2020 год. Вроде бы 12 марта. Сверхсекретная лаборатория научно-исследовательского института Тепла и Холода (НИИТиХо). Где-то в Подмосковье.
– Товарищи! – заведующий лабораторией победно воздел кулак к потолку и задорно посмотрел на недавно проснувшихся инженеров и лаборантов.
Частично заполненный и видавший виды актовый зал института вяло пробурлил в ответ.
– Сегодня утром я собрал вас ради одного очень важного объявления. Во-первых, расстояние между вами на работе должно быть не менее! Повторяю, НЕ МЕНЕЕ! Одного метра. Как вы будете это обеспечивать – думайте, вы ж инженеры.
Мысль ушла в массы, вызывая легкий смех и робкое неодобрение.
– И еще одно. Стране нужен тест одноразовых стаканчиков, потому что это наиболее гигиеничный способ потребления высокоградусных напитков таких как: кофе, чай,
Инженеры потянулись к выходу пытаясь соблюдать расстояние в 1 м. Это было очень похоже на движение молекул газа в закрытом сосуде. Наиболее ответственные пытались держать необходимую дистанцию и пихали тех, кто лез в их метровый диапазон. Тем, кому было все равно (пофиг) упорно тыкались в коллег и пытались выбраться из этого ада через двери главного входа. Пара лаборантов, весело улюлюкая, толкали тех, кто пытался держать дистанцию. Выбраться из этой передряги удавалось не многим. Последним стоял завлаб и грустно смотрел на происходящее. Он знал про еще одну дверь, которая выводила в соседний коридор, но она, по счастливой случайности, была рядом с основным входом. Последние трое сотрудников из зала выбрались ближе к обеду.
Введение
Итак, многие из нас не могут прожить дня (особенно в осенне-зимне-весеннее время) без того, чтобы не выпить стакан кофе или чая, а лучше несколько. Особенно, когда мы на работе и нет времени перекусить – чай/кофе реально выручает, а, заодно, согревает и повышает уровень бодрости. Чаще всего для этого используются одноразовые стаканчики, термокружки (энергоэффективная штука!) и различные многоразовые кружки/чашки. Но в какой момент лучше пить такие напитки и не обжечься? И как сохранять их в состоянии температуры оптимальной для питья дольше? На эти вопросы мы и попытались ответить в нашем исследовании. Сегодня мы попробуем на прочность одноразовые стаканчики.
Вот несколько фактов про них:
- Бумажные стаканчики с различными рисунками впервые упоминаются в императорском Китае во 2-м веке до н.э. В современном виде были придуманы чуть более 100 лет назад как одноразовая альтернатива многоразовым кружкам (в Америке). Стаканчики, которые можно держать в руке с горячим напитком, были придуманы немного позже;
- Одноразовые стаканчики – довольно гигиеничная штука. Обычно из них пьет один человек, поэтому минимизируются риски заражения или передачи болезни. В начале 20-го века именно в этом направлении они нашли свое начальное применение.
- Чаще всего такие стаканчики не очень экологичны (бывают приятные исключения). Внутренняя поверхность у одноразовых стаканчиков покрыта водоотталкивающим слоем, чтобы не промокала бумажная основа. Источники разнятся о природе данной пленки, относя ее к полиэтилену / полистиролу / полипропилену (наверняка у разных производителей по разному). Обозначим всё это словом «пластик». Экологичные сородичи покрыты изнутри воском (не факт, что это тоже очень полезно).
Описание проблемы
Когда чай/кофе наливается в стакан, то пить его еще невозможно. Кто-то эволюционировал так, что он это уже умеет, но основной объем кружки при такой температуре жидкости он все равно быстро выпить не сможет, потому что можно серьезно обжечься. Для большинства лю��ей надо ждать N минут, чтобы начать этот напиток пить. Значение времени N нам известно, зачастую, лишь эмпирически, то есть на основе ранее полученных ожогов языка, ротовой полости и горла. При этом условия наполнения, перемещения и потребления содержимого стаканчиков каждый раз меняются, а, значит, и меняется температура жидкости внутри стаканчика.
При достижении некоторой граничной температуры Тх чай/кофе уже можно начинать аккуратно пить небольшими глотками, чтобы не обжечься. Но эта температура неприлично быстро падает (если мы вдруг используем термокружку, то у нас есть немного больше времени) и мы остаемся с наполовину пустой (полной) кружкой уже еле теплого напитка (кому-то может понравится и такой вариант).
Задачи для решения проблемы
1. Описать жизненный путь чая/кофе в стаканчике (философская задача).
2. Определить температуру (диапазон температур), при которых чай/кофе уже можно пить (Тх ) и уже можно не пить (Ту ).
Да, у каждого свои температурные границы
[Мы собирали данные по комфортной для питья температуре чая/кофе путем опроса и небольшого усреднения. Если ваши границы не совпали – просто используйте итоговый график и посчитайте, сколько времени нужно именно вам]
3. Протестировать различные типы популярных одноразовых стаканчиков и время остывания горячих напитков в них. Составить рейтинг их энергоэффективности. Рассчитать, сколько нужно времени на достижение Тх и Ту.
