Domanda:
Come si possono riscaldare 30 ml di acqua in meno di 10 secondi?
Alper Turan
2015-02-17 23:18:37 UTC
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Com'è possibile riscaldare una piccola quantità (30 ml) [1] di acqua a una temperatura sufficientemente alta per fare un caffè, in meno di 10 secondi e possibilmente istantaneamente?

La maggior parte dei riscaldatori che So di riscaldare l'acqua in non meno di 90 secondi (riscaldatore a induzione) o 3 minuti, che è troppo per i miei scopi, e un forno a microonde mi impiega un minuto e mezzo per riscaldare.

[1 ] Un singolo caffè è compreso tra 20 e 30 ml e la mia macchina da caffè ne produce 30 ml per tazza.

Le buone macchine per caffè espresso lo fanno sempre: un riscaldatore caldo con una massa termica sufficiente va benissimo.
La conducibilità termica dell'acqua renderebbe questo non solo una funzione dell'energia, ma anche della superficie. Troppo spesso e la parte inferiore bolle prima che la parte superiore raggiunga la temperatura. Troppo sottile e supererà la temperatura desiderata troppo velocemente per rimuoverlo dall'elemento riscaldante.
Ho un erogatore d'acqua monodose che eroga circa 200-250ml in 30 secondi: presumibilmente potrebbe fare i primi 30ml molto più velocemente con la stessa tecnica leggermente modificata
Le truppe in Vietnam hanno utilizzato piccole quantità di esplosivo C4 per preparare il caffè sul campo. Ha prodotto abbastanza energia per riscaldare una tazza estremamente velocemente. http://pomakis.tripod.com/clips/clip23.html - Presumo / spero che non sia qualcosa che hai in giro a casa, o anche in un laboratorio, comunque.
[Questa parte] (http://www.ebay.com/itm/Heating-Coil-188150158-Heating-Element-900-W-for-Automatic-Coffee-Machine-Saeco-/111521121793?pt=LH_DefaultDomain_3&hash=item19f72d4601) sembra avere il fabbisogno energetico e la superficie necessaria. Non è nemmeno costoso.
10 secondi o meno, o è gratis! * WHAM !! * La legge di conservazione dell'energia dice che non è gratuito.
@MattThrower Bene per chiarire che non hanno fatto saltare in aria il loro caffè con il C4, hanno bruciato il C4. C4 brucia alla grande ed è estremamente stabile. Basta non far passare una carica elettrica attraverso di essa. E se hai un po 'di C4, probabilmente hai cose migliori da fare con esso. A pensarci bene, se sei un civile con C4 la cosa migliore (per il resto di noi) che puoi fare è bruciarla per riscaldare il tuo caffè.
@MattThrower In effetti ho accesso al C4 e ad altri esplosivi, ma non mi sentirei al sicuro a vendere una potenziale bomba ai civili.
@dotancohen È abbastanza piccolo per i miei scopi. Penso di poter trovare qualcosa di simile a livello locale.
Tocca il tuo radiatore. È barare perché non stai effettivamente riscaldando, è già caldo e sa di merda. Ma è comunque acqua calda.
Nove risposte:
#1
+26
Michael DM Dryden
2015-02-18 00:23:11 UTC
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Bene, facciamo un po 'di matematica:

Supponendo che 30 ml di acqua siano 30 ge vogliamo riscaldare la nostra acqua da 20 ° C a 90 ° C, l'energia richiesta è: $$ \ iniziare {align} E& = C_Pm \ Delta K \\ & = \ left (4.18 \ mathrm {\ frac {J} {gK}} \ right) (30 \ mathrm {\ g}) (70 \ mathrm {\ K} ) \\ & = 8.778 \ mathrm {\ kJ} \ end {align} $$

Quindi quanta potenza abbiamo bisogno per farlo in un dato tempo? "Istantaneo" in realtà non significa nulla, quindi procediamo con 10 secondi:

$$ \ begin {align} P& = \ frac {E} {t} \\ & = \ frac {8778 \ mathrm {\ J}} {10 \ mathrm {\ s}} \\ & = 877.8 \ mathrm {\ W} \ end {align} $$

Questa non è una quantità enorme di potenza, ma il trucco è che tutto deve andare a scaldare l'acqua. Un buon forno a microonde emette un po 'più di potenza di questo, ma generalmente non viene assorbito da una quantità così piccola di acqua in soli 10 secondi. La soluzione migliore è probabilmente un elemento riscaldante elettrico direttamente inserito nel liquido, anche se non so se riesci a ottenere un ~ 1000 W abbastanza piccolo da sedersi in così tanta acqua.

