新型速冷杯设计与实验研究

任宇鑫 杨姣琳 李宇光

南京理工大学能源与动力工程学院

在日常生活中，自 然冷却很难快速降低热水温度以满足人们的用水需求，并 造成能量浪费。研究者对小型换热器强化换热技术的广泛研究表明通过设置扰流件[1]和 翅片[2]，利 用相变材料[3-4]和泡沫金属[5-6]等可达到强化换热的目的。基于以上，本 文提出一种新型速冷杯，将 相变材料填充至空心不锈钢换热棒中经换热棒壁从热水中吸热产生相变，并 通过内置泡沫金属增强相变材料内部导热。换热棒外部设置翅片，并 通过马达带动换热棒旋转增加流体扰动从而进一步提高换热效率，最 终实现热量从高温热水到相变材料的快速转移及贮存。通过实验研究相变材料种类、泡 沫金属，马 达转速、热 水体积等对速冷杯冷却性能的影响情况，获 得性能优化结果。

1 新型速冷杯设计与实验研究

1.1 新型速冷杯设计

新型速冷杯设计将金属换热棒置于速冷杯中心，并在其中填充相变材料，利 用相变材料储热特性对杯内高温流体进行降温，并 通过加装泡沫金属增强相变材料内部导热。除此之外，金属棒外壁布置有螺旋翅片增加换热面积，并 利用电动马达带动金属棒旋转加强流体扰动从而达到强化换热的目的。新型速冷杯主要由杯身和换热棒组成，其 剖面示意图如图1 所示，螺旋翅片换热棒结构和具体结构参数如图2 所示。

图1 新型速冷杯剖面示意图

图2 螺旋翅片换热棒结构示意图

根据设计需要，本 新型速冷杯由 N20 减速马达，3变5 标准联轴器，外 置螺旋翅片换热棒，650ml/304 食品级不锈钢杯体组成。其中，由 于不同种类相变材料的相变储热能力不同，而 考虑到无机盐水合物作为相变材料进行储热时存在的过冷和相分离问题和经济成本与安全问题，选择三水合醋酸钠作为相变材料，并且向其中加入一定比例的焦磷酸钠和聚丙烯酰胺配置成复合相变材料解决过冷和相分离问题。

1.2 新型速冷杯实验研究

为对速冷杯进行冷却性能测验，实 验拟将速冷杯置于不同对照组中进行冷却性能实验和对比分析。实验研究了通过改变换热棒中填充物种类、马达转速、热水体积等研究了影响热水冷却速率的因素。

实验在室温25 ℃下进行，过程中用隔热保温层紧裹杯壁，使其在误差允许范围内可视为绝热条件。实验中热电偶测温装置可实时记录杯中水温变化，并读取记录实验数据，通 过对不同对照组的实验结果进行分析讨论得出优化结论。

2 实验结论与分析

首先，为研究换热棒对热水冷却效果的影响，本文对杯内无换热棒和加入空心换热棒情况下进行了500 ml 热水冷却性能实验研究，实验结果具体如图 3所示。25 min 内，不 加换热棒时的水温从90 ℃降低至74 ℃，加 入空心换热棒水温从 90 ℃下降至70 ℃。加入换热棒的降温效果明显优于不加换热棒，同 时其前两分钟的降温速度明显高于不加换热棒。由于热水与放入的空心换热棒进行换热，使 热量转移至换热棒从而使温降更明显。整体来说，加 入换热棒能有效提升速冷杯的冷却性能。

为研究换热棒内填充物对于换热性能的影响，本文对空心换热棒、换 热棒内加入相变材料三水合醋酸钠以及换热棒内加冷水三种情况下进行了 500 ml 热水冷却性能实验研究，实验结果如图 4 所示。25 min内，换 热棒内加入相变材料后水温从 90 ℃下降至57 ℃，换 热棒内加冷水使水温从90 ℃下降至62 ℃。由于水的导热系数比三水合醋酸钠大，故 换热棒内填充冷水前期温降较快，在 3 min 后，冷 水的降温效果逐渐下降。加 入相变材料的换热棒，在 3 min 前未达到相变温度，降 温效果不明显，达 到相变温度后，由 于其相变潜热大，储 能多，降 温速度明显增加，故 3 min 之后的降温速度明显高于冷水。总体来说，换热棒填充相变材料对冷却效果的增强最为显著，在 换热棒中填充相变材料可以有效提高冷却效果，相比与图3 中不加换热棒的情况，5 分钟内换热量提升了83%。

图3 换热棒对换热性能的影响

图4 填充物种类对换热性能的影响

图5 搅拌对换热性能的影响

为研究搅拌对于换热性能的影响，本 文在换热棒不搅拌和搅拌两种情况下进行了 500 ml 热水冷却性能实验研究，实 验结果如图5 所示。25 min 内，不 加搅拌无换热棒时水温可从 90 ℃降低至59 ℃，而加入空心换热棒则可使水温从90 ℃下降至55 ℃。搅拌条件下自然对流转变为强制对流，根据牛顿冷却公式，温 差和换热表面几何因素一定时，对 流换热系数与流体的流态有很大关联，翅 片的作用下，搅 拌使得流体各部分发生剧烈混合，形 成湍流，进 一步强化换热，提 升换热效果。

