Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе

в 8:14, , рубрики: diy или сделай сам, DS18B20, кофе, кружка для it, Научно-популярное, пятничный пост, теплообмен, физика, физический эксперимент, электроника

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 1

Первая часть.

Термокружка — это не термос. Ее задача — не заваривать шиповник, а обеспечить комфортную температуру напитка. Это значит — быстрое остывание свежеприготовленного горячего напитка (с 95-80°С до 65-60°С). А затем удержание температуры как можно более долгое время.
Так как у воды очень большая теплоемкость, решение этой проблемы методом «массивности» приводит к избыточному утяжелению кружки. Решением может стать использование фазового перехода.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 2
Принцип работы термокружки на фазовом переходе. Картинка позаимствована у Joeveo.

Сначала материал в стенках отбирает излишнее тепло у напитка, переходя в жидкую фазу. Потом, когда напиток остывает ниже температуры кристаллизации наполнителя, наполнитель застывает, отдавая тепло.

Так как у меня оказалась в наличии сломанная термокружка, решено было испытать на ней фазовый переход. Ну а для тех, кто хотел выходить с этой идеей на кикстартер — новость (хорошая для потенциальных покупателей и плохая для потенциальных продавцов): все уже украдено придумано до нас.

Обзор

Поиск в интернете дал несколько результатов для «термокружки на фазовом переходе».

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 3
Ember за 150$. Как ни странно на их оф. сайте информации меньше.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 4
Joeveo за 40$.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 5
Prolong за 40$.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 6
Thero за 60$

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 7
Lexo за 38-44$ в зависимости от массы.

Все перечисленные выше проекты используют один и тот же принцип фазового перехода, описанный еще в 2009г. институтом Фраунгофера (Fraunhofer IBP). Интересно, как обстоят дела с патентами, учитывая, что некоторые компании судятся даже из-за скругления уголков корпуса?

Примечательно, что большинство производителей термокружки на фазовом переходе на своих «чудо-графиках» показывают температуру заливки — 80°С. Prolong — 75°С. Ember не показывает вовсе. И только Thero заливает воду из кипящего чайника (а это как раз 95°С). Охладить напиток на 15°С или 35°С градусов — неплохая разница.

Сборка

Но сначала разборка.

Как видно на фото, коварные китайские инженеры заложили пару мин в дело сохранения температуры напитка.

1. Бортики внутреннего стакана на целый сантиметр выступают над пластиком.
2. Крепежный винт создает тепловой мостик с нижним наружным металлическим стаканом.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 8
Разобранная термокружка.

У меня, к сожалению, нет экологичного, с температурой плавления ровно 58 градусов, с высокой теплотой плавления материала, зато есть свечки от шведских товарищей.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 9
Свечки из Икеа.

Сначала методом вытеснения воды был измерен необходимый объем наполнителя. Потом подготовлен расплав. Плавим Свечки на водяной бане. Они удобны тем, что их легко дозировать.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 10
Плавка свечей на водяной бане.

Заливаем, вставляем внутренний стакан, завинчиваем крепежный винт — термокружка на фазовом переходе готова.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 11
Застывший парафин между стенок термокружки.

Измерения

Так как сравнивать кружку будем с имеющимися в продаже моделями, то и воду будем заливать той же температуры — 80ºС. Заливаем горячую воду и видим, как плавится парафин в стенках.
Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 12
Плавление парафина — тот самый фазовый переход.

График — сравнение исходной термокружки с ее же переделкой в термокружку на фазовом переходе.

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 13
Сравнение обычной термокружки и термокружки на фазовом переходе.

Быстрое остывание получено, а вот удержание температуры — так себе. К тепловому мостику из винта добавился парафин, которым заполнено пространство между стенками. Кроме того, парафин усилил передачу тепла к винту: если раньше контакт был только в месте крепления внутреннего стакана, то теперь по всей длине винта. А промышленные термокружки мало того, что не имеют таких просчетов, так они имеют стенки из трех слоев.

Результаты

Тестирование самодельной термокружки на фазовом переходе - 14
Временные интервалы остывания

Я продолжаю считать как и в первой части от 60 до 55°С. Хотя в приведенных выше описаниях на на некоторые термокружки интервал берется от 65 и аж до 50.

Остывание данной самодельной кружки с 55 до 50°С достигает 30 минут. так что если брать интервал 65-50°С, то время удержания составит почти час (52 минуты).

Выводы

  1. Удалось сделать термокружку, которая остывает с 80 до 65°С за 4:30, тогда как у исходной термокружки — 19:50
  2. При этом интервал с 60 до 55°С по сравнению с обычной термокружкой меньше всего на 1:30.
  3. Интервал 65-60°С и 55-50°С каждый может засчитывать во «время достижения» или «время удержания» в зависимости от температурных предпочтений.
  4. Изначальные конструктивные особенности не позволили продлить «время удержания комфортной температуры»
  5. Такой результат достигнут при начальной температуре 80°С. Если использовать только что вскипевшую воду (95°С), результат окажется совсем другим. Для его коррекции понадобится заливать меньше воды, использовать большее количество парафина или специальный материал в качестве наполнителя.

Автор: REPISOT

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля