向俊任，徐鄭攀，姚思琦

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

一種節(jié)能快速飲料制冷機(jī)

向俊任，徐鄭攀，姚思琦

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

針對(duì)現(xiàn)有制冷飲料柜存在的問題，提出了一種新型飲料快速制冷的方法，即利用旋轉(zhuǎn)渦流的方式對(duì)飲料進(jìn)行熱交換，通過半導(dǎo)體材料作為冰水的制冷源，最后通過單片機(jī)分模塊控制，使得系統(tǒng)能夠循環(huán)工作。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飲料的快速制冷，且應(yīng)用范圍廣，具有很好的市場(chǎng)前景。

旋轉(zhuǎn)渦流；半導(dǎo)體；快速制冷；循環(huán)工作

1 項(xiàng)目背景及研究意義

當(dāng)今社會(huì)大大小小的便利店幾乎都有配一臺(tái)飲料柜，甚至雜貨店門口都可見一臺(tái)飲料柜，飲料柜已經(jīng)成為開店必備產(chǎn)品。如今市場(chǎng)上的飲料柜主要分為兩種，即封閉式飲料柜和開放式飲料柜。兩種飲料柜在啟動(dòng)時(shí)，電流對(duì)比維持正常工作時(shí)的電流大很多，且壓縮機(jī)要工作很長時(shí)間才能達(dá)到正常溫度，電量浪費(fèi)大。出于對(duì)設(shè)備保護(hù)的考慮，商家會(huì)徹夜開啟飲料柜，而在晚上開啟的這段時(shí)間不會(huì)發(fā)生飲料購買行為，必然會(huì)造成一定的電量浪費(fèi)。但不論是選擇夜間開啟飲料柜還是關(guān)閉飲料柜，都會(huì)產(chǎn)生極大的電量消耗。針對(duì)以上情況，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款快速制冷節(jié)能飲料機(jī)，在保障飲料制冷要求的情況下節(jié)省電量消耗。

2 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

利用旋轉(zhuǎn)渦流方式幫助降溫制冷，極大地縮短了飲料制冷所需時(shí)間，僅為傳統(tǒng)方式的1/40～1/30；運(yùn)用本裝置替代部分制冷飲料柜，達(dá)到減少電能損耗的目的；裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可極大地提高超市等銷售平臺(tái)的空間利用率。

3 項(xiàng)目的研究內(nèi)容和研究目標(biāo)

本作品應(yīng)用機(jī)電一體化及模塊化設(shè)計(jì)思想，利用渦流形成機(jī)理，對(duì)于市場(chǎng)上常見制冷飲料柜的電能資源浪費(fèi)、制冷速率低等問題能夠較好解決。相比于傳統(tǒng)的制冷飲料柜，本裝置的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：①無需長期對(duì)大量飲料制冷，節(jié)省了保溫以及頻繁開關(guān)消耗的電能；②對(duì)飲料的降溫速度極快，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，縮短了等待時(shí)間；③裝置體積極小，空間擺放限制小，提高了飲料銷售的空間利用率；④成本低廉，初步生產(chǎn)成本僅為現(xiàn)有飲料柜的1/8～1/6，量產(chǎn)后成本還可進(jìn)一步降低。

4 實(shí)施方案和研究方法

4.1 裝置原理

本裝置采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的形式，使流體在外力的強(qiáng)制作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋流，旋流是在常規(guī)流動(dòng)中引入了切向速度。由于切向速度的引入，流體流動(dòng)特性均發(fā)生了較大的變化，形成速度梯度。在旋流流動(dòng)中，流體內(nèi)外壓差提供了旋流的向心加速度，造成了旋流流動(dòng)的軸線壓力低于環(huán)境壓力。當(dāng)旋流強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，出現(xiàn)中心回流區(qū)，進(jìn)而使流體形成閉合的有序的能流圈。當(dāng)流體存在旋流時(shí)，流體處于運(yùn)形成回流，具有溫差的流體的運(yùn)動(dòng)形成循環(huán)，同時(shí)，由于流體與環(huán)境存在溫差發(fā)生熱傳遞，且基于流體的運(yùn)動(dòng)特性，離軸線越遠(yuǎn)的區(qū)域溫度越高，因此，此流體能均勻地與外界產(chǎn)生熱交換，進(jìn)而均勻、快速制冷。

4.2 方案設(shè)計(jì)

