Чайниковедение. Как чайники стали меньше убивать⁠⁠

Продолжаем тему чайников. В качестве примера работающего 40 летнего чайника я привел фотографию вот этого ветерана:

Данный чайник конструктивно не отличается например от этого довоенного британского чайника:

И главный недостаток его - отсутствие не только автоматического отключения при закипании, а  отсутствие даже элементарной защиты от работы пустым. Такие чайники, когда выкипали, начинали разогреваться бесконтрольно, вплоть до красного каления ТЭНа и расплавления алюминиевого корпуса (температура плавления алюминия - 660С). По этой причине во многих регламентах советского времени было требование о наличии несгораемого основания под чайником, а то и вовсе запрет на использование. И не смотря на меры предосторожности, такие чайники устроили немало пожаров с жертвами. Впрочем в комментариях к предыдущему посту пикабушники рассказывали истории, как такой чайник едва не устроил пожар. К счастью, по современным правилам использование таких чайников не имеющих защит вообще - запрещено (ППР-2012 пункт 42-Г)

Такое состояние дел практически сразу стало наталкивать производителей на поиски решений дешевой и практичной защиты от перегрева. Если автоотключение при закипании - приятный бонус, то отключение при выкипании порой вопрос жизни и смерти. За сотню лет перепробовали множество конструкций, неудачные канули в  небытие, а удачные живут до сих пор.

Современные чайники оснащаются блоками автоматики - они реализуют сразу три функции: разъем для подключения, автоматическое отключение при закипании и тепловая защита при работе пустым. И именно благодаря этому несложному узлу чайники стали устраивать меньше пожаров с погибшими.И как я говорил в прошлом посте, львиную долю рынка этой автоматики в развитых странах занимают всего две британские компании - Strix и Otter. И в подавляющем большинстве случаев, посмотрев на дно чайника, вы найдете логотип этих фирм. Иногда, в самых дешевых чайниках, ставят изделия китайских производителей (FADA, Jitai, zuanbao, sunlight и так далее), но обычно они менее надежны. Посмотрим как реализованы функции автоматики чайника.

Автоматическое отключение
Принцип действия прост. Когда мы заполняем чайник водой, то каждый джоуль электроэнергии расходуется на рост температуры воды, пара образуется мало. Когда температура воды становится равной 100С, то каждый джоуль электроэнергии, сообщенный воде, будет вызывать не нагрев, а образование пара. После закипания образуется очень много пара, его давление растет, и он начинает проникать через паропроводящий канал к биметаллической пластинке автоотключения (на фото ниже отмечена фиолетовой стрелкой). Пар нагревает пластинку, и она нагревшись до заданной производителем температуры изгибается, и отключает чайник (классическая биметаллическая пластинка при нагреве просто плавно изгибается, пропорционально температуре. Но контакты предпочтительнее разводить резко и на большое расстояние, поэтому пластинку делают в виде диска, изогнутого полусферой, такая пластинка выгибается резко и при конкретной температуре, когда усилие деформации от нагрева превышает упругость пластинки.) (На фото ниже фиолетовым написано "биметаллическая пластина", редактор пикабу отрезал "би" от картинки.)

Отсюда делаем следующие выводы:

а) К пластинке нужно подводить пар, поэтому производитель предусматривает паропроводящий канал. Если выключатель в ручке, то предусматривается отверстие. Если выключатель в основании - предусматривается трубка. Если производитель хитер, то вместо трубки используется наплыв у корпуса.

б) Пар нагревая пластинку конденсируется и стекает вниз. Поэтому одна-две капли на подставке чайника после работы - это нормально, и не признак течи.

в) Чайники с выключателем в ручке при закипании отключаются быстрее. Чайники с паропроводящей трубкой отключаются дольше. Чайники с открытой крышкой могут вообще не отключиться - пар без сопротивления уходит в помещение, и ничего не заставляет его проникать по трубкам/каналам к биметаллической пластинке.

г) От постоянного контакта с паром, брызгами жесткой воды пластинка может поменять свои свойства, и отключать чайник преждевременно, или наоборот не отключать вовсе.

Подключение к подставке.
Исторически сложилось, что  модели с погружным ТЭНом имеют контакт на подставке в районе пятки. Модели с ТЭНом интегрированным в дно имеют центральный контакт, что позволяет ставить чайник на подставку в любом положении. Контакт на подставке - деталь очень важная - при малом пятне контакта необходимо передавать ощутимый ток (10А). Любое загрязнение, окисление приводит к росту сопротивления контакта и его нагреву. Чрезмерный нагрев вызывает расплавление корпуса разъема и его выход из строя. Кроме того, контакт на подставке чайника находится под напряжением, и должен быть закрыт от детских шаловливых ручонок. Форма и размеры разъемов защищены патентами, поэтому возможна такая ситуация:

При интенсивном использовании и вращении, на подставке контакты могут изнашиваться до дыр. А при загрязнении и чрезмерном нагреве греться до оплавления пластика, который их удерживает.

