T-1 Pompa cieplna Peltiera. Zakres materiału. Cel ćwiczenia - zadania do wykonania. Wprowadzenie teoretyczne

Transkrypt

1 Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki olitechnika Łódzka Al. olitechniki Łódź oland Center of Mathematics and hysics Technical University of Łódź t./fax: +48(0-42) , centrum@im0.p.lodz.pl NI L T-1 ompa cieplna tiera Janusz Kuliński Zakres materiału. Efekt tiera, rurka przepływu ciepła, STEM siła termoektryczna, współczynnik tiera, współczynnik Thomsona, współczynnik Seebecka, równanie Thomsona, przewodzenie ciepła, konwekcja, wymuszone chłodzenie, efekt Joulle a, wydajność chłodnicza, moc cieplna, współczynniki wydajności chłodniczej i wydajności grzewczej pompy cieplnej wykorzystującej efekt tiera określane dla różnych warunków pracy. C ćwiczenia - zadania do wykonania. Określanie wydajności chłodniczej pompy c, współczynnika wydajności chłodniczej η c oraz wydajności grzewczej pompy h i współczynnika wydajności grzewczej η h z wykresu zależności temperatury od czasu po stronie zimnej i po stronie gorącej. Wprowadzenie teoretyczne Gdy prąd ektryczny przepływa przez obwód złożony z dwu różnych przewodników, to ciepło będzie się uwalniać na jednym złączu, a na drugim będzie ulegać pochłanianiu, zależnie od kierunku przepływu prądu (efekt tiera). Ilość ciepła Q uwalnianego w jednostce czasu jest proporcjonalna do prądu I płynącego przez złącze: Q t I T I, Gdzie π jest współczynnikiem tiera, α jest współczynnikiem Seebecka, a T jest temperaturą bezwzględną. Jeżi prąd ektryczny I płynie w jednorodnym przewodniku w kierunku gradientu temperatury: dt, dx to ciepło będzie absorbowane (pochłaniane) lub wydziane zależnie od rodzaju materiału (efekt Thomsona): dt T I, dx gdzie τ jest współczynnikiem Thomsona. Kierunek w którym ciepło przepływa zależy od znaku współczynnika Thomsona, kierunku w którym płynie prąd i od kierunku gradientu temperatury. Jeżi prąd ektryczny I płynie przez przewodnik o rezystancji R, to pojawia się ciepło Joulle a: 2 J R I.

2 Laboratorium Fizyki Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki olitechniki Łódzkiej 2 /5 Ze względu na przewodzenie ciepła, ciepło przepływa również ze strony gorącej (temperatura T h (h=hot=gorący)) do strony zimnej (temperatura T c (c=cold=zimny)): A L L ( Th TC ), d gdzie L jest współczynnikiem przewodnictwa cieplnego., zaś A jest powierzchnią przekroju poprzecznego, a d jest grubością ementu tiera.. Kierunek przepływu ektronów I + n Strona zimna, T c p Kierunek przepływu dziur Strona gorąca, T h Rys 3: Konstrukcja półprzewodnikowej komórki tiera. ( n półprzewodnik typu n, nośnikami prądu ektrony, p półprzewodnik typu p, nośnikami prądu dziury). I Używany w tym ćwiczeniu termogenerator składa się ze 142 krzemowych komórek tiera połączonych ze sobą szeregowo pomiędzy dwiema miedzianymi płytami pokrytymi niklem. Zapisując: ΔT = T h T c, uzyskujemy dla pojemności cieplnej po stronie zimnej -czyli dla tzw. wydajności chłodniczej: I T 1 2 L A T C TC I I R 2 d Zaś, dla pojemności cieplnej pompy po gorącej stronie czyli dla tzw. mocy cieplnej: I T 1 2 L A T h Th I I R. 2 d Dostarczana do ementu moc prądu ektrycznego wynosi: I T I T RI 2 U I W tym przypadku moc ektryczna = U p I p nie jest równa R I 2 ponieważ termogenerator nie jest opornikiem liniowym, a moc prądu jest rozpraszana oprócz zwykłego mechanizmu rozpraszania energii ektronów na drganiach sieci krystalicznej, również w wyniku działania efektu Thompsona i efektu tiera.

3 Laboratorium Fizyki Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki olitechniki Łódzkiej 3 /5 Opis układu pomiarowego T c + gniazdo czerwone T h strona gorąca I 0 18 V= A V U płyty miedziane pokryte niklem łaźnie wodne gniazdo niebieskie Rys. 2. Schemat montażowy układu do pomiaru wydajności chłodniczej i wydajności grzewczej. Instrukcja przeprowadzenia pomiarów Doświadczenie ompa cieplna chłodziarka. Uwagi wstępne: Łaźnie wodne po obu stronach pompy cieplnej początkowo są napełnione wodą o tej samej temperaturze (patrz rysunek nr 2). Stosując stały prąd I zmierz zmiany temperatury w dwu łaźniach wodnych, tj. T h = f(t), T c = f(t), I i U. Jako temperaturę wody przyjmij temperaturę T h mierzoną w otworze w płycie miedzianej pokrytej niklem. omierz również I, U i T c. Oblicz pojemności cieplne bloku miedzi C Cu, wody C W i łaźni z brązu C Br wykorzystując ich rozmiary lub ich wagę (potrzebne dane uzyskasz z Dodatku nr 1 Termogenerator). Kolejność postępowania: 1. Włączyć przyciskiem ON/OFF amperomierz i woltomierz. 2. Włączyć zasilacz laboratoryjny przełącznikiem ON/OFF umieszczonym na płycie tylnej. 3. Wyniki wpisywać do tabi:

