Результати вимірювань

RН, Ом	I, мкА	U, мВ	РН, мВт
0
0,1
…
1
2
...
11000

8. За даними табл. 3.1 побудувати на міліметровому папері ВАХ термоелектричного елемента як функцію .

9. Визначити початкову динамічну крутизну ВАХ як модуль тангенсу кута нахилу дотичної до точки при .

10. За рівнянням P_Н=IU визначити електричну потужність, що виділяється на опорі навантаження, при кожному значенні R_Н. Результати обчислень потужності занести до табл. 3.1.

11. На міліметровому папері побудувати залежність P_Н = P_Н(R_Н), і визначити опір термоелемента при максимальному значенні потужності.

12. За формулами (3.8) та (3.9) розрахувати добротність та коефіцієнт Пельт’є термоелемента.

13. Результати розрахунків занести до табл.3.2.

Таблиця 3.2

Параметри термоелектричних елементів

Тип елемента	, Ом	, 1/К	П, мВ
ХА
ХК

Контрольні питання

1. Назвіть основні параметри термоелектричного модуля.

2. Опишіть методику визначення початкової крутизни ВАХ.

3. В чому полягає методика визначення добротності термоелектричного модуля?

4. Якими величинами визначається коефіцієнт Пельт’є?

5. Запишіть рівняння ВАХ термоелектричного модуля.

Лабораторна робота №4

Дослідження характеристик теплових акумуляторів змінної температури

Мета роботи: Вивчити характеристики та визначити основні параметри теплових акумуляторів змінної температури

Прилади і матеріали: плитка електрична побутова; рідинний термометр; циліндр мірний; ємності з теплоакумулюючими речовинами

Короткі теоретичні відомості

Найбільш поширеним типом теплових акумуляторів є акумулятори змінної температури, тобто такі, що працюють в деякому інтервалі температур.

Теплові акумулятори змінної температури поглинають теплоту Q_П, що підводиться від зовнішнього джерела, в результаті чого температура теплоакумулюючої речовини збільшується на величину . При цьому робочий інтервал температур зазвичай є відомим і визначається температурою джерела теплоти, температурою теплоносія, яка потрібна споживачу, а також фізико-хімічними властивостями теплоакумулюючої речовини. В такому разі енергетичну місткість теплового акумулятора змінної температури зручно характеризувати параметром, що має назву питомої запасеної енергії і вимірюється у кДж/кг:

,

(4.1)

де С – питома теплоємність теплоакумулюючої речовини.

Повна запасена енергія теплового акумулятора може бути розрахована за рівнянням:

,

(4.2)

де  та V – відповідно густина та об’єм теплоакумулюючої речовини.

Якщо запасена енергія витрачається тільки на теплові втрати в навколишнє середовище з температурою , тобто відсутнє надходження тепла від джерела та відвід тепла споживачам, то тепловий баланс акумулятора визначається співвідношенням:

,

(4.3)

де - маса теплоакумулюючої речовини, кг; - теплоємність теплоакумулюючої речовини, Дж/кг·К; - поточна температура в акумуляторі, К; - термічний опір між акумулятором і навколишнім середовищем, м²·К/Вт; А – площа поверхні теплообміну, м².

Рішення рівняння (4.3) має вигляд:

,

(4.4)

де - початкова температура теплоакумулюючої речовини, К.

Незважаючи на те, що згідно (4.1) енергетична місткість теплового акумулятора повністю визначається теплоємністю акумулюючої речовини С та робочим інтервалом температур , ефективність акумулятора характеризується ще й таким важливим параметром, як тривалість зберігання теплоти . Тривалість зберігання теплоти залежить, перш за все, від інтенсивності процесів теплообміну з навколишнім середовищем. Для зменшення інтенсивності теплових втрат шляхом теплопровідності використовують ізоляцію акумуляторів матеріалами з низькою теплопровідністю, як правило, на основі волокнистих та спінених речовин. Коефіцієнт теплопровідності сучасних теплоізоляційних матеріалів становить 0,03 – 0,04 Вт/(м²К), що дозволяє ефективно боротися з втратами теплоти шляхом теплопровідності.

Більш серйозну проблему становить зменшення втрат теплоти шляхом випромінювання та конвекції. Боротьба з цими видами втрат, особливо для акумуляторів, що працюють при високій температурі, потребує застосування дорогої екранно-вакуумної ізоляції, в якій конвекція виключається за рахунок створення вакуумного середовища між стінкою акумулятора та тепловим екраном, а система послідовно розташованих екранів дозволяє ефективно боротися з втратами теплоти випромінюванням.

На тривалість зберігання теплоти тепловими акумуляторами значно впливає і так званий масштабний фактор. Річ у тім, що будь-який тепловий акумулятор запасає теплоту у всьому об’ємі акумулюючої речовини, а втрачає її лише з зовнішньої поверхні. Тому тривалість зберігання теплоти в акумуляторах великого розміру буде більшою, ніж у аналогічному малому акумуляторі.

Для температур до 100 ⁰С зазвичай у якості теплоакумулюючої речовини використовують воду, оскільки вона має достатньо велику питому теплоємність (С = 4,182 кДж/(кгК)) та низьку вартість. Однак, зважаючи на порівняно низьку температуру кипіння, використання води у якості акумулюючої речовини при температурах понад 100 ⁰С потребує створення ємностей, які працюють під тиском, що значно збільшує вартість та ускладнює конструкцію теплового акумулятора. Тому для роботи при високих температурах у якості теплоакумулюючої речовини використовують твердий гранульований матеріал, наприклад, гравій, щебінь, морську гальку, питома теплоємність яких трохи вища за 1 кДж/(кгК).

Порядок виконання роботи

1. Виміряти температуру оточуючого середовища .

2. Скляну термостійку ємність заповнити приблизно на 1/4 її об’єму V_П дистильованою водою, вимірявши попередньо об’єм залитої рідини V_і мірним циліндром.

3. На електричній плитці здійснити нагрівання теплоакумулюючої рідини до температури трохи вище 80 ⁰С. Температуру води контролювати за показаннями рідинного термометра.

4. По досягненні потрібної температури ємність з водою перемістити на теплоізоляційну підкладку для здійснення охолодження.

5. По досягненні в процесі охолодження температури води 80 ⁰С почати відлік часу, і через кожну хвилину контролювати температуру води за показаннями рідинного термометра, записуючи результати у табл. 4.1.

6. Повторити пункти 2-5 для ступенів заповнення ємності 1/2 та 3/4 V_П.

7. За результатами вимірювань на міліметровому папері побудувати сімейство експериментальних залежностей температури теплоакумулюючої рідини від часу.

8. З використанням рівняння (4.4) та експериментальних даних побудувати сімейство залежностей логарифму температури теплоакумулюючої рідини від часу та визначити термічний опір між акумулятором і навколишнім середовищем.

9. Для кожної із ступенів заповнення ємності знайти час, за який запасена енергія зменшується вдвічі, та зробити висновки щодо тривалості зберігання теплоти.

10. Для робочих температур теплового акумулятора 80; 75; ... Т_а за рівнянням (4.1) розрахувати питому запасену енергію при використанні води у якості теплоакумулюючої речовини, а за рівнянням (4.2) – повну запасену енергію для трьох ступенів заповнення ємності акумулятора. Результати розрахунків занести у табл. 4.2 та зробити висновки.

Таблиця 4.1