Kaffeewärmer Kapsel

Newtons Gesetz der Abkühlung - Scala graduum caloris

die Wärme, die heißes Eisen in einer bestimmten Zeit kalten Körpern in seiner Nähe mitteilt, dh die Wärme, die das Eisen in einer bestimmten Zeit verliert, ist wie die ganze Wärme des Eisens; und daher werden bei gleicher Abkühlungszeit die Wärmegrade geometrisch proportional sein

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

Q = Thermische Energie (Kühlrate)

h = Wärmeübertragungskoeffizient - Mindestens 3Wm-2K-1 [1]

A = Wärmeübertragungsfläche -$\pi r^2$, nehmen Sie einen Becher mit 8 cm Durchmesser = 0,02 m2

$\Delta T$= Temperatur des Objekts - Umgebungstemperatur = 50 - 22 = 28

Somit beträgt die Kühlrate: 3 * 0,02 * 28 = 1,68 W

Dem gilt es entgegenzuwirken. Sie benötigen also einen Widerstand, um 1,68 Watt zu übertragen.

Nehmen Sie eine typische AA-Batterie: 1,5 V bei 3,9 Wh (typisch Alkaline). Dies könnte möglicherweise die benötigte Energie für Ihre erforderlichen 1-2 Stunden (2,32 Stunden) liefern.

Von$P = \frac{V^2}{R}$R müsste also sein:$1.339\Omega$, aber dies entspricht 1,12 A KONTINUIERLICH von einem AA, was es nicht tun wird (50 mA ist ein typischer Strom).

Dies sollte Ihnen die erforderliche Methodik zeigen und es ist ein einfacher Fall, eine geeignete Batterie und einen geeigneten Widerstand für die gegebene Umgebung zu finden.

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

Sie müssen den Wärmeverlust in Ihrem Becher bei etwa 50 °C messen.

• Messen Sie die Becherkapazität.
• Füllen Sie es mit heißem Wasser oder Kaffee.
• Setzen Sie einen Temperaturfühler ein und schließen Sie den Deckel so weit wie möglich. Verwenden Sie Klebeband, um Hitzelecks zu stoppen.
• Notieren Sie den Temperaturabfall im Laufe der Zeit in der interessierenden Zone.

Die Verlustleistung (und die zum Aufrechterhalten der Temperatur erforderliche Leistung) wird angegeben durch

Wobei ΔT = Temperaturabfall (°C), m = Masse (kg), SHC = spezifische Wärme von Wasser (4200 J·kg ^–1 ·K ^–1 ) und t = Zeit (s).

Ich habe einen Test mit 400 ml Kaffee (0,4 kg) durchgeführt und es dauerte 21 Minuten, um von 53,5 auf 52 °C abzukühlen. Wenn wir diese in die Formel einfügen, erhalten wir

Dies ist die Dauerleistung, die benötigt wird, um 50°C in so viel Kaffee in meiner Tasse zu halten. Für zwei Stunden Heizen benötigen Sie einen 4-Wh-Akku.

Die Einrichtung der Laborküche.

Ich war angenehm überrascht, wie gut die Isolierung an der Tasse war.

Eine Sache, die nicht behandelt wurde, ist, dass Sie die Erwärmung wirklich unterdrücken möchten, bis die Temperatur auf 50 ° C fällt. Das impliziert etwas Elektronik oder einen Thermostat in Ihrer Schnecke.

Phasenwechselheizung

Beachten Sie, dass dieser Abschnitt keine elektrische Lösung für die ursprüngliche Frage bietet, aber die Frage hat mich veranlasst, die Informationen nachzuschlagen, und ich biete sie als Alternative an.

