便捷式飲品自加熱杯的研制

任德財，張勇，2，閆洪雨，李楠，崔甜甜，楊少波，錢鐳，2，*

（1.黑龍江東方學院食品與環(huán)境工程學部，黑龍江哈爾濱150086；2.黑龍江東方學院國家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心聯(lián)合乳品學院，黑龍江哈爾濱150086）

便捷式飲品自加熱杯的研制

任德財1，張勇1，2，閆洪雨1，李楠1，崔甜甜1，楊少波1，錢鐳1，2，*

（1.黑龍江東方學院食品與環(huán)境工程學部，黑龍江哈爾濱150086；2.黑龍江東方學院國家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心聯(lián)合乳品學院，黑龍江哈爾濱150086）

利用氧化鈣與水反應產(chǎn)生熱量的原理研制了一種便捷式飲品自加熱杯。通過溫度測試分析了氧化鈣狀態(tài)、氧化鈣與水的比例和氧化鈣用量對飲品加熱效率的影響。實驗表明：氧化鈣與水分別為30 g和17 g時，可在5 min內(nèi)將飲品從室溫加熱至40℃，保溫4 min。該產(chǎn)品具有快速加熱、操作便捷、低碳環(huán)保和可重復使用的特點。

自加熱；氧化鈣；水

隨著人們生活節(jié)奏的加速與實際境況的限制，忙碌的上班族和學生想要喝上一杯熱牛奶也已經(jīng)成為了一種奢望。針對這種情況，一種使用方便、操作簡單的加熱方法來加熱牛奶將會是一個很好的選擇。目前對牛奶等液體飲品的加熱多集中在電加熱水杯［1-3］，也存在一些通過化學反應加熱的包裝盒等［4-5］，但由于成本和一些技術(shù)方面的問題，還沒有大范圍的推廣使用。

本研究設計的產(chǎn)品攜帶方便，操作簡單，可避免在時間匆忙或室外活動時引入涼飲而有損身體健康。又由于生石灰價格低廉，成本得以有效控制，所以市場前景巨大?？蛇m用于學生、上班族、游客、探險者、考察團和軍隊人員等群體，也可以進入千家萬戶。該加熱杯對于各種口味的牛奶，奶茶等飲料均可適用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛奶：市售；氧化鈣：分析純；去離子水：市售蒸餾水進行二次蒸餾。

1.2 儀器與設備

78GW-1磁力攪拌器；SI-4002天平；測溫儀自制。

1.3 便捷式飲品自加熱杯的設計理念

確定使200 mL飲品的溫度從室溫升至40℃所需CaO與H2O的量。CaO與H2O反應放出的熱量有其理論值，可以根據(jù)其理論值和水的比熱計算出所需要反應物的理論量。但因環(huán)境因素，材料差異和空氣吸熱等產(chǎn)生熱損失，因此要通過實驗的方法確定其用量。

設計一種高效的加熱杯體，使反應杯和飲品杯各自獨立，要求反應杯在設計合理的情況下，盡量加大導熱面積，有利于加熱飲品。同時，由于反應過程中瞬時溫度很高，水會迅速汽化，所以反應杯杯口的設計應能使水蒸氣迅速排出，減小反應杯體內(nèi)的壓力。

1.4 方法

取一定質(zhì)量的氧化鈣入到便捷式飲品自加熱杯反應杯中，然后向反應杯中注入適量的水，測量并記錄飲品升溫情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化鈣狀態(tài)對溫度的影響

取一定量的粉末狀氧化鈣和用研缽研成小塊的塊狀氧化鈣進行升溫試驗，升溫過程如圖1所示。

圖1 氧化鈣狀態(tài)對溫度的影響Fig.1 Effect of temperature on CaO state

由圖1可知，粉末狀氧化鈣的升溫速度低于塊狀的氧化鈣的升溫速度。這是由于粉末狀氧化鈣顆粒間間隙較小，水不易滲透到底部。同時上部的粉末氧化鈣與水反應后生成氫氧化鈣也使得水的流動受到阻礙，使得反應不完全。因此，應選用塊狀氧化鈣。

2.2 氧化鈣與水比例對溫度的影響

由于氧化鈣的純度、形態(tài)以及反應的完成程度、熱量散失等因素的影響，導致溫度達不到理論值。因此需確定氧化鈣與水的比例。圖2是當氧化鈣為18 g的條件下，水的添加量對溫度的影響曲線。

由圖2可以看出，當水的質(zhì)量為10 g時，反應產(chǎn)生的熱量最大，溫度最高為33℃。表明此時氧化鈣與水的反應程度最高，放出熱量最大。由此可確定氧化鈣與水為9∶5時是最佳比例。

2.3 氧化鈣用量對溫度的影響

文獻［6］表明，人體口腔感知溫牛奶的適宜溫度40℃。因此，需要確定能使200 mL飲品達到這一溫度氧化鈣的用量。選取18 g氧化鈣為起始質(zhì)量，測量每分鐘的溫度，記錄數(shù)據(jù)并做出溫度與時間關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖2 不同水添加量對反應升溫的影響Fig.2 Effect of temperature on content of water

