Hőszigetelt itatóedények fejlesztése

Az alacsony előállítási költségű hőszigetelt itatóedény fejlesztésének eredményei. A fejlesztés során több szigeteléstípust is teszteltem, és azok kombinációit. A mérési eredményeket rögzítettem és a leghatékonyabb szigetelési és szerelési módok alapján elkészítettem a végleges tervet.

Az edény felépítése

Az alacsony előállítási költségű, hőszigetelt és 300 fokig hőálló itatóedény fejlesztésének eredményeként készült végleges terv vázlati rajza. Az edény egy kisebb és egy nagyobb zománcos edényből áll amelykek között szendvicsszerkezetű, kerámiaszövet és alufólia rétegek váltakozásából álló szigetelő anyag van. A külső és a belső edények pereme hőálló szilikongumival van egymáshoz rögzítve.

Elméleti háttér

A hőterjedésnek alapvetően 5 formáját különbözteti meg a szakirodalom:

  1. Hősugárzás: vákuumban és gázokban, fotonok formájában
  2. Hővezetés: szilárd, folyékony és gáznemű anyagokban
    1. Elektronok mozgásával: fémes anyagokban
    2. Kristályrács rezgésével: fémes anyagokban
    3. Rugalmas elemi hullámokkal: nemfémes anyagokban és folyadékokban
  3. Hőszállítás: folyékony és gáznemű anyagokban

A hőszigetelés lényege a hőterjedés különböző formáinak lassítása, megakadályozása. Ezek lehetőségeit a következő táblázatban foglaljuk össze.

Hőterjedés módja Szigetelési lehetőségek
Hősugárzás Leárnyékolás és visszatükrözés: ez az egyik oldalon tükröző réteg (pl. fémfólia) közbeiktatásával valósítható meg.
Hővezetés elektronok mozgásával Nemfémes szigetelőanyag használata: ilyen pl. a kerámia, műanyagok, stb...
Hővezetés kristályrács rezgésével
Hővezetés rugalmas elemi hullámokkal Szálas szerkezetű szigetelő anyag a felületekkel párhuzamos szálakkal, pl. szövetek, kőzetgyapot, stb...
Hőszállítás Áramlást lassító vagy gátló, szilárd szigetelőanyag használata: bármely szilárd szigetelőanyag, különösen a cellás és lemezes szerkezetűek, mint p. a műanyag habok.

A különböző hőszigetelő rétegek hővezetését a következő ábrák mutatják.

Szilárd, homogén szigetelőanyagban a hő hővezetéssel terjed, így rövid úton eljut az egyik faltól a másik falig. Szálas szerkezetű, szövetszerű anyagban a hő részebn a szövetszálakban terjed, ezért hosszabb utat kell megtennie az egyik faltól a másikig.
Vákuumban és gázokban a hő nagyrészt hősugárzás formájában terjed. A reflexiós réteg visszaveri a hősugárzás egy részét, így csökkenti a hősugárzás formájában történő terjedést.

Mindent összevetve a legjobb hőszigetelő hatást a különböző módszerek egyesítése: a szálas szerkezetű nemfémes szigetelő anyagból és hővisszaverő rétegekből képzett szendvicsszerkezet biztosítja. A szálas szerkezetű szigetelő anyagban a szálak kis keresztmetszete és nemfémes anyaga miatt a hő hosszú úton és így lassan jut el az egyik pontból a másikba. A fallal párhuzamos szálak pedig oldalirányba vezetik a hőt. A szálas szigetelő anyag közé helyezett egyik irányba hővisszaverő rétegek a magasabb hőmérsékletű közeg felől érkező hősugárzást részben visszaveri, míg az alacsonyabb hőmérsékletű oldalról érkezőt részben elnyeli, így megakadályozza a hősugárzás átjutását.

Az edények megfelelőségét egy módosított hőátbocsátási tényezővel mérjük. A hőátbocsátási tényező azt mutatja meg, hogy egységnyi idő alatt egy négyzetméternyi felületen mekkora a hőátadás teljesítménye.

U = Q / (A * T * t) [W/m2K]

Ezt módosítjuk olyan módon, hogy egységnyi felület helyett az edény felületére számítjuk ki az értékeket. A módosított hőátbocsátási tényező a következő:

Um = U * A = Q / (T * t) [W/K]

Átalakítva:

Um = c * m * ΔT / (T * t) = c * m * ΔT / (T * t) [W/K]

Jelölések:

  • A - a fal felülete [m2]
  • Q - a fal felületén átjutott hőmennyiség [J]
  • T - a fal két oldalának hőmérséklet-különbsége [K vagy °C]
  • ΔT - az edényben tárolt folyadék hőmérsékletváltozása [K vagy °C]
  • t - a hőmennyiség átjutásának ideje [s]
  • c - az edényben tárolt folyadék fajhője [kJ/(kg*K)]
  • m - az edényben tárolt folyadék tömege [g]

