Проекты

Устройство для кипячения воды, работающее через USB на эффекте Пельтье

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Электродинамика
Авторы работы: ГБОУ Школа №2030
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Оказываясь вдалеке от электросети, люди сталкиваются с проблемой нагрева воды. Обычно приходится искать дрова и разводить костёр, но не всегда это возможно. В работе предлагается попробовать альтернативный вариант. Существуют переносные холодильники на эффекте Пельтье, но в продаже не найдено ни одного нагревателя, поэтому была выдвинута гипотеза:

Элемент Пельтье нагревается с одной стороны и охлаждается с другой. Предполагается, что если использовать его только как нагреватель, то КПД окажется почти вдвое меньше. И именно поэтому эффективнее оказываются нагревательные элементы, работающие по закону Джоуля-Ленца.

Цель: сравнить нагреватели, основанные на элементах Пельтье, с обычными электрическими и выбрать наиболее эффективный.

Задачи

  1. Ознакомление с литературой. Изучение принципа действия нагревателей.
  2. Сборка экспериментальной установки, основанной на принципе Пельтье.
  3. Подбор устройств, основанных на обычных способах нагрева.
  4. Экспериментальное определение потребляемой мощности для всех устройств.
  5. Сравнение КПД нагревателей в условиях потребления малого напряжения (походные условия).
  6. Оценивание, насколько безопасны в использовании те или иные виды нагревателей.
  7. Оценивание себестоимости изделий.
  8. Составление практических рекомендаций по использованию элементов Пельтье в качестве нагревателя.
  9. Проектирование собственного максимально эффективного, безопасного и удобного нагревателя.

Описание

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Эффект Пельтье обычно применяется для охлаждения, так как нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца.

Для конструирования нагревателя на эффекте Пельтье была подобрана банка, подходящая по размерам. Поскольку банка протекала, она была загерметизирована.

Из пенопласта были вырезаны панели, которые крепятся к стенкам банки, и герметичная крышка, чтобы тепло не терялось. В крышке предусмотрено отверстие для термопары. Далее элементы Пельтье были прикреплены нагревающейся стороной к дну банки, поверхность которой заранее была покрыта термопастой. Охлаждающуюся сторону элементов соединили с алюминиевыми радиаторами, чтобы эта сторона элемента Пельтье охлаждалась быстрее. При такой конструкции радиаторы будут сильнее охлаждать холодную сторону Пельтье, а горячая сторона будет сильнее нагреваться.

Для электропитания элементов Пельтье необходимо подключить к ним источник тока напряжением 12 В. Параметры цепи и потребляемую мощность оценили и отрегулировали, проведя испытания прибора. Максимальное допустимое напряжение − 30 В. Максимальная допустимая сила тока – 3,6 А.

Схема изделия (3D-модель)

  1. Жестяная ёмкость
  2. Пенопластовые пластины
  3. Радиаторы
  4. Подставка
  5. Пельтье

Для экспериментальной части были выбраны обычный бытовой чайник, бытовая электроплита, кипятильник и проволока. По условиям испытаний все приборы включались к низковольтному источнику постоянного тока.

По результатам опытов было выявлено, что КПД элемента Пельтье не хуже, чем у других нагревателей, а лучше по всем параметрам.

Результат

  1. Собрана установка для исследования нагревательного действия элемента Пельтье.
  2. Подобраны устройства, основанные на обычных способах нагрева.
  3. Определена потребляемая мощность для всех устройств.
  4. Проведено сравнение КПД нагревателей в условиях потребления малого напряжения.
  5. Оценена себестоимость изделия.
  6. Начато проектирование собственного нагревателя на эффекте Пельтье.

В планах у авторов создать нагреватель, который будет кипятить воду, используя в качестве источника электроэнергии переносной аккумулятор, powerbank, или USB-разъём и ноутбук.