиях общественного питания. Отличительная положительная особенность этих водонагревателей по сравнению с ёмкостными — их безынерционность, так как продолжительность разогрева воды с момента включения не превышает 1...2 мин. Это обеспечивает рациональное расходованиие газообразного топлива и возможность оперативного

115

регулирования температуры воды на выходе. Теплообменником служит тонкая медная трубка диаметром 8 – 12 мм, образующая змеевик.

Рисунок 51 – Принципиальная схема бытового проточного газового водонагревателя: 1 – блок-кран; 2 – газовая горелка; 3 – змеевик; 4 – оребрённая часть змеевика; 5 – медная стенка; 6 – дымоотводящий канал; 7 – кожух; 8 – датчик пламени; 9 – запальник; 10 – кран запальника; 11 – кран горелки

В зоне топочной камеры трубка припаяна к плоской медной стенке 5 воронкообразной формы, предназначенной для увеличения поверхности нагрева, так как она работает как плоское тепловое ребро. Кроме того, стенка формирует топочный объём водонагревателя. В верхней части змеевик расположен в горизонтальной плоскости и более чем на 60 % перекрывает сечение газохода. В целях развития тепловоспринимающей поверхности змеевик выполнен с оребрением 4. В топке установлена многоколосниковая инжекционная газовая горелка 2 в блоке с запальником 9 и датчиком пламени 8. Вода и газ включаются посредством блок-крана 1, который выключает основную горелку только в том случае, если вода на входе имеет давление не ниже допустимого. Блок-кран также автоматически перекрывает подачу газа в случае падения давления воды при эксплуатации; то же самое происходит в случае аварийного загасания запальника и охлаждения датчика пламени. Энергетически конструкция совершенна, так как КПД в стационарном режиме работы составляет не менее 70 %. Не более 25 % полезной теплоты продукты сгорания газа передают в топочной камере; остальная полезная нагрузка приходится на газоход. Водонагреватели данного типа хорошо зарекомендовали себя за долгие годы эксплуатации. Серьёзными недостат-

116

ками этой конструкции являются малое проходное сечение водяного канала и, как следствие, высокая чувствительность к накипи, а также сравнительно высокая стоимость аппарата, определяемая использованием при изготовлении большого количества меди. Характерные особенности водонагревателя — большой топочный объём и малая длина газохода. Последний недостаток компенсируется развитой поверхностью теплообмена в газоходе, достигаемой в результате плотного оребрения змеевика прямоугольными медными пластинами.

11.3. Кофеварки

Современные промышленные кофеварки используют в основном циркуляционный и перколяционный способы заваривания кофе. Рабочий объём кофеварок циркуляционного типа 2 (см. рисунок 52) разделён на две зоны перфорированной мембраной 7, заканчивающейся переливной трубкой 6. Вода в результате проникает в подмембранную полость и в контакте с поверхностью электронагревателя 1 незначительно перегревается. При этом одновременно происходит насыщение слоя воды пузырьками пара, образующимися при кипении. Восходящий поток кипящей воды образует фонтан, так как плотность воды в переливной трубке 6 значительно меньше (из-за её насыщения пузырьками пара), чем в основном объёме. Поток кипящей воды попадает на слой порошка кофе, размещённый в сетчатой корзине 3, растворяет экстрактивные вещества и насыщается. В таком циркуляционном режиме кофеварка работает определённый промежуток времени, необходимый для наиболее полной экстракции кофе.

Рисунок 52 – Принципиальная схема кофеварки циркуляционного типа:

1 – электронагреватель закрытого типа; 2 – рабочий объём; 3 – сетчатая корзина с порошком кофе; 4 – крышка; 5 – отражатель; 6 – переливная трубка; 7 – перфорированная мембрана

117

Кофеварки перколяционного типа имеют различные конструктивные решения. Их разделяют в зависимости от производительности, компоновки, степени автоматизации, но в основном они реализуют конструктивную схему, представленную на рисунке 53. В соответствии с этой схемой перколяционная кофеварка состоит из двух основных элементов: водонагревателя 2 и перколяционной камеры 7. В водонагревателе вода нагревается тэнами до температуры 110 °С при давлении около 250... 300 кПа (2,5... 3 ат), т. е. не достигает температуры кипения, которая при этом давлении близка к 130 °С. После того как она поступает в ёмкость 6 с молотым кофе, порошок увлажняется и образуется гидравлический затвор. Перегретая по отношению к атмосферному давлению жидкость движется через пористый увлажнённый слой кофе. В этом слое давление воды падает с 250...300 кПа до атмосферного. При этом в момент выравнивания давления с атмосферным в одном из внутренних слоёв жидкость вскипает с активным испарением, а также газо- и воздуховыделением. В результате резко увеличивается поверхность контакта, возрастают пульсации тепловых потоков и концентрации в зоне расположения порошка, что заметно усиливает эффект экстракции веществ и раствор кофе. Как правило, даже однократная перколяция обеспечивает высококачественное приготовление кофе, но в отдельных конструкциях предусматривается и возможность многократного перколяционного взаимодействия. В последнем случае обычно достигается большая степень экстракции, но при некотором снижении органолептических показателей напитка.

