4.5.Пример решения задачи

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 Т_К доведения до кипения воды с начальной температурой 10—20 °С.

Этап 2. Необходимо создать электроплитку с КПД 60—80 % и временем Т_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 Т_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.

Рис. 22. Бытовая электроплитка

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 (рис. 22), состоящая из нагревательной спирали 4, лежащей на теплоизоляционном огнеупорном блоке 5, который опирается на корпус 6. Электроэнергия подводится изолированным проводом 2 через разъем 1. Нагревательная спираль прикрыта защитным экраном 3 из тугоплавкого металла.

В качестве первого дополнительного прототипа примем такую же конструкцию электроплитки, только без защитного экрана 8. Второй дополнительный прототип в отличие от основного имеет регулируемую мощность, т. е. вода до кипения нагревается при максимальной мощности, что сокращает время Т_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 в значительной мере влияет на сокращение времени нагревания.

КПД электроплитки определяется по формуле  = Qn / Qo,

Таблица 22

Нагревание жидкости в емкости до кипения

Элементы			Функции
Обозначение	Наименование	Обозначение	Описание
Е0	Спираль	Ф0	Выделение теплоты и нагревание емкости с жидкостью (V1) до кипения
E1		Ф1	Снижение потерь теплоты от спирали (Е0) в окружающую среду (V4)
Е2		Ф2	Поддержка спирали (E0)
Е3	Корпус	Ф3	Передача нагрузки массы с жидкостью (V1) на стол (V8)
E4	Электропровод	Ф4	Подвод электроэнергии от разъема (E5) до спирали (Е0)
Е5	Разъем	Ф5	Соединение и разъединение электропровода (E4) с электросетью (V2)
Е6		Ф6	Повышение количества теплоты, передаваемой от спирали (E0) к емкости с жидкостью (V1)

Где: Qn — затраты энергии на нагревание воды от 10 до 100 °С; Qo — потребляемая за это время электроэнергия.