基于熱交換原理設計早餐熱源共享器

盧陽

摘要：對于大部分上班族和住校學生來說，早晨的時間很緊張，幾乎沒有時間做早飯、吃早飯。但營養學家說“早餐是三餐中最重要的一頓——必須吃好。”在短時間內烹飪早餐，滿足早餐需要的蛋白質、脂肪、碳水化合物等營養成份，最常見的早餐食品有雞蛋、牛奶、谷物等基于熱交換原理，研制設計“三分鐘+一碗開水”搞定早餐的熱源共享器，充分利用熱能轉換，解決學生和上班族早晨在短時間內加熱多種早餐的問題，操作簡便易行。

關鍵詞：熱交換原理 熱量計算 熱交換裝置

中圖分類號： TE96文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

對于大部分上班族和住校學生來說，早晨的時間很緊張，幾乎沒有時間做早飯、吃早飯。但營養學家說“早餐是三餐中最重要的一頓——必須吃好。”在短時間內烹飪早餐，滿足早餐需要的蛋白質、脂肪、碳水化合物等營養成份，最常見的早餐食品有雞蛋、牛奶、谷物等。問題是：（1）牛奶不能高溫加熱；（2）當天煮雞蛋時間太長，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）對于在校學生來說，沒有烹飪條件，只有開水能用；（5）泡一碗方便面來解決，短時間可以泡好，但是方便面太燙，等它慢慢涼，又太費時間。

基于熱交換原理研制的早餐熱源共享器，利用熱能轉換，“3分鐘+1碗開水”可以解決如上問題，使早餐既營養豐富、品種多樣，又節省時間。

1.設計方案

利用物理課上學的熱交換原理，設計一套熱交換裝置，將方便面的熱量迅速交換出來，用于加熱其他食品例如袋裝奶、雞蛋等食品，即“三分鐘+一碗開水”搞定早餐利器。

熱交換裝置設計為兩部分：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；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.熱傳遞過程中的熱量計算

2.1體積計算

首先，根據方便面碗的外觀尺寸計算一碗方便面所容納的水的體積，

V=∏R2H=3.14×6×6×10=1130.4cm3

如果碗中充滿水，水的質量M水=1.13千克。

2.2釋放和轉化熱能計算

接著我們計算方便面中的水由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

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

Q轉化=Q釋放×η=213.57×0.4=85.42千焦

2.3吸收熱能計算

計算牛奶和雞蛋由室溫15℃加熱至45℃所需熱量Q奶，這里設牛奶比熱容與水的比熱容相同，即Q奶=Q水，則一袋奶的質量為0.25千克（半斤）M奶=0.25千克，計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

假設加熱一個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Q蛋與Q奶相同（實際Q蛋Q需要=Q奶+Q蛋=63千焦

2.4在熱交換過程中轉換熱能量和需要熱能量比較

假設在熱交換過程中達到熱平衡的條件下（45℃）熱傳遞轉化率為40%情況下：

Q轉化=85.42千焦>Q需要=63千焦

2.5熱能計算結論

一碗方便面所釋放熱量可以滿足將一袋牛奶和一個雞蛋加熱至適合食用的溫度。

3.實驗驗證

為驗證熱能計算的有效性，設計實驗方法，測試方便碗釋放三分鐘熱能可以將適量水加熱至適當的溫度。

實驗方法：取一個比方便面碗稍大的容器，加適量水，將方便面碗用開水沖泡，放置于盛水的容器內。三分鐘后，將方便面碗取出，測量容器內水溫。共測量20次，取平均溫度。

經實驗再次驗證，一碗方便面所釋放熱量可以滿足將一袋牛奶和一個雞蛋加熱至適合食用的溫度。

4.主要部件設計

（1）熱提取器——熱提取器與方便面碗外形相同，為雙層封閉結構，雙層之間內腔間距1CM，設上下兩個出回水口，材質為不銹鋼外層加保溫層防止熱散失。

（2）加熱器——加熱器為桶狀結構，

中部和低側部設兩個出回水口，桶底部為比方便面碗略大的圓形金屬底盤。

（3）兩根水導管——用于連接熱提取器和加熱器，形成冷熱水循環。

（4）攜帶用蓋——攜帶時，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（浸沒在水中）。

（3）將方便面碗放入熱提取器中。

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

6. “三分鐘+一碗開水”早餐熱源共享器主要特征

（1）加熱器和熱提取器用導管相連。

（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，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，要將方便面碗上紙蓋撕掉，保證面碗上方蒸汽熱傳導暢通。

（6）攜帶時，攜帶用蓋和加熱器相扣成圓盒，其他零件放入其中。

7.結語

這個基于物理課堂所學的熱交換原理研制設計的早餐熱源共享器，“三分鐘+一碗開水”搞定早餐，幫助學生和上班族節省早餐準備時間，高效利用熱能，利用蒸汽傳導和接觸傳導兩種方式，置換方便面中多余熱量，三分鐘內同時加熱方便面、牛奶、雞蛋等早餐食品，熱交換效率高，操作簡便易行，已經獲得國家專利，專利號201520633594.X。

參考文獻

[1]熱交換器原理與設計 作者 史美中 王中錚 東南大學出版社

[2] 王敏. 多熱源供熱系統的節能研究[D]. 北京建筑工程學院 2012