Исследование эффективности автономного хладогенератора для жидкостей

Актуальность

В современном мире достаточно остро стоит проблема изменения температуры продуктов питания и поддержания её на постоянном уровне длительное время. Термическая обработка пищи и её охлаждение с целью сохранения в течение длительного времени – это те процессы, которые человечество освоило на самой заре цивилизации. Приготовление еды на огне и сохранение запасов в холодном погребе – базовые принципы выживания в суровых условиях.

Однако, как ни странно, сохранить пищу в холоде гораздо труднее, чем разогреть её, и процесс этот требует куда больше времени. Связано это с тем, что в странах с жарким климатом (например, там, где практически никогда не бывает снега) пищу очень сложно сохранить на долгий период времени. Именно поэтому в таких странах преобладает растительная пища, а в регионах с суровым климатом (восточная Сибирь, Якутия) – белковая.

Несмотря на широкое распространение различных хладагентов как в промышленности, так и в научной среде (чаще всего применяется сухой лёд), все они требуют высокотехнологичного оборудования для производства и применяются в достаточно узких областях. Наш метод предлагает несложный путь для решения простой задачи – охлаждения небольшого объёма жидкости. Для этого понадобятся лишь баллон с бытовым сжиженным газом (CO₂) и специальная ёмкость с низкой теплопроводностью стенок. Нами был создан концепт такого устройства, однако он легко может быть запущен в массовое производство.

Цель

Разработка прототипа устройства, позволяющего быстро охлаждать небольшие объёмы жидкости (в т. ч. питьевой) в отсутствие электросети.

Задачи

1. Работа с литературой, анализ имеющихся аналогов.
2. Составление плана, проработка идеи реализации.
3. Моделирование трёхмерной ёмкости-калориметра.
4. 3D-печать.
5. Подготовка датчиков.
6. Проведение испытаний.
7. Анализ полученных результатов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Ноутбук с установленным на нём ПО (Fusion 360 )
• Стальной датчик температуры Vernier
• Датчик температуры поверхности Vernier
• Двухдиапазонный датчик силы Vernier
• Адаптер Vernier SensorDAQ
• Logger Lite 1.9.4
• 3D-принтер
• Баллон со сжатым воздухом

Описание

Сначала авторами был разработан эскиз стакана-калориметра, в котором будет происходить охлаждение воды. Затем была разработана 3D-модель этого стакана в программе Fusion 360 и распечатана на 3D-принтере. Процесс печати доступен по ссылке: https://youtu.be/foCCB16Kg00

Затем авторы выбрали и приобрели баллоны со сжиженным бытовым газом для прочистки клавиатуры и труднодоступных мест. Далее собрали измерительную установку, в которую входили: датчик температуры, двухдиапазонный датчик силы, адаптер SensorDAQ (всё от компании Vernier), а также штатив, грузики массами 102 г, термометр, ёмкости с жидкостями разных температур (для калибровки датчиков), а также ноутбук. Процесс калибровки датчиков описан в пункте «Процесс проведения измерений» на стр. 20. Динамометр (или, иными словами, датчик силы) имеет точность измерения 0,001 Н. Авторы использовали его, чтобы вычислить начальный и конечный вес баллона с газом (до и после выпускания части газа из баллона). При такой высокой точности, зная величину ускорения свободного падения в данной местности и значение силы (веса), получить значение массы не составит труда.

В калориметре охлаждалась жидкость массой 450 г, взятая при начальной температуре 38,5 ℃. Сам процесс проведения эксперимента представлен на видео: https://youtu.be/T61lw98KkHw

По итогам исследования были получены следующие графики (Рис. 1 и Рис. 2).

За 35 секунд стравливания давления из баллона с газом вода массой 450 г охлаждается на 4 ℃, при этот тратится 20 г сжиженного бытового газа.

Здесь очень важно отметить, что, вопреки распространённому мнению, охлаждение стенок баллона происходит не в связи с уравнением состояния (формула 1). Здесь этот закон неприменим, поскольку система незамкнута. Стенки баллона охлаждаются, потому что при уменьшении давления газ внутри него начинает закипать, для чего необходимо тепло, которое баллон может брать только извне, т. е. из окружающей среды.

Затем измерили температуру поверхности баллона с помочью датчика температуры поверхности. Из рисунка 3 видно, что перепад температуры составил 43 ℃. Наименьшая температура равнялась –18 ℃, из-за чего внешние стенки сосуда покрылись инеем.

Результаты работы/выводы

В рамках этого проекта была реализована идея автономного охлаждения жидкостей. Идея и её реализация оказались понятны для читателя.

Эффективность способа может конкурировать с аналогами и выигрывает в своей автономности.

Перспективы использования результатов работы

Прототип устройства, разработанный в конкурсной работе, представляет интерес и как прототип, и как элемент новых устройств для промышленного производства. Текущая версия проекта может быть доработана: имеет смысл продумать возможность интеграции подобных устройств в имеющиеся производственные линии с минимальной модернизацией.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГУ имени М.В. Ломоносова

Награды/достижения

НИТУ «МИСиС»

Мнение автора

«Прототип устройства, разработанный в конкурсной работе, представляет интерес и как прототип, и как элемент новых устройств для промышленного производства.

Воплощение в жизнь этой идеи стало возможным благодаря ресурсной базе проекта и комплексу профильных мероприятий, проводимых в рамках Городского образовательного проекта «Инженерный класс в московской школе». Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» дала возможность в полной мере реализовать весь творческий потенциал»