開水快速冷卻器的製造方法

2023-06-04 20:01:26

開水快速冷卻器的製造方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供開水快速冷卻器，包括隔套腔、熱水腔、真空器單元、儲水箱，熱水腔為圓柱形腔體，隔套腔為環形腔體，熱水腔位於隔套腔環形腔體的中空部分，隔套腔內壁和熱水腔壁為同一個金屬壁，隔套腔的上端設置管嘴和壓力開關，管嘴通過低壓管路連通真空器單元，真空器單元通過常壓管路連通儲水箱，儲水箱通過回流管路連通隔套腔，壓力開關連接真空器單元並控制真空器單元的啟閉。本發明利用真空器維持隔套腔內的低壓力，利用低壓水的汽化吸熱有利於開水的快速降溫。
【專利說明】開水快速冷卻器
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種換熱設備，具體地說是製冷設備。
【背景技術】
[0002]將水燒開能有效地殺死水中存留的細菌病毒，但燒開的水不能直接飲用，只能將其降溫後才能供人飲用。在很長一段時間內，如何使開水快速冷卻下來是一個困擾人們的難題。為了能將開水快速冷卻下來，人們想出了各種各樣的方法，比如說為了加大與空氣的換熱面積，將開水在兩個杯子中相互倒來倒去，發展到後期利用一個手握式的吹氣器向開水中吹入空氣來達到快速降溫的目的，但這種方法受限於空氣吸熱的速度，快速降溫程度有限，還有一種就是利用開水與比它溫度低的多的冰，進行混合，由於冰融化和升溫需要吸收大量的熱，而這熱量主要來自於開水，也就達到了降溫的效果，這種方法降溫的速度很快，但是需要準備大量的冰塊，這就使其不具有廣泛適用性。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於提供能夠實現熱水快速冷卻的開水快速冷卻器。
[0004]本發明的目的是這樣實現的:
[0005]本發明開水快速冷卻器，其特徵是:包括隔套腔、熱水腔、真空器單元、儲水箱，熱水腔為圓柱形腔體，隔套腔為環形腔體，熱水腔位於隔套腔環形腔體的中空部分，隔套腔內壁和熱水腔壁為同一個金屬壁，隔套腔的上端設置管嘴和壓力開關，管嘴通過低壓管路連通真空器單元，真空器單元通過常壓管路連通儲水箱，儲水箱通過回流管路連通隔套腔，壓力開關連接真空器單元並控制真空器單元的啟閉。
[0006]本發明還可以包括:
[0007]1、所述的真空器單元包括三臺並聯的真空器，壓力開關控制不同數量的真空器的啟閉。
[0008]本發明的優勢在於:本發明利用低壓水的巨大的汽化潛熱來吸收開水降溫所放出的熱量，由於汽化是溫度不變的過程，所以可以看成開水向一個無限大熱容的物體放熱，這樣降溫的速度就有了保障，再利用一個真空泵來維持隔套中的壓力和低壓冷卻水的回收加注裝置，就能實現開水的快速冷卻了。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為壓力和水飽和溫度(沸點)的關係曲線；
[0010]圖2為本發明的結構示意圖；
[0011]圖3為低壓維持系統的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:[0013]結合圖1?3，本發明開水快速冷卻器由冷卻系統、低壓維持系統及回流系統組成。本發明開水快速冷卻器的主體(冷卻系統)為一個帶有隔套的圓柱形腔體。在附圖中，編號11為隔套腔，裡面裝有編號為9的壓力為0.1bar的常溫水(20°C _40°C)。編號12為熱水腔，裡面裝有編號為13的壓力為標準大氣壓的高溫液態水。隔套腔和熱水腔相對封閉，不存在腔室之間的質量交換，即隔套腔的低壓水不可能流到熱水腔中，熱水腔的水也不可能流到隔套腔中，兩個腔室通過共有的金屬壁面傳遞熱量。當向熱水腔倒入開水後，由於隔套腔和熱水腔的溫度相差很大，熱量就從熱水經過金屬壁面傳遞給隔套腔中的低壓水，低壓水的沸點很低，吸熱後很快就達到其沸點，接著低壓水被汽化，吸收大量的熱量，而此時的低壓水的溫度卻不會上升，這就使得熱水腔和低壓腔保持了較大的溫度差，保證了較高的熱流密度(即單位時間內單位面積傳遞的熱量)，使得熱水腔的熱水杯快速降溫。本發明的低壓維持系統包括壓力開關、信號傳輸電路、三臺並聯的真空器、低壓管路以及帶閥門的管嘴。具體工作流程如圖3所示，根據圖3可以看出當隔套腔的壓力偏離越多時，真空器抽吸能力越強，回歸設定的低壓(0.1bar)越快。其中，隔套腔中的空氣和蒸汽通過編號為2的管嘴和編號為4的低壓管路與三個真空器連接，這三個真空器之間採用並聯的連接方式。回流系統從編號為6的真空器常壓管路開始。抽出的蒸汽在標準大氣壓下，由於其溫度低於沸點，就變成了液態水，通過出氣管流到編號為7的開口儲水箱，當高溫水被快速冷卻，關閉真空器之後，打開編號為10的進水口的閥門，將儲水箱中的水通過編號為8的回流管路注入隔套腔，然後關閉閥門，啟動真空器，將隔套腔的壓力降至0.1bar,回到初始狀態，開水得到了快速冷卻，完成了一個循環。
