温差分级热交换速冷凉白开饮水装置

长沙市长郡芙蓉中学 刘力浩 刘力博

一、课题背景

每当我们做完课间操或上完体育课后，就感觉口干舌燥，想直接喝凉水。家长担心喝凉水有害健康，但等一杯开水变凉需要花费一定时间。要是有一种能立即让开水变凉的装置就好了。

我们想设计一种温差分级热交换速冷凉白开饮水装置，这样，水在烧开后就能立即饮用。

二、研究过程

1.问卷调查

设计调查问卷，抽样调查学校初三学生家庭的饮水习惯和饮水现状。

通过调查可知，47.04%的家庭习惯喝常温水，65.48%的家庭饮用的是需要烧开的桶装水或自来水、井水。因此，人们实际上有对饮用水即烧即饮的需求，特别是在炎热的夏天及运动后。

2.资料查询

我们上网查阅各种金属、瓷、塑料等材料的导热率，发现在常见金属材料中，银和铜的导热性能好，但银的价格高，因此，我们选用铜管来制作热交换器。

3.热交换器功率推算

在物理学中，材料直接传导热量的能力被称为热传导率。它是指当温度垂直向下梯度为1 ℃/m 时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。

本项目采用温差分级进行热交换，根据能量守恒定律，开水的热量传递给进入饮水装置的冷水，开水的温度下降，则冷水的温度上升，由于进、出水量相等，在不考虑热量散失的情况下，则开水下降的温度等于冷水上升的温度，即T开1-T开2=T冷2-T冷1，从而达到平衡。此时可知：T开1-T开2=T冷2-T冷1=（T开1-T冷1）/2。

由以上分析可推导出，每一级热交换器的热交换功率计算公式为：P热交换=（T开1-T冷1）·V水·4.2/2t放水。

考虑到学生课间扎堆接水，以冷水水温为5～25 ℃，接水时间为30～60 s，接水量为500～5000 mL 为例（水烧开温度为100 ℃），可建立一个与冷水水温、接水时长和接水量三维变量的热交换功率函数关系，算出本装置热交换器总的热交换功率在1312.5～33 250 W 之间，即每一级的热交换功率达到总热交换功率的三分之一便可满足要求。

图1 装置水路结构图

由于铜的热导率为401 W/m·K，根据热导率的定义以及饮水装置放水时开水的热量释放速度，可推算出热交换器中铜管的总热交换面积（用热交换功率除以铜的热导率，暂不考虑其他干扰因素），进而求出每一级热交换器的热交换面积为1.09～27.64 m2。

三、制作装置

1.组装

本项目由三级热交换器、开水煲、温度传感器、储水容器、开水龙头、温开水龙头、凉白开龙头及各种水管等构成。

每一级热交换器用管壁厚为1 mm、内孔直径为10 mm、长度为3 m 的铜管弯制成螺旋管状，制成的铜管热交换面积约为0.104 m2。再利用不锈钢板材制作三个内空为200 mm×13.5 mm×60 mm的热交换水箱，将螺旋管状的铜管安装在热交换水箱内。将这三个安装了螺旋管状铜管的水箱做成三级热交换器，按照三个水箱的位置分为高温区、中温区、低温区。

如图1 所示，在第一级高温区热交换器中，开水进水管通过三通管连接饮水机开水煲的出水端和开水龙头。在第二级中温区热交换器中，开水进水管通过三通管连接高温热交换器出水端和温开水龙头。在第三级低温区热交换器中，开水出水端连接凉白开龙头。

在热交换器低温区的水箱上开孔，设置冷水进水管，使其连接储水容器。在高温区的水箱上设置冷水出水管，使其连接开水煲进水端，并检验其气密性。

图2 装置实物图

图3 装置内部热交换器实物图

这样，开水煲中的开水就能通过热交换器高温区、中温区降温，变成温开水，再通过低温区持续降温，冷却成凉白开，达到即烧即饮的目的。而热交换器铜管外水箱中的冷水升温后流入开水煲，热量得到回收利用，达到了节能的目的，还节省了开水煲烧开水的时间。饮用水在开水煲中被煮沸杀菌，能保证饮水安全。

在热交换器的进、出水管端均设有温度传感器，在开水经过热交换器时能直观地观察到水温的变化，计算节能效率，还能看到从开水龙头及凉白开龙头流出的水的温度，让饮用者更放心地使用。

2.使用

将装置连接电源。想饮用温开水时，打开温开水龙头，本装置会将开水煲中煮沸的水导入热交换器高温区的铜管内，让开水的热量传递给铜管外水箱的冷水，使其迅速降温。铜管内的温开水流入热交换器中温区的铜管继续降温，这样就能输出两种不同温度的温开水。想饮用凉白开时，打开凉白开龙头，热交换器中温区铜管内的温开水流入低温区的铜管，最终将温开水冷却成凉白开。

3.检测

本实验以开水煲从开始加热到水被烧开、控温器跳断作为加热的时间。用于实验测试的饮水机开水煲的容积为600 mL，开水煲的加热体功率为500 W。测试数据如表1。

由以上数据分析可知，第一次全冷水加热烧开需要消耗约223 020 J 的能量，开水煲加热体产生的热量为225 000 J。实际测量的数据与理论计算的数据接近，说明我们测试的数据是可靠的。

表1 加热时间测试结果

四、创新点

1.采用温差分级进行热交换，能快速将开水变成不同温度的温开水和凉白开，满足人们的不同需求。

2.将未烧开的常温水变为凉白开，达到即烧即饮的目的，不仅方便快捷，而且能保证饮水安全。

3.利用热交换器将开水冷却时的热量传递给铜管外的冷水，实现热量的回收利用，达到节能的目的。

4.可通过增加热交换水箱的容量和出水龙头的数量，解决学生在课间无法立即饮用凉白开的问题。

专家点评

通过这项发明，作者为学校提供了一种能满足学生多种饮水需求的新型饮水装置，充分体现了其科研潜质与较高的创新素养。在发明的过程中，他们方向明确、思路清晰，对作品的创新点提炼准确。

想和两位同学探讨的是：其一，项目名称可否更简练、更有亲和力？其二，按照全国青少年科技创新大赛新规则的要求，可否将各自所做的工作体现出来？其三，对于辅导老师及他人给予的指导与帮助，可否作出适当说明？