XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мультитермос-52

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Базылев А.М. 1

---

1ГУО "Средняя школа №1 имени Героя Советского Союза П.А. Кривоноса г.Кличева"

Ольшевская А.В. 1

---

1ГУО "Средняя школа №1 имени Героя Советского Союза П.А. Кривоноса г. Кличева"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В условиях глобальной энергетической безопасности и изменения климата энергосбережение становится одной из ключевых задач современного общества. Эффективное использование ресурсов и сокращение потребления энергии необходимы не только для снижения затрат, но и для уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Рост потребностей человека в использовании электроэнергии приводит к загрязнению воздуха и к ухудшению состояния лито- и гидросферы. Президент Республики Беларусь А.Г. Лукашенко подписал указ № 327 «О повышении энергоэффективности многоквартирных жилых домов» от 04.09.2019 г. Документом определяются условия и мероприятия по снижению потребления тепловой энергии в домах, сокращению затрат на отопление. При этом особое внимание заслуживает разработка инновационных решений, таких как энергосберегающие устройства, которые могут значительно повысить уровень комфорта и качества жизни пользователей.

Мы предлагаем экологичное энергосберегающее устройство – мультитермос-52, которое не только позволит продлить срок хранения горячих и холодных напитков, но и может быть использовано как устройство для приготовления пищи и напитков при комнатной температуре без использования электроэнергии и горячей воды.

В отличие от традиционных термосов, мультитермос-52, оснащенный дополнительными технологиями, способствует значительной экономии электроэнергии, минимизации теплопотерь и поддержанию заданной температуры внутри устройства в течение длительного времени.

Цель проекта: создание энергосберегающего вакуумного термоса, который позволит заваривать напитки и готовить пищу без использования электроэнергии и горячей воды при комнатной температуре.

Задачи проекта:

1. Исследование и анализ рынка:

• Анализ существующих решений и конкурентов в области термосов и устройств для приготовления пищи и заваривания напитков.

• Определение потребностей целевой аудитории и основных требований к продукту.

2. Технические требования и спецификации:

• Определение необходимых материалов.

• Разработка технических характеристик.

3. Создание прототипа:

• Разработка и изготовление прототипа мультитермоса-52 для тестирования.

• Оценка работоспособности и функциональности прототипа, а также его себестоимости.

4. Тестирование и оптимизация:

• Проведение тестов на сохранение температуры, устойчивость к механическим воздействиям, легкость использования и др.

• Сбор обратной связи от тестовой группы пользователей и внесение необходимых изменений и улучшений.

5. Анализ и дальнейшее развитие:

• Оценка полученных результатов и пользовательского опыта.

• Разработка новых версий продукта и возможных дополнительных функций на основе полученной информации.

Использованное оборудование:стальной термос, вакуумный ручной насос, теплоизолирующий материал, стеклянная трубка, резиновая вакуумная пробка.

Объект исследования: зависимость температуры кипения воды от давления.

Предмет исследования: влияние давления на скорость приготовления пищи и напитков в мультитермосе-52 и длительность поддержания постоянной температуры в нем в течение времени.

Гипотезы:

1. При понижении атмосферного давления приготовление пищи и напитков путем заваривания в холодной воде становится возможным

2. Чем ниже давление, тем выше скорость приготовления пищи и напитков путем заваривания.

3. Давление воздуха влияет на срок хранения продуктов и сохранения постоянной температуры внутри термоса.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Устройство вакуумного термоса

Такой полезный и незаменимый в некоторых случаях прибор – термос – имеет простую, но в то же время замысловатую конструкцию (рисунок 1.1.1).

