新型速冷杯設(shè)計與實驗研究

任宇鑫 楊姣琳 李宇光

南京理工大學能源與動力工程學院

在日常生活中，自 然冷卻很難快速降低熱水溫度以滿足人們的用水需求，并 造成能量浪費。研究者對小型換熱器強化換熱技術(shù)的廣泛研究表明通過設(shè)置擾流件[1]和 翅片[2]，利 用相變材料[3-4]和泡沫金屬[5-6]等可達到強化換熱的目的。基于以上，本 文提出一種新型速冷杯，將 相變材料填充至空心不銹鋼換熱棒中經(jīng)換熱棒壁從熱水中吸熱產(chǎn)生相變，并 通過內(nèi)置泡沫金屬增強相變材料內(nèi)部導(dǎo)熱。換熱棒外部設(shè)置翅片，并 通過馬達帶動換熱棒旋轉(zhuǎn)增加流體擾動從而進一步提高換熱效率，最 終實現(xiàn)熱量從高溫熱水到相變材料的快速轉(zhuǎn)移及貯存。通過實驗研究相變材料種類、泡 沫金屬，馬 達轉(zhuǎn)速、熱 水體積等對速冷杯冷卻性能的影響情況，獲 得性能優(yōu)化結(jié)果。

1 新型速冷杯設(shè)計與實驗研究

1.1 新型速冷杯設(shè)計

新型速冷杯設(shè)計將金屬換熱棒置于速冷杯中心，并在其中填充相變材料，利 用相變材料儲熱特性對杯內(nèi)高溫流體進行降溫，并 通過加裝泡沫金屬增強相變材料內(nèi)部導(dǎo)熱。除此之外，金屬棒外壁布置有螺旋翅片增加換熱面積，并 利用電動馬達帶動金屬棒旋轉(zhuǎn)加強流體擾動從而達到強化換熱的目的。新型速冷杯主要由杯身和換熱棒組成，其 剖面示意圖如圖1 所示，螺旋翅片換熱棒結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示。

圖1 新型速冷杯剖面示意圖

圖2 螺旋翅片換熱棒結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)設(shè)計需要，本 新型速冷杯由 N20 減速馬達，3變5 標準聯(lián)軸器，外 置螺旋翅片換熱棒，650ml/304 食品級不銹鋼杯體組成。其中，由 于不同種類相變材料的相變儲熱能力不同，而 考慮到無機鹽水合物作為相變材料進行儲熱時存在的過冷和相分離問題和經(jīng)濟成本與安全問題，選擇三水合醋酸鈉作為相變材料，并且向其中加入一定比例的焦磷酸鈉和聚丙烯酰胺配置成復(fù)合相變材料解決過冷和相分離問題。

1.2 新型速冷杯實驗研究

為對速冷杯進行冷卻性能測驗，實 驗擬將速冷杯置于不同對照組中進行冷卻性能實驗和對比分析。實驗研究了通過改變換熱棒中填充物種類、馬達轉(zhuǎn)速、熱水體積等研究了影響熱水冷卻速率的因素。

實驗在室溫25 ℃下進行，過程中用隔熱保溫層緊裹杯壁，使其在誤差允許范圍內(nèi)可視為絕熱條件。實驗中熱電偶測溫裝置可實時記錄杯中水溫變化，并讀取記錄實驗數(shù)據(jù)，通 過對不同對照組的實驗結(jié)果進行分析討論得出優(yōu)化結(jié)論。

2 實驗結(jié)論與分析

首先，為研究換熱棒對熱水冷卻效果的影響，本文對杯內(nèi)無換熱棒和加入空心換熱棒情況下進行了500 ml 熱水冷卻性能實驗研究，實驗結(jié)果具體如圖 3所示。25 min 內(nèi)，不 加換熱棒時的水溫從90 ℃降低至74 ℃，加 入空心換熱棒水溫從 90 ℃下降至70 ℃。加入換熱棒的降溫效果明顯優(yōu)于不加換熱棒，同 時其前兩分鐘的降溫速度明顯高于不加換熱棒。由于熱水與放入的空心換熱棒進行換熱，使 熱量轉(zhuǎn)移至換熱棒從而使溫降更明顯。整體來說，加 入換熱棒能有效提升速冷杯的冷卻性能。

