> 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.
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
Обзор
Поиск в интернете дал несколько результатов для «термокружки на фазовом переходе».
Ember за 150$. Как ни странно на их оф. сайте информации меньше.
Joeveo за 40$.
Prolong за 40$.
Thero за 60$
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.
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.
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.
Плавка свечей на водяной бане.
Заливаем, вставляем внутренний стакан, завинчиваем крепежный винт — термокружка на фазовом переходе готова.
Застывший парафин между стенок термокружки.
Измерения
Так как сравнивать кружку будем с имеющимися в продаже моделями, то и воду будем заливать той же температуры — 80?С. Заливаем горячую воду и видим, как плавится парафин в стенках.
Плавление парафина — тот самый фазовый переход.
График — сравнение исходной термокружки с ее же переделкой в термокружку на фазовом переходе.
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
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
- Удалось сделать термокружку, которая остывает с 80 до 65°С за 4:30, тогда как у исходной термокружки — 19:50
- При этом интервал с 60 до 55°С по сравнению с обычной термокружкой меньше всего на 1:30.
- Интервал 65-60°С и 55-50°С каждый может засчитывать во «время достижения» или «время удержания» в зависимости от температурных предпочтений.
- Изначальные конструктивные особенности не позволили продлить «время удержания комфортной температуры»
- 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.
Fragster
Ну так надо эту термокружу поместить в термокружку (три слоя сделать — первый на фазовом переходе, второй «термосообразный»).
Darth_Malok
Первая же мысль после прочтения статьи.
Обычная термокружка уменьшает потери тепла. Кружка из статьи аккумулирует тепло. Если сделать кружку, которая и аккумулирует тепло и уменьшает потери тепла, будет идеально.
Popadanec
К примеру взять обычную термос кружку и поместить на дно герметичную и инертную емкость с парафином. Парафину будет некуда деваться кроме как сначало забрать лишнее тепло из жидкости, а потом отдать его обратно. И не нужно мучатся с третьей стенкой.
FiLunder7
Или, можно добавлять парафин в чай. =)
juray
Герметичные кубики с парафином. Наподобие многоразовых ледяных для алкоголя.
Popadanec
Это звучит как идея для стартапа. Главное сделать их тяжелее воды и инертным внешним покрытием.
В комбинации с обычной термокружкой это должно работать.
elephanten
просто каменные кубики для алкоголя. Только они будут терять (вернее приобретать) цвет горячего напитка. Аналогично налету на стенках кружки.
Kriminalist
Однозначно, стенок должно быть не меньше трёх. И наполнитель стоило бы брать типа того, что в грелках 3М Cold&Heat, возможно, в смеси с парафином, чтоб выйти на нужный профиль.
juray
Да хотя бы просто куском пенки обернуть (туристы так иногда суррогатные термокружки колхозят из обычных стальных)
Zangasta
Все получилось — отличная антираковая кружка.
Зы. Рак — по ряду достоверных данных возникает от питья очень горячих напитков. Снижая температуру напитка — мы гарантированно снизим заболевание раком. Теперь кофе можно пить почти сразу, не ожидая пока оно остынет (ожидая, но меньше)
kogemrka
Рак, простите, чего? Плюс ссылки на источники всего приветствуются, тема же любопытная.
Zangasta
Международное агентство по изучению рака при Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) признало употребление чрезмерно горячих напитков (например, кофе и чая) опасными для здоровья. Об этом сообщает издание The Independent.
«Результаты свидетельствуют о том, что употребление слишком горячих напитков является вероятной причиной рака пищевода и именно температура, а не сами напитки, как представляется, несут ответственность (за развитие рака — прим. «Ленты.ру»)», — сказал директор Международного агентства по изучению рака Кристофер Уайльд
kogemrka
Любопытно, спасибо
excentrisitet
Добавлю к предыдущему автору, что в 2009 вышла обзорная статья, где указывалась связь между употреблениями горячих напитков и раком пищевода, а в 2015 вышла ещё одна, где уже говорится следующее:
То есть рак почти вдвое чаще возникает у любителей горячих напитков.
gfz
А таракан без лапок не слышит? Образ жизни и рационы питания людей предпочитающих горячие напитки никто, конечно, не изучал. И выводы горе-исследователей «EC risk were significant in Asian population and South American population, but not significant in European population» вам не на что не намекает? :-) Т.е., удивительно, но на европейцев кипяток не действует! :-))
excentrisitet
Я не автор исследования. ;-)
Авторы честно говорят, какие данные для метаанализа согласно выбранным им критериям им подошли, и где они были проведены:
Критерии выборки у них в статье также описаны, цитировать не буду, чтоб не раздувать. Сколько исследований было проведено по Европе, и можно ли по такому количеству дать статистически достоверный результат — думаю видите. С тех пор разгромной статьи о том, что всё это ложь, звездёжь, и провокация, от других научных групп вроде как не поступало. Если бы это исследование было уровня сералини, то научное сообщество уже давно бы на него ответило, думается мне.