Come osserva Jon Custer , non è necessario produrre tutto il calore in una volta. Se riscaldi una sorta di serbatoio termico e fai scorrere il liquido oltre / attraverso di esso, riduce le richieste sulla tua fonte di calore.


Modifica: Inoltre, l'ho appena provato con un microonde da 1200 W e ci sono voluti solo 15 secondi. Quanto velocemente hai davvero bisogno di questo caffè?

_ "Quanto velocemente hai davvero bisogno di questo caffè?" _ È una domanda trabocchetto?
Non so davvero quale risposta selezionare come risposta migliore poiché tutte sono ottime risposte e spiegano molte cose in modi diversi. Vado per quello più votato. A proposito del microonde; Penso di averne uno meno potente e vecchio. Bene, ora che ci penso, qualcosa nell'intervallo di 15-30 secondi è ancora ottimo per UX. Grazie a tutti, spero che le risposte aiuteranno altre persone come ha fatto per me.
Se questa è una sfida ingegneristica (ovvero la tua azienda produce macchine per caffè espresso), la soluzione a microonde è fattibile. 30 ml di acqua assorbiranno 900 W di energia a microonde senza problemi se puoi progettare la geometria del serbatoio dell'acqua e il posizionamento del tubo del microonde. Un forno a microonde standard non può essere ottimizzato in questo modo e probabilmente è più sintonizzato per un piatto di cibo.
Tenere presente che il riscaldamento dell'acqua utilizzando le microonde è un'attività estremamente pericolosa. Cattive ustioni da vapore sono comuni quando l'acqua viene riscaldata in questo modo a causa delle sacche di acqua surriscaldata. Collegato a questo è il fatto che le microonde non riscaldano l'acqua in modo uniforme a causa della loro stessa natura (lunghezza d'onda di ~ 3 cm).
@Stephen: 12 centimetri, in realtà. E poiché 30 cl è circa 3x3x3 cm, una soluzione ben studiata può avere un riscaldamento abbastanza costante su tutto il contenitore. Inoltre, la costante dielettrica dell'acqua cambia, quindi puoi regolare il sistema per 293K. L'acqua più calda assorbirà quindi meno energia, il che significa che le sacche più fredde vengono riscaldate preferenzialmente.
#2
+10
DavePhD
2015-02-18 00:27:06 UTC
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enter image description here

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleate_boiling

Come si può vedere nel grafico sopra , c'è un flusso di calore locale massimo per il riscaldamento dell'acqua, quando la superficie calda a contatto con l'acqua è di 30 gradi C al di sopra del punto di ebollizione, cioè 130 gradi C alla pressione atmosferica.

Quindi, per ridurre al minimo il tempo di ebollizione, contattare una superficie di 130 gradi C fatta di materiale ad alta conducibilità termica (come argento, rame o alluminio) con l'acqua.

Con un flusso di calore superiore a 100.000 Watt / m ^ 2, è sufficiente che la superficie di contatto sia sufficientemente ampia da ottenere il tempo di riscaldamento desiderato.

(877,8 W) / (100.000 W / m ^ (2)) = 87,78 cm ^ (2). 30 mL / 87,78 cm ^ (2) = 3,4 mm di profondità dell'acqua (se su una piastra piana).
#3
+6
Schwern
2015-02-18 02:44:17 UTC
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Se vuoi la risposta pratica , procurati un distributore di acqua calda istantanea. Pratico, HA! Ok, facciamo un po 'di scienza!

Primo, che tipo di caffè? A 30 ml immagino che stai facendo un espresso. Vado con 92 ° C come temperatura ottimale.

Secondo, prenderò tutti i tuoi 10 secondi. Il resto del processo di preparazione dell'espresso richiede molto più tempo, quindi che si tratti di 5 o 10 o 15 secondi non fa una vera differenza sulla velocità con cui ottieni il tuo colpo mattutino.

Altre risposte hanno sottolineato il quantità di energia necessaria per portare i tuoi 30 ml su dalla temperatura ambiente, ma puoi semplificarti la vita e fare quello che fanno molti sistemi di "bollitura istantanea" e preriscaldare. Ciò consente di utilizzare meno energia (per i 10 secondi comunque) e portare l'acqua a temperatura più lentamente. Questo ti dà una tolleranza più ampia tra l'acqua troppo fredda e l'acqua bollita. Se la tua acqua è già a 50 ° C bastano solo 500 W.

