水力自發(fā)熱水杯

姜珊 邱云飛

摘 要：水力自發(fā)熱水杯是將微型水輪發(fā)電機組裝在杯子中的一款水杯。此水杯以能量轉(zhuǎn)換為研究依據(jù)，結(jié)合水力發(fā)電原理，在水流驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的過程中實現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能，又通過水輪機主軸帶動發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電機產(chǎn)生的電能使電阻絲加熱使水溫上升。

關(guān)鍵詞：節(jié)能水杯；水力發(fā)電；自發(fā)熱；能量轉(zhuǎn)換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.064

1 前言

市場針對喝熱水的需求研發(fā)了自熱水杯。已有的自熱水杯分為外接電源式加熱水杯和物理降溫升溫杯。前者加熱需要外接電源；后者是杯子內(nèi)外壁之間存在某種固體或液體物質(zhì)，從而達到熱水降溫，冷水升溫的功能，但是內(nèi)容物泄露會危害人體健康。以上水杯由于各自的局限性不能很好地滿足戶外喝上熱水的需求。

結(jié)合水利知識，基于前述問題，本論文研究了水力自發(fā)熱水杯的可行性。將微型水輪發(fā)電機和電阻絲組裝在杯子內(nèi)部，通過能量轉(zhuǎn)化實現(xiàn)杯中水自發(fā)熱。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)形式

產(chǎn)品構(gòu)成：外層為傳統(tǒng)保溫性能好的材質(zhì)，內(nèi)層結(jié)構(gòu)具體設(shè)計如下：將可逆式微型水輪發(fā)電機與水杯內(nèi)壁相連，杯身環(huán)繞與水輪機相接的電阻絲。電阻絲夾在保溫杯內(nèi)層與外層之間。見圖1。

2.2 使用方法

水杯有加熱和保溫的作用。搖晃杯身，使杯中的水與水輪機充分接觸，水的流動帶動水輪發(fā)電機工作，從而連接的電阻絲加熱，搖晃一段時間杯身會升溫。杯中采用的是可逆式微型水輪發(fā)電機，朝著任何方向搖晃杯身，杯中的水都能與微型水輪發(fā)電機接觸并帶動其工作。

3 水杯能量轉(zhuǎn)換效率計算

3.1 計算參數(shù)

人在行走過程中，杯子中的水隨著身體擺動的頻率上下晃動。人每次抬腿向前邁步時，假設(shè)理想狀況下水完全晃蕩到杯頂，在重力作用下回落到杯底，在下落過程中水能作用在水輪發(fā)電機上完成能量轉(zhuǎn)換。從水輪機流出的水流速度忽略不計。（注：本產(chǎn)品采用可逆式水輪機，人行走一步為水的一個運動周期，水來回進行兩次能量轉(zhuǎn)換。）

3.2 水輪發(fā)電機的效率關(guān)系

此款杯子中采用的是微型軸流式可逆式水輪機，水輪機和發(fā)電機的工作效率參數(shù)如下。

（1）水力自發(fā)熱水杯中利用能量為水流勢能Ep和水流動能Ev的總和：

E= Ep+Ev

總能量轉(zhuǎn)換為電能：

E2=η1*η2*E

1）計算水流動能Ev。

人行走時的豎向加速度：

（1）

水獲得的速度：

v=a*t （2）

一個周期獲得的水流動能：

（3）

總水流動能（60min內(nèi)）：

Ev=60*n*Ev1 （4）

2）計算水流勢能Ep。

杯中水重：

G=mg=ρVg （5）

一個周期獲得的水流勢能：

Ep1=2*mgh=2*G*h （6）

總水流勢能（60min內(nèi)）：

Ep=60*n*Ep1 （7）

總能量：

E=Ep+Ev （8）

（2）水輪發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換過程。

1）水的總能量通過水輪機轉(zhuǎn)換成機械能：

E1=E*η1 （9）

2）機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能：

E2=E1*η2 （10）

3）電阻絲加熱通過熱傳遞使提升杯子的溫度：

ΔT=E2/（m*c） （11）

式中，c是水的比熱容，20℃時取值為4182J/kg.℃。

4 作品創(chuàng)新性

（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用水力發(fā)電原理，將微型水輪發(fā)電機運用于水杯；

（2）在適用范圍方面，水力發(fā)電效率高且污染小，水力自發(fā)熱水杯結(jié)構(gòu)簡單，主要部件是微型水輪發(fā)電機與電阻絲，原理簡單、可行性高，適合批量生產(chǎn)。

5 結(jié)論

人按照正常步頻走路一小時，隨身攜帶的水杯中的250ml的水在水力自發(fā)熱水杯中會升溫1.35℃。實際人在戶外運動劇烈，水在杯中晃蕩頻率是人正常行走情況下的10倍～20倍，相應(yīng)溫度會提升13℃～26℃，水溫提升至33℃～46℃。此水力自發(fā)熱水杯滿足人們在戶外喝上溫水的需求，具有一定的可行性。

參考文獻：

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[3]陸靜，程俊.JP75型卷盤式噴灌機水渦輪能量轉(zhuǎn)換數(shù)值模擬分析[J].排灌機械工程學(xué)報，2018.

作者簡介：姜珊（1996-），女，山東萊陽人，本科，研究方向：水利水電工程。