ПЫСЫ. Когда я второпях, не дождавшись пока чай остынет, его хлебану? — потом облазит всё нёбо и язык как варёный. Как народ умудряется пить кипяток — ума не приложу. С моей, обыденной точки зрения, варить внутренности — это тоже не полезно. Только моё личное мнение не обладает никаким весом, в отличие от проведённого метаанализа, который за три года так никто и не опроверг. И я сомневаюсь, что не опроверг лишь только потому, что всем пофиг, ибо тема рака является одной из горячих. Теорию о научном заговоре мы тоже рассматривать не будем, я думаю. :-)
Barafu_Albino_Cheetah
Я слышал, что склонность народов Южной Америки к раку пищевода связывают с их привычкой пить почти кипящий чай через трубочку. Но источников не найду уже.
anticyclope
Помню, лет 30 назад онколог в поликлинике, где работала мама, рассказывала, что в Средней Азии (дело было в Казахстане), рак пищевода очень распространен по двум причинам:
1. Пьют много горячего чая
2. Пьют его лежа, увеличивая время прохождения напитка по пищеводу
YouHim
Вы меня пугаете. Я всю жизнь пью напитки сразу же после заварки. Не нравиться чай, если он постоял хотя-бы пару минут
Carbonade
А что мешает доливать холодную воду?
Zalexei
Завидую таким людям! Для меня комфортная температура чая — 55 градусов. Если 60, то мелкими отхлёбываниями. Выше — невозможно пить.
Возможно, Вы при этом так же без проблем можете есть острую пищу в больших количествах? Грубо говоря, пониженная чувствительность слизистой оболочки рта.
YouHim
Да. Острая пища в любом количестве :)
Vsevo10d
А вы не думали сделать конденсационный контур?
Первая фаза — работа на испарение легколетучего агента (резкое охлаждение), вторая фаза — конденсация с поддержанием требуемой температуры.
Чтобы конденсация работала на поддержание температуры чая, а не рассеивание тепла вовне, можно, во-первых, решить это оребрением внутренней части оболочки (контактирующей другой стороной с чаем, а не с атмосферой), во-вторых, подобрать испаряющийся агент следующим образом: температура испарения ближе к температуре чая, чем к комнатной; также имеющий растущую зависимость теплоемкости от температуры.
pesp
Идея с фазовыми переходами отличная. Я все хочу протестировать электрические нагреватели наполненные парафином. Ночью их можно нагревать за счет дешевого тарифа на электричество, днем будут отдавать тепло. Можно греть и просто огромный бак воды, но кажется такой вариант интересней. Можно делать стены, межкомнатные перегородки в виде нагревателя-накопителя.
SyavaSyava
Для целей запасения тепла фазовый переход — бесполезен именно как физическое явление. В данном контексте важнее теплоёмкость накопителя тепла, т.к. нам нужно накопить как можно больше тепла в желательно как можно меньшем объёме — что бы не использовать тот самый «огромный бак воды».
И не факт, что по теплоёмкости вещество с нужной температурой фазового перехода покажет какие-то выдающиеся результаты. Скорее всего как раз всё вернётся к «огромному баку воды» — т.к. из привычных недорогих веществ у воды наверное наибольшая теплоёмкость.
Да и отдавать тепло нужно как раз более-менее равномерно, т.е. нет необходимости именно в удержании заданной температуры фазового перехода.
pesp
Сейчас уже точно не помню, но тепловыделение (или теплопоглощение) при фазовом переходе огромно по сравнению просто с теплоемкостью воды. А вода один из самых дешевых и емких теплонакопителей. Вот разгребусь с текущими проектами и займусь этой идеей. Внимательно пересчитаю и перепроверю.
Пересчитал по быстрому и очень примерно: теплоотдача кубометра воды со 100 град до 40 град 252 МДж, парафина с учетом фазового перехода и теплоемкости 285 МДж. Разница всего в 13%.
x67
С чего вы взяли?
