基于熱交換原理設(shè)計(jì)早餐熱源共享器

盧陽(yáng)

摘要：對(duì)于大部分上班族和住校學(xué)生來(lái)說(shuō)，早晨的時(shí)間很緊張，幾乎沒(méi)有時(shí)間做早飯、吃早飯。但營(yíng)養(yǎng)學(xué)家說(shuō)“早餐是三餐中最重要的一頓——必須吃好?！痹诙虝r(shí)間內(nèi)烹飪?cè)绮停瑵M(mǎn)足早餐需要的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)成份，最常見(jiàn)的早餐食品有雞蛋、牛奶、谷物等基于熱交換原理，研制設(shè)計(jì)“三分鐘+一碗開(kāi)水”搞定早餐的熱源共享器，充分利用熱能轉(zhuǎn)換，解決學(xué)生和上班族早晨在短時(shí)間內(nèi)加熱多種早餐的問(wèn)題，操作簡(jiǎn)便易行。

關(guān)鍵詞：熱交換原理 熱量計(jì)算 熱交換裝置

中圖分類(lèi)號(hào)： TE96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

對(duì)于大部分上班族和住校學(xué)生來(lái)說(shuō)，早晨的時(shí)間很緊張，幾乎沒(méi)有時(shí)間做早飯、吃早飯。但營(yíng)養(yǎng)學(xué)家說(shuō)“早餐是三餐中最重要的一頓——必須吃好。”在短時(shí)間內(nèi)烹飪?cè)绮?，滿(mǎn)足早餐需要的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)成份，最常見(jiàn)的早餐食品有雞蛋、牛奶、谷物等。問(wèn)題是：（1）牛奶不能高溫加熱；（2）當(dāng)天煮雞蛋時(shí)間太長(zhǎng)，提前煮好的雞蛋、不能用微波爐加熱（容易爆炸）；（3）早餐的谷物食品最好有鹽，但是烹飪比較麻煩；（4）對(duì)于在校學(xué)生來(lái)說(shuō)，沒(méi)有烹飪條件，只有開(kāi)水能用；（5）泡一碗方便面來(lái)解決，短時(shí)間可以泡好，但是方便面太燙，等它慢慢涼，又太費(fèi)時(shí)間。

基于熱交換原理研制的早餐熱源共享器，利用熱能轉(zhuǎn)換，“3分鐘+1碗開(kāi)水”可以解決如上問(wèn)題，使早餐既營(yíng)養(yǎng)豐富、品種多樣，又節(jié)省時(shí)間。

1.設(shè)計(jì)方案

利用物理課上學(xué)的熱交換原理，設(shè)計(jì)一套熱交換裝置，將方便面的熱量迅速交換出來(lái)，用于加熱其他食品例如袋裝奶、雞蛋等食品，即“三分鐘+一碗開(kāi)水”搞定早餐利器。

熱交換裝置設(shè)計(jì)為兩部分：裝置一為熱提取器，作用是將方便面碗的熱量迅速交換出來(lái)；裝置二為加熱器，用于加熱其他食品，例如袋裝奶、雞蛋等食品。

2.熱傳遞過(guò)程中的熱量計(jì)算

2.1體積計(jì)算

首先，根據(jù)方便面碗的外觀(guān)尺寸計(jì)算一碗方便面所容納的水的體積，

V=∏R2H=3.14×6×6×10=1130.4cm3

如果碗中充滿(mǎn)水，水的質(zhì)量M水=1.13千克。

2.2釋放和轉(zhuǎn)化熱能計(jì)算

接著我們計(jì)算方便面中的水由95℃降至50℃所釋放的熱量：

Q釋放=C水×M水×△T水=4.2×1000×1.13×（95-50）=213.57千焦

設(shè)方便面中的熱量轉(zhuǎn)化為其他食品熱量過(guò)程中熱轉(zhuǎn)化率為40% ，這其中包括熱輻射損失和參與交換液體吸收熱量損失，轉(zhuǎn)化出的熱量為：

Q轉(zhuǎn)化=Q釋放×η=213.57×0.4=85.42千焦

2.3吸收熱能計(jì)算

計(jì)算牛奶和雞蛋由室溫15℃加熱至45℃所需熱量Q奶，這里設(shè)牛奶比熱容與水的比熱容相同，即Q奶=Q水，則一袋奶的質(zhì)量為0.25千克（半斤）M奶=0.25千克，計(jì)算加熱一袋奶所需要的熱量

