Peltierův článek jako tepelné čerpadlo

Transkript

1 Pelterův článek jako tepelné čerpadlo Pelterův článek je založen na termoelektrckém jevu. Termoelektrcký jev je vyvolán průchodem elektrckého proudu přes dva různé materály zapojené do sére, čímž vznká na obou materálových spojích rozdílná teplota (termogenerátor) nebo naopak může být vyvolán rozdílem teplot na materálových spojích, čímž vznká elektrcký proud (generátor proudu, např. termočlánek). Pelterův článek se vyrábí ve formě jednotlvých polovodčových elementů uspořádaných do batere, aby se zesíll účnek termoelektrckého jevu. Polovodčové elementy jsou typu P a N a mají tvar krátkých sloupečků. Dvojce sloupečků jsou na obou koncích spojeny měděným destčkam (vz obrázek). Průchodem proudu se protlehlé strany Pelterova článku dostávají na odlšné teploty (teplá a studená strana). Vzhledem k velm malé výšce polovodčových sloupečků (několk mlmetrů) je obtížené obě strany od sebe tepelně oddělt - sloupce polovodčů tak tvoří tepelné mosty, čímž snžují účnnost článku zejména př větších rozdílech teplot. Se vzrůstajícím rozdílem teplot klesá účnnost článku (největší hodnota účnnost je proto př nulovém rozdílu teplot, podobně jako u kompresorových tepelných čerpadel. Obrácením směru proudu s obě strany článku vymění teploty (z teplé strany se stane studená a naopak). Pelterův článek lze využít jak ke chlazení, tak k topení. Článek funguje tak, že studená strana odnímá teplo z okolí a předává je teplé straně, která přjímá energ z elektrckého napájení. Dochází tak k přečerpávání tepla ze studené strany na teplou, což je podporováno příkonem elektrcké energe Po. Změříme-l výkon teplé strany P, můžeme ocent účnnost topení (topný faktor ) pomocí podílu výkonu ku příkonu: P (1) Po Pelterův článek má ve srovnání s kompresorovým tepelným čerpadly menší topný faktor a poměrně velkou spotřebu elektrcké energe. Má však také určté přednost ve srovnání s nm, a to naprostou bezhlučnost, nulové vbrace a protože nemá žádné mechancké část, je rovněž provozně spolehlvější (bezporuchový). V zařízeních, která vyžadují elmnac hlučnost a vbrací je proto upřednostňován za cenu větší spotřeby elektrcké energe. 1

2 Úkol: Vyšetřete hodnotu topného faktoru Pelterova článku. Pops měření: K dspozc je upravený Pelterův článek: na studené straně je opatřen chladčem s ventlátorem, na teplou stranu je postavena nádobka ze sltny hlníku, manganu a křemíku 1 1 ( m Sl 0,25 kg, c Sl 880 Jkg K ) zolována kolem obvodového pláště polystyrénem (termoska s odkrytým dnem). Chladč zastupuje funkc venkovního prostoru se stablní teplotou, odkud se čerpá teplo, termoska zastupuje funkc domácího výměníku, kam se teplo ukládá. Termoska se naplní dvěma sty mlltry destlované vody ( m H, 2O 0,20 kg 1 1 c H 4200 K ). Teplá strana Pelterova článku dodává teplo do vody a současně 2 O Jkg pokrývá teplo, které unká přes polystyrénovou zolac o ploše S =0,032 m 2, ťloušťce 0,025m, tepelné vodvost 0,051 Wm -1 K -1 a tepelném odporu R 0,125 0, 025/ 0,051 0,125 0, 74 m 2 K/W. Tepelné únky ve Watech jsou dány následovně: T t S 0,039 ( T To ) (Watt) (2) R Po zapnutí proudu se kontnuálně po 5 mnutách odečítá teplota teplé strany ( T ) a studené strany ( t ) a hodnota proudu I a napětí U. Elektrcký příkon Po je dán součnem proudu a napětí: P o U I (Watt) (3) Výkon P Pelterova článku je oceňován teplem akumulovaným v termosce v rámc pětmnutových ntervalů ( s) pomocí kalormetrcké rovnce: P csl mh ) ( ) 2O ch 2O T T 0,039 ( T To ),534( T T ) 0,039 ( T T ) (Watt) (4) ( msl o kde ( T T 1) je zvýšení teploty teplé strany v rámc pětmnutového ntervalu a ( T To ) je rozdíl mez teplotou teplé strany T a okolní teplotou To. Do energetckých úvah nezahrnujeme spotřebu ventlátoru u chladče, neboť v prax by jeho úlohu plnla nucená konvekce (tj. vítr) venkovního prostoru, do kterého by byl umístěn chladč bez ventlátoru. Topný faktor pro každý pětmnutový nterval získáme z rovnce (1). Pomůcky: a) Upravený Pelterův článek b) Voltmetr (Metex na rozsahu 20V ss) c) Ampérmetr (Metex na rozsahu 20A ss) d) Odměrný válec (>250ml) e) Stopky nebo hodnky s vteřnovým odečtem Důrazné upozornění: Pokud přebíráte pracovště po předchozím měření, je nutné vyměnt zahřátý chladč za náhradní, který je přložen na základní desce a má pokojovou teplotu. Pokud je termonádobka zahřátá z předešlého měření, je nutné j propláchnout několkrát destlovanou vodou pokojové teploty, aby se nádobka co nejvíce přblížla pokojové teplotě. Měření nezahajujte, pokud nebude zaručena pokojová teplota na obou částech zařízení. Není-l možné dostatečně 2

