Rychlovarná konvice

Když si chceme udělat čaj, či kávu, většina z nás sáhne po varné konvici, aby v ní uvařila vodu. Proč? Je to nejsnazší, nejrychlejší a nejúspornější. Tento fakt si můžeme velmi snadno ověřit. Zkusíme porovnat čtyři nejběžnější způsoby vaření vody, ve varné konvici, v mikrovlnné troubě a na elektrické plotýnce v hrnci s pokličkou i bez ni. Stačí jen odměřit čtyřikrát stejné množství vody, třeba půl litru a změřit její teplotu. Potom si už jen změříme, jak dlouho trvá něž se voda začne vařit. Na spotřebiči si musíme ještě najít údaj příkonu spotřebiče. Pak už musíme trochu počítat.

Výpočet účinnosti

Energii potřebnou na ohřátí půl litru vody lze vyjádřit vztahem:

t_v . . . . . . teplota varu, tedy 100°C

t . . . . . . počáteční teplota

c . . . . . . je měrná tepelná kapacita vody, c=4,18 kJ.kg^-1.K^-1 (Vyjadřuje kolik energie je potřeba k ohřátí 1 kg vody o 1 K.)

m . . . . . . je hmotnost vody

Hmotnost si můžeme vyjádřit pomocí hustoty a objemu:

V . . . . . . objem vody, v našem případě tedy V = 0,5 l = 0,5 dm₃

r . . . . . . hustota vody, r = 1000 kg.m_-3

Celkovou energii potřebnou k ohřátí vody na bod varu potom vyjadřuje vztah:

Dále spočítáme výkon spotřebiče:

t . . . . . . čas, po který byla voda zahřívána než se začala vařit.

Při pohledu na vypočítaný výkon a příkon spotřebiče je jasné, že všechna energie nebyla použita jen na ohřívání vody. Jaká část dodané energie byla použita na zahřívání vody, vyjadřuje veličina účinnost, dostaneme ji ze vztahu:

P₁ . . . . . . příkon spotřebiče.

Pro srovnání se můžete podívat na výsledky mého pokusu.

S úsporou energie souvisí i další hledika podle, kterých si můžete vybírat, jak vařit vodu. Těmito kritérii jsou finanční výhodnost a ekologičnost.

Důvody úspornosti

Viděli jsme, že varná konvice je opravdu úsporná. Ale proč? Energie, kterou dodáváme vodě se může spotřebovat na její zahřátí nebo také na její vypařování. Jestliže je voda uzavřena v nádobě, jako v případě varné konvice a hrnce s pokličkou, dochází také k jejímu odpařování, ale voda se odpařuje jen do té doby než se vzduch nad vodou nasytí a vznikne sytá pára. Energie spotřebovaná na výpar vody je tedy menší, a tak je více energie použito na její ohřátí. Varná konvice je ale výrazně lepší i než hrnec s pokličkou. Varná konvice má topnou spirálu přímo ve vodě, a tak ji přímo zahřívá a nemusí nejdříve zahřívat hrnec, od kterého se navíc zahřívá ještě okolní vzduch. Rozdíl mezi varnou konvicí a hrncem na plotně bude ještě výraznější, pokud budeme používat hrnec, který nevyužije celou plochu plotýnky.

Porovnání s mikrovlnnou troubou není tak jednoduché, protože mikrovlná trouba, používá úplně jiného mechanizmu zahřívání než varná konvice. Zahřívání v mikrovlnné troubě, jak už název napovídá, je založeno na elektromagnetickém vlnění, jehož frekvenci je 4,25 GHz, což odpovídá frekvenci, na které kmitají molekuly vody. Molekuly vody jsou totiž polární, takže je na ně působí elektromagnetické pole a rozkmitá je. Voda v mikrovlné troubě je tedy zahřívána v celém objemu, zatímco ve varné konvici a v hrnci, je zahřívána voda u dna. Teplejší voda má menší hustotu, proto stoupá vzhůru a ta studenější se dostává ke dnu. V mikrovlné troubě dochází k největším ztrátám vypařováním vody.

Ztráty si opět můžete vyzkoušet proměřit.

Nespornou výhodou varné konvice je také to, že ji nemusíme hlídat a po uvaření vody se vypne sama. Ale jak pozná, kdy se má vypnout, když v ní vaříme pokaždé jiné množství vody?

Jak rychlovarná konvice funguje

Základem varné konvice je spirála. Uvnitř je vodič, kterým prochází elektrický proud, a tak se zahřívá a předává energii (Joulovo teplo) vodě. Tato energie je dána vztahem:

R . . . . . . odpor spirály

I . . . . . . elektrický proud protékající spirálou

t . . . . . . čas, po který protéká proud

Proud, který protéká vodičem spirály a přívodními vodiči, je stejný, ale odpor spirály musí být větší než odpor přívodních vodičů, aby se zahřívala především spirála a ne přívodní vodiče. Vodič je od spirály z důvodů bezpečnosti vodivě (ne však tepelně) izolován. Samotná spirála je vodivě propojena s ochranným vodičem, to pro případ, že by došlo k poškození izolace a dostala by se fáze na spirálu.