Рисунок 53 – Принципиальная схема кофеварки перколяционного типа: 1 – кран подвода воды; 2 – водонагреватель; 3 – предохранительный клапан; 4 – тэны; 5 – кран подачи перегретой воды; 6 – сетчатая ёмкость с порошком кофе; 7 – перколяционная камера

118

Эксплуатация кипятильников и нагревателей заключается в следующем: перед включением в работу любого кипятильника проверяют: открытие вентиля на подводящей водопроводной трубе и заполнение кипятильника водой; по уровню воды в переливной трубе определяют правильность регулирования питательного клапана; наличие остатка воды в сборнике кипятка.

Вэлектрических кипятильниках и водонагревателях в обязательном порядке проверяют соединение корпуса аппарата с заземляющей шиной. В водонагревателях, имеющих регулятор температуры, перед пуском их в работу задают необходимые пределы температуры горячей воды. В твёрдотопливных и газовых кипятильниках проверяют тягу с помощью полоски тонкой бумаги, предварительно открыв шибер на газоходе. Если бумага втягивается в топку, то тяга имеется и кипятильник можно включать в работу.

Вгазовых кипятильниках определяют утечку газа по запаху.

Вэлектрических кипятильниках включают тумблер на пусковом устройстве. Зажигание сигнальной лампы свидетельствует о наличии напряжения и включении тэнов.

Вгазовых кипятильниках открывают кран на подводящем газопроводе и у переносного запальника, зажигают переносной запальник и вносят в камеру сгорания. Нажимают кнопку прибора автоматики, зажигают стационарный запальник, прикрывают регулятор первичного воздуха и открывают кран горелки. По цвету пламени регулируют подачу воздуха.

Втвёрдотопливных аппаратах в топку загружают дрова, разжигают и лишь после того, как они разгорятся, порциями загружают уголь. Подачу воздуха в топку регулируют по цвету и характеру пламени с помощью дверцы зольника. По мере сгорания топлива в процессе работы твёрдотопливных кипятильников его добавляют равными порциями, не допуская оголения колосниковой решётки.

При работе кипятильников регулярно отбирают кипяток. При этом первые порции сливают, так как они могут быть некипячёными. Не следует допускать переполнения сборника кипятка, признаком чего служит появление струи горячей воды из сигнальной трубки. Если потребность в кипятке отпала, то необходимо прекратить нагрев неавтоматизированного кипятильника или резко уменьшить количество подводимой к нему теплоты. Для этого у газовых кипятильников следует уменьшить подачу газа к горелке, у парового кипятильника – уменьшить вентилем подачу пара к нагревателю, а у твёрдотопливного кипятильника – прикрыть шибер на дымоходе и дверцу зольника.

119

В процессе работы кипятильников из сигнальной трубки возможно вытекание холодной воды. Это явление можно устранить, отрегулировав питательный клапан или заменив поплавок, если в нём образовалась течь, или резиновую пробку клапана. Иногда такого рода неисправность может наблюдаться при повышении давления воды в водопроводе. В этом случае вентиль на подводящем трубопроводе следует немного прикрыть.

При вытекании из водоразборного крана вместо кипятка тёплой воды следует отрегулировать питательный клапан так, чтобы уровень воды в переливной трубе на 0,06...0,08 м был ниже кромки переливной трубы. Если питательный клапан отрегулирован правильно, то появление некипячёной воды в сборнике кипятка является следствием течи в стенках питательной коробки.

При работе кипятильников контролируют полноту сгорания газа и твёрдого топлива по цвету и характеру пламени, своевременный разбор кипятка и горячей воды, так как не следует допускать перелива нагретой воды через сигнальную трубу в дренаж. Кроме того, систематически прочищают отверстия колосниковой решётки от шлака для достаточного поступления воздуха.

После окончания работы отключают подачу энергоносителя, сливают кипяток из сборника кипятка и протирают наружную поверхность аппарата сухой ветошью.

11.4. Технико-эксплуатационные показатели работы кипятильников и водонагревателей

Работа кипятильников и водонагревателей характеризуется нормальной теоретической и действительной (технической) производительностью, удельной производительностью, удельным расходом энергоносителя, коэффициентом полезного действия аппарата (кпд), напряжением поверхности нагрева, металлоёмкостью.

Производительность кипятильников и водонагревателей, при прочих равных условиях, зависит от температуры воды, поступающей в нагревательное устройство, и от температуры её закипания, которая, в свою очередь, зависит от барометрического давления. В связи с этим при определении производительности водогрейных устройств введены понятия: нормальный кипяток и нормальная производительность, одновременно являющаяся и теоретической производительностью.

120