Рисунок 1.1.1 ̶ Конструкция вакуумного термоса

Вакуумный термос — это устройство, предназначенное для поддержания температуры содержимого, будь то жидкость или твердая пища, на определенном уровне в течение длительного времени. Основной принцип работы термоса основан на минимизации теплопередачи[1]. Основные компоненты и устройство вакуумного термоса включают:

1. Колба: Внутренняя емкость термоса, в которую помещаются

жидкость или еда. Обычно изготавливается из стекла или нержавеющей стали. Стеклянные колбы имеют высокий коэффициент термоизоляции, но они более хрупкие по сравнению с металлическими.

2. Внешняя оболочка: Наружная часть термоса, которая предохраняет внутреннюю колбу от внешних воздействий и обеспечивает дополнительную изоляцию и прочность.

3. Вакуумный слой: Расположен между внутренней колбой и внешней оболочкой. Вакуумный слой играет ключевую роль в термоизоляции. Поскольку вакуум практически не проводит тепло, потери температуры через него минимальны.

4. Крышка: Плотно закрывающаяся крышка, зачастую с

дополнительной прокладкой для предотвращения утечки тепла и жидкостей.

5. Горловина: Обеспечивает безопасность при наливании и защищает

содержимое от воздействия внешней среды.

6. Материалы изоляции: В некоторых термосах могут быть использованы дополнительные изолирующие материалы или конструкции для повышения эффективной термоизоляции.

Работа вакуумного термоса основывается на исключительных теплоизоляционных свойствах благодаря вакуумному слою, который практически полностью исключает передачу тепла через проводимость и конвекцию.

1.2 Исследование и анализ рынка

Анализ существующих решений и конкурентов в области термосов и устройств для приготовления пищи и заваривания напитков может быть полезен для понимания рыночной позиции, определения возможностей для улучшения продуктов и разработки стратегий продвижения. Мы проанализировали рынок производителей термосов и выяснили, что самыми популярными на данный момент являются следующие производители:

• Thermos: Один из самых известных брендов, специализирующихся на создании качественных изолированных контейнеров. Часто воспринимается как эталон в индустрии.

• Stanley: Известен своей долговечностью и высоким показателем теплоизоляции. Популярен среди туристов и энтузиастов активного отдыха.

• Contigo: Популярен благодаря удобным и герметичным крышкам, которые предотвращают проливание.

• YETI: Ассоциируется с премиум-сегментом, предлагая высококачественные термосы и кружки, которые отличаются прочностью и изоляцией. [4]

Проведя анкетирование в своем учебном заведении, мы выяснили, какие характеристики термосов и термокружек пользуются особенной популярностью среди школьников, как часто они используют данное устройство и с какой целью (Приложение Б).

Выяснилось, что предпочтение школьники отдают термокружкам, за счет их удобной формы и маленького размера, а также удобства использования. Основное использование термосов и термокружек приходится на зимний период, с целью сохранения температуры горячих напитков. В летнее же время большинство ребят отдают предпочтение пластиковым многоразовым спортивным бутылкам для воды.

Исходя из полученной информации, можно сделать вывод, что популярностью пользуются компактные, легкие термосы и термокружки с целью сохранения тепла в горячих напитках.

1.3 Ручной вакуумный насос, устройство, принцип работы

Вакуумные насосы для откачки воздуха применяются для создания вакуумной среды с различной степень разреженности (рисунок 1.3.1).

Рисунок 1.3.1 ̶ Ручной вакуумный насос

Агрегаты широко используются в самых разных сферах деятельности – устройства задействуют в промышленности, производстве, медицине, фармацевтической отрасли, народном и коммунальном хозяйстве, в точных областях науки, для проведения лабораторных исследований и испытаний. [2]

Ручной вакуумный насос — это устройство, предназначенное для создания вакуума в ограниченном объёме. Принцип действия основан на вытеснении воздуха или газа, что приводит к созданию разреженной среды. Основные компоненты ручного вакуумного насоса включают:

• Корпус насоса: Обычно изготавливается из металла или пластика

и содержит все внутренние компоненты.