[0014]圖1是根據水的熱力性質表畫出的壓力和水飽和溫度(沸點)的關係曲線，由圖中可以開出壓力越高飽和溫度越高，壓力越低飽和溫度也就越低，壓力和飽和溫度一一對應。圖3為低壓維持系統的工作流程圖，根據圖示過程，對於不同的壓力選擇不同的真空器工作檯數，以達到儘可能快的恢復到低壓力。
[0015]本發明開水快速冷卻器利用水壓力不同，沸點(飽和溫度)不同，水汽化潛熱巨大而且汽化時溫度不變的原理。根據工程熱力學的知識，設定每次被冷卻的開水為500ml質量為0.5kg，溫度為100°C。假如被冷卻到50°C，查水的熱力性質表所釋放出的熱量Q=CPAT=hl-h2=419.06kJ/kg*0.5kg-209.4kJ/kg*0.5kg=104.83kJ，而這些熱量假設全部被低壓水汽化時所吸收，由公式Q=r*m，其中r是指低壓水的汽化潛熱值，m為被汽化的水的質量,查水的熱力性質表知，當壓力為0.1bar時r=2391.94kJ/kg,故可得m=Q/r=0.044kg,即44ml，這是在考慮到最極端的情況，即開水和低壓水都不向外界散熱的情況下得出的結果，實際上由於兩者的散熱，所需的低壓水應該比44ml少，可以看出這種利用汽化潛熱冷卻的方法對水的需要是極其少量的。但由於低壓水所在的隔套腔是一個封閉的腔室，低壓水汽化後會使腔室內的壓力提高，從而使低壓水沸點提高，嚴重影響冷卻效果。經過計算，如果不進行任何處理，最終低壓水的沸點會達到90°C左右，對於冷卻也就沒有什麼用了。為了解決這一問題，必須設置一套抽氣裝置，稱之為低壓維持系統，也就是用管路將隔套腔和真空器連接起來。當開始冷卻時，真空器也就開始工作，將其中產生的蒸汽抽吸出來，以保證隔套腔的壓力保持在0.1bar左右，這樣就能最大限度地冷卻降溫了。另一個需要解決的問題是開水到低壓水的導熱速率問題。如果採用常見的不鏽鋼材料，它的導熱係數為16.3ff/ (m*k)，我們假設開水和低壓水之間隔著一個厚度為2mm的直徑80mm的管子，管子內側為開水，外側為低壓水，經過計算得知傳遞所釋放的熱量需要20秒左右，這已經能滿足快速冷卻的要求了，如果需要進一步提高冷卻速率，可以採用黃銅或紫銅的管子，那樣時間可以降低到2-3秒，這時受限制的就是低壓水的汽化速率。採用合適的材料和適當的布置就能實現開水的快速冷卻。
[0016]本發明開水快速冷卻器，包括壓力開關1、管嘴2、信號傳輸電路3、低壓管路4、真空器5、常壓管路6、開放式儲水箱7、回流管路8、低壓水進水口 10、隔套腔11、熱水腔12，真空器5 —端通過低壓管路4連接在低壓水隔套腔11的管嘴2上，另一端通過常壓管路6與開放式儲水箱7相連，保持隔套腔11內的低壓力，壓力開關I安裝在隔套腔11頂部，開放式儲水箱7通過回流管路8與隔套腔11相連，真空器5的啟動和關閉由壓力開關I給出的電信號控制。
[0017]利用低壓水的汽化吸熱有利於開水的快速降溫。
[0018]利用真空器維持隔套腔內的低壓力有利於實現開水的穩定快速降溫。
[0019]利用壓力開關使真空器在不同壓力下開啟不同的臺數，使隔套腔的壓力能夠快速的恢復到設定壓力值，有利於開水在高溫時快速降溫。
[0020]採用水作為冷卻介質，不僅利用了水汽化的巨大潛熱，而且水無毒無副作用，即便洩露也不會對環境和人構成危害。
[0021]中心放置開水，外部隔套腔放置低壓冷卻用水，增大了換熱面積，有利於開水的快速降溫冷卻。
【權利要求】
1.開水快速冷卻器，其特徵是:包括隔套腔、熱水腔、真空器單元、儲水箱，熱水腔為圓柱形腔體，隔套腔為環形腔體，熱水腔位於隔套腔環形腔體的中空部分，隔套腔內壁和熱水腔壁為同一個金屬壁，隔套腔的上端設置管嘴和壓力開關，管嘴通過低壓管路連通真空器單元，真空器單元通過常壓管路連通儲水箱，儲水箱通過回流管路連通隔套腔，壓力開關連接真空器單元並控制真空器單元的啟閉。
2.根據權利要求1所述的開水快速冷卻器，其特徵是:所述的真空器單元包括三臺並聯的真空器，壓力開關控制不同數量的真空器的啟閉。
【文檔編號】F28D21/00GK103900414SQ201410078381
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】王銀燕, 李旭, 孫永瑞, 王賀春, 楊傳雷 申請人:哈爾濱工程大學