本作品的主要研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種基于渦流形成機(jī)理的快速飲料制冷設(shè)備，可以解決現(xiàn)有制冷飲料柜耗能高、電能有效利用率低、占地空間大且購置成本高等問題。

4.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由旋轉(zhuǎn)動(dòng)力模塊、夾緊模塊、水泵噴灑模塊、半導(dǎo)體制冷模塊四部分構(gòu)成。彈性夾緊裝置可以保證本裝置適用于各種不同類型尺寸的飲料；水泵噴灑模塊使冰水與飲料罐體大面積有效接觸保證制冷速度；半導(dǎo)體制冷模塊可迅速進(jìn)入制冷狀態(tài)，且體積小、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長。

4．3．1 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力模塊

旋轉(zhuǎn)動(dòng)力模塊為ZGB37RG 12v 15kg·cm直流減速電機(jī)，其帶動(dòng)夾緊裝置與飲料一同旋轉(zhuǎn)，形成旋流加快飲料冷卻。

4．3．2 夾緊模塊

通過模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同容量、形狀飲料的夾緊。

4．3．3 水泵噴灑模塊

未工作狀態(tài)下，冰水將儲(chǔ)存在保溫儲(chǔ)存池中減少能量損失，半導(dǎo)體制冷裝置以及噴灑裝置也將處于待機(jī)狀態(tài)；進(jìn)入工作狀態(tài)后，冰水經(jīng)水泵抽出均勻噴灑在旋轉(zhuǎn)罐體、瓶體上對(duì)其進(jìn)行迅速降溫，使用過后的水將流入蓄水回收池，半導(dǎo)體制冷裝置將會(huì)從回收池中引入溫水進(jìn)行制冷降溫，再將生成的冰水輸入冰水儲(chǔ)存池供下次使用。

4．3．4 半導(dǎo)體制冷模塊

本裝置采用半導(dǎo)體制冷片作為冰水生產(chǎn)的制冷源，相比于傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷方式，半導(dǎo)體制冷片沒有制冷劑，不會(huì)泄漏，不受振動(dòng)、傾斜影響；運(yùn)轉(zhuǎn)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不會(huì)磨損；體積小，可靠性高，制冷時(shí)間快。

4.4 控制模塊設(shè)計(jì)

以STC89C52單片機(jī)為控制核心，該部分主要包括單片機(jī)、溫度傳感器、鍵盤、電動(dòng)機(jī)、水泵等。為了滿足現(xiàn)有的各種容量的飲料，可選擇不同工作模式以對(duì)不同容量的飲料制冷，采用溫度傳感器對(duì)冰水儲(chǔ)存池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，把監(jiān)測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度對(duì)比，當(dāng)溫度過高時(shí)及時(shí)進(jìn)行制冷降溫。

5 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和效益分析

以市面上常見的500瓶容量210 W雙門冷飲柜為例，在頻繁使用下日均耗電約為：210 W×12 h=2.52 kW·h，按照一周銷售500瓶冷飲計(jì)算，總耗電量約為17.64 kW·h，單瓶飲料耗電量約為0.035 28 kW·h。

應(yīng)用本裝置后，500瓶飲料耗電量約為：日均工作20 h的功率50 W制冷片一周耗電量與裝置全功率1 min制冷飲料與罐數(shù)乘積的和（50 W×20 h×7+30 W×1/60 h×500=7.5 kW·h），單瓶飲料耗電量約為0.015 kW·h，僅為傳統(tǒng)冷飲柜方式耗能的42.5%，節(jié)能效益十分明顯。由此可見，本裝置節(jié)能效率高、節(jié)電量巨大、應(yīng)用前景十分廣闊。

6 項(xiàng)目研究的預(yù)期成果

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，采用新型制冷技術(shù)加快了熱交換速率，有效縮短了制冷或制熱的時(shí)間，減少了冰柜待機(jī)造成的用電損失，可廣泛應(yīng)用于零售商店、超市等客流量較大的飲料販賣。本項(xiàng)目具有廣闊的市場(chǎng)前景，技術(shù)成熟后可將其推廣至廚房、商務(wù)客運(yùn)、海運(yùn)等，取代傳統(tǒng)的高能耗冰柜，使節(jié)能減排觀念深入人心，對(duì)我國能源緊缺壓力的緩解以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有著重大的意義。

〔編輯：張思楠〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.126

2095-6835（2017）24-0126-02