Obr. 1 Spirála s vypínačem

Obr. 2 Pohled dovnitř konvice

Když se začne voda vařit, konvice se vypne. Toto je zařízeno pomocí termostatu. Termostat je plíšek tvořený ze dvou různých kovů (tzv. bimetalový plíšek), každý z nich je po jedné straně. Kovy mají různou teplotní roztažnost, a proto se při zahřátí začne plíšek prohýbat. Zapneme-li konvici, páka vypínače prohne pásek, který se teï téměř dotýká bimetalového plíšku (viz obr. 3), a zároveň uvolní kolíček, který odtlačuje kontakty. Ty se tak sepnou a spirálou začne procházet proud.

Obr. 3 Vypínač konvice (kontakty jsou pojmenovány, jak uvádí výrobce, ale výměnou fáze středního vodiče se funkce konvice nezmění)

Obr. 4 Bimetalové plíšky

Nad vodou vzniká pára, která proniká do dutiny, kde je bimetalový plíšek (viz obr. 2) Voda se vypařuje i při nižších teplotách, ale až při varu má sytá pára nad vodou dostatek energie, kterou může předat pásku. Pára se ochladí a zkondenzuje, bimetelový pásek se zahřeje, prohne se a odtlačí vypínač, který pak pomocí páky zatlačí na kolíček, který rozpojí kontakty. Bimetalový plíšek musí mít speciální tvar, nestačí, aby se postupně prohýbal, plíšek se při zahřívání napíná a pak dojde k rychlému přeskočení do opačné polohy.

Bimetalový plíšek si můžeme snadno vyzkoušet. Pokud máte starou varnou konvici, můžete ho z ní vyndat a položit na horkou plotýnku. Plíšek musíte položit tak, že zobáček uprostřed nedoléhá na plotnu. Po zahřátí se prohne, přeskočí do opačné polohy a vyskočí jako žabka. Pokud ho dáme mimo plotnu opět tak, aby byl zobáček ve vzduchu, po chvíli se plíšek ochladí a přeskočí do původní polohy, a tím se opět odrazí do vzduchu (viz obr. 5). Zpětné přecvaknutí po vychladnutí můžeme slyšet i u vypnuté konvice.

Obr. 5 Po vychladnutí se bimetal prohne zpět do původní polohy a přitom vyskočí do vzduchu

Když bychom zapomněli nalít do konvice vodu nebo ji nalili málo a zapnuli ji, nemohla by se vypnout a my bychom mohli vyhořet, proto je za spirálou umístěn ještě jeden termostat (viz obr. 4), který při příliš velkém zahřátí spirály rozpojí obvod. Plíšek je potřen silikonovou pastou, aby se teplo mezi spirálou a plíškem lépe přenášelo. Konvice má ještě další jištění pro případ, že by spirála byla uvolněna. Spirála tlačí na kolíček, který drží pružinu, při uvolnění spirály není pružina stlačena a drží kontakty rozpojeny (viz obr. 4 a 6).

Obr. 6 Pohled do vypínače:
1- kontakt středního vodiče (nuly)
2 - připojení středního vodiče na spirálu
3 - kontakt fáze
4 - připojení fáze na spirálu
5 - kontakt ochranného vodiče
6 - připojení ochranného vodiče k povrchu spirály
7 - tyto kontakty přitlačuje bimetalový plíšek pod spirálou, pokud není příliš zahřát
8 - pružina, která je stlačena, pokud je spirála dobře přišroubována
9 - kolíček, který přerušuje kontakt, když je konvice vypnuta

Abychom viděli, kolik vody jsme nalili do konvice, je na ni stupnice, na které nám plovák ukazuje výšku vodní hladiny. Na stupnici je vyznačeno minimum vody, které smíme do konvice nalít. Je v takové výšce, aby byla spirála celá ponořena a aby nedošlo k vypaření veškeré vody (viz obr. 7).

Obr. 7 Varná konvice ze stojanem

Varná konvice je připojena do zásuvky, tedy na 230 V. Na podstavci, do kterého pak nasedá samotná konvice, jsou kontakty zakryty umělohmotným krytem, který je při nasazení konvice odsunut a při jejím sundání se pomocí pružného drátku vrací zpět (viz obr. 8).

Obr. 8 Stojan konvice se zásuvkou

Na konvici najdeme ještě doutnavku nebo LED (svítivou diodu), která nám signalizuje, že je konvice zapnuta. (viz obr.1 a 7.)