溫差分級熱交換速冷涼白開飲水裝置

長沙市長郡芙蓉中學 劉力浩 劉力博

一、課題背景

每當我們做完課間操或上完體育課后，就感覺口干舌燥，想直接喝涼水。家長擔心喝涼水有害健康，但等一杯開水變涼需要花費一定時間。要是有一種能立即讓開水變涼的裝置就好了。

我們想設計一種溫差分級熱交換速冷涼白開飲水裝置，這樣，水在燒開后就能立即飲用。

二、研究過程

1.問卷調查

設計調查問卷，抽樣調查學校初三學生家庭的飲水習慣和飲水現狀。

通過調查可知，47.04%的家庭習慣喝常溫水，65.48%的家庭飲用的是需要燒開的桶裝水或自來水、井水。因此，人們實際上有對飲用水即燒即飲的需求，特別是在炎熱的夏天及運動后。

2.資料查詢

我們上網查閱各種金屬、瓷、塑料等材料的導熱率，發現在常見金屬材料中，銀和銅的導熱性能好，但銀的價格高，因此，我們選用銅管來制作熱交換器。

3.熱交換器功率推算

在物理學中，材料直接傳導熱量的能力被稱為熱傳導率。它是指當溫度垂直向下梯度為1 ℃/m 時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

本項目采用溫差分級進行熱交換，根據能量守恒定律，開水的熱量傳遞給進入飲水裝置的冷水，開水的溫度下降，則冷水的溫度上升，由于進、出水量相等，在不考慮熱量散失的情況下，則開水下降的溫度等于冷水上升的溫度，即T開1-T開2=T冷2-T冷1，從而達到平衡。此時可知：T開1-T開2=T冷2-T冷1=（T開1-T冷1）/2。

由以上分析可推導出，每一級熱交換器的熱交換功率計算公式為：P熱交換=（T開1-T冷1）·V水·4.2/2t放水。

考慮到學生課間扎堆接水，以冷水水溫為5～25 ℃，接水時間為30～60 s，接水量為500～5000 mL 為例（水燒開溫度為100 ℃），可建立一個與冷水水溫、接水時長和接水量三維變量的熱交換功率函數關系，算出本裝置熱交換器總的熱交換功率在1312.5～33 250 W 之間，即每一級的熱交換功率達到總熱交換功率的三分之一便可滿足要求。

圖1 裝置水路結構圖

由于銅的熱導率為401 W/m·K，根據熱導率的定義以及飲水裝置放水時開水的熱量釋放速度，可推算出熱交換器中銅管的總熱交換面積（用熱交換功率除以銅的熱導率，暫不考慮其他干擾因素），進而求出每一級熱交換器的熱交換面積為1.09～27.64 m2。

三、制作裝置

1.組裝

本項目由三級熱交換器、開水煲、溫度傳感器、儲水容器、開水龍頭、溫開水龍頭、涼白開龍頭及各種水管等構成。

每一級熱交換器用管壁厚為1 mm、內孔直徑為10 mm、長度為3 m 的銅管彎制成螺旋管狀，制成的銅管熱交換面積約為0.104 m2。再利用不銹鋼板材制作三個內空為200 mm×13.5 mm×60 mm的熱交換水箱，將螺旋管狀的銅管安裝在熱交換水箱內。將這三個安裝了螺旋管狀銅管的水箱做成三級熱交換器，按照三個水箱的位置分為高溫區、中溫區、低溫區。

如圖1 所示，在第一級高溫區熱交換器中，開水進水管通過三通管連接飲水機開水煲的出水端和開水龍頭。在第二級中溫區熱交換器中，開水進水管通過三通管連接高溫熱交換器出水端和溫開水龍頭。在第三級低溫區熱交換器中，開水出水端連接凉白開龍頭。

在熱交換器低溫區的水箱上開孔，設置冷水進水管，使其連接儲水容器。在高溫區的水箱上設置冷水出水管，使其連接開水煲進水端，并檢驗其氣密性。

圖2 裝置實物圖

圖3 裝置內部熱交換器實物圖

這樣，開水煲中的開水就能通過熱交換器高溫區、中溫區降溫，變成溫開水，再通過低溫區持續降溫，冷卻成涼白開，達到即燒即飲的目的。而熱交換器銅管外水箱中的冷水升溫后流入開水煲，熱量得到回收利用，達到了節能的目的，還節省了開水煲燒開水的時間。飲用水在開水煲中被煮沸殺菌，能保證飲水安全。

在熱交換器的進、出水管端均設有溫度傳感器，在開水經過熱交換器時能直觀地觀察到水溫的變化，計算節能效率，還能看到從開水龍頭及涼白開龍頭流出的水的溫度，讓飲用者更放心地使用。

2.使用

將裝置連接電源。想飲用溫開水時，打開溫開水龍頭，本裝置會將開水煲中煮沸的水導入熱交換器高溫區的銅管內，讓開水的熱量傳遞給銅管外水箱的冷水，使其迅速降溫。銅管內的溫開水流入熱交換器中溫區的銅管繼續降溫，這樣就能輸出兩種不同溫度的溫開水。想飲用涼白開時，打開涼白開龍頭，熱交換器中溫區銅管內的溫開水流入低溫區的銅管，最終將溫開水冷卻成涼白開。

3.檢測

本實驗以開水煲從開始加熱到水被燒開、控溫器跳斷作為加熱的時間。用于實驗測試的飲水機開水煲的容積為600 mL，開水煲的加熱體功率為500 W。測試數據如表1。

由以上數據分析可知，第一次全冷水加熱燒開需要消耗約223 020 J 的能量，開水煲加熱體產生的熱量為225 000 J。實際測量的數據與理論計算的數據接近，說明我們測試的數據是可靠的。

表1 加熱時間測試結果

四、創新點

1.采用溫差分級進行熱交換，能快速將開水變成不同溫度的溫開水和涼白開，滿足人們的不同需求。

2.將未燒開的常溫水變為涼白開，達到即燒即飲的目的，不僅方便快捷，而且能保證飲水安全。

3.利用熱交換器將開水冷卻時的熱量傳遞給銅管外的冷水，實現熱量的回收利用，達到節能的目的。

4.可通過增加熱交換水箱的容量和出水龍頭的數量，解決學生在課間無法立即飲用涼白開的問題。

專家點評

通過這項發明，作者為學校提供了一種能滿足學生多種飲水需求的新型飲水裝置，充分體現了其科研潛質與較高的創新素養。在發明的過程中，他們方向明確、思路清晰，對作品的創新點提煉準確。

想和兩位同學探討的是：其一，項目名稱可否更簡練、更有親和力？其二，按照全國青少年科技創新大賽新規則的要求，可否將各自所做的工作體現出來？其三，對于輔導老師及他人給予的指導與幫助，可否作出適當說明？