Нагрев кг парафина на 50 градусов при т0=20°С потребует 259 кДж тепла. Запасение такого же количества тепла водой потребует ее нагрева на 62 градуса. При этом из за более низкой температуры, теплопотери нагретого парафина меньше. Очевидно, парафин победил.
А греть воду до фазового перехода еще эффективнее, но технологически сложнее и опаснее ее хранить
SyavaSyava
Согласен, поспешил с выводами.
Но в практическом смысле — тягаться с уникальной теплоёмкостью воды мало кто может, даже с учётом фазового перехода )))
Даже в вашем примере парафин хоть и имеет солидную удельную теплоту плавления в 150 кДж/кг, но с учётом своей теплоёмкости в 2 раза ниже в итоге отыгрывает всего ок. 10 градусов для запасения аналогичной энергии водой без её фазового перехода.
Если нужно будет закачать в теплоноситель ещё больше энергии — то разница в итоговой температуре ещё снизится.
Учитывая отработанность технологий обращения с водой — в большинстве случаев скорее всего будет проще просто подогревать воду чуть больше.
Вот если подобрать вещество, сходное по теплоёмкости и удельной теплоте плавления с водой, но температурой плавления от 50 до условно 250 градусов (что бы не использовать жаростойкие материалы для корпуса), да ещё недорогое — то был бы идеальный тепловой аккумулятор )))
x67
10 градусов — это так то 25 %
Вода гораздо более активна и все, что взаимодействует с ней подвержено коррозии, в этом ее недостаток. Но тут уж от задач зависит, если надо будет, то и водород в качестве теплоносителя использовать будут (у него самая высокая из известных мне удельных теплоемкостей)
Я пример с парафином привел чтобы показать, что фазовый переход — прекрасное физическое явление очень даже пригодное для запасения тепла. И в случае с водой он тоже будет действовать. Причем при испарении воды требуется в 15 раз больше энергии чем для плавления парафина.
arheops
Фишка в том, что кг парафина занимает места прилично больше кг воды.
Не говоря про разницу в стоимости.
Плюс после 60градусов воду еще можно нагреть на 35. А у парафина в жидком виде теплоемкости значительно меньше.
x67
Всего на 10% больше, не так страшно
Зато с парафином не корродируют металлы. И его теплоту можно использовать при более низких температурах, что иногда незаменимо
Откуда информация такая? Судя по статье, теплоемкость парафина с температурой только растет (см рис. 8)
arheops
Растет то растет, но там порядок теплоемкости около 2.2, а у воды 4.2.
Потому сразу после фазового переходя парафин не догонит уже воду.
Плотность в ТВЕРДОМ состоянии 0.9, а в жидком он еще на 10-20% больше обьема занимает.
Плюс парафин можно случайно зажечь.
x67
Так я и не говорил, что парафин — лучший теплоноситель и давайте его везде использовать (а в отоплении по крайней мере перестали бы трубы зимой лопаться, хотя случайная протечка… а если вдруг парафин там до состояния газа нагрет,… ухх)
Я привел пример, когда фазовый переход позволяет получить лучшие показатели для вещества с заведомо меньшей теплоемкостью. И это слишком серьезный эффект, чтобы говорить, что «фазовый переход бесполезен».
Hrolf
Фазовый переход парафина эквивалентен по теплоёмкости 30-40 градусной разности температур воды при равных массах теплоносителя. Т.е. вода за счёт простоты, дешевизны и возможности произвольно (в пределах как минимум 0-100 Цельсия) двигать границы нагрева/охлаждения (а не пара градусов ширины фазового перехода) в роли теплоносителя для теплоаккумулятора — вне конкуренции.
ProstoUser
А можно чуть подробнее?
Интересно, какой получился объем/масса парафина, и какова емкость кружки?
Когда я прикидывал, у меня получалось, что масса парафина должна быть примерно сопоставима с массой воды, чтобы только за счет фазового перехода «впитать» всю лишнюю теплоту. Ну или поменьше, если учесть, что исходно кружка имеет температуру порядка 20 градусов и парафин надо прогреть до температуры плавления.
Ну и, конечно, нужна еще внешняя теплоизоляция. Это без вариантов.
REPISOT Автор
Ну, во-первых, почему за счет только ФП?
1. Нагрев твердого парафина и внутреннего стакана кружки.
