水力自发热水杯

姜珊 邱云飞

摘 要：水力自发热水杯是将微型水轮发电机组装在杯子中的一款水杯。此水杯以能量转换为研究依据，结合水力发电原理，在水流驱动水轮机转轮旋转的过程中实现水能转换为旋转机械能，又通过水轮机主轴带动发电机将旋转机械能转换为电能，发电机产生的电能使电阻丝加热使水温上升。

关键词：节能水杯；水力发电；自发热；能量转换

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.064

1 前言

市场针对喝热水的需求研发了自热水杯。已有的自热水杯分为外接电源式加热水杯和物理降温升温杯。前者加热需要外接电源；后者是杯子内外壁之间存在某种固体或液体物质，从而达到热水降温，冷水升温的功能，但是内容物泄露会危害人体健康。以上水杯由于各自的局限性不能很好地满足户外喝上热水的需求。

结合水利知识，基于前述问题，本论文研究了水力自发热水杯的可行性。将微型水轮发电机和电阻丝组装在杯子内部，通过能量转化实现杯中水自发热。

2 结构设计

2.1 结构形式

产品构成：外层为传统保温性能好的材质，内层结构具体设计如下：将可逆式微型水轮发电机与水杯内壁相连，杯身环绕与水轮机相接的电阻丝。电阻丝夹在保温杯内层与外层之间。见图1。

2.2 使用方法

水杯有加热和保温的作用。摇晃杯身，使杯中的水与水轮机充分接触，水的流动带动水轮发电机工作，从而连接的电阻丝加热，摇晃一段时间杯身会升温。杯中采用的是可逆式微型水轮发电机，朝着任何方向摇晃杯身，杯中的水都能与微型水轮发电机接触并带动其工作。

3 水杯能量转换效率计算

3.1 计算参数

人在行走过程中，杯子中的水随着身体摆动的频率上下晃动。人每次抬腿向前迈步时，假设理想状况下水完全晃荡到杯顶，在重力作用下回落到杯底，在下落过程中水能作用在水轮发电机上完成能量转换。从水轮机流出的水流速度忽略不计。（注：本产品采用可逆式水轮机，人行走一步为水的一个运动周期，水来回进行两次能量转换。）

3.2 水轮发电機的效率关系

此款杯子中采用的是微型轴流式可逆式水轮机，水轮机和发电机的工作效率参数如下。

（1）水力自发热水杯中利用能量为水流势能Ep和水流动能Ev的总和：

E= Ep+Ev

总能量转换为电能：

E2=η1*η2*E

1）计算水流动能Ev。

人行走时的竖向加速度：

（1）

水获得的速度：

v=a*t （2）

一个周期获得的水流动能：

（3）

总水流动能（60min内）：

Ev=60*n*Ev1 （4）

2）计算水流势能Ep。

杯中水重：

G=mg=ρVg （5）

一个周期获得的水流势能：

Ep1=2*mgh=2*G*h （6）

总水流势能（60min内）：

Ep=60*n*Ep1 （7）

总能量：

E=Ep+Ev （8）

（2）水轮发电机的能量转换过程。

1）水的总能量通过水轮机转换成机械能：

E1=E*η1 （9）

2）机械能通过发电机转换成电能：

E2=E1*η2 （10）

3）电阻丝加热通过热传递使提升杯子的温度：

ΔT=E2/（m*c） （11）

式中，c是水的比热容，20℃时取值为4182J/kg.℃。

4 作品创新性

（1）在结构设计方面，采用水力发电原理，将微型水轮发电机运用于水杯；

（2）在适用范围方面，水力发电效率高且污染小，水力自发热水杯结构简单，主要部件是微型水轮发电机与电阻丝，原理简单、可行性高，适合批量生产。

5 结论

人按照正常步频走路一小时，随身携带的水杯中的250ml的水在水力自发热水杯中会升温1.35℃。实际人在户外运动剧烈，水在杯中晃荡频率是人正常行走情况下的10倍～20倍，相应温度会提升13℃～26℃，水温提升至33℃～46℃。此水力自发热水杯满足人们在户外喝上温水的需求，具有一定的可行性。

参考文献：

[1]曹志超.浅析水力发电的优势[J].大东方，2018.

[2]卢凯.双轮反转水力发电机设计[J].山东工业技术，2018.

[3]陆静，程俊.JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析[J].排灌机械工程学报，2018.

作者简介：姜珊（1996-），女，山东莱阳人，本科，研究方向：水利水电工程。