水力自發熱水杯

姜珊 邱云飛

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

關鍵詞：節能水杯；水力發電；自發熱；能量轉換

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；后者是杯子內外壁之間存在某種固體或液體物質，從而達到熱水降溫，冷水升溫的功能，但是內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。

結合水利知識，基于前述問題，本論文研究了水力自發熱水杯的可行性。將微型水輪發電機和電阻絲組裝在杯子內部，通過能量轉化實現杯中水自發熱。

2 結構設計

2.1 結構形式

產品構成：外層為傳統保溫性能好的材質，內層結構具體設計如下：將可逆式微型水輪發電機與水杯內壁相連，杯身環繞與水輪機相接的電阻絲。電阻絲夾在保溫杯內層與外層之間。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電機，朝著任何方向搖晃杯身，杯中的水都能與微型水輪發電機接觸并帶動其工作。

3 水杯能量轉換效率計算

3.1 計算參數

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電機上完成能量轉換。從水輪機流出的水流速度忽略不計。（注：本產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換。）

3.2 水輪發電機的效率關系

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

（1）水力自發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）：

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）：

Ep=60*n*Ep1 （7）

總能量：

E=Ep+Ev （8）

（2）水輪發電機的能量轉換過程。

1）水的總能量通過水輪機轉換成機械能：

E1=E*η1 （9）

2）機械能通過發電機轉換成電能：

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 作品創新性

（1）在結構設計方面，采用水力發電原理，將微型水輪發電機運用于水杯；

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

5 結論

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，相應溫度會提升13℃～26℃，水溫提升至33℃～46℃。此水力自發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：

[1]曹志超.淺析水力發電的優勢[J].大東方，2018.

[2]盧凱.雙輪反轉水力發電機設計[J].山東工業技術，2018.

[3]陸靜，程俊.JP75型卷盤式噴灌機水渦輪能量轉換數值模擬分析[J].排灌機械工程學報，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。