一種節能快速飲料制冷機

向俊任，徐鄭攀，姚思琦

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

一種節能快速飲料制冷機

向俊任，徐鄭攀，姚思琦

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

針對現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，即利用旋轉渦流的方式對飲料進行熱交換，通過半導體材料作為冰水的制冷源，最后通過單片機分模塊控制，使得系統能夠循環工作。實驗表明，該裝置能夠實現對飲料的快速制冷，且應用范圍廣，具有很好的市場前景。

旋轉渦流；半導體；快速制冷；循環工作

1 項目背景及研究意義

當今社會大大小小的便利店幾乎都有配一臺飲料柜，甚至雜貨店門口都可見一臺飲料柜，飲料柜已經成為開店必備產品。如今市場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。兩種飲料柜在啟動時，電流對比維持正常工作時的電流大很多，且壓縮機要工作很長時間才能達到正常溫度，電量浪費大。出于對設備保護的考慮，商家會徹夜開啟飲料柜，而在晚上開啟的這段時間不會發生飲料購買行為，必然會造成一定的電量浪費。但不論是選擇夜間開啟飲料柜還是關閉飲料柜，都會產生極大的電量消耗。針對以上情況，本項目設計了一款快速制冷節能飲料機，在保障飲料制冷要求的情況下節省電量消耗。

2 項目的創新之處

利用旋轉渦流方式幫助降溫制冷，極大地縮短了飲料制冷所需時間，僅為傳統方式的1/40～1/30；運用本裝置替代部分制冷飲料柜，達到減少電能損耗的目的；裝置結構緊湊，可極大地提高超市等銷售平臺的空間利用率。

3 項目的研究內容和研究目標

本作品應用機電一體化及模塊化設計思想，利用渦流形成機理，對于市場上常見制冷飲料柜的電能資源浪費、制冷速率低等問題能夠較好解決。相比于傳統的制冷飲料柜，本裝置的優勢主要體現在以下方面：①無需長期對大量飲料制冷，節省了保溫以及頻繁開關消耗的電能；②對飲料的降溫速度極快，提高了能量轉換效率，縮短了等待時間；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，初步生產成本僅為現有飲料柜的1/8～1/6，量產后成本還可進一步降低。

4 實施方案和研究方法

4.1 裝置原理

本裝置采用機械旋轉的形式，使流體在外力的強制作用下旋轉，產生旋流，旋流是在常規流動中引入了切向速度。由于切向速度的引入，流體流動特性均發生了較大的變化，形成速度梯度。在旋流流動中，流體內外壓差提供了旋流的向心加速度，造成了旋流流動的軸線壓力低于環境壓力。當旋流強度達到一定程度時，出現中心回流區，進而使流體形成閉合的有序的能流圈。當流體存在旋流時，流體處于運形成回流，具有溫差的流體的運動形成循環，同時，由于流體與環境存在溫差發生熱傳遞，且基于流體的運動特性，離軸線越遠的區域溫度越高，因此，此流體能均勻地與外界產生熱交換，進而均勻、快速制冷。

4.2 方案設計

本作品的主要研究內容是設計一種基于渦流形成機理的快速飲料制冷設備，可以解決現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 機械結構設計

本裝置機械結構部分由旋轉動力模塊、夾緊模塊、水泵噴灑模塊、半導體制冷模塊四部分構成。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；半導體制冷模塊可迅速進入制冷狀態，且體積小、運行穩定、壽命長。

4．3．1 旋轉動力模塊

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

4．3．2 夾緊模塊

通過模塊實現對不同容量、形狀飲料的夾緊。

4．3．3 水泵噴灑模塊

未工作狀態下，冰水將儲存在保溫儲存池中減少能量損失，半導體制冷裝置以及噴灑裝置也將處于待機狀態；進入工作狀態后，冰水經水泵抽出均勻噴灑在旋轉罐體、瓶體上對其進行迅速降溫，使用過后的水將流入蓄水回收池，半導體制冷裝置將會從回收池中引入溫水進行制冷降溫，再將生成的冰水輸入冰水儲存池供下次使用。

4．3．4 半導體制冷模塊

本裝置采用半導體制冷片作為冰水生產的制冷源，相比于傳統的壓縮機制冷方式，半導體制冷片沒有制冷劑，不會泄漏，不受振動、傾斜影響；運轉無機械運動，不會磨損；體積小，可靠性高，制冷時間快。

4.4 控制模塊設計

以STC89C52單片機為控制核心，該部分主要包括單片機、溫度傳感器、鍵盤、電動機、水泵等。為了滿足現有的各種容量的飲料，可選擇不同工作模式以對不同容量的飲料制冷，采用溫度傳感器對冰水儲存池進行實時監測，把監測到的溫度與設定溫度對比，當溫度過高時及時進行制冷降溫。

5 項目的研究基礎和效益分析

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，僅為傳統冷飲柜方式耗能的42.5%，節能效益十分明顯。由此可見，本裝置節能效率高、節電量巨大、應用前景十分廣闊。

6 項目研究的預期成果

本項目設計結構簡單、維護方便，采用新型制冷技術加快了熱交換速率，有效縮短了制冷或制熱的時間，減少了冰柜待機造成的用電損失，可廣泛應用于零售商店、超市等客流量較大的飲料販賣。本項目具有廣闊的市場前景，技術成熟后可將其推廣至廚房、商務客運、海運等，取代傳統的高能耗冰柜，使節能減排觀念深入人心，對我國能源緊缺壓力的緩解以及生態環境的保護有著重大的意義。

〔編輯：張思楠〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.126

2095-6835（2017）24-0126-02