4 Laboratorium Fizyki Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki olitechniki Łódzkiej 4 /5 l p U p I p T c T h t czas bieżący uwagi [V] [A] [ 0 C] [ 0 C] [min] [s] [godz.:min.] zmiana kierunku prądu płynącego przez termogenerator Zapisać dla t = 0, wartości T c i T h, oraz godzinę i minutę rozpoczęcia pomiarów 5. Ustawić potencjometr V na zasilaczu na wartość 10V, potencjometrem A na zasilaczu ustawić stałą dla danej serii pomiarowej wartość prądu zasilania termogeneratora I p (w pierwszej serii I p = 2A, w drugiej serii I p = 4A). UWAGA: wartość I p odczytujemy na mierniku cyfrowym (I p nie może przekroczyć 5A). 6. Co minutę dokonujemy pomiaru temperatur T c i T h. okrętłem A na zasilaczu korygujemy wartość I p do poziomu właściwego dla danej serii pomiarowej. 7. W chwili odczytu temperatury, dla t=10 min zmieniamy kierunek prądu płynącego przez termogenerator (czerwony kab podłączamy do niebieskiego wejścia zasilacza, zaś niebieski do czerwonego gniazda zasilacza). Szybko korygujemy pokrętłem A wartość prądu I p tak aby była taka sama jak poprzednio. 8. rowadzimy pomiar przez 10 minut tak samo jak to opisano w punktach 5 i o zakończeniu pierwszej serii pomiarów, znów zmieniamy kierunek prądu płynącego przez termogenerator (czerwony kab dołączamy do czerwonego gniazda w zasilaczu, a niebieski kab do niebieskiego gniazda). rzygotowujemy identyczną tabę dla drugiej serii pomiarów. o zrównaniu się temperatur po obu stronach termogeneratora rozpoczynamy drugą serię pomiarów dla I p = 4A. omiar prowadzimy zgodnie z punktami 4-8 instrukcji. Opracowanie wyników Dane pomiarowe z każdej z tab przedstawiamy na wykresie, gdzie na osi pionowej odkładamy temperaturę T c lub T h w stopniach Csjusza zaś na osi poziomej czas dokonania pomiaru t w sekundach. Do obliczeń wydajności i odpowiednich współczynników bierzemy odcinki prostoliniowe wykresów, występujące po trzech minutach od rozpoczęcia pomiarów oraz te odcinki prostoliniowe które pojawią się po trzech minutach od przecięcia się obu krzywych temperatur (czyli trzy minuty i dalej od początku pomiarów oraz obszar rozpoczynający się 3 minuty po zrównaniu się temperatur po obu stronach termogeneratora po przełączeniu kabli zasilających). Dla krzywej narastającej liczymy wydajność grzewczą i współczynnik wydajności grzewczej, zaś dla krzywej malejącej liczymy wydajność chłodniczą i współczynnik wydajności chłodniczej. Z nachylenia krzywej temperatury wzrastającej możemy obliczyć wydajność grzewczą pompy (nachylenie i błąd nachylenia obliczamy metodą najmniejszych kwadratów dla czterech lub pięciu kolejnych punktów pomiarowych):

5 Laboratorium Fizyki Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki olitechniki Łódzkiej 5 /5 T h ( ) C t tot oraz odpowiadający tej sytuacji współczynnik wydajności grzewczej: h, gdzie: I U oraz C tot = m w c w + m Br c Br + m Cu c Cu 1100 J/(kgK), gdzie: m w jest masą wody w jednej łaźni, c w jest ciepłem właściwym wody, m Br jest masą brązu, c Br jest ciepłem właściwym brązu, m Cu jest masą jednej płyty miedzianej, c Cu jest ciepłem właściwym miedzi (Uwaga masy i ciepła właściwe bierzemy z pomiarów lub z danych podanych w Dodatku 1 Termogenerator), I jest prądem pompy, a U jest średnim napięciem przyłożonym do pompy cieplnej. Z nachylenia krzywej temperatury malejącej możemy obliczyć wydajność chłodniczą pompy: T c ( ) C t tot oraz odpowiadający tej sytuacji współczynnik wydajności chłodniczej: c, W sprawozdaniu należy zamieścić wykresy uzyskane w obu seriach pomiarowych oraz uzyskane wartości c, c, h, h przy określonych wartościach I p. Bibliografia 1. Sergiy Filin, Termoektryczne urządzenia chłodnicze. wyd. IU MASTA 2002, str Ogrzewanie i wentylacja t 2, seria Nowa technika w inżynierii sanitarnej, wyd. Arkady, Warszawa Wojciech Zalewski, ompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoektryczne. odstawy teoretyczne i obliczeniowe str , wyd. IU MASTA Jan Tauc, Zjawiska fotoektryczne i termoektryczne w półprzewodnikach, str , wyd. WN, oznań 1966