長沙市長郡芙蓉中學(xué) 劉力浩 劉力博

一、課題背景

每當(dāng)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(dān)心喝涼水有害健康，但等一杯開水變涼需要花費(fèi)一定時(shí)間。要是有一種能立即讓開水變涼的裝置就好了。

我們想設(shè)計(jì)一種溫差分級(jí)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(diào)查

設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，抽樣調(diào)查學(xué)校初三學(xué)生家庭的飲水習(xí)慣和飲水現(xiàn)狀。

通過調(diào)查可知，47.04%的家庭習(xí)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(shí)際上有對(duì)飲用水即燒即飲的需求，特別是在炎熱的夏天及運(yùn)動(dòng)后。

2.資料查詢

我們上網(wǎng)查閱各種金屬、瓷、塑料等材料的導(dǎo)熱率，發(fā)現(xiàn)在常見金屬材料中，銀和銅的導(dǎo)熱性能好，但銀的價(jià)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(xué)中，材料直接傳導(dǎo)熱量的能力被稱為熱傳導(dǎo)率。它是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1 ℃/m 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

本項(xiàng)目采用溫差分級(jí)進(jìn)行熱交換，根據(jù)能量守恒定律，開水的熱量傳遞給進(jìn)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(jìn)、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(dá)到平衡。此時(shí)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(dǎo)出，每一級(jí)熱交換器的熱交換功率計(jì)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(xué)生課間扎堆接水，以冷水水溫為5～25 ℃，接水時(shí)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(gè)與冷水水溫、接水時(shí)長和接水量三維變量的熱交換功率函數(shù)關(guān)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(jí)的熱交換功率達(dá)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(jié)構(gòu)圖

由于銅的熱導(dǎo)率為401 W/m·K，根據(jù)熱導(dǎo)率的定義以及飲水裝置放水時(shí)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(dǎo)率，暫不考慮其他干擾因素），進(jìn)而求出每一級(jí)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(xiàng)目由三級(jí)熱交換器、開水煲、溫度傳感器、儲(chǔ)水容器、開水龍頭、溫開水龍頭、涼白開龍頭及各種水管等構(gòu)成。

每一級(jí)熱交換器用管壁厚為1 mm、內(nèi)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(gè)內(nèi)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(nèi)。將這三個(gè)安裝了螺旋管狀銅管的水箱做成三級(jí)熱交換器，按照三個(gè)水箱的位置分為高溫區(qū)、中溫區(qū)、低溫區(qū)。

如圖1 所示，在第一級(jí)高溫區(qū)熱交換器中，開水進(jìn)水管通過三通管連接飲水機(jī)開水煲的出水端和開水龍頭。在第二級(jí)中溫區(qū)熱交換器中，開水進(jìn)水管通過三通管連接高溫?zé)峤粨Q器出水端和溫開水龍頭。在第三級(jí)低溫區(qū)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(qū)的水箱上開孔，設(shè)置冷水進(jìn)水管，使其連接儲(chǔ)水容器。在高溫區(qū)的水箱上設(shè)置冷水出水管，使其連接開水煲進(jìn)水端，并檢驗(yàn)其氣密性。

圖2 裝置實(shí)物圖

圖3 裝置內(nèi)部熱交換器實(shí)物圖

這樣，開水煲中的開水就能通過熱交換器高溫區(qū)、中溫區(qū)降溫，變成溫開水，再通過低溫區(qū)持續(xù)降溫，冷卻成涼白開，達(dá)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(dá)到了節(jié)能的目的，還節(jié)省了開水煲燒開水的時(shí)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(jìn)、出水管端均設(shè)有溫度傳感器，在開水經(jīng)過熱交換器時(shí)能直觀地觀察到水溫的變化，計(jì)算節(jié)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(shí)，打開溫開水龍頭，本裝置會(huì)將開水煲中煮沸的水導(dǎo)入熱交換器高溫區(qū)的銅管內(nèi)，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(nèi)的溫開水流入熱交換器中溫區(qū)的銅管繼續(xù)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(shí)，打開涼白開龍頭，熱交換器中溫區(qū)銅管內(nèi)的溫開水流入低溫區(qū)的銅管，最終將溫開水冷卻成涼白開。

3.檢測

本實(shí)驗(yàn)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(shí)間。用于實(shí)驗(yàn)測試的飲水機(jī)開水煲的容積為600 mL，開水煲的加熱體功率為500 W。測試數(shù)據(jù)如表1。

由以上數(shù)據(jù)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(chǎn)生的熱量為225 000 J。實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)接近，說明我們測試的數(shù)據(jù)是可靠的。

表1 加熱時(shí)間測試結(jié)果

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.采用溫差分級(jí)進(jìn)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?yōu)闆霭组_，達(dá)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(shí)的熱量傳遞給銅管外的冷水，實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用，達(dá)到節(jié)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(shù)量，解決學(xué)生在課間無法立即飲用涼白開的問題。

專家點(diǎn)評(píng)

通過這項(xiàng)發(fā)明，作者為學(xué)校提供了一種能滿足學(xué)生多種飲水需求的新型飲水裝置，充分體現(xiàn)了其科研潛質(zhì)與較高的創(chuàng)新素養(yǎng)。在發(fā)明的過程中，他們方向明確、思路清晰，對(duì)作品的創(chuàng)新點(diǎn)提煉準(zhǔn)確。

想和兩位同學(xué)探討的是：其一，項(xiàng)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(chuàng)新大賽新規(guī)則的要求，可否將各自所做的工作體現(xiàn)出來？其三，對(duì)于輔導(dǎo)老師及他人給予的指導(dǎo)與幫助，可否作出適當(dāng)說明？