Капсула для подогрева кофе

Закон охлаждения Ньютона - Scala graduum caloris

теплота, которую горячее железо в определенное время сообщает холодным телам, находящимся рядом с ним, т. е. теплота, которую железо теряет в известное время, равна всей теплоте железа; и поэтому, если взять одинаковое время охлаждения, степени нагревания будут находиться в геометрической пропорции

$\frac{dQ}{dt} = h\cdot A \cdot \Delta T(t)$

Q = тепловая энергия (скорость охлаждения)

h = коэффициент теплопередачи – минимум 3Wm-2K-1 [1]

A = Площадь теплопередачи -$\pi r^2$, возьмите кружку диаметром 8см = 0,02м2

$\Delta T$= Температура объекта - Температура окружающей среды = 50 - 22 = 28

Таким образом, скорость охлаждения составляет: 3 * 0,02 * 28 = 1,68 Вт.

Это то, что вам нужно противопоставить. Итак, вам нужен резистор для передачи 1,68 Вт.

Возьмите обычную батарейку типа АА: 1,5 В при 3,9 Втч (типичная щелочная батарея). Это потенциально может стать источником необходимой энергии для ваших необходимых 1-2 часов (2,32 часа).

Из$P = \frac{V^2}{R}$Следовательно, R должен быть:$1.339\Omega$, но это соответствует 1,12 А НЕПРЕРЫВНО от АА, чего он не сделает (50 мА - типичный сток)

Это должно показать вам необходимую методологию и простой случай поиска подходящей батареи, подходящего резистора для данной среды.

[1] http://www.engineeringtoolbox.com/convetive-heat-transfer-d_430.html

Вам необходимо измерить потери тепла в кружке при температуре около 50°C.

• Измерьте емкость кружки.
• Наполните его горячей водой или кофе.
• Вставьте термощуп и максимально закройте крышку. Используйте ленту, чтобы остановить любые утечки тепла.
• Запишите падение температуры с течением времени в интересующей зоне.

Потери мощности (и мощность, необходимая для поддержания температуры) будут определяться выражением

Где ΔT = падение температуры (°C), m = масса (кг), SHC = удельная теплоемкость воды (4200 Дж·кг ^-1 ·K ^-1 ) и t = время (с).

Я провел тест с 400 мл кофе (0,4 кг), и охлаждение с 53,5 до 52°C заняло 21 минуту. Подставляем их в формулу, получаем

Это постоянная мощность, необходимая для поддержания температуры 50°C в таком большом количестве кофе в моей чашке. Для двухчасового обогрева вам понадобится аккумулятор на 4 Втч.

Лабораторная кухня.

Я был приятно удивлен тем, насколько хороша изоляция чашки.

Одна вещь, которая не была рассмотрена, заключается в том, что вы действительно хотите подавить нагрев, пока температура не упадет до 50 ° C. Это подразумевает какую-то электронику или термостат в вашем слизняке.

Фазовый нагрев

Обратите внимание, что этот раздел не дает электрического решения исходного вопроса, но вопрос заставил меня искать информацию, и я предлагаю ее в качестве альтернативы.

При переходе из жидкого состояния в твердое вещество отдает скрытую теплоту. Температура остается постоянной до завершения фазового перехода. Я провел быстрый поиск в Интернете по материалам с фазовым переходом с температурой фазового перехода около 50 ° C и нашел интересную статью о лучшей пицце с материалами с фазовым переходом, в которой автор описывает студенческий проект по сохранению пиццы при температуре еды в течение длительного времени. .

Температура в зависимости от времени при охлаждении с фазовым переходом.

Эта статья привела меня к сайту saveEnerg , в котором указано, что их PCM-OM55P имеют температуру фазового перехода 55°C, что почти идеально подходит для этого приложения. Скрытая теплота равна 210 кДж/кг. Время для некоторых чисел!

Допустим, мы могли бы выдержать 100 г этого материала в нашей чашке. (Плотность 0,84 кг/л, поэтому его объем будет$\frac{100}{0.84} = 120 ml$). Если его нагреть и превратить в жидкость, то при остывании он выделится.$210,000 J/kg \times 0.1 kg = 21,000 J$.

Поскольку ватт равен одному джоулю в секунду, а нам требуется 2 Вт для противодействия потерям тепла при 50 °C, то время перехода равно$t = {21,000\over2} = 10,500 s = 2.9 hours$. Это, я полагаю, соответствует требованию ОП.

Есть несколько практических соображений.

• Материал фазового перехода должен быть нагрет. Это не должно быть проблемой, если есть достаточно энергии, чтобы сделать кружку кофе.
• Максимальная рабочая температура PCM-OM55P составляет 80°C. Я предоставлю читателю самому разобраться, как не перегреть материал с фазовым переходом.
• Я понятия не имею, в каком формате доступен материал и как он будет упакован для этого приложения.

С положительной стороны, здесь нет электрики, и у него должна быть долгая жизнь. Лучшее решение — самое простое, которое работает!

При низком напряжении вы можете обойтись без изоляции элемента, так как вода будет иметь более высокое сопротивление, и вы не получите большого электролитического тока. При более высоких напряжениях изолируйте, чтобы предотвратить поражение электрическим током. Вы также можете захотеть изолировать, чтобы предотвратить электролиз в случае поломки элемента. Кроме того, маловероятно, что производители резистора позаботились о том, чтобы сделать его безопасным для пищевых продуктов, поэтому вам, вероятно, лучше нанести на него чистое изолирующее покрытие.

Объем CR2032 близок к 1 мл. Чтобы нагреть 250 мл кофе от температуры окружающей среды 10°C до 50°C, требуется 4181 Дж/л° * 0,25 л * 40° ~= 42 кДж. Это означает, что вам нужна плотность энергии 42 МДж/л.

У вас нет шансов сделать это с аккумулятором. Реактивное топливо подходит близко, но также потребуется окислитель и что-то для регулирования реакции , так что это может быть возможно в 3 мл. Но если вы действительно хотите что-то такое маленькое, чтобы генерировать достаточно тепла, чтобы нагреть чашку кофе, вам нужны гранулы тория.

Готовые подогреватели кофе представляют собой либо каталитические, либо гелевые растворы, которые выделяют тепло при кристаллизации, и они намного больше, чем ячейки CR2032.

Кроме того, если вы положите что-то такое маленькое в кофе, вы можете по ошибке проглотить его.