探究最节能和最经济的烧开水方法

如何烧开水？

——探究最节能和最经济的烧开水方法

目录

前言 (3)

一、电热水壶烧开水 (3)

二、天然气灶+普通水壶烧开水 (9)

三、电热水壶的改进 (13)

四、天然气烧水的改进 (15)

五、电磁炉烧开水的实验分析 (17)

六、节能是否等于省钱 (19)

七、结论和建议 (20)

前言

烧开水？大家肯定会说谁不会？我们在家里天天都要烧开水，使用的器具主要有天然气灶和电热水壶，偶尔还会使用微波炉、电磁炉，那么，哪一种器具烧开水最节能？最省钱？现有的器具还有没有改进的地方？可能大家还没有仔细想过。

于是这个暑假，我对几种常见的烧开水方式进行具体实验和记录分析，用数字探究最节能和最经济的烧开水方法。下面与大家做一分享。

一、电热水壶烧开水

1、实验过程

首先，选择最简单的烧水器具，一个 1.2升的电热水壶，产品说明书上的功率是1800W。为了准确测量烧开水的过程，我还称量了电热水壶的质量和水的质量，测量了烧水过程中水的温度变化、实时测量了电功率和电能以及烧水的时间。

使用的测量仪器性能如下：

温度测量：电子温度计（图1），测量范围是0~200 ℃，精度0.5 ℃

时间测量：手表中的秒表工具（图2），精度1 s

质量测量：挂钩式电子秤（图3），量程是20kg，精度是10 g

电功率测量：功率插座（图4），可以实时测量电功率、电压、电流、功率因数和累计电能。

在烧开水的实验中，我记录了实时功率和累计电能，用电子秤称量电热水壶的质量为620g

，加水1000g ，水的初始温度是28.4℃，表1是烧水过程的数据记录，记录的时间间隔是10s 。

图1电子温度计 图2 秒表

2、实验测量数据的分析

电热水壶烧开水，我们最希望的是电能转化的热量全部被水吸收，但是这只是理想情况，实际上，水吸收了热量，温度升高，电热水壶的温度也随之升高，因此也会吸收热量，此外考虑到水壶的温度与周围空气的温度有差别，还会向外散热，通过查找资料，了解这些散热的计算方法，可以分为辐射散热和对流散热。

下面是分析电加热的热量、水吸收的热量，壶吸收热量以及散热量的的计算方法。

（1）电加热的热量

W=P·∆t

其中：W是电能转化的热量，单位是J；P是电功率，采用功率插座测量，单位是W；∆t是烧水的时间，单位是s。

（2）水吸收的热量

Q1= c1·m1·( t2-t1)

其中：Q1是水吸收的热量，单位是J；c1为水的比热容，4.2 J/g·℃，其含义指的是1g水温度升高1℃所需要的热量是4.2J；m1为水的质量，每次烧水1000g；t2和t1为水在加热结束和加热开始时的温度，单位是℃。

（3）水壶的吸热量

水壶材料是不锈钢，壁很薄，厚度大约在0.5mm，其吸热量为：

Q 2= c2·m2·( t2-t1)

其中：Q2是水壶的吸热量，单位是J；c2为水壶的比热容，水壶的大部分材料为304不锈钢，少量为塑料，所以把304不锈钢的比热容作为整体的比热容，约为0.50J/g·℃；m2为水壶的质量，电热水壶为620g；t2和t1为水壶在加热结束和加热开始时的温度，金属传热很快，所以可以认为其温度与水温相同。

（4）水壶外表面向周围空气的对流换热

水壶的外表面温度比周围环境温度高，因此一定会向环境传热，首先考虑水壶外表面向周围空气的传热。通过查资料，可以采用下面的公式计算：

Q3 = h·S·( t w-t0) ·∆t

其中：Q3是水壶外表面向周围空气的对流换热，单位是J；h为表面对流换热系数，其定义是物体表面与附近空气温差1℃，单位时间（1s）单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m2·℃)；S为烧水壶的外表面积，单位是m2；tw是水壶的外表面温度，可以认为与水温相同；t0是环境温度，单位是℃；∆t是烧水的时间，单位是s。

在这里，最关键的数据是表面对流换热系数。资料上说，对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。在不同的情况下，传热强度会发生成倍至成千倍的变化。表面对流换热系数与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系，很复杂。另外，物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。

本实验中的烧水壶放在背风的地方，周围风速很低，这个因素可以忽略，此时可以认为烧水壶外表面与周围空气是自然对流换热。

空气自然对流系数大致为 5 ～25 W/(m2·℃)，本实验取中间值，h约为15W/(m2·℃)。

电热水壶可以近似认为是圆柱形，直径和高度均为0.15m，底面不考虑散热，则其散热的表面积为：

S=3.14*(0.075)2+3.14*0.15*0.15=0.088（m2）

用温度计测量环境温度t0，为26℃。

（5）、水壶外表面向周围环境的辐射散热

水壶外表面除了向周围空气的自然对流传热，还会向周围墙壁进行辐射传热。资料上说，辐射传热是两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，任意两个“能互相看见”的物体之间都存在辐射换热。辐射换热与对流换热最明显的不同之处是不需要中间介质，可以在真空中进行，比如太阳对地球的辐射换热。

加热的水壶与周边的墙壁存在辐射传热。辐射传热量的多少主要取决于烧水壶外表面与周围墙壁之间的温度差，温度差越大，散热量就越多，计算公式为：Q4 =5.67·e·S·[( 273+t w)4-(273+ t0) 4] ·∆t

其中：Q4为辐射换热热量，单位为W；e为水壶的表面发射率，可以近似取1；S 为烧水壶的外表面积，单位m2，与对流传热相同；t w、t0分别为水壶表面和周围墙面的温度，单位℃；