• Поршень или мембрана: Это основной рабочий элемент, который

движется внутри корпуса, создавая разрежение. В поршневом насосе используется поршень, вставленный в цилиндр, а в мембранном — гибкая мембрана.

• Ручка или рычаг: Используется для приведения в движение поршня

или мембраны. При нажатии на ручку поршень движется, вытесняя воздух из камеры.

• Клапаны: Обычно включают впускной и выпускной клапаны. Они

контролируют поток воздуха, позволяя ему выходить из камеры и предотвращая обратный вход.

• Соединитель: Это часть, к которой присоединяется трубка или шланг

для подключения насоса к объекту, из которого требуется удалить воздух.

• Уплотнительные элементы: Обеспечивают герметичность всех

соединений, предотвращая утечки воздуха.

Было принято решение в своем устройстве использовать вакуумный насос, чтобы расширить его возможности: продлить срок хранения и ускорить процесс заваривания не только напитков, но и пищи, поскольку при понижении атмосферного давления уменьшается температура кипения воды.

1.4 Зависимость температуры кипения воды от внешнего давления

Температура кипения — это температура, при которой происходит кипение жидкости, которая находится под постоянным давлением. Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса: ,

где pp — давление, TT — температура, LL — удельная теплота фазового перехода, Δv — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе,

с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается (рисунок 1.4.1).

Рисунок 1.4.1 ̶ Зависимость температуры кипения воды от внешнего давления

Если жидкость получает теплоту, то она будет нагреваться и через некоторое время начнет кипеть. Каждое вещество имеет собственную температуру кипения. Очевидно, что ее значение определяется давлением насыщенного пара при данной температуре, поскольку кипение наступает тогда, когда давление насыщенного пара уравнивается с давлением в жидкости. Поэтому температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления — чем оно выше, тем выше должна быть температура кипения, и наоборот. [3]

Таким образом, температура кипения воды прямо пропорциональна атмосферному давлению: при повышении давления температура кипения увеличивается, при снижении — уменьшается. Этот принцип используется в различных технологических процессах и в оборудовании, таком как скороварки и автоклавы.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Создание прототипа мультитермоса-52

За основу экспериментальной модели мультитермоса-52 был взять стальной вакуумный термос, а также вакуумный лабораторный ручной насос. Термос дополнительно был теплоизолирован материалом для теплоизоляции труб. В крышке термоса с помощью дрели было сделано отверстие для шланга вакуумного насоса, все отверстия были тщательно запаяны и заизолированы (рисунок 2.1.1).

Рисунок 2.1.1 ̶ Прототип мультитермоса-52 с лабораторным ручным вакуумным насосом

2.2 Исследование физических свойств мультитермоса-52

После создания экспериментальной модели мы перешли к ее исследованию. Для начала было принято решение исследовать физические свойства мультитермоса. Для этого был измерян объем термоса, используя его параметры ̶ высоту и площадь основания: V=S·Η= 19,625· ·25· = 490,625· . С помощью школьного барометра было определено давление воздуха в помещении: =100392Па. Объем воздуха, набираемый за одно вытягивания шприца составляет . Также был произведен замер температуры воздуха внутри термоса, она составила 21 °C.

Собрав конструкцию мультитермоса, мы перешли к исследованию зависимости температуры мультитермоса-52 от изменения давления внутри него. Для этого мы откачивали воздух и производили замеры температуры. Используя несколько контрольных точек: 5 откачиваний, 10 откачиваний, 20 откачиваний и 25 откачиваний (дальнейшее действия вызывали затруднения: откачивать воздух становилось тяжело).

Уменьшение количества воздуха приводило к уменьшению давления внутри конструкции. Это связано с тем, что давление газа обусловлено столкновениями молекул газа со стенками сосуда. Уменьшение количества молекул газа приводит к уменьшению частоты этих столкновений и, следовательно, к снижению давления.

Вывод: даже если термос хорошо изолирован, откачивание воздуха приведет к небольшому снижению температуры воздуха внутри.