此外，为 研究换热棒搅拌速率对于换热性能的影响，分 别在马达转速为60 r/min，100 r/min 和200 r/min条件下进行了500 ml 热水冷却性能实验研究，实 验结果如图6 所示。5 min 内，60 r/min 情况下水温从90 ℃降至 72 ℃，100 r/min 情况下水温从 90 ℃降至 67 ℃，200 r/min 情况下水温从90 ℃降至74 ℃。马达转速较低时，流 速较慢，雷 诺数小，紊 流程度低，不 利于换热。逐渐增加马达转速，可 使得换热流体各部分发生更加剧烈的混合，紊 流程度加大，有 利于对流换热。但当马达转速过高时，冷 热介质换热时间过短，热 流体易在靠近保温层的外侧形成匀速圆周运动的层流，难 以通过混合与中心换热棒进行换热。故选择适宜的马达转速对强化换热极为重要，实验结果显示，100rpm 转速的马达换热效果最佳。

图6 转速对换热性能的影响

图7 相变材料种类对换热性能的影响

另外，为研究相变材料种类对于换热性能的影响，本 文在换热棒中分别添加三水合醋酸钠，十 水合硫酸钠和十二水合磷酸氢二钠，并 且三种相变材料均加入一定比例的焦磷酸钠和聚丙烯酰胺配置成复合相变材料。在 搅拌的条件下进行了500 ml 热水冷却性能实验研究，实 验结果如图7 所示。5 min 内，三 水合醋酸钠和十水合硫酸钠均能将 90 ℃热水在冷却到65 ℃，十 二水合磷酸氢二钠只能冷却到75 ℃左右，冷 却能力较前者相比略差。由于十水合硫酸钠不可与食品混装，切 稳定性较三水合醋酸钠较差，故 选用三水合醋酸钠作为换热棒中的填充物。

另外，为 研究泡沫金属对换热性能的影响，本 文在换热棒中填充泡沫金属和换热棒不填充泡沫金属两种条件下进行实验研究，实 验结果如图8 所示。5 min内，未 填充泡沫金属时水温从 90 ℃冷却至73 ℃，填 充泡沫金属时水温从90 ℃冷却至68 ℃。由于泡沫金属的高导热性使得热水中的热量更快速地传递到相变材料之中，提高了相变材料的利用率。这说明相变材料和泡沫金属配合加入到换热棒中，能 有效提高换热效果，相 比于无泡沫金属和无搅拌条件下（如图 5 黑线所示）使 换热量提升了37%。

图8 泡沫金属对换热性能的影响

最后，为 研究冷却热水体积对于换热性能的影响，本文分别对300 ml，400 ml 和 500 ml 热水进行冷却实验，实 验结果如图9 所示。在 25 min 时间内，500 ml 热水水温从 90 ℃可冷却至 64 ℃，400 ml 热水水温从90 ℃可冷却至 59 ℃，300 ml 热水水温从90 ℃可冷却至58 ℃。前 5 min 内三组实验的冷却速率差别不大，5 min 之后开始出现区分，500 ml 水量的实验组冷却速率急剧下降，到 10 min 之后温度变化缓慢，这 是由于水量过多，相 变储热的容量基本趋于饱和，故 不再降温。而 300 ml 和400 ml 水量的实验组对于冷却效果的影响差别不大，冷 却速率后期缓慢下降，基 本持平，综合考虑速冷杯的降温效果以及生活用水量需求，认 为盛装热水体积为400 ml 较为合适。

图9 热水体积对换热性能的影响

3 结论

在本速冷杯产品中，加 入带相变材料的换热棒对热水的降温起到了主要作用，且 在筛选的三种相变材料中，换 热效果最佳的相变材料为三水合醋酸钠复合相变材料，无 搅拌情况下与不加换热棒对比，其 5 分钟内换热量提升了 83%。在换热棒中填充泡沫金属，以 及加入换热棒搅拌的条件，都 对促进热水与换热棒中的相变材料换热起到了良好的辅助效果，对 比不加入上述两个条件的实验组，5 分钟内填充泡沫铜并且马达转速为100 r/min，使 换热量提升了37%。另外，综 合考虑冷却速率和用水需求，杯内水量为 400 ml 时，速 冷杯能发挥最好的使用效果。

综合以上研究，新 型速冷杯换热效果最佳组合方案为，水 杯中加装换热棒，其 内部填充 三水合醋酸钠复合相变材料和泡沫铜，并 采用100 r/min 转速的马达驱动换热棒旋转，其能将 400 ml 热水在 5 min 之内从90 ℃冷却至 65 ℃左右并起到保温效果，能有效满足日常生活中冷却饮用水的需求。