Per far fronte alla conducibilità termica, una superficie più ampia a contatto con l'elemento riscaldante servirebbe a riscaldare l'acqua più velocemente e in modo più uniforme . Se l'acqua è troppo sottile, può surriscaldarsi prima di essere rimossa dall'elemento. Troppo spesso e il fondo potrebbe bollire prima che la parte superiore raggiunga la temperatura.

Abbiamo bisogno di una superficie ampia e piana che possa produrre almeno 500 W e da cui possiamo aggiungere e rimuovere rapidamente piccole quantità di acqua. Sembra che tu abbia bisogno di una padella elettrica! Molto pulito. O la versione da laboratorio di precisione. Acquistane uno che possa riscaldare rapidamente e in modo uniforme.

Sapere quando rimuovere l'acqua è un problema. Misurare la temperatura di 30 ml di acqua su una padella elettrica calda è problematico. Suggerirei tentativi ed errori con varie impostazioni della padella, tempi e temperature dell'acqua iniziali. Puoi fare molti round sperimentali in 10 secondi. Ciò consentirebbe anche di includere l'effetto di raffreddamento di qualunque nave in cui lo stai trasferendo.

#4
+5
Level River St
2015-02-18 05:52:13 UTC
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Secondo la risposta di Michael Dryden, ci vogliono 877,8 W per riscaldare 30 ml di acqua a 70 ° C (da 20 ° C a 90 ° C) in 10 secondi.

La mia doccia elettrica è circa 10 volte quella potenza (chiamiamola 8.778kW per comodità). Non mi piace fare la doccia a 90 ° C. Sono più che felice se la mia doccia riscalda l'acqua a circa la metà di quella differenza di temperatura, diciamo 35 ° C (da 5 ° C a 40 ° C). Quindi lo impostare per erogare 300 ml x 2 = 600 ml ogni 10 secondi. Sono 3,6 l / minuto, quindi la mia doccia di 5 minuti utilizza 18 l di acqua. Ovviamente, se scegliessi di aumentare la temperatura di 70 ° C sotto la doccia, dovrei limitarla a 300 ml ogni 10 secondi, rendendola una versione continua del tuo esperimento, aumentata di un fattore 10.

L'ultima volta che ho smontato la doccia, l'elemento era all'interno di un recipiente di rame del volume di circa 300 ml. Quindi, se limitassi il flusso a 300 ml in dieci secondi, il tuo tempo di permanenza nel vaso dell'elemento sarebbe ... dieci secondi!

Come notato da Schwern, il tuo problema non è riscaldarlo, ma è in grado di controllare la temperatura in modo accurato. Un metodo che non è stato menzionato è inzuppare un pezzo calibrato di metallo caldo (o versandolo in un contenitore di metallo caldo). Ma finora il metodo migliore è l'idea di Michael Dryden di utilizzare un forno a microonde.

Nell'industria, i processi batch vengono utilizzati solo per processi lenti come la produzione di birra birra. Processi veloci (come quelli usati nella raffinazione del petrolio: cracking, reforming, alchilazione, ecc.) Vengono eseguiti continuamente. Per motivi economici questi processi vengono eseguiti il ​​più velocemente possibile con le attrezzature più piccole possibili e il processo continuo è quindi l'unico modo pratico per eseguirli.

Se hai davvero bisogno di riscaldare l'acqua così rapidamente e i reagenti consumati nel tuo esperimento sono economici, ti suggerisco di impostare il tuo esperimento come un processo continuo , con un flusso d'acqua attraverso di esso. In questo modo sarai in grado di controllare accuratamente la temperatura con un riscaldatore elettrico. Una doccia sarà probabilmente troppo potente: prova a ridimensionare tutto fino a qualcosa come un saldatore da 25 W (assicurati che sia sigillato e 12V CC per sicurezza!)

Puoi fornire alla tua attrezzatura l'acqua da un serbatoio a in alto e controllare il flusso / tempo di permanenza con una valvola in uscita in basso. Se vuoi provare le stesse condizioni con il doppio del tempo di permanenza, riduci semplicemente sia il flusso d'acqua che la potenza del riscaldatore al 50%.

Puoi facoltativamente riempire il serbatoio con acqua del rubinetto fino al punto di (vicino ) trabocca se devi mescolare le cose.

Quando ho seguito un corso di conversione dalla chimica all'ingegneria chimica, molte delle esercitazioni sono state organizzate in questo modo. È sicuramente la strada da percorrere se vuoi studiare processi veloci che si tratti di miscelazione, cinetica di reazione o altro.

