Cápsula calentadora de café

Ley de enfriamiento de Newton - Scala graduum caloris

  

el calor que el hierro caliente, en un tiempo determinado, comunica al frío   cuerpos cercanos a él, es decir, el calor que el hierro pierde en un cierto   El tiempo es como todo el calor del hierro. y por lo tanto, si se toma el mismo tiempo de enfriamiento, los grados de calor serán   en proporción geométrica

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

Q = Energía térmica (velocidad de enfriamiento)

h = Coef de transferencia de calor - Tomando un mínimo de 3Wm-2K-1 [1]

A = área de transferencia de calor - \ $ \ pi r ^ 2 \ $, tome una taza de 8 cm de diámetro = 0.02m2

\ $ \ Delta T \ $ = Temperatura del objeto - Temperatura ambiente = 50 - 22 = 28

Por lo tanto, la velocidad de enfriamiento es: 3 * 0.02 * 28 = 1.68W

Esto es lo que necesitas contrarrestar. Así que necesitas una resistencia para transferir 1.68Watts.

Tome una batería AA típica: 1.5V a 3.9Wh (alcalina típica). Este potencialmente podría generar la energía necesaria para sus 1-2h requeridas (2.32h).

De \ $ P = \ frac {V ^ 2} {R} \ $ R por lo tanto, tendría que ser: \ $ 1.339 \ Omega \ $, pero esto equivale a 1.12A CONTINUAMENTE de un AA, que será no hacer (50mA es un drenaje típico)

Esto debería mostrarle la metodología necesaria & Es un caso simple de encontrar una batería adecuada, una resistencia adecuada para el entorno dado.

[1] enlace

Debe medir la pérdida de calor en su taza alrededor de 50 ° C.

• Mida la capacidad de la taza.
• Llénalo con agua caliente o café.
• Inserte una sonda de temperatura y cierre la tapa tanto como sea posible. Use cinta para detener cualquier pérdida de calor.
• Registre la caída de temperatura a lo largo del tiempo en la zona de interés.

La pérdida de potencia (y la potencia requerida para mantener la temperatura) estarán dadas por

$$ P = \ frac {ΔT · m · SHC} {t} $$

Donde ΔT = caída de temperatura (° C), m = masa (kg), SHC = calor específico del agua (4200 J · kg ^-1 · K ^-1 ) y t = tiempo (s).

Hice una prueba con 400 ml de café (0,4 kg) y tardó 21 minutos en enfriarse de 53.5 a 52 ° C. Al agregar estos a la fórmula que obtenemos

$$ P = \ frac {1.5 · 0.4 · 4200} {21 · 60} = 2 W $$

Esta es la potencia continua que se necesita suministrar para mantener 50 ° C en esa cantidad de café en mi taza. Durante dos horas de calentamiento, necesitará una batería de 4 Wh.

Laconfiguracióndelacocinadellaboratorio.

Mesorprendiógratamentelacalidaddelaislamientoenlataza.

Unacosaquenosehacubiertoesquerealmentedeseasuprimirelcalentamientohastaquelatemperaturadesciendaa50°C.Esoimplicaalgodeelectrónicaountermostatoentubabosa.

Calefacciónporcambiodefase

Tengaencuentaqueestasecciónnoproporcionaunasolucióneléctricaalapreguntaoriginal,perolapreguntamehizobuscarlainformaciónylaofrezcocomoalternativa.

Duranteelcambiodefasedelíquidoasólido,unmaterialemitesucalorlatente.Latemperaturapermanececonstantehastaquesecompletalatransicióndefase.Hiceunabúsquedarápidaenlawebdematerialesdecambiodefaseconunatemperaturadecambiodefasedealrededorde50°Cyencontréunartículointeresanteen Mejor pizza con materiales de cambio de fase en el que el autor describe un proyecto de un alumno para mantener las pizzas en Temperatura de comer durante un tiempo prolongado.

Temperaturaenfuncióndeltiempoduranteelenfriamientodecambiodefase.

Esteartículomellevóa savEnerg , que enumera sus PCM-OM55P como que tienen una temperatura de cambio de fase de 55 ° C, que Es casi perfecto para esta aplicación. El calor latente se da como 210 kJ / kg. ¡Hora de algunos números!

Digamos que podemos tolerar 100 g de este material en nuestra taza. (La densidad es de 0,84 kg / litro, por lo que su volumen sería \ $ \ frac {100} {0,84} = 120 ml \ $). Si lo calentamos y lo convertimos en líquido, al enfriarlo emitiría $ 210,000 J / kg \ veces 0.1 kg = 21,000 J \ $.

Dado que un vatio es de 1 julio por segundo y requerimos 2 W para contrarrestar la pérdida de calor a 50 ° C, el tiempo para realizar la transición es \ $ t = {21,000 \ over2} = 10,500 s = 2.9 horas \ $. Esto, sugiero, cumple con el requisito del OP.

Hay algunas consideraciones prácticas.

• El material de cambio de fase debe calentarse. Esto no debería ser un problema si hay suficiente energía para hacer una taza de café.
• La temperatura máxima de funcionamiento del PCM-OM55P es de 80 ° C. Dejaré que el lector descubra cómo no sobrecalentar el material de cambio de fase.
• No tengo idea de en qué formato está disponible el material y cómo se empaquetará para esta aplicación.

En el lado positivo no hay electricidad y debe tener una larga vida útil. ¡La mejor solución es la más simple que funciona!

Para voltajes bajos, puede escapar sin aislar el elemento ya que el agua tendrá una mayor resistencia y no obtendrá mucha corriente electrolítica. Para voltajes más altos, aislar para evitar la electrocución. También es posible que desee aislar de todos modos para evitar la electrólisis en caso de que el elemento se rompa. Además, es muy improbable que los fabricantes de la resistencia se preocupen por hacerla segura para los alimentos, por lo que probablemente sea mejor ponerle un recubrimiento limpio y aislante.

Un CR2032 está cerca de 1 ml en volumen. Para calentar 250 ml de café de ambiente de 10 ° C a 50 ° C es 4181 J / L ° * 0.25L * 40 ° ~ = 42kJ. Esto significa que necesita una densidad de energía de 42MJ / L.

No tienes posibilidad de hacer esto con una batería. El combustible para reactores está cerca, pero también necesitaría un oxidante y algo para regular la reacción , por lo que podría ser posible en 3 ml. Pero si realmente desea algo tan pequeño como para generar suficiente calor para calentar una taza de café, necesita bolitas de torio.

Los calentadores de café disponibles son soluciones catalíticas o de gel que emiten calor al cristalizar y son mucho más grandes que las células CR2032.

Además, si pones algo tan pequeño en tu café, puedes tragarlo por error.