Проект «Стакан». Энергоэффективность одноразовых стаканчиков с чаем/кофе

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, водка цикорий и прочие. В настоящее время идет борьба с сами знаете каким вирусом и использование одноразовых предметов является важной составляющей защиты от вирусов и …эээ… прочих болезней. Как только вы завершите экспериментальную часть исследования – результаты можно обрабатывать удаленно, по домам. Поехали!

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 людей 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 Т_х 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 (Т_х ) и уже можно не пить (Т_у ).

3. Протестировать различные типы популярных одноразовых стаканчиков и время остывания горячих напитков в них. Составить рейтинг их энергоэффективности. Рассчитать, сколько нужно времени на достижение Т_х и Т_у.

4. Как уменьшить время N ожидания температуры Т_х?

5. Как сохранить температуру (тепловую энергию) в диапазоне Т_х–Т_у 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 (100^оС – 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 сразу 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 92-82^оС).

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 Т_х и N (незначительное падение объема, температура опускается до 75-65^оС).

4. Получившийся напиток наконец-то активно пьют. Значительное падение объема, ускорение остывания остатков (предположим, что температура опускается до ~40^оС).

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 согнаны приглашены в столовую для проведения небольшого исследования. По его результатам и с применением статистического метода Стеля было определено, что примерно при 73-72 ^оС можно пытаться сёрбать или пить прихлебывая, а в диапазоне от 67 до 60 ^оС можно уже пить (осторожно, это зависит от индивидуальных особенностей каждого человека). По статистике проведенного мини-исследования самая оптимальная температура для того, чтобы спокойно пить кофе/чай, находилась в диапазоне 63-60 ^оС.

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.

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 86^оС до 60^оС). 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 60^оС за 20 минут.

В итоге получился вот такой рейтинг энергоэффективности для одноразовых стаканчиков по времени остывания до 60^оС. 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.