2. Плавление парафина
3. Нагрев жидкого парафина (пусть даже до 65).
Понятно, что по сравнению с ФП все остальное мало.
Кроме того, в данном опыте начальная температура была всего 80.
gleb_kudr
Вы правы. Вот расчет на пальцах:
Удельная теплоемкость для воды — одна калория на грамм. Удельная теплота плавления парафина в районе 50 калории на грамм + удельная теплоемкость парафина 0.5 кал/грамм.
На старте вода 100 градусов, парафин 20. Пусть масса воды N, а парафина N*X. Чему равно X, чтобы парафин нагрелся и весь перешел в жидкость при 60 градусах, а вода отдала ему всю запасенную энергию?
(100-60)N= ((60-20)0.5+50)NX
Отсюда 40=70*X
X=4/7
Итого — нужно примерно 4/7 парафина по отношению к воде, чтобы на точке 60 градусов, парафин запас полную энергию остывания воды со 100 градусов.
KSA
Обожаю попивать кофе во время программирования утром. А если напиток долго остается с идеальной температурой — это вообще мечта.
Скажите, а вы проводили измерения, если заполнить пространство не парафином, а водой или песком? Очень интересно как при этом изменится поведение.
arheops
Добавьте в ваш чай холодной воды — будет тоже, что вы предлагаете.
ApocAllIPSyS
Казалось бы, причем тут фазовый переход и песок с водой…
Alex_Q
Как вариант залить легкоплавким сплавом. К примеру, сплав висмут 49,4 %, индий 21 %, свинец 18 %, олово 11,6 % имеет температуру плавления 57С, не содержит токсичного кадмия или пожароопасных щелочных металлов.
Peter1010
но содержит токсичный свинец :)
Alex_Q
В 30 раз менее токсичный, судя по ПДК для питьевой воды (кадмий 0,001 мг/л, свинец 0,03 мг/л)
juray
А индий?
RomanArzumanyan
<Сарказм «вот сами и топите урановые ломы во ртути»></Сарказм>
Welran
У металлов низкая теплоемкость и удельная теплота плавления. Так что как теплоноситель не очень. А стоить будет всяко дороже парафина или глицерина.
SyavaSyava
На графике совершенно не заметна «полка», показывающая влияние именно фазового перехода — отображён обычный график остывания жидкости (два графика).
Ускоренное остывание по сравнению с термокружкой понятно — горячая жидкость отдала температуру стенкам (парафину), и дальше они уже спокойно остывали вместе.
Полагаю, похожий график будет при наливании этой жидкости в любую посуду с массивными стенками с заметно большей теплоёмкостью, чем воздушная прослойка в термокружке.
Парафин-то хоть застыл в ходе тестирования, и на какой температуре? По идее, на этой температуре и должна быть «полка» на графике, но её нет. Или она просто незаметна ввиду недостаточного количества парафина.
Вообще, на мой взгляд все эти «фазово-переходящие кружки» делают ровно одно и то же:
1. Ускоренно остужают налитую жидкость до расчётной температуры внутренним слоем с повышенной теплоёмкостью (путём отбора излишнего тепла у жидкости).
2. Как можно дольше удерживают общую температуру внутренней системы жидкость-наполнитель за счёт внешнего слоя с эффектом термоса (или настоящий вакуумный термос в дорогих моделях, или «просто» воздушная прослойка, как в дешёвой термокружке автора).
И никакой магии с «фазовым переходом», кроме магии маркетинга.
pesp
Вполне логично. У парафина эта полочка должна появиться от 60 до 45 градусов. Именно во время застывания выделяется энергия.
SyavaSyava
Что логично? Отсутствие полки на графике?
Тогда в чём смысл эксперимента?
В текущем виде видно, что эффект фазового перехода либо не проявился, либо проявился в недостаточной степени, что бы отличить его от нормального снижения температуры.
На глаз, экстраполируя график, видно, что и синяя линия, и красная сойдётся в районе отметки времени 1:04 и температуры ок. 50 градусов, и дальше будут двигаться уже по своим кривым.
Вот если бы автор в случае с парафином продолжил замеры температуры жидкости, то стало бы понятна причина более пологого её снижения — фазовый переход, или просто лучшая теплоизоляция парафина как заполнителя по сравнению с воздушной прослойкой.
Tsvetik
Ну-ну.
Теплопроводность парафина в 10 раз больше теплопроводности воздуха
SyavaSyava
Ну-нукайте сколько хотите — от этого на графике "фазовой кружки" не появится самая интересная правая часть.