На фото оплавление клеммы из-за нагрева в контакте защиты от перегрева.

Из чего делаем вывод. Чайники не любят стоять в луже воды вода попадая на поверхность контактных колец вызывает их окисление и рост сопротивления контакта. Поэтому нельзя заполнять чайник поставив в раковину.

В особо запущенных случаях коррозия повреждает практически все, включая биметаллическую пластинку, из-за чего автоматическое отключение начинает барахлить.

Защита от перегрева.
Защита от перегрева реализуется такими же биметаллическими пластинками, что и автоматическое отключение, просто они настроены на другую температуру, например на 150С вместо 80С. Вот как они выглядят:

(На фото контакты обращены вниз, верхняя часть прижимается к дну)

Пластинка прижимается к теплопроводящей поверхности дна. Для улучшения теплового контакта нанесена термопаста (строго говоря она опциональна, и менять ее не нужно. Просто при ее деградации вырастет температура, при которой срабатывает защита, вместо 150С может к примеру вырасти до 200С). Если чайник выкипел, температура может вырасти более 100С, пластинка нагревается и выгибаясь через толкатель отгибает контактную пару, разрывая цепь. Как только чайник остынет - контакт вернется в исходное состояние.

Защита получается многоразовой. Обычно биметаллических пластин для надежности две - вдруг после прошлого срабатывания контакты  сварились, дублирование не помешает. В китайской автоматике самых дешевых чайников пластинка защиты всего одна, для экономии.

Что интересно, поведение защиты от перегрева отличается, в зависимости от расположения биметаллической пластинки отключения при закипании. Если она расположена в ручке, то защита отключает чайник, дает остыть, снова включает, он снова перегревается и отключается, и такой чайник, будучи забытым перед отпуском может месяц щелкать, постоянно включаясь-отключаясь. И тут как нельзя кстати пригодится дублирование - контакты на токе в 10А хорошо искрят и могут слипнуться. Если же выключатель расположен у дна чайника, то он конструктивно находится в одном блоке, и инженерам не сложно предусмотреть механическую связь, что бы защита от перегрева отключала чайник, отщелкнув выключатель как при закипании - такие чайники не будут циклически включаться пустыми.

Автоотключение при снятии с подставки.
Эта функция реализована не во всех блоках автоматики (например в strix U17 ее нет, а в strix U88 она есть, и она работает только если выключатель не выносной в ручке). Если перевернуть чайник и посмотреть на донышко то видно штифт:

Смысл ее в том, что сняв чайник с подставки включенным - он выключится, и при возврате на подставку не будет впустую закипать, уже не нужный пользователю.

Это далеко не все функции автоматики, но они базовые. В каталоге Strix можно увидеть, что опционально у них есть и поддержание температуры, и регулируемый термостат, и другие опции, реализованные электромеханически, но встречаются они в очень дорогих, а потому непопулярных чайниках.

Почему же автоматику для чайников производят две компании, хотя она простая? Дело в том, что:
а) Патенты. Кто первый придумал и запатентовал, тот и производит.
б) Большие вложения в обеспечение стабильного качества и безопасности. Произвести 10 качественных изделий не сложно. Произвести 10 000 качественных изделий  трудно. Изготовить 10 000 000 качественных изделий крайне трудно. В отсутствие должного контроля в одну смену завод производит нормальные изделия, а в ночную смену есть пара раздолбаев-рабочих, и качество падает. Вот просто для сравнения, сравните качество пластика на блоке strix (справа) и то, как торчит облой на блоке от китайского аналога(слева). Облой на работу не влияет, но показывает уровень отношения к качеству.

Я думаю многие ждут конкретных советов по выбору. И я могу дать их:

Смотрите на производителя автоматики чайника - его имя есть на разъеме на дне. Если это не Strix и не otter то стоит задуматься.

Если вы выбираете модель с выключателем у дна, смотрите как закреплена паропроводящая трубка. Она должна быть приварена. Если она вставлена в отверстие дна через прокладку - такой чайник не берите, это потенциальное место течи. Более того, иногда для экономии вместо трубки из нержавейки производитель через прокладку втыкает алюминиевую трубку. На фото трубка слева закреплена через прокладку, трубка справа приварена к дну.

И снова повторюсь - ставить чайник в воду нельзя. Ставить чайник в мокрую раковину чтобы наполнить его - путь к быстрой его кончине.

Тема чайников еще не исчерпана, оставайтесь на связи :) Оставляйте в комментариях вопросы про мелкую бытовую технику, про что хотели бы увидеть посты.