圖3 氧化鈣用量對升溫的影響Fig.3 Effect of temperature on the content of CaO

由圖3可以看出，當氧化鈣的質(zhì)量為30 g，水約為17 g時，可使牛奶加熱至40℃，保溫時間為4 min。

2.4 便捷式飲品自加熱杯的研制

2.4.1 結(jié)構(gòu)

氧化鈣對氫離子的置換能力非常強不需要加熱，不需要改變環(huán)境，就能立刻反應，且大量放熱。其反應方程式如下：

根據(jù)上述反應放出大量熱的特點，設計一種飲品自加熱杯，如圖4（a）所示。該杯包括反應杯和飲品杯，分別如圖4（b）和圖4（c）所示。反應杯中進行CaO與H2O的化學反應，通過熱傳導，將熱量傳遞給飲品杯加熱飲品，滿足人們飲用熱飲的要求。

圖4 便捷式飲品自加熱杯模型圖Fig.4 Model of portable and automatically heating drinking cup

反應杯材料選用厚度較薄的不銹鋼，具有較高的強度的同時，又具有良好的導熱性。飲品杯的材料建議選用高分子材料中的聚碳酸酯，質(zhì)輕價廉是高分子材料的一個優(yōu)勢，另外導熱性遜于金屬，可以起到“保溫”的作用。便捷式飲品自加熱杯的設計圖紙如圖5所示。

圖5 便捷式飲品自加熱杯的三視圖Fig.5 Drawing of portable and automatically heating drinking cup

2.4.2 使用方法

為了使用方便，我們將實驗確定的氧化鈣和水分別按計量制成類似方便面調(diào)料包式的試劑包，試劑包A為氧化鈣，試劑包B為水。

使用時將飲品倒入飲品杯中，將加熱杯杯蓋蓋緊。然后將試劑包A打開，將其中的顆料CaO全部放入自加熱杯的反應杯中，再將試劑包B打開，將水全部倒入反應杯中，幾秒種后就會發(fā)生反應，進而將飲品加熱。升溫結(jié)束后，將加熱杯蓋打開即可飲用。

飲用后，將反應杯內(nèi)的生成物取出，再將備用試劑包中的試劑加到反應杯中，重復使用。試劑包可購買，也可自行配制。

2.4.3 特點

該便捷式飲品自加熱杯具有安全便捷，低價高效，可重復使用，無污染等特點。適用于學生、上班族、游客、探險者、考察團和軍隊人員等群體，也可以進入千家萬戶使用。

3 結(jié)論

1）設計了一款便捷式飲品自加熱杯，具有使用方便、價格低廉、低碳環(huán)保、可重復使用的特點。

2）塊狀氧化鈣比粉末狀氧化鈣更適宜加熱反應的進行。

3）當氧化鈣與水的質(zhì)量分別為30 g和17 g時，可使200 mL牛奶加熱至40℃，并保溫4 min，滿足人們對飲品的溫熱要求。

［1］蔣和平，朱榮勤.自加熱保溫杯：中國，2086568［P］.1991-10-1

［2］馬英.自加熱瓶、灌結(jié)構(gòu)：中國，2313500［P］.1999-4-14

［3］王永禮.一種自加熱保溫杯：中國，1582833［P］.2005-02-23

［4］姜煒，李德遠.軍用食品自加熱技術(shù)的民用前景［J］.食品工業(yè)科技，2006（2）：196-200

［5］錢鐳，王丹，張勇，等.便捷式牛奶加熱筆的研制［J］.中國乳品工業(yè)，2013，41（6）：62-64

［6］陳明明，龔彩蓮，殷丹婷，等.低碳型自熱式牛奶包裝盒的研制［J］.食品工業(yè)科技，2012，33（2）：336-337

Development of Portable and Automatically Heating Drinking Cup

REN De-cai1，ZHANG Yong1，2，YAN Hong-yu1，LI Nan1，CUI Tian-tian1，YANG Shao-bo1，QIAN Lei1，2，*
（1.Department of Food and Environmental Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150086，Heilongjiang，China；2.East University of Heilongjiang and National Research Centre of Dairy Engineering and Technology Union Dairy College，Harbin 150086，Heilongjiang，China）

The heat from the reaction of calcium oxide and water could be developed a new type of portable and automatically heating drinking cup.The effect of drinking temperature on state of calcium oxide，proportion calcium oxide and water，quality of calcium oxide.The experiment showed that when the proportion of calcium oxide and water 30 g，17 g，the initial temperature of drinking increased from room temperature to 40℃in 5 min and insulated 4 min.The characters of the convenient and automatically heating drinking cup are heating rapidly，operating easily，environmental protection and using repeat.

automatically heating；calcium oxide；water

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.04.020

2013-12-19

黑龍江省教育廳自然科學項目（12543046）；黑龍江省高等學校青年學術(shù)骨干支持計劃（1253G0448）；黑龍江東方學院高等教育教學改革項目（HDJG2013005）

任德財（1982—），男（漢），講師，在讀博士，主要從事基礎化學的研究工作。

*通信作者：錢鐳，男，副教授，碩士生導師，博士。