Q奶= C奶×M奶×△T奶=4.2×1000×0.25×（45-15）=31.5千焦

假設(shè)加熱一個(gè)雞蛋所需要的熱量與加熱一袋牛奶所需要的熱量相同，即設(shè)Q蛋與Q奶相同（實(shí)際Q蛋Q需要=Q奶+Q蛋=63千焦

2.4在熱交換過(guò)程中轉(zhuǎn)換熱能量和需要熱能量比較

假設(shè)在熱交換過(guò)程中達(dá)到熱平衡的條件下（45℃）熱傳遞轉(zhuǎn)化率為40%情況下：

Q轉(zhuǎn)化=85.42千焦>Q需要=63千焦

2.5熱能計(jì)算結(jié)論

一碗方便面所釋放熱量可以滿(mǎn)足將一袋牛奶和一個(gè)雞蛋加熱至適合食用的溫度。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱能計(jì)算的有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試方便碗釋放三分鐘熱能可以將適量水加熱至適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

實(shí)驗(yàn)方法：取一個(gè)比方便面碗稍大的容器，加適量水，將方便面碗用開(kāi)水沖泡，放置于盛水的容器內(nèi)。三分鐘后，將方便面碗取出，測(cè)量容器內(nèi)水溫。共測(cè)量20次，取平均溫度。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證，一碗方便面所釋放熱量可以滿(mǎn)足將一袋牛奶和一個(gè)雞蛋加熱至適合食用的溫度。

4.主要部件設(shè)計(jì)

（1）熱提取器——熱提取器與方便面碗外形相同，為雙層封閉結(jié)構(gòu)，雙層之間內(nèi)腔間距1CM，設(shè)上下兩個(gè)出回水口，材質(zhì)為不銹鋼外層加保溫層防止熱散失。

（2）加熱器——加熱器為桶狀結(jié)構(gòu)，

中部和低側(cè)部設(shè)兩個(gè)出回水口，桶底部為比方便面碗略大的圓形金屬底盤(pán)。

（3）兩根水導(dǎo)管——用于連接熱提取器和加熱器，形成冷熱水循環(huán)。

（4）攜帶用蓋——攜帶時(shí)，與加熱器相扣在一起，形成圓形盒子，將其他部分放置其中。

早餐熱源共享器效果圖

5. 操作步驟

（1）使用前保證熱交換器中水加至需要程度。

（2）將牛奶和雞蛋放入加熱器中（浸沒(méi)在水中）。

（3）將方便面碗放入熱提取器中。

（4）用開(kāi)水沖泡方便面，將方便面碗內(nèi)水加至將滿(mǎn)，將加熱器蓋在方便面碗上，即可同時(shí)加熱方便面、牛奶、雞蛋等食品。

6. “三分鐘+一碗開(kāi)水”早餐熱源共享器主要特征

（1）加熱器和熱提取器用導(dǎo)管相連。

（2）加熱器與熱提取器皆為上面水口相連，將熱提取器中熱水供至加熱器。

（3）加熱器與熱提取器皆為下面水口相連，將加熱器的冷水回流至熱提取器。

（4）熱交換裝置加水時(shí)，用攜帶用蓋作為加熱器的底座，使加熱器高于熱提取器，加熱器中水不易溢出。

（5）加熱器放在方便面碗上加熱時(shí)，要將方便面碗上紙蓋撕掉，保證面碗上方蒸汽熱傳導(dǎo)暢通。

（6）攜帶時(shí)，攜帶用蓋和加熱器相扣成圓盒，其他零件放入其中。

7.結(jié)語(yǔ)

這個(gè)基于物理課堂所學(xué)的熱交換原理研制設(shè)計(jì)的早餐熱源共享器，“三分鐘+一碗開(kāi)水”搞定早餐，幫助學(xué)生和上班族節(jié)省早餐準(zhǔn)備時(shí)間，高效利用熱能，利用蒸汽傳導(dǎo)和接觸傳導(dǎo)兩種方式，置換方便面中多余熱量，三分鐘內(nèi)同時(shí)加熱方便面、牛奶、雞蛋等早餐食品，熱交換效率高，操作簡(jiǎn)便易行，已經(jīng)獲得國(guó)家專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)201520633594.X。

參考文獻(xiàn)

[1]熱交換器原理與設(shè)計(jì) 作者 史美中 王中錚 東南大學(xué)出版社

[2] 王敏. 多熱源供熱系統(tǒng)的節(jié)能研究[D]. 北京建筑工程學(xué)院 2012