Beim Übergang von flüssig zu fest gibt ein Stoff seine latente Wärme ab. Die Temperatur bleibt konstant, bis der Phasenübergang abgeschlossen ist. Ich habe eine schnelle Websuche nach Phasenwechselmaterialien mit einer Phasenwechseltemperatur von etwa 50 °C durchgeführt und einen interessanten Artikel über Bessere Pizza mit Phasenwechselmaterialien gefunden, in dem der Autor ein Studentenprojekt beschreibt, um Pizzen für längere Zeit auf Esstemperatur zu halten .

Temperatur über Zeit während Phasenwechselkühlung.

Dieser Artikel führte mich zu savEnerg , das seinen PCM-OM55P mit einer Phasenwechseltemperatur von 55 °C auflistet, was für diese Anwendung nahezu perfekt ist. Die latente Wärme wird mit 210 kJ/kg angegeben. Zeit für ein paar Zahlen!

Nehmen wir an, wir könnten 100 g dieses Materials in unserer Tasse vertragen. (Die Dichte beträgt 0,84 kg/Liter, also wäre sein Volumen$\frac{100}{0.84} = 120 ml$). Wenn wir es erhitzen und in Flüssigkeit umwandeln, würde es beim Abkühlen nachgeben$210,000 J/kg \times 0.1 kg = 21,000 J$.

Da ein Watt ein Joule pro Sekunde ist und wir 2 W benötigen, um dem Wärmeverlust bei 50 °C entgegenzuwirken, ist die Zeit für den Übergang$t = {21,000\over2} = 10,500 s = 2.9 hours$. Ich schlage vor, dies erfüllt die Anforderungen des OP.

Es gibt ein paar praktische Überlegungen.

• Das Phasenwechselmaterial muss erhitzt werden. Dies sollte kein Problem sein, wenn genügend Energie vorhanden ist, um eine Tasse Kaffee zuzubereiten.
• Die maximale Betriebstemperatur des PCM-OM55P beträgt 80 °C. Ich überlasse es dem Leser herauszufinden, wie man das Phasenwechselmaterial nicht überhitzt.
• Ich habe keine Ahnung, in welchem ​​Format das Material verfügbar ist und wie es für diese Anwendung verpackt wäre.

Auf der positiven Seite gibt es keine Elektrik und es sollte eine lange Lebensdauer haben. Die beste Lösung ist die einfachste, die funktioniert!

Bei niedrigen Spannungen können Sie davonkommen, ohne das Element zu isolieren, da das Wasser einen höheren Widerstand hat und Sie nicht viel elektrolytischen Strom erhalten. Isolieren Sie bei höheren Spannungen, um einen Stromschlag zu vermeiden. Vielleicht möchten Sie auch trotzdem isolieren, um eine Elektrolyse zu verhindern, falls das Element bricht. Außerdem ist es höchst unwahrscheinlich, dass die Hersteller des Widerstands darauf geachtet haben, ihn lebensmittelecht zu machen, also ist es wahrscheinlich besser, ihn mit einer sauberen, isolierenden Beschichtung zu versehen.

Ein CR2032 hat ein Volumen von fast 1 ml. Um 250 ml Kaffee von Umgebungstemperatur 10 °C auf 50 °C zu erwärmen, sind 4181 J/L° * 0,25 L * 40° ~= 42 kJ. Das bedeutet, dass Sie eine Energiedichte von 42 MJ/L benötigen.

Mit einem Akku hast du da keine Chance. Düsentreibstoff kommt dem nahe, würde aber auch ein Oxidationsmittel und etwas zur Regulierung der Reaktion benötigen , also könnte es in 3 ml möglich sein. Aber wenn Sie wirklich wollen, dass etwas so Kleines genug Wärme erzeugt, um eine Tasse Kaffee zu erwärmen, brauchen Sie Thoriumpellets.

Die handelsüblichen Kaffeewärmer sind entweder katalytische oder Gellösungen, die beim Kristallisieren Wärme abgeben und viel größer als CR2032-Zellen sind.

Wenn Sie etwas so Kleines in Ihren Kaffee geben, könnten Sie es versehentlich verschlucken.