Per quanto riguarda i punti di Dave sul flusso di calore critico, l'importante è assicurarsi di avere una superficie sufficiente area per il volume da riscaldare. Tuttavia, non lo vedo come un grosso problema alla tua portata. Per 1 kW, sono necessari 100 cm2 di superficie riscaldante per un flusso di 100.000 W / m2. Molti bollitori più recenti forniscono questo (con riscaldamento su tutta la superficie inferiore per un design più ordinato) ma i modelli più vecchi con elementi riscaldanti ricci sono superiori a 100.000 W / m2, avvicinandosi al flusso di calore critico. Questi bollitori elettrici "ruggiscono" quando arrivano a ebollizione a causa della cavitazione.

Se i tuoi reagenti sono delicati, tuttavia, dovrai distanziare i riscaldatori in modo molto stretto o persino utilizzare l'iniezione di vapore. Ricordo un caso particolarmente sgradevole di riscaldatori elettrici che convertono una soluzione acquosa di polimero in aldeidi volatili.

La tua doccia non ha una potenza di 8.778kW. I cavi elettrici standard si fondono con quella quantità di energia, l'attrezzatura di saldatura di consumo è di circa 2,5 kW. La tua doccia non batterà l'attrezzatura per la saldatura (sarebbe una doccia infernale).
@Mast: In Europa, un cavo 230V / 25A è abbastanza comune e fornisce 5,7 kW. Per il riscaldamento elettrico, è disponibile anche 380V / 35A che ti spinge ben oltre 13kW. Ma anche negli Stati Uniti, la necessità di alimentare condizionatori da 10kW + significa che sono disponibili alimentatori ad alta potenza.
@Mast Qualsiasi scaldabagno a flusso continuo per bagno ha bisogno di quella potenza, o più (vedi http://www.amazon.de/b?node=2077608031), come 24kW / 100 + Amp. In genere hanno il proprio cablaggio dedicato direttamente alla scatola dei fusibili, con il proprio fusibile. Oh, e quando il proprietario decide di installarlo in un condominio esistente, deve rinnovare anche la rete elettrica della casa.
@Mast oltre a quello di Peter dalla Germania, eccone uno dal Regno Unito dove 8,5kW è la potenza più bassa disponibile: http://www.screwfix.com/c/bathrooms-kitchens/showers/cat820272 Come dice Peter, deve essere collegato permanentemente sul proprio circuito perché è troppa corrente per una presa a muro. Per quanto riguarda l'attrezzatura per la saldatura: non sottovalutare la capacità termica dell'acqua. Non hai mai visto un fabbro mettere un grosso oggetto di metallo nell'acqua per spegnerlo? si raffredda abbastanza velocemente! Non so quali siano le regole negli Stati Uniti, ma le docce elettriche istantanee sono rare in Spagna perché i kW installati sono troppo bassi
Nei Paesi Bassi, un fusibile da 230 V / 25 A è abbastanza comune. Ma di solito c'è un fusibile da 16 A dietro di esso, che limita l'utilizzo di energia a 3680 W. Il cablaggio direttamente nella scatola dei fusibili non è una pratica standard per quanto ne so, ma un padrone di casa potrebbe farlo.
@Mast dipende tutto dai regs locali. Le case del Regno Unito hanno un fusibile principale da 100A installato come standard. La mia proprietà spagnola d'altra parte ha solo 20A per l'intero appartamento, perché in Spagna si paga un premio per qualsiasi capacità in più. Di conseguenza, le proprietà spagnole dispongono di riscaldamento a gas istantaneo o di un riscaldatore del serbatoio di stoccaggio di circa 50-100 litri di capacità con un elemento da 1-2,4 kW (con una spina su di esso).
#5
+2
Loren Pechtel
2015-02-19 14:05:55 UTC
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Come altri hanno dimostrato che il fabbisogno energetico è abbastanza ragionevole, il problema è consegnarlo all'acqua in quel lasso di tempo.

Penso che un approccio praticabile potrebbe essere fatto con una raccolta di piatti con dimensioni molto strette spazi tra di loro che possono contenere i tuoi 30 ml. Crea i piatti con qualcosa che non è un conduttore troppo bravo. Alimenta una corrente estrema attraverso le piastre (una tensione molto bassa, però - avrai un grande trasformatore step-down) e si surriscalda rapidamente. Dovrai calcolare l'energia rimasta nei piatti e aggiungerla alla quantità di energia che stai scaricando attraverso questo.