Для расчета примерного значения давления во всех контрольных точках, примем, что так как изменения температуры незначительны, то процесс ̶ изотермический. Тогда можно использовать закон Бойля-Мариотта:

P₁V₁ = P₂V₂, где:

• P₁ - начальное давление (атмосферное);

• V₁ - начальный объем (объем термоса);

• P₂ - конечное давление (то, что мы ищем);

• V₂ - конечный объем (объем термоса + объем шприца, поскольку шприц как бы "добавился" к объему термоса).

Тогда: P₂ = P₁V₁ / V₁ + N· V0, где N ̶ это количество откачиваний, а V0 ̶ объем шприца (таблица 2.2.1, рисунок 2.2.1).

Таблица 2.2.1 ̶ Зависимость изменения давления от количества откачанного воздуха

Рисунок 2.2.1 ̶ Зависимость изменения давления от количества откачанного воздуха

Вывод: в реальной ситуации рассчитать точное давление невозможно. Приведенный выше расчет дает лишь очень приблизительную оценку в идеальных условиях. В большинстве случаев изменение давления будет очень небольшим и трудно измеримым бытовыми приборами, особенно если объем термоса значительно больше объема шприца. Однако, по данным таблицы видно, что значительные изменения давления незначительно меняют температуру.

2.2 Исследования на продуктах питания и напитках

После создания экспериментальной модели мы перешли к ее исследованию. Исследование проводили по каждой выдвинутой гипотезе.

Гипотеза 1: при понижении атмосферного давления приготовление пищи и напитков путем заваривания в холодной воде становится возможным.

Для данного исследования мы использовали следующие напитки и продукты: чай, молотый зерновой кофе, овсяная каша, лапша быстрого приготовления (Приложение Б).

Вывод: выдвинутая гипотеза подтвердилась. Приготовление пищи и напитков путем заваривания в холодной воде при пониженном атмосферном давлении возможно. С уменьшением давления, уменьшается время заваривания.

Гипотеза 2: чем ниже давление, тем выше скорость приготовления пищи и напитков путем заваривания.

Имея данные предыдущего исследования (Приложение Б), был проведен сравнительный анализ скорости приготовления пищи и напитков в исследуемом устройстве и обычным способом с помощью заваривания горячей водой, температура которой составляет 60 °C (Приложение В).

Вывод: гипотеза не подтвердилась. Время приготовления пищи и напитков в исследуемой модели мультитермоса-52 больше, чем при приготовлении обычным способом, что свидетельствует о том, что скорость приготовления в последнем случае выше. Затраченное время отличается в среднем на 50%, однако следует отметить, что сам процесс приготовления экологичен и является энергосберегающим, поскольку не требует затрат электроэнергии. Также следует отметить, что при высокой термической обработке продукты теряют часть своих полезных свойств, что еще раз подтверждает преимущества тестируемой модели.

Гипотеза 3: давление воздуха влияет на срок хранения продуктов и сохранения постоянной температуры внутри термоса.

В качестве контрольной группы при проведении исследования были использованы: чай, молотый зерновой кофе, овсяная каша, лапша быстрого приготовления. Исследования проводились по двум направлениям: срок хранения продуктов (Приложение Г), время сохранения постоянной температуры внутри мультитермоса-52 ( и обычного термоса) (Приложение Д).

Вывод: в данном исследовании мультитермос-52 показал превосходные результаты, значительно опередив своего аналога как в поддержании постоянства температуры, так и в хранении продуктов и напитков. Процесс заваривания в нем происходит при комнатных температурах, а, следовательно ,потерями тепла в окружающую среду можно пренебречь. Поскольку процесс заваривания в мультитермосе-52 происходит при комнатной температуре, то с течением времени она не изменяется. Срок хранения увеличивается при уменьшении давления.

