便捷式饮品自加热杯的研制

任德财，张勇，2，闫洪雨，李楠，崔甜甜，杨少波，钱镭，2，*

（1.黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江哈尔滨150086；2.黑龙江东方学院国家乳业工程技术研究中心联合乳品学院，黑龙江哈尔滨150086）

便捷式饮品自加热杯的研制

任德财1，张勇1，2，闫洪雨1，李楠1，崔甜甜1，杨少波1，钱镭1，2，*

（1.黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江哈尔滨150086；2.黑龙江东方学院国家乳业工程技术研究中心联合乳品学院，黑龙江哈尔滨150086）

利用氧化钙与水反应产生热量的原理研制了一种便捷式饮品自加热杯。通过温度测试分析了氧化钙状态、氧化钙与水的比例和氧化钙用量对饮品加热效率的影响。实验表明：氧化钙与水分别为30 g和17 g时，可在5 min内将饮品从室温加热至40℃，保温4 min。该产品具有快速加热、操作便捷、低碳环保和可重复使用的特点。

自加热；氧化钙；水

随着人们生活节奏的加速与实际境况的限制，忙碌的上班族和学生想要喝上一杯热牛奶也已经成为了一种奢望。针对这种情况，一种使用方便、操作简单的加热方法来加热牛奶将会是一个很好的选择。目前对牛奶等液体饮品的加热多集中在电加热水杯［1-3］，也存在一些通过化学反应加热的包装盒等［4-5］，但由于成本和一些技术方面的问题，还没有大范围的推广使用。

本研究设计的产品携带方便，操作简单，可避免在时间匆忙或室外活动时引入凉饮而有损身体健康。又由于生石灰价格低廉，成本得以有效控制，所以市场前景巨大。可适用于学生、上班族、游客、探险者、考察团和军队人员等群体，也可以进入千家万户。该加热杯对于各种口味的牛奶，奶茶等饮料均可适用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛奶：市售；氧化钙：分析纯；去离子水：市售蒸馏水进行二次蒸馏。

1.2 仪器与设备

78GW-1磁力搅拌器；SI-4002天平；测温仪自制。

1.3 便捷式饮品自加热杯的设计理念

确定使200 mL饮品的温度从室温升至40℃所需CaO与H2O的量。CaO与H2O反应放出的热量有其理论值，可以根据其理论值和水的比热计算出所需要反应物的理论量。但因环境因素，材料差异和空气吸热等产生热损失，因此要通过实验的方法确定其用量。

设计一种高效的加热杯体，使反应杯和饮品杯各自独立，要求反应杯在设计合理的情况下，尽量加大导热面积，有利于加热饮品。同时，由于反应过程中瞬时温度很高，水会迅速汽化，所以反应杯杯口的设计应能使水蒸气迅速排出，减小反应杯体内的压力。

1.4 方法

取一定质量的氧化钙入到便捷式饮品自加热杯反应杯中，然后向反应杯中注入适量的水，测量并记录饮品升温情况。

2 结果与分析

2.1 氧化钙状态对温度的影响

取一定量的粉末状氧化钙和用研钵研成小块的块状氧化钙进行升温试验，升温过程如图1所示。

图1 氧化钙状态对温度的影响Fig.1 Effect of temperature on CaO state

由图1可知，粉末状氧化钙的升温速度低于块状的氧化钙的升温速度。这是由于粉末状氧化钙颗粒间间隙较小，水不易渗透到底部。同时上部的粉末氧化钙与水反应后生成氢氧化钙也使得水的流动受到阻碍，使得反应不完全。因此，应选用块状氧化钙。

2.2 氧化钙与水比例对温度的影响

由于氧化钙的纯度、形态以及反应的完成程度、热量散失等因素的影响，导致温度达不到理论值。因此需确定氧化钙与水的比例。图2是当氧化钙为18 g的条件下，水的添加量对温度的影响曲线。

由图2可以看出，当水的质量为10 g时，反应产生的热量最大，温度最高为33℃。表明此时氧化钙与水的反应程度最高，放出热量最大。由此可确定氧化钙与水为9∶5时是最佳比例。

2.3 氧化钙用量对温度的影响

文献［6］表明，人体口腔感知温牛奶的适宜温度40℃。因此，需要确定能使200 mL饮品达到这一温度氧化钙的用量。选取18 g氧化钙为起始质量，测量每分钟的温度，记录数据并做出温度与时间关系曲线，如图3所示。