4. Как уменьшить время N ожидания температуры Тх?
5. Как сохранить температуру (тепловую энергию) в диапазоне Тх–Ту как можно дольше?
Попробуем представить жизненный путь горячего напитка в стаканчике. Получится примерно следующее:
А, если по пунктам:
1. Подготовка необходимых ингредиентов и посуды. Вода чаще всего используется при температуре кипения или близкой к ней (100оС – считаем начальной температурой воды). [а у кофе, получаемого из кофемашины, температура чаще всего ниже! прим. ст.науч.сотр. А. Курбатов]
2. В процессе наливания жидкости в стаканчик её температура падает. Правда, не настолько, чтобы ��разу можно было пить. Это происходит потому, что температура стаканчика близка к температуре воздуха в помещении и при наливании в него горячей жидкости часть тепла поглощается стенками самого стаканчика. Плюс в процессе наливания происходят потери тепловой энергии в окружающую среду (температура напитка 92-82оС).
3. Происходит остывание жидкости. Над этим работают испарение, тепловое излучение и конвекция. Испарение сверху стакана (если нет крышки), конвекция сверху и на боковых стенках, тепловое излучение во все стороны. На этом этапе происходят: добавление дополнительных ингредиентов: сахара, молока, воды и т.д., перемешивание, попытки пить. Где-то здесь Тх и N (незначительное падение объема, температура опускается до 75-65оС).
4. Получившийся напиток наконец-то активно пьют. Значительное падение объема, ускорение остывания остатков (предположим, что температура опускается до ~40оС).
5. Если что-то осталось в стаканчике, то происходит выравнивание температуры остаточного объема жидкости с температурой окружающей среды (~20 оС).
Поиск искомых температур
Для более точного определения температуры потребления напитков разобьем процесс питья на две стадии. Во-первых, пить прихлебывая (небольшими глотками, чтобы напиток ничего не обжигал, успевая остывать в процессе получения его из стаканчика). Во-вторых, пить большими глотками, не боясь обжечься.
Сотрудники НИИ были
Тест энергоэффективности стаканчиков
Да потекут реки воды, чая и кофе прямо в одноразовые стаканчики!
Для исследования было выбрано 4 распространенных типа одноразовых стаканчиков. А при проведении измерений использовались тепловизор, контактные термометры и секундомер.
Образец #1
На 95% бумажный. Имеет внутреннее ламинирование — изнутри покрыт тонкой пленкой, которая защищает от протекания жидкости. Стенки двухслойные бумажно-картонные, между ними тонкая прослойка воздуха. Чаще всего забит татуировками. Объем вмещаемой жидкости 400 мл. Самый теплозащищенный (продуман) из исследуемых образцов. Сложные отношения с мисс Экологией. Главарь банды. Можно встретить по всему миру практически в любой точке продажи кофе/чая.
Образец #2
Полностью пластиковый. Главное отличие от остальных – короткий козырек на голове (ручка сбоку в верхней части). Снаружи коричневый, а внутри серый. Объем вмещаемой жидкости 200 мл. Самый низкий, но широк в сечении – бочкообразный. Тусуется в офисах, на выставках и сборищах большого количества людей.
Образец #3
Младший брат #1. Самый маленький в банде (по объему = 170 мл). Теплозащита минимальна, стенка в один слой. Присутствует такая же пластиковая пленка на внутренней части. Хочет быть как старший брат, но пока не получается. Обычно работает в вендинговых кофейных автоматах. Тайно влюблен в мадам Эспрессо.
Образец #4
Ваш старый добрый знакомый. Работает на историческом доверии. Пластиковый от слова совсем. Высокий, статный, горделивый. Горячую воду не любит, может кривляться, но по старой привычке терпит. Места возможной локации – олдскульный общепит, вокзалы, автобусные станции и там, где люди очень торопятся. Так же встречается в кулерах в школах, офисах и больницах.
Исследования
Для создания репрезентативной выборки было взято несколько стаканчиков каждого типа. Для испытаний планировалось наливать в них кипяток (горячую воду), чай (или заваривать прямо в них с помощью пакетиков – полевые условия), кофе (из кофемашины). Кофе из кофемашины кто-то стащил прямо перед проведением экспериментов (хороший кофе, надо сказать) и пришлось проводить испытания только с чаем и кипятком. Для испытания чая были изъяты пакетики, которые накопились в большом объеме у источника, который попросил его не называть.
Полученные значения для каждого типа стаканчика были усреднены (как оказалось, добавления пакетика чая в стаканчик практически не влияет на скорость и время остывания).
Первым было проведено исследование остывания горячей жидкости всех 4-х типов стаканчиков в живой природе при отсутствии крышек.
