一种节能快速饮料制冷机

向俊任，徐郑攀，姚思琦

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

一种节能快速饮料制冷机

向俊任，徐郑攀，姚思琦

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

针对现有制冷饮料柜存在的问题，提出了一种新型饮料快速制冷的方法，即利用旋转涡流的方式对饮料进行热交换，通过半导体材料作为冰水的制冷源，最后通过单片机分模块控制，使得系统能够循环工作。实验表明，该装置能够实现对饮料的快速制冷，且应用范围广，具有很好的市场前景。

旋转涡流；半导体；快速制冷；循环工作

1 项目背景及研究意义

当今社会大大小小的便利店几乎都有配一台饮料柜，甚至杂货店门口都可见一台饮料柜，饮料柜已经成为开店必备产品。如今市场上的饮料柜主要分为两种，即封闭式饮料柜和开放式饮料柜。两种饮料柜在启动时，电流对比维持正常工作时的电流大很多，且压缩机要工作很长时间才能达到正常温度，电量浪费大。出于对设备保护的考虑，商家会彻夜开启饮料柜，而在晚上开启的这段时间不会发生饮料购买行为，必然会造成一定的电量浪费。但不论是选择夜间开启饮料柜还是关闭饮料柜，都会产生极大的电量消耗。针对以上情况，本项目设计了一款快速制冷节能饮料机，在保障饮料制冷要求的情况下节省电量消耗。

2 项目的创新之处

利用旋转涡流方式帮助降温制冷，极大地缩短了饮料制冷所需时间，仅为传统方式的1/40～1/30；运用本装置替代部分制冷饮料柜，达到减少电能损耗的目的；装置结构紧凑，可极大地提高超市等销售平台的空间利用率。

3 项目的研究内容和研究目标

本作品应用机电一体化及模块化设计思想，利用涡流形成机理，对于市场上常见制冷饮料柜的电能资源浪费、制冷速率低等问题能够较好解决。相比于传统的制冷饮料柜，本装置的优势主要体现在以下方面：①无需长期对大量饮料制冷，节省了保温以及频繁开关消耗的电能；②对饮料的降温速度极快，提高了能量转换效率，缩短了等待时间；③装置体积极小，空间摆放限制小，提高了饮料销售的空间利用率；④成本低廉，初步生产成本仅为现有饮料柜的1/8～1/6，量产后成本还可进一步降低。

4 实施方案和研究方法

4.1 装置原理

本装置采用机械旋转的形式，使流体在外力的强制作用下旋转，产生旋流，旋流是在常规流动中引入了切向速度。由于切向速度的引入，流体流动特性均发生了较大的变化，形成速度梯度。在旋流流动中，流体内外压差提供了旋流的向心加速度，造成了旋流流动的轴线压力低于环境压力。当旋流强度达到一定程度时，出现中心回流区，进而使流体形成闭合的有序的能流圈。当流体存在旋流时，流体处于运形成回流，具有温差的流体的运动形成循环，同时，由于流体与环境存在温差发生热传递，且基于流体的运动特性，离轴线越远的区域温度越高，因此，此流体能均匀地与外界产生热交换，进而均匀、快速制冷。

4.2 方案设计

本作品的主要研究内容是设计一种基于涡流形成机理的快速饮料制冷设备，可以解决现有制冷饮料柜耗能高、电能有效利用率低、占地空间大且购置成本高等问题。

4.3 机械结构设计

本装置机械结构部分由旋转动力模块、夹紧模块、水泵喷洒模块、半导体制冷模块四部分构成。弹性夹紧装置可以保证本装置适用于各种不同类型尺寸的饮料；水泵喷洒模块使冰水与饮料罐体大面积有效接触保证制冷速度；半导体制冷模块可迅速进入制冷状态，且体积小、运行稳定、寿命长。

4．3．1 旋转动力模块

旋转动力模块为ZGB37RG 12v 15kg·cm直流减速电机，其带动夹紧装置与饮料一同旋转，形成旋流加快饮料冷却。

4．3．2 夹紧模块

通过模块实现对不同容量、形状饮料的夹紧。

4．3．3 水泵喷洒模块

未工作状态下，冰水将储存在保温储存池中减少能量损失，半导体制冷装置以及喷洒装置也将处于待机状态；进入工作状态后，冰水经水泵抽出均匀喷洒在旋转罐体、瓶体上对其进行迅速降温，使用过后的水将流入蓄水回收池，半导体制冷装置将会从回收池中引入温水进行制冷降温，再将生成的冰水输入冰水储存池供下次使用。

4．3．4 半导体制冷模块

本装置采用半导体制冷片作为冰水生产的制冷源，相比于传统的压缩机制冷方式，半导体制冷片没有制冷剂，不会泄漏，不受振动、倾斜影响；运转无机械运动，不会磨损；体积小，可靠性高，制冷时间快。

4.4 控制模块设计

以STC89C52单片机为控制核心，该部分主要包括单片机、温度传感器、键盘、电动机、水泵等。为了满足现有的各种容量的饮料，可选择不同工作模式以对不同容量的饮料制冷，采用温度传感器对冰水储存池进行实时监测，把监测到的温度与设定温度对比，当温度过高时及时进行制冷降温。

5 项目的研究基础和效益分析

以市面上常见的500瓶容量210 W双门冷饮柜为例，在频繁使用下日均耗电约为：210 W×12 h=2.52 kW·h，按照一周销售500瓶冷饮计算，总耗电量约为17.64 kW·h，单瓶饮料耗电量约为0.035 28 kW·h。

应用本装置后，500瓶饮料耗电量约为：日均工作20 h的功率50 W制冷片一周耗电量与装置全功率1 min制冷饮料与罐数乘积的和（50 W×20 h×7+30 W×1/60 h×500=7.5 kW·h），单瓶饮料耗电量约为0.015 kW·h，仅为传统冷饮柜方式耗能的42.5%，节能效益十分明显。由此可见，本装置节能效率高、节电量巨大、应用前景十分广阔。

6 项目研究的预期成果

本项目设计结构简单、维护方便，采用新型制冷技术加快了热交换速率，有效缩短了制冷或制热的时间，减少了冰柜待机造成的用电损失，可广泛应用于零售商店、超市等客流量较大的饮料贩卖。本项目具有广阔的市场前景，技术成熟后可将其推广至厨房、商务客运、海运等，取代传统的高能耗冰柜，使节能减排观念深入人心，对我国能源紧缺压力的缓解以及生态环境的保护有着重大的意义。

〔编辑：张思楠〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.126

2095-6835（2017）24-0126-02