Таким образом, тестируемая модель термоса способна не только приготовить напитки и пищу при комнатной температуре, но и продлить срок их хранения, что значительно уменьшит затраты на электроэнергию.

2.3 Отзывы пользователей

Прототип мультитермоса-52 был протестирован учащимися нашего класса с целью выявлению недостатков и улучшению конструкции (Приложение Е). Функциональная составляющая не вызвала никаких нареканий со стороны пользователей, в отличие от характеристик конструкции. Самые популярные замечания связаны с габаритами конструкции и ее тяжестью (Приложение Ж). За счет того, что масса и размеры лабораторного ручного вакуумного насоса были значительными, было принято заменить его на самодельный вакуумный насос из одноразового шприца объемом 100 мл. Габариты шприца значительно меньше габаритов ручного лабораторного вакуумного насоса.

Для изготовления насоса понадобились также соединительные элементы капельницы, пулька от пневматического пистолета на баллончиках, гибкий шланг и герметик (мы использовали термоклей) [5]. С помощью соединительной трубочки от капельницы, разрезанной на две части, и пульки был создан обратный клапан (он должен пропускать воздух только в одну сторону), проделанное иглой отверстие в шприце (ниже обратного клапана) представляет собой выходной клапан для воздуха. Импровизированный насос соединили с силиконовой трубкой (рисунок 2.3.1).

Рисунок 2.3.3 ̶ Вакуумный ручной насос из шприца

Затем приступили к тестированию полученной модели. Сразу было принято решение протестировать работу насоса на пластиковой бутылке (Приложение З). После того, как мы убедились в том, что изготовленный насос работает, мы присоединили его к термосу. Для лучшей герметичности нанесли клей на места соединений шланга, клапана и шприца (рисунок 2.3.2).

Рисунок 2.3.2 ̶ Усовершенствованная модель мультитермоса-52

Затем приступили к тестированию полученной модели. Замена вакуумного насоса в мультитермосе-52 значительно упростила его использование: выкачивать воздух стало намного легче, габариты и масса устройства при этом уменьшилась значительно. Время, потраченное на заваривание напитков и пищи изменилось, но незначительно ̶ увеличилось в среднем на 13 процентов (в качестве сравнения использовались данные для 25 откачиваний в обоих случаях) (Приложение И) по сравнению с предыдущей моделью.

Вывод: обновленная конструкция мультитермоса-52 пригодна для использования в быту, потери функциональных возможностей уменьшились незначительно, что все равно оставляет его лидером среди промышленных аналогов.

2.4 Рентабельность устройства

Используя все ту же контрольную группу продуктов (молотый зерновой кофе, чай, овсяная каша и лапша быстрого приготовления) было принято решение рассчитать себестоимость и окупаемость данного изобретения. Себестоимость мультитермоса-52 составляет 61 рубль 58 копеек (Приложение К).

На заваривание 1 чайного пакетика, чашки молотого кофе, овсяной каши и лапши быстрого приготовления требуется вода объемом 200 мл при температуре 70 ̶ 80 градусов (температура воды в электрическом чайнике при его полном нагревании). На нагревание 200 мл воды до данной температуры тратиться 56 секунд, значит общее время работы электрочайника в таком случае составляет: 56 секунд ▪ 4 = 224 секунды.

Мощность электрочайника Р=2200 Вт в час, значит потребляемая мощность за 1 секунду = = 0.611 Вт. Стоимость 1 Вт электроэнергии равна 0,027 копейки, значит за сутки в таком случае на электроэнергию тратится 0.027 ▪ 0,611 = 0,016 копейки.[6].