為研究換熱棒內(nèi)填充物對于換熱性能的影響，本文對空心換熱棒、換 熱棒內(nèi)加入相變材料三水合醋酸鈉以及換熱棒內(nèi)加冷水三種情況下進行了 500 ml 熱水冷卻性能實驗研究，實驗結(jié)果如圖 4 所示。25 min內(nèi)，換 熱棒內(nèi)加入相變材料后水溫從 90 ℃下降至57 ℃，換 熱棒內(nèi)加冷水使水溫從90 ℃下降至62 ℃。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比三水合醋酸鈉大，故 換熱棒內(nèi)填充冷水前期溫降較快，在 3 min 后，冷 水的降溫效果逐漸下降。加 入相變材料的換熱棒，在 3 min 前未達到相變溫度，降 溫效果不明顯，達 到相變溫度后，由 于其相變潛熱大，儲 能多，降 溫速度明顯增加，故 3 min 之后的降溫速度明顯高于冷水?？傮w來說，換熱棒填充相變材料對冷卻效果的增強最為顯著，在 換熱棒中填充相變材料可以有效提高冷卻效果，相比與圖3 中不加換熱棒的情況，5 分鐘內(nèi)換熱量提升了83%。

圖3 換熱棒對換熱性能的影響

圖4 填充物種類對換熱性能的影響

圖5 攪拌對換熱性能的影響

為研究攪拌對于換熱性能的影響，本 文在換熱棒不攪拌和攪拌兩種情況下進行了 500 ml 熱水冷卻性能實驗研究，實 驗結(jié)果如圖5 所示。25 min 內(nèi)，不 加攪拌無換熱棒時水溫可從 90 ℃降低至59 ℃，而加入空心換熱棒則可使水溫從90 ℃下降至55 ℃。攪拌條件下自然對流轉(zhuǎn)變?yōu)閺娭茖α?，根?jù)牛頓冷卻公式，溫 差和換熱表面幾何因素一定時，對 流換熱系數(shù)與流體的流態(tài)有很大關(guān)聯(lián)，翅 片的作用下，攪 拌使得流體各部分發(fā)生劇烈混合，形 成湍流，進 一步強化換熱，提 升換熱效果。

此外，為 研究換熱棒攪拌速率對于換熱性能的影響，分 別在馬達轉(zhuǎn)速為60 r/min，100 r/min 和200 r/min條件下進行了500 ml 熱水冷卻性能實驗研究，實 驗結(jié)果如圖6 所示。5 min 內(nèi)，60 r/min 情況下水溫從90 ℃降至 72 ℃，100 r/min 情況下水溫從 90 ℃降至 67 ℃，200 r/min 情況下水溫從90 ℃降至74 ℃。馬達轉(zhuǎn)速較低時，流 速較慢，雷 諾數(shù)小，紊 流程度低，不 利于換熱。逐漸增加馬達轉(zhuǎn)速，可 使得換熱流體各部分發(fā)生更加劇烈的混合，紊 流程度加大，有 利于對流換熱。但當馬達轉(zhuǎn)速過高時，冷 熱介質(zhì)換熱時間過短，熱 流體易在靠近保溫層的外側(cè)形成勻速圓周運動的層流，難 以通過混合與中心換熱棒進行換熱。故選擇適宜的馬達轉(zhuǎn)速對強化換熱極為重要，實驗結(jié)果顯示，100rpm 轉(zhuǎn)速的馬達換熱效果最佳。