Attenzione, un secondo ciclo prima che le piastre si siano raffreddate provocherà sicuramente acqua bollente.

Piccolo problema: le tue piastre presumibilmente sono conduttori elettrici abbastanza decenti. Metallo, grafite, ecc. Hanno molti elettroni liberi che possono condurre elettricità, ma anche calore. Quindi il materiale proposto non è in realtà un isolante termico.
@MSalters Chi ha parlato di un isolante?
"Non troppo buono un conduttore" è un isolatore.
@MSalters Intendo qualcosa con una resistenza sufficiente da utilizzare come elemento riscaldante, non qualcosa che è un isolante.
In tal caso, perché non utilizzare la soluzione standard: una bobina di filo metallico? La resistenza è ottenuta essendo sottile e lungo. Lo vuoi qui, perché quella lunghezza ti dà una grande superficie.
@MSalters Una bobina non fornirà gli strati d'acqua molto sottili che sto immaginando.
#6
+2
lywyre
2015-02-19 14:25:58 UTC
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Potresti provare i piani cottura a induzione. 10 secondi per 30 ml dovrebbero essere sufficienti a 700w o più, se si utilizza un recipiente piatto e largo (non tutti gli utensili sono compatibili con l'induzione).

#7
+2
dennis
2015-02-19 21:36:41 UTC
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Come ottenere il caffè solubile

Ci sono già alcune buone risposte su come si potrebbe ragionevolmente ottenere una tazza di acqua a temperatura di caffè entro 10 secondi. Tuttavia, cosa succederebbe se volessi farlo ancora più velocemente?

Soluzione realistica: usa una caldaia

Se hai già l'acqua calda, non dovrai aspettare 10 secondi prima che la tua tazza sia pronta. Questa potrebbe non essere la soluzione più economica per ottenere la dose mattutina, ma se hai una caffetteria e hai davvero bisogno di sfornare tazze durante le ore di punta, potrebbe essere interessante esaminare questa soluzione.

Soluzione interessante: Usa più energia

Se non ti piace l'idea di mantenere l'acqua calda tutto il tempo, hai bisogno di qualcosa per riscaldarla rapidamente. Ovviamente potresti usare un enorme elemento riscaldante, ma suppongo che potrebbe essere ancora più veloce usare qualcosa come un'esplosione. Devi solo assicurarti che nessuna sostanza chimica mortale finisca nella tua tazza.

Altre risposte hanno già indicato che il problema principale con l'utilizzo di più energia è che è difficile controllare la temperatura. Tuttavia, questo dovrebbe essere risolto con i seguenti passaggi:

  1. (Over) Riscalda un po 'd'acqua
  2. Misura la temperatura (necessaria solo se il passaggio 1 non può produrre una temperatura fissa in modo affidabile)
  3. Mescola la giusta quantità di questa acqua / vapore con acqua fredda per ottenere una tazza piena di acqua alla temperatura desiderata

Ovviamente non sarà mai veramente istantaneo, ma immagino che potresti farlo in una frazione di secondo.

Un'altra soluzione che forse non è così grande per l'uso quotidiano ma molto veloce, è racchiudere l'acqua in un contenitore di metallo, e attorno ad esso un altro che racchiude dove * Cloruro di calcio * [CaCl2] è mescolato con acqua [H2O] (nota: non è la stessa l'acqua doveva essere riscaldata !!) => Ca2 + (aq) + 2Cl- (aq) + Q che dovrebbe riscaldare l'acqua in meno di 10 secondi.
#8
+2
aventurin
2016-06-06 02:35:15 UTC
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Puoi facilmente aggiungere $ 3,9 ~ \ mathrm {g} $ vapore a $ 26,1 ~ \ mathrm {ml} $ acqua di $ 20 \ mathrm {° C} $ per ottenere $ 30 ~ \ mathrm {ml} $ acqua di $ 100 \ mathrm {° C} $ in meno di dieci secondi.

Si. Questo è il potere dell'iniezione diretta di vapore. : o
#9
+1
Davis
2016-06-05 14:52:39 UTC
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Abbiamo bisogno di una superficie ampia e piana che possa produrre almeno 500 W e da cui possiamo rapidamente includere ed eliminare piccole quantità di acqua. Sembra che tu abbia bisogno di una buona padella elettrica! Molto pulito. O la versione da laboratorio di precisione. Prendi uno che possa riscaldare rapidamente e anche in modo uniforme.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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