姜珊 邱云飛
摘 要:水力自發(fā)熱水杯是將微型水輪發(fā)電機(jī)組裝在杯子中的一款水杯。此水杯以能量轉(zhuǎn)換為研究依據(jù),結(jié)合水力發(fā)電原理,在水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的過程中實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,又通過水輪機(jī)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能使電阻絲加熱使水溫上升。
關(guān)鍵詞:節(jié)能水杯;水力發(fā)電;自發(fā)熱;能量轉(zhuǎn)換
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.064
1 前言
市場針對(duì)喝熱水的需求研發(fā)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(nèi)外壁之間存在某種固體或液體物質(zhì),從而達(dá)到熱水降溫,冷水升溫的功能,但是內(nèi)容物泄露會(huì)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(jié)合水利知識(shí),基于前述問題,本論文研究了水力自發(fā)熱水杯的可行性。將微型水輪發(fā)電機(jī)和電阻絲組裝在杯子內(nèi)部,通過能量轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)杯中水自發(fā)熱。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 結(jié)構(gòu)形式
產(chǎn)品構(gòu)成:外層為傳統(tǒng)保溫性能好的材質(zhì),內(nèi)層結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)如下:將可逆式微型水輪發(fā)電機(jī)與水杯內(nèi)壁相連,杯身環(huán)繞與水輪機(jī)相接的電阻絲。電阻絲夾在保溫杯內(nèi)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(jī)充分接觸,水的流動(dòng)帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)工作,從而連接的電阻絲加熱,搖晃一段時(shí)間杯身會(huì)升溫。杯中采用的是可逆式微型水輪發(fā)電機(jī),朝著任何方向搖晃杯身,杯中的水都能與微型水輪發(fā)電機(jī)接觸并帶動(dòng)其工作。
3 水杯能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算
3.1 計(jì)算參數(shù)
人在行走過程中,杯子中的水隨著身體擺動(dòng)的頻率上下晃動(dòng)。人每次抬腿向前邁步時(shí),假設(shè)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(fā)電機(jī)上完成能量轉(zhuǎn)換。從水輪機(jī)流出的水流速度忽略不計(jì)。(注:本產(chǎn)品采用可逆式水輪機(jī),人行走一步為水的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期,水來回進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換。)
3.2 水輪發(fā)電機(jī)的效率關(guān)系
此款杯子中采用的是微型軸流式可逆式水輪機(jī),水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率參數(shù)如下。
(1)水力自發(fā)熱水杯中利用能量為水流勢能Ep和水流動(dòng)能Ev的總和:
E= Ep+Ev
總能量轉(zhuǎn)換為電能:
E2=η1*η2*E
1)計(jì)算水流動(dòng)能Ev。
人行走時(shí)的豎向加速度:
(1)
水獲得的速度:
v=a*t (2)
一個(gè)周期獲得的水流動(dòng)能:
(3)
總水流動(dòng)能(60min內(nèi)):
Ev=60*n*Ev1 (4)
2)計(jì)算水流勢能Ep。
杯中水重:
G=mg=ρVg (5)
一個(gè)周期獲得的水流勢能:
Ep1=2*mgh=2*G*h (6)
總水流勢能(60min內(nèi)):
Ep=60*n*Ep1 (7)
總能量:
E=Ep+Ev (8)
(2)水輪發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程。
1)水的總能量通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能:
E1=E*η1 (9)
2)機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)取值為4182J/kg.℃。
4 作品創(chuàng)新性
(1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,采用水力發(fā)電原理,將微型水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)用于水杯;
(2)在適用范圍方面,水力發(fā)電效率高且污染小,水力自發(fā)熱水杯結(jié)構(gòu)簡單,主要部件是微型水輪發(fā)電機(jī)與電阻絲,原理簡單、可行性高,適合批量生產(chǎn)。
5 結(jié)論
人按照正常步頻走路一小時(shí),隨身攜帶的水杯中的250ml的水在水力自發(fā)熱水杯中會(huì)升溫1.35℃。實(shí)際人在戶外運(yùn)動(dòng)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(yīng)溫度會(huì)提升13℃~26℃,水溫提升至33℃~46℃。此水力自發(fā)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。
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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。