圖6 轉(zhuǎn)速對換熱性能的影響

圖7 相變材料種類對換熱性能的影響

另外，為研究相變材料種類對于換熱性能的影響，本 文在換熱棒中分別添加三水合醋酸鈉，十 水合硫酸鈉和十二水合磷酸氫二鈉，并 且三種相變材料均加入一定比例的焦磷酸鈉和聚丙烯酰胺配置成復(fù)合相變材料。在 攪拌的條件下進行了500 ml 熱水冷卻性能實驗研究，實 驗結(jié)果如圖7 所示。5 min 內(nèi)，三 水合醋酸鈉和十水合硫酸鈉均能將 90 ℃熱水在冷卻到65 ℃，十 二水合磷酸氫二鈉只能冷卻到75 ℃左右，冷 卻能力較前者相比略差。由于十水合硫酸鈉不可與食品混裝，切 穩(wěn)定性較三水合醋酸鈉較差，故 選用三水合醋酸鈉作為換熱棒中的填充物。

另外，為 研究泡沫金屬對換熱性能的影響，本 文在換熱棒中填充泡沫金屬和換熱棒不填充泡沫金屬兩種條件下進行實驗研究，實 驗結(jié)果如圖8 所示。5 min內(nèi)，未 填充泡沫金屬時水溫從 90 ℃冷卻至73 ℃，填 充泡沫金屬時水溫從90 ℃冷卻至68 ℃。由于泡沫金屬的高導(dǎo)熱性使得熱水中的熱量更快速地傳遞到相變材料之中，提高了相變材料的利用率。這說明相變材料和泡沫金屬配合加入到換熱棒中，能 有效提高換熱效果，相 比于無泡沫金屬和無攪拌條件下（如圖 5 黑線所示）使 換熱量提升了37%。

圖8 泡沫金屬對換熱性能的影響

最后，為 研究冷卻熱水體積對于換熱性能的影響，本文分別對300 ml，400 ml 和 500 ml 熱水進行冷卻實驗，實 驗結(jié)果如圖9 所示。在 25 min 時間內(nèi)，500 ml 熱水水溫從 90 ℃可冷卻至 64 ℃，400 ml 熱水水溫從90 ℃可冷卻至 59 ℃，300 ml 熱水水溫從90 ℃可冷卻至58 ℃。前 5 min 內(nèi)三組實驗的冷卻速率差別不大，5 min 之后開始出現(xiàn)區(qū)分，500 ml 水量的實驗組冷卻速率急劇下降，到 10 min 之后溫度變化緩慢，這 是由于水量過多，相 變儲熱的容量基本趨于飽和，故 不再降溫。而 300 ml 和400 ml 水量的實驗組對于冷卻效果的影響差別不大，冷 卻速率后期緩慢下降，基 本持平，綜合考慮速冷杯的降溫效果以及生活用水量需求，認 為盛裝熱水體積為400 ml 較為合適。

圖9 熱水體積對換熱性能的影響

3 結(jié)論

在本速冷杯產(chǎn)品中，加 入帶相變材料的換熱棒對熱水的降溫起到了主要作用，且 在篩選的三種相變材料中，換 熱效果最佳的相變材料為三水合醋酸鈉復(fù)合相變材料，無 攪拌情況下與不加換熱棒對比，其 5 分鐘內(nèi)換熱量提升了 83%。在換熱棒中填充泡沫金屬，以 及加入換熱棒攪拌的條件，都 對促進熱水與換熱棒中的相變材料換熱起到了良好的輔助效果，對 比不加入上述兩個條件的實驗組，5 分鐘內(nèi)填充泡沫銅并且馬達轉(zhuǎn)速為100 r/min，使 換熱量提升了37%。另外，綜 合考慮冷卻速率和用水需求，杯內(nèi)水量為 400 ml 時，速 冷杯能發(fā)揮最好的使用效果。

綜合以上研究，新 型速冷杯換熱效果最佳組合方案為，水 杯中加裝換熱棒，其 內(nèi)部填充 三水合醋酸鈉復(fù)合相變材料和泡沫銅，并 采用100 r/min 轉(zhuǎn)速的馬達驅(qū)動換熱棒旋轉(zhuǎn)，其能將 400 ml 熱水在 5 min 之內(nèi)從90 ℃冷卻至 65 ℃左右并起到保溫效果，能有效滿足日常生活中冷卻飲用水的需求。