Если у вас цель как можно быстрее попить чай/кофе, то для вас неплохо подходит #3. Всего 5-7 минут и можно пить. При этом крышек у них нет, поэтому пить придется быстро, иначе еще через 5 минут температура будет ниже 60 оС (за 12 минут температура упадет с 86оС до 60оС). Быстро, но по энергоэффективности стабильное 4-е место в исследовании.
Стаканчики #2 и #4 упорно бьются за 2 место, при этом не сильно опережают образец #3. Их результат 6+8=14 (минут). По объему они практически одинаковы, но при этом #4 сложно держать в руке с горячим чаем-кофе, а у #2 есть, пусть и не очень удобная, но ручка, за которую можно держать горячий стакан. Так же существует мнение, что #4 не очень хорошо взаимодействует с горячей жидкостью, т.к. при высоких температурах из данного вида пластика могут выделяться разнообразные неприятные для организма и окружающей среды вещества.
Горячие жидкости в стаканчике #1 остывают дольше всех остальных. Примерно на 8-й минуте можно пытаться пить, на 12-й минуте уже можно пить смелее. А после 20 минуты содержимое стаканчика остынет слишком сильно. Естественно, если вы будете пить чай-кофе, например, с 12-й минуты, то до 20 минуты либо его у вас уже не останется в стакане, либо жидкость остынет сильнее и ее температура будет уже сильно ниже 60оС. На данный момент #1 рекордсмен – до 60оС за 20 минут.
В итоге получился вот такой рейтинг энергоэффективности для одноразовых стаканчиков по времени остывания до 60оС. У стаканчиков #2, #3 и #4 одна звезда [*]. У #1 две звезды [**]:
А еще у #1 есть один большой плюс – это крышки, которые удерживают тепловую энергию внутри стаканчика и практически полностью убирают испарение из процессов потери тепла (эти крышки чаще всего пластиковые, что скорее минус с точки зрения мисс Экологии). Про крышки – дальше.
Испытания крышками
Для изучения влияния крышки на напиток в одноразовом стаканчике было проведено три этапа измерений:
#1+: Крышка надета при достижении температуры 67 оС. Температура кофе-чая в стаканчике #1 с крышкой опускается с 67 до 60 градусов в течение 14 минут. Значительный выигрыш по времени относительно аналогичного стаканчика без крышки (там было 8 минут). Рейтинг энергоэффективности – [***]
#1++: Крышка надета при достижении температуры 72 оС. Температура опускается с 72 до 60 градусов в течение 25 минут (без крышки было 12 минут). Рейтинг энергоэффективности – [***]
#1+++: Крышка надета сразу после того, как напиток налили в стакан. До 60 градусов за 44,5 минуты…вжжжжжух…(против 20 минут у стаканчика #1 без крышки). Результат на границе 4 и 5 звезд по нашему рейтингу энергоэффективности. Рейтинг энергоэффективности – [****]
Выводы
Вам захотелось кофе или чая, и вы идете в одно из ближайших мест, где его можно купить. Там вам, вместе с горячим напитком, продают одноразовый стаканчик одного из типов (это чаще всего #1). А дальше вариации задач:
- Вам надо донести его куда-то и это больше 20 минут:
Лучше не снимайте крышку. Минут через 20-25 от момента наливания напитка в стакан его можно пить. - Вам надо его нести, но недалеко:
Когда дойдете – лучше снять крышку и дать некоторое время напитку остыть (минут 5-7). После этого надевайте крышку и спокойно пейте. - Вы хотите пить прямо сейчас и чем быстрее, тем лучше (но не обжечься):
Снимайте крышку и ждите от 7 до 13 минут. Помешайте – это немного ускорит процесс. После этого можно пить (по вкусу надевайте крышку или нет). - У вас здесь встреча и надо растянуть напиток «на подольше»:
Оценивайте время по графику и варьируйте крышку в зависимости от этого. Её можно сначала снять, а потом надеть. А можно вообще не снимать.
Вместо заключения
И, помните, современные одноразовые стаканчики не самая экологичная посуда. Если бы они были сделаны целиком из бумаги, то разложились бы за 2-3 года. Но самые распространенные в России стаканчики для горячих напитков покрыты внутри пластиком. При их утилизации самый сложный момент – разделить пластик и бумагу (и мы не уверены, умеют ли сейчас делать это хорошо?). Крышки и мешалки для данных стаканчиков тоже пластиковые, что вносит свой вклад в перемешивание бумаги и пластика между собой.
Хотя, в текущей ситуации, присутствует некий дуализм. С точки зрения распространения вирусов и некоторых заболеваний одноразовые стаканчики безопаснее, но с точки зрения энергоэффективности и воздействия на экологию лучше использовать многоразовую посуду (термокружки в бой!).
В любом случае, у вас теперь есть чуть больше данных при принятии решений.
P.S. Всем, кто пьет кофе или чай сразу после того, как его наливают в стаканчик – огромный респект.
Часть 2 https://habr.com/ru/post/495538
Небольшой бонус – немного красивых тепловизионок стаканчиков