A víz fajhőjének közelítő képlete a hőmérséklet fügvényében (hiba < 0,0031):

c(t) = - 1.525338902644E-07 * t³ + 3.7345597520895E-05 * t² - 0.002243672178863 * t + 4.21738214940951 [kJ/(kg*K)]

Kísérletek

1. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott lapos vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 50 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 50 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. fél óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

 

Környezeti levegő hőmérséklete

 

Kísérleti edény

 

Referencia edény

 

Vízhőmérséklet

Um

Vízhőmérséklet

Um
[óra:perc] [°C] [°C]   [°C]  
13:20 -0.9 45   48  
13:50 1.1 38   35  
14:21 2.9 30   27  
14:55 5.2 24   22  
15:20 5.1 21   18  
15:50 3.8 18   15  
16:20 3.1 15   13  
16:52 2.3 13.5   10  
17:38 1.2 11   8  

2. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott lapos vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 50 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 50 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. fél óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
15:47 4 42.5 42
16:21 -2 29 26
16:46 -4 23 18
17:18 -4.5 17 12
17:48 -7 12 7
18:18 -8 8 3.5

3. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott lapos vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 40 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 40 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
9:50 -3 31 32
10:53 -7 15.5 12.5
11:50 -11 7 4 (jéghártya)
12:50 -13 1 (jéghártya) 0 (jégpáncél)

4. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott magas vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 37 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 37 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
11:01 3 33 34
13:01 -11.5 11 5.5
14:03 -14.5 4 0 (jégréteg)
15:00 -15 0 (jégréteg) 0 (jégréteg)

5. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott, 1 cm-es lábakon álló magas vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 50 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 50 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
9:56 - - -
10:56 -7 26 20
11:56 -12 14,5 7,5
12:56 -16 7,5 0 (jégréteg)
13:56 -18 1 (jégréteg) -

6. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott, kívül feketére festett, 1 cm-es lábakon álló magas vas edény kőzetgyapot szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 60 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 60 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. fél óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
10:25 - - -
11:25 -5 31.5 23.5
12:25 -10 19 9.5
13:25 -13.5 10 1.5 (jégréteg)
13:55 -12 6.5 0 (jégréteg)
14:25 -13 4 0 (jégréteg)
14:55 -13 2 (jégréteg) 0 (jégpáncél)

7. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott, kívül feketére festett magas vas edény levegő szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 50 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 50 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. fél óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
9:00 -3 32.5 29.5
9:30 -5 25 20
10:00 -6.5 19 13.5
10:30 -9.5 13 8
11:00 -11.5 9 4
11:30 -13 5 1 (jéghártya)
12:00 -11 4 (jéghártya) 0 (jégpáncél)

8. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott, kívül feketére festett, magas vas edény szendvicsszerkezetű szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 50 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 50 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
13:47 -3.5 45.5 43.5
14:47 -4 26 18.5
15:47 -5 15.5 7
16:47 -6.5 9.5 3 (0.1 mm jéghártya)
17:47 -9 5 0 (1 mm jéghártya)
18:47 -11 2.5 (0.1 mm jéghártya) -0.2 (2 mm jéghártya)
19:47 -11.5 -0.2 (2 mm jégréteg) -

9. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú zománcozott, kívül feketére festett, magas vas edény szendvicsszerkezetű szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 40 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 40 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. fél óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
10:40 -5 36 34.5
11:20 -3 24.5 11
11:50 -3 19.5 10
12:20 -2.5 15.5 6
12:40 -2 13.5 4
13:20 -3 10 3 (0.1 mm jéghártya)
14:00 -3.2 8 0.5 (2 mm jégréteg)
14:30 -3.5 5 -0.5 (2 mm jégréteg)
15:00 -4.5 4 -1 (2 mm jégréteg)
15:30 -4.5 3.5 -1 (3 mm jégréteg)
16:00 -4.5 3.5 -1 (3 mm jégréteg)
16:30 -4.5 1.8 (1 mm jéghártya) -1 (3 mm jégréteg)

10. Kísérlet

Kísérleti edény: duplafalú műanyag edény levegő szigeteléssel.

Referencia edény: egyrétegű zománcozott lapos vas edény.

Közeg: 43.5 °C csapvíz.

A kísérlet folyamata: A fagyasztóládában előhűtött kísérleti edénybe és a referencia edénybe egy időben beleöntjük az 43.5 °C-os vizet, majd az edényeket behelyezzük a hűtőládába. A két edényben merülő hőmérővel rendszeresen, kb. óránként mérjük a hőmérsékletet.

Időpont

Környezeti levegő hőmérséklete

Kísérleti edény vízhőmérséklete

Referencia edény vízhőmérséklete

[óra:perc] [°C] [°C] [°C]
12:40 -13 42 43
13:10 -0.5 28 27.5
13:44 -3.5 19.5 18
14:44 -9 9 7
15:44 -12 4 (0.2 mm jégréteg) 2 (1 mm jégréteg)