При ежедневном использовании мультитермоса-52 (с учетом приготовления продуктов контрольной группы 1 раз в сутки) экономия электроэнергии в месяц составит 19 Вт, что соответствует 52 копейкам в месяц и 6 рублей 24 копейки за год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мультитермос-52 является многофункциональным устройством, позволяющим пользователю заваривать чай или готовить еду, не требуя дополнительной посуды и наличия горячей воды либо электричества. Это особенно удобно для путешествий, пикников или использования на работе. Пониженное давление позволит поддерживать температуру внутри контейнера, что увеличит срок хранения продуктов. Процесс заваривания проходит при низких температурах, при этом значительно улучшается вкус и качество готового напитка или блюда, поскольку в них сохраняются все витамины, которые исчезают при термической обработке. Мультитермос-52 термос позволит уменьшить количество одноразовой упаковки для напитков и еды, что будет способствовать охране окружающей среды. Такого рода термос откроет новые возможности для экспериментов с рецептами и способами приготовления, позволяя пользователю исследовать различные вкусовые комбинации и техники заваривания.

Таким образом, мультитермос-52 является уникальной инновацией, которая объединяет удобство, эффективность и экологическую сознательность.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Из чего состоит термос внутри [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://stanleyrussia.ru/blog/iz-chego-sostoit-termos-vnutri?srsltid=AfmBOoq8TsqTykoASCoiROnKEhl0Pdl7f5lhfVEw3YqsOHSd3Xk89uzl /. – Дата доступа: 04.05.2018.

2. Насос вакуумный для откачки воздуха [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vacuumid.com/articles/nasos-vakuumnyy-dlya-otkachki-vozdukha-ustroystvo-printsip-deystviya-vodokoltsevoy-dlya-konditsionerov-membrannyy-laboratornyy-rotorno-plastinchatyy/. – Дата доступа: 10.02.2021.

3. Зависимость температуры кипения воды от давления [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://megatechnika.com/zavisimost-temperatury-kipeniya-vody-ot-davleniya/. – Дата доступа: 11.02.2017.

4. Обзор рынка термосов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.verifiedmarketreports.com/ru/product/thermos-flask-market/. – Дата доступа: 03.10.2023.

5. Как сделать вакуумный насос за 2 минуты [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.google.com/search?q=%D0%BA%D0%B0%D0%BA+%D1%81%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%82%D1%8C+%D0%B2%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC%D0%BD%D1%8B%D0%B9+%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%BE%D1%81+%D0%B8%D0%B7+%D1%88%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0&oq=%D0%BA%D0%B0%D0%BA+%D1%81%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%82%D1%8C+%D0%B2%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC%D0%BD%D1%8B%D0%B9+%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%BE%D1%81+%D0%B8%D0%B7+%D1%88%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0&gs_lcrp=EgZjaHJvbWUyBggAEEUYOTIKCAEQABiABBiiBDIKCAIQABiABBiiBDIKCAMQABiABBiiBDIKCAQQABiABBiiBNIBCDk1MjRqMGo3qAIAsAIA&sourceid=chrome&ie=UTF-8#fpstate=ive&vld=cid:eb502a9f,vid:XVkBXSeaGRQ,st:0/. – Дата доступа: 28.11.2016.

6. Тарифы на электроэнергию для населения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energo.grodno.by/node/444 /. – Дата доступа: 01.01.2024.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Анкетирование учащихся ГУО «Средняя школа №1 имени Героя Советского Союза П.А. кривоноса г.Кличева»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Таблица 2.2.3 ̶ Исследования времени сохранения постоянной температуры и срока хранения продуктов внутри мультитермоса-52 и обычного термоса

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Отзывы пользователей

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Тестирование мультитермоса-52 пользователями

ПРИЛОЖЕНИЕ З

Тестирование ручного вакуумного насоса на пластиковой бутылке

ПРИЛОЖЕНИЕ И

Таблица ̶ Испытание усовершенствованной модели мультитермоса-52 при 25 откачиваниях

Таблица ̶ Габариты и масса полученных моделей мультитермоса-52

ПРИЛОЖЕНИЕ К

Таблица ̶ себестоимость усовершенствованной модели мультермоса-52