3 rychle zařízení ochladt, je přípustný malý rozdíl teplot nepřesahující 0,5 o C - vyhnete se tak zkresleným výsledkům. Postup měření: a) Do termo-nádobky naljte přesně 200 ml destlované vody o pokojové teplotě. Na dně z vnější strany termo-nádobky je přpevněn Pelterův článek (typ TEC S). Termonádobku opatrně uzavřete polystyrénovým poklopem s vestavěným teploměrem a postavte j na chladč. Chladč má v sobě zabudovaný teploměr, který přblžně měří teplotu chladné strany Pelterova článku. b) Zapněte venkovní ventlátor chladče. c) Nechte ustált teploty obou stran článku (tj. teploty obou teploměrů) tak, aby byly co nejblíže pokojové teplotě. Maxmální vzájemná dference obou teploměrů nesmí být větší jak 0,5 o C, jnak nebudou zaručeny korektní startovní podmínky a výsledky budou zkreslené (nžší hodnoty topného faktoru). Snažíme se zjstt maxmální hodnotu topného faktoru, která nastává př nulovém rozdílu teplot obou stran článku, a z toho důvodu musíme startovat s mnmálním teplotním rozdílem. e) Po ustálení teplot obou teploměrů zapšte jejch počáteční hodnoty (tj. hodnoty teplé a studené strany Pelterova článku). Přpojte vývody článku k napájecí krabc. f) Zapněte elektrcké napájení a hned nastavte hodnotu napětí 2 Volty (během měření budou hodnoty napětí a proudu mírně kolísat). Během celého dalšího měření jž napětí neměňte. g) Vyčkejte 5 mn. a v poslední půlmnutě tohoto ntervalu odečtěte teploty T, t obou teploměrů a také hodnoty napětí U a proudu I. h) Po uplynutí každých 5 mnut operace popsané v bodě g) kontnuálně opakujte, a to alespoň desetkrát. Je nutné, aby všechny pětmnutové ntervaly na sebe navazovaly bez přerušení. Hodnoty zapsujte do předem přpravené tabulky (vz příklad měření uvedený na konc tohoto textu). Zpracování naměřených údajů: a) Vypočítejte topné faktory pro všechny pětmnutové ntervaly měření. b) Sestrojte graf f T ), tj. závslost topného faktoru na rozdílu teplot teplé a ( studené strany Pelterova tepelného čerpadla T ( T t ). c) Na grafech vyznačte mez, kdy př daném napětí přestává být Pelterův článek efektvním topdlem a v dskus vysvětlete, jak jste tuto mez stanovl a jaká hodnota T ( T t ) této mez přísluší. Je třeba se také zmínt o tom, že není kompenzován vlv paraztních polovodčových tepelných můstků, což ve svém důsledku snžuje hodnotu topného faktoru, která by v deálním případě byla větší než ta, kterou lze daným zařízením naměřt. d) Vyjádřete svůj názor, zda by Pelterovy články byly využtelné v prax jako tepelná čerpadla. V současné době někteří tepelní technc uvažují o jejch využtí (vz ). Příklad, jak lze úlohu měřt na další straně. 3

4 Tab. 1 Pelterovo tepelné čerpadlo - měřeno př konstantím napětí 2V, se započítáním tepelných únků. Čas t mn Tepl. T o C Stud. t o C T T t P 3,534( T T 1) U I P o P o C 0,039 ( T To ) V A UI Po W W 0 22,5 22, ,5 21,15 5,35 14,292 1,98 2,74 5,425 2, ,05 8,95 12,661 1,95 2,83 5,603 2, ,95 21,65 11,3 10,833 1,93 2,9 5,597 1, ,5 22,0 13,5 9,519 1,92 2,95 5,664 1, ,9 22,75 15,15 9,082 1,90 3,01 5,719 1, ,104 1,89 3,05 5,764 1, ,6 23,15 18,45 6,399 1,88 3,09 5,809 1, ,1 23,95 19,15 6,104 1,87 3,12 5,834 1,

5 Nepovnná část Následující měření byly prováděny bez započítání tepelných ztrát na teplé straně Pelterova tepleného čerpadla. 5

6 Z předešlých tří grafů je vdět, že s rostoucím konstantním napájením Pelterova tepelného čerpadla lze dosáhnout šršího teplotního ntervalu, ve kterém je tepelné čerpadlo ještě účnné ( 1). Př 2 voltech byla šířka ntervalu 16 stupňů, př 3 voltech 23 stupňů a př 4 voltech 27 stupňů. Jestlže započteme tepelné únky na teplé straně, dojde ještě k dalšímu rozšíření těchto ntervalů. Na rozdíl od kompresorového tepelného čerpadla má Pelterovo čerpadlo možnost měnt příkon energe zvyšováním napětí. Lze tedy topné faktory také měřt př postupně rostoucím napětí, jak ukazuje následující graf. Nutno ovšem poznamenat, že takto určované topné faktory mají poněkud odlšnou nterpretac ve srovnání s faktory měřeným př konstantním příkonu. 6