基于热交换原理设计早餐热源共享器

卢阳

摘要：对于大部分上班族和住校学生来说，早晨的时间很紧张，几乎没有时间做早饭、吃早饭。但营养学家说“早餐是三餐中最重要的一顿——必须吃好。”在短时间内烹饪早餐，满足早餐需要的蛋白质、脂肪、碳水化合物等营养成份，最常见的早餐食品有鸡蛋、牛奶、谷物等基于热交换原理，研制设计“三分钟+一碗开水”搞定早餐的热源共享器，充分利用热能转换，解决学生和上班族早晨在短时间内加热多种早餐的问题，操作简便易行。

关键词：热交换原理 热量计算 热交换装置

中图分类号： TE96文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

对于大部分上班族和住校学生来说，早晨的时间很紧张，几乎没有时间做早饭、吃早饭。但营养学家说“早餐是三餐中最重要的一顿——必须吃好。”在短时间内烹饪早餐，满足早餐需要的蛋白质、脂肪、碳水化合物等营养成份，最常见的早餐食品有鸡蛋、牛奶、谷物等。问题是：（1）牛奶不能高温加热；（2）当天煮鸡蛋时间太长，提前煮好的鸡蛋、不能用微波炉加热（容易爆炸）；（3）早餐的谷物食品最好有盐，但是烹饪比较麻烦；（4）对于在校学生来说，没有烹饪条件，只有开水能用；（5）泡一碗方便面来解决，短时间可以泡好，但是方便面太烫，等它慢慢凉，又太费时间。

基于热交换原理研制的早餐热源共享器，利用热能转换，“3分钟+1碗开水”可以解决如上问题，使早餐既营养丰富、品种多样，又节省时间。

1.设计方案

利用物理课上学的热交换原理，设计一套热交换装置，将方便面的热量迅速交换出来，用于加热其他食品例如袋装奶、鸡蛋等食品，即“三分钟+一碗开水”搞定早餐利器。

热交换装置设计为两部分：装置一为热提取器，作用是将方便面碗的热量迅速交换出来；装置二为加热器，用于加热其他食品，例如袋装奶、鸡蛋等食品。

2.热传递过程中的热量计算

2.1体积计算

首先，根据方便面碗的外观尺寸计算一碗方便面所容纳的水的體积，

V=∏R2H=3.14×6×6×10=1130.4cm3

如果碗中充满水，水的质量M水=1.13千克。

2.2释放和转化热能计算

接着我们计算方便面中的水由95℃降至50℃所释放的热量：

Q释放=C水×M水×△T水=4.2×1000×1.13×（95-50）=213.57千焦

设方便面中的热量转化为其他食品热量过程中热转化率为40% ，这其中包括热辐射损失和参与交换液体吸收热量损失，转化出的热量为：

Q转化=Q释放×η=213.57×0.4=85.42千焦

2.3吸收热能计算

计算牛奶和鸡蛋由室温15℃加热至45℃所需热量Q奶，这里设牛奶比热容与水的比热容相同，即Q奶=Q水，则一袋奶的质量为0.25千克（半斤）M奶=0.25千克，计算加热一袋奶所需要的热量

Q奶= C奶×M奶×△T奶=4.2×1000×0.25×（45-15）=31.5千焦

假设加热一个鸡蛋所需要的热量与加热一袋牛奶所需要的热量相同，即设Q蛋与Q奶相同（实际Q蛋Q需要=Q奶+Q蛋=63千焦

2.4在热交换过程中转换热能量和需要热能量比较

假设在热交换过程中达到热平衡的条件下（45℃）热传递转化率为40%情况下：

Q转化=85.42千焦>Q需要=63千焦

2.5热能计算结论

一碗方便面所释放热量可以满足将一袋牛奶和一个鸡蛋加热至适合食用的温度。

3.实验验证

为验证热能计算的有效性，设计实验方法，测试方便碗释放三分钟热能可以将适量水加热至适当的温度。

实验方法：取一个比方便面碗稍大的容器，加适量水，将方便面碗用开水冲泡，放置于盛水的容器内。三分钟后，将方便面碗取出，测量容器内水温。共测量20次，取平均温度。

经实验再次验证，一碗方便面所释放热量可以满足将一袋牛奶和一个鸡蛋加热至适合食用的温度。

4.主要部件设计

（1）热提取器——热提取器与方便面碗外形相同，为双层封闭结构，双层之间内腔间距1CM，设上下两个出回水口，材质为不锈钢外层加保温层防止热散失。

（2）加热器——加热器为桶状结构，

中部和低侧部设两个出回水口，桶底部为比方便面碗略大的圆形金属底盘。

（3）两根水导管——用于连接热提取器和加热器，形成冷热水循环。

（4）携带用盖——携带时，与加热器相扣在一起，形成圆形盒子，将其他部分放置其中。

早餐热源共享器效果图

5. 操作步骤

（1）使用前保证热交换器中水加至需要程度。

（2）将牛奶和鸡蛋放入加热器中（浸没在水中）。

（3）将方便面碗放入热提取器中。

（4）用开水冲泡方便面，将方便面碗内水加至将满，将加热器盖在方便面碗上，即可同时加热方便面、牛奶、鸡蛋等食品。

6. “三分钟+一碗开水”早餐热源共享器主要特征

（1）加热器和热提取器用导管相连。

（2）加热器与热提取器皆为上面水口相连，将热提取器中热水供至加热器。

（3）加热器与热提取器皆为下面水口相连，将加热器的冷水回流至热提取器。

（4）热交换装置加水时，用携带用盖作为加热器的底座，使加热器高于热提取器，加热器中水不易溢出。

（5）加热器放在方便面碗上加热时，要将方便面碗上纸盖撕掉，保证面碗上方蒸汽热传导畅通。

（6）携带时，携带用盖和加热器相扣成圆盒，其他零件放入其中。

7.结语

这个基于物理课堂所学的热交换原理研制设计的早餐热源共享器，“三分钟+一碗开水”搞定早餐，帮助学生和上班族节省早餐准备时间，高效利用热能，利用蒸汽传导和接触传导两种方式，置换方便面中多余热量，三分钟内同时加热方便面、牛奶、鸡蛋等早餐食品，热交换效率高，操作简便易行，已经获得国家专利，专利号201520633594.X。

参考文献

[1]热交换器原理与设计 作者 史美中 王中铮 东南大学出版社

[2] 王敏. 多热源供热系统的节能研究[D]. 北京建筑工程学院 2012