图2 不同水添加量对反应升温的影响Fig.2 Effect of temperature on content of water

图3 氧化钙用量对升温的影响Fig.3 Effect of temperature on the content of CaO

由图3可以看出，当氧化钙的质量为30 g，水约为17 g时，可使牛奶加热至40℃，保温时间为4 min。

2.4 便捷式饮品自加热杯的研制

2.4.1 结构

氧化钙对氢离子的置换能力非常强不需要加热，不需要改变环境，就能立刻反应，且大量放热。其反应方程式如下：

根据上述反应放出大量热的特点，设计一种饮品自加热杯，如图4（a）所示。该杯包括反应杯和饮品杯，分别如图4（b）和图4（c）所示。反应杯中进行CaO与H2O的化学反应，通过热传导，将热量传递给饮品杯加热饮品，满足人们饮用热饮的要求。

图4 便捷式饮品自加热杯模型图Fig.4 Model of portable and automatically heating drinking cup

反应杯材料选用厚度较薄的不锈钢，具有较高的强度的同时，又具有良好的导热性。饮品杯的材料建议选用高分子材料中的聚碳酸酯，质轻价廉是高分子材料的一个优势，另外导热性逊于金属，可以起到“保温”的作用。便捷式饮品自加热杯的设计图纸如图5所示。

图5 便捷式饮品自加热杯的三视图Fig.5 Drawing of portable and automatically heating drinking cup

2.4.2 使用方法

为了使用方便，我们将实验确定的氧化钙和水分别按计量制成类似方便面调料包式的试剂包，试剂包A为氧化钙，试剂包B为水。

使用时将饮品倒入饮品杯中，将加热杯杯盖盖紧。然后将试剂包A打开，将其中的颗料CaO全部放入自加热杯的反应杯中，再将试剂包B打开，将水全部倒入反应杯中，几秒种后就会发生反应，进而将饮品加热。升温结束后，将加热杯盖打开即可饮用。

饮用后，将反应杯内的生成物取出，再将备用试剂包中的试剂加到反应杯中，重复使用。试剂包可购买，也可自行配制。

2.4.3 特点

该便捷式饮品自加热杯具有安全便捷，低价高效，可重复使用，无污染等特点。适用于学生、上班族、游客、探险者、考察团和军队人员等群体，也可以进入千家万户使用。

3 结论

1）设计了一款便捷式饮品自加热杯，具有使用方便、价格低廉、低碳环保、可重复使用的特点。

2）块状氧化钙比粉末状氧化钙更适宜加热反应的进行。

3）当氧化钙与水的质量分别为30 g和17 g时，可使200 mL牛奶加热至40℃，并保温4 min，满足人们对饮品的温热要求。

［1］蒋和平，朱荣勤.自加热保温杯：中国，2086568［P］.1991-10-1

［2］马英.自加热瓶、灌结构：中国，2313500［P］.1999-4-14

［3］王永礼.一种自加热保温杯：中国，1582833［P］.2005-02-23

［4］姜炜，李德远.军用食品自加热技术的民用前景［J］.食品工业科技，2006（2）：196-200

［5］钱镭，王丹，张勇，等.便捷式牛奶加热笔的研制［J］.中国乳品工业，2013，41（6）：62-64

［6］陈明明，龚彩莲，殷丹婷，等.低碳型自热式牛奶包装盒的研制［J］.食品工业科技，2012，33（2）：336-337

Development of Portable and Automatically Heating Drinking Cup

REN De-cai1，ZHANG Yong1，2，YAN Hong-yu1，LI Nan1，CUI Tian-tian1，YANG Shao-bo1，QIAN Lei1，2，*
（1.Department of Food and Environmental Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150086，Heilongjiang，China；2.East University of Heilongjiang and National Research Centre of Dairy Engineering and Technology Union Dairy College，Harbin 150086，Heilongjiang，China）

The heat from the reaction of calcium oxide and water could be developed a new type of portable and automatically heating drinking cup.The effect of drinking temperature on state of calcium oxide，proportion calcium oxide and water，quality of calcium oxide.The experiment showed that when the proportion of calcium oxide and water 30 g，17 g，the initial temperature of drinking increased from room temperature to 40℃in 5 min and insulated 4 min.The characters of the convenient and automatically heating drinking cup are heating rapidly，operating easily，environmental protection and using repeat.

automatically heating；calcium oxide；water

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.04.020

2013-12-19

黑龙江省教育厅自然科学项目（12543046）；黑龙江省高等学校青年学术骨干支持计划（1253G0448）；黑龙江东方学院高等教育教学改革项目（HDJG2013005）

任德财（1982—），男（汉），讲师，在读博士，主要从事基础化学的研究工作。

*通信作者：钱镭，男，副教授，硕士生导师，博士。