Устройство для нагрева воды до состояния кипения, работающее от USB
Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект - от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Идея» среди работ учащихся 10-11 классов |
Направление работы: Электротехника
Авторы работы: ГБОУ Школа №2030
Email: Написать
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект − от знаний к практике, от практики к результату» 17 апреля 2019 года
|
Актуальность работы
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:
- Ознакомление с литературой, изучение принципа действия нагревателей.
- Сборка экспериментальной установки, основанной на принципе Пельтье.
- Подбор устройств, основанных на обычных способах нагрева.
- Экспериментальное определение потребляемой мощности для всех устройств.
- Сравнение КПД нагревателей в условиях потребления малого напряжения (походные условия).
- Оценивание, насколько безопасны в использовании те или иные виды нагревателей.
- Оценивание себестоимости изделий.
- Составление практических рекомендаций по использованию элементов Пельтье в качестве нагревателя.
- Проектирование собственного максимально эффективного, безопасного и удобного нагревателя.
Описание работы
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.
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.
Результаты
Собрана установка для исследования нагревательного действия элемента Пельтье.
Подобраны устройства, основанные на обычных способах нагрева.
Определена потребляемая мощность для всех устройств.
Проведено сравнение КПД нагревателей в условиях потребления малого напряжения.
Оценена себестоимость изделия.
Начато проектирование собственного нагревателя на эффекте Пельтье.
Оснащение и оборудование, использованное в работе
Жестяная ёмкость, 1 шт.
Пенопласт, 1 лист
Элемент Пельтье, 3 шт.
Радиатор, 2 шт.
Термопаста, 1-2 г
Проволока, 1 шт.
Электроплита, 1 шт.
Электрочайник, 1 шт.
Кипятильник, 1 шт.
Награды/достижения
Диплом призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10−11 классов.
Перспективы развития результатов работы
В планах создать нагреватель, который будет кипятить воду, используя в качестве источника электроэнергии переносной аккумулятор, powerbank, или USB-разъём и ноутбук.