Касательно теплопроводности воздуха — просто помните о конвекции.
Tsvetik
А в парафине конвекции нет?
SyavaSyava
В жидком — есть. В твёрдом — нет.
Ваш кэп ;)
Я ничего не утверждаю — просто констатирую, что самой интересной информации на графике нет.
Возможно он резко уйдёт вниз, и станет ясно, что вот это вот пологое снижение на графике — и есть фазовый переход парафина, поддерживающий температуру жидкости.
А может — он так и будет плавно снижаться, следуя имеющейся тенденции — и тогда никакого фазового перехода мы не увидим, а увидим по какой-то причине лучшую теплоизоляцию «кружки с парафином» по сравнению с «кружкой с воздухом».
Но это всё предположения, в отсутствии данных можно гадать сколько угодно.
Mogwaika
+
Вроде не сложно было подождать чуть подольше, пока до почти комнатной температуры остынет.
akhkmed
Как я вижу, она незаметна лишь потому, что после доработки сильно усилен теплообмен. Если парафин теплоизолировать от окружающей среды, то станет сильно лучше.
Если держать в голове, что температура от времени будет зависеть как:
T(t) = (T0-Ta)*exp(-kt) + Ta,
где Ta — температура окружающей среды, T0 — начальная температура, а k — положительный коэффициент, зависящий от интенсивности переноса тепла, то простая аппроксимация показывает эту «полку» в случае с фазовым переходом, и не показывает её в оригинальной кружке.
Тут полки нет. Синий — исходные данные, красный — аппроксимация
Тут в районе 50 градусов видна полка. Просто теплообмен сильнее. Синий — исходные данные, красный — аппроксимация.
CAJAX
У PLC температура плавления около 60 градусов.
semen-pro
Точнее, PCL
HappyLynx
Парафин при плавлении теряет 10-15% в плотности. Как боролись с распуханием? Будет весьма неприятно, если на руки польется через трещину.
arheops
С парафином нет проблемы. Он во первых пластичный когда нагрет. Во вторых сначала по стенке застывает, внутренюю жидкость выдавливает
Tsvetik
Парафина нужно больше, а у вас он весь расплавился и начал сам разогреваться, отдавая тепло наружу.
Аналогично как вода со льдом в стакане будет иметь температуру 0, пока весь лед не растает.
Arxitektor
А какую кружку посоветуете из: Prolong, Thero, Lexo.
Thero по дизайну понравилась.
gleb_kudr
В качестве теплоаккумулятора очень широко применяют ПЭГ-4000 (полиэтиленгликоль). Температура плавления 60-65 градусов, удельная теплота плавления примерно такая же, как и у парафина. Безвреден для людей и животных (допустимо использовать в пищевых продуктах).
На основе ПЭГ, кстати, делают так называемый "водорастворимый воск".
Popadanec
Закатать его в кубики из инертного материала заодно сделав так чтобы они были тяжелее воды, добавлять в пропорции 4/7 в обычную термокружку повышенной ёмкости.
Можно потестировать и идти оформлять стартап. Продавать как сразу комплект в правильном соотношении, так и по отдельности. :-)
Emil2014
А механизированный вариант если попробовать?
Т.е. между внутренним стаканом и внешним установить биметаллические пластины с точкой крепления к горячему стакану. ( К сожалению, не знаю как вставить картинку).
Когда наливаем горячую жидкость — пластины отодвигаются от внутреннего стакана и касаются внешнего (отводим тепло), остывает — пластины возвращаются, тепловой контакт теряется.
Как-то так.
HappyLynx
Так идея не только в том, чтобы быстро остудить до 60, но и в том, чтобы это тепло аккумулировать и использовать потом для поддержания 60.
balamutang
одно другому не мешает, пусть отодвигает когда парафин остыл до 60 градусов. после этого он станет остывать еще медленнее, потом тепло даст и фазовый переход
впрочем правильная конструкция кружки должна дать похожий эффект без механических движений (а значит более надежный и долговечный)
Gutt
Не хотите попробовать гипосульфит натрия? Я в детстве игрался, плавится приблизительно при 50 градусах, при кристаллизации неплохо греется (градусов до 70). Единственное — он не любит сам кристаллизоваться, мне приходилось кидать затравку. Уж не знаю, легко ли сейчас купить фиксаж для серебряного процесса, но в конторах, продающих химию, должен быть.