Ćwiczenie: T1; Pompa cieplna Peltiera. Określanie optymalnego punktu pracy.

1. Wstęp teoretyczny

Cel ćwiczenia:

Określanie wydajności chłodniczej pompy (P_chł), współczynnika wydajności chłodniczej (N_chł).

Opis przeprowadzonych pomiarów:

Stosując stały prąd I mierzyliśmy zmiany temperatury w dwóch łaźniach wodnych (zmiany temperatur zapisywaliśmy co minutę). Po upływie 10 minut wyrównywaliśmy temperaturę w obu łaźniach, po czym powtarzaliśmy pomiary dla kolejnego, podanego natężenia prądu.

1. Pomiary

1. Natężenie prądu I = 1A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	1	6,1	293	297,1
2.	60		5,7	292,4	296,9
3.	120		5,4	291,6	296,8
4.	180		5,4	291,1	296,7
5.	240		5,2	290,6	296,7
6.	300		5,2	290	296,7
7.	360		5,3	289,7	296,6
8.	420		5,3	289,4	296,6
9.	480		5,2	289,1	296,5
10.	540		5,1	288,9	296,5
11.	600		5,1	288,6	296,5

1. Natężenie prądu I = 2A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	2	8,4	290	299,3
2.	60		8,4	288,7	299,1
3.	120		8,5	287,6	299,1
4.	180		8,5	286,8	299
5.	240		8,4	286,1	299
6.	300		8,3	285,4	298,9
7.	360		8,3	284,7	298,8
8.	420		8,3	284,2	298,7
9.	480		8,4	283,6	298,6
10.	540		8,3	283,3	298,6
11.	600		8,3	282,8	298

1. Natężenie prądu I = 3A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	3	12,4	289	296,6
2.	60		12,3	287,6	300
3.	120		12,3	286,3	301,6
4.	180		12,3	285,4	302,7
5.	240		12,3	283,4	302,7
6.	300		12,3	282,7	302,7
7.	360		12,3	281,9	302,5
8.	420		12,3	281,2	302,4
9.	480		12,4	280,6	302,3
10.	540		12,4	279,6	302,3
11.	600		12,4	279,1	302,2

1. Natężenie prądu I = 3,5A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	3,5	12,9	289	295,7
2.	60		14,3	285,2	304,1
3.	120		14,7	284,3	305,5
4.	180		14,5	283,2	305,4
5.	240		14,3	282,5	305,2
6.	300		14,3	281,5	305
7.	360		14,1	280,6	305
8.	420		14,1	280	304,7
9.	480		14,1	279,1	304,7
10.	540		14,2	278,4	304,6
11.	600		14,2	278	304,4

1. Natężenie prądu I = 4A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	4	15,2	287,8	297,8
2.	60		15,7	285	305,6
3.	120		15,8	283,4	306,9
4.	180		15,8	282,4	307,1
5.	240		15,9	281,4	307
6.	300		15,9	280,4	307
7.	360		16	279,4	306,9
8.	420		16,1	278,7	306,8
9.	480		16	278,1	306,7
10.	540		16	277,8	306,9
11.	600		16	277,1	306,9

1. Natężenie prądu I = 4,5A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	4,5	16,5	285,9	297,3
2.	60		16,7	284,8	307,5
3.	120		16,6	283,8	308
4.	180		17,7	283	308,7
5.	240		17,7	282,1	309,8
6.	300		17,9	281,3	309,7
7.	360		17,9	280,2	309,8
8.	420		17,9	279,1	309,9
9.	480		18	278,3	309,8
10.	540		18,2	277,6	309,7
11.	600		18,1	277	310,3

1. Wykresy charakterystyki chłodniczej i obliczenia:

1. dla I = 1A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	293
2.	60	292,4
3.	120	291,6
4.	180	291,1
5.	240	290,6
6.	300	290
7.	360	289,7
8.	420	289,4
9.	480	289,1
10.	540	288,9
11.	600	288,6

W wykresie pominęłam pomiar 1,2,3 i 4.

a_chł = -5.238095*10^-3 K/s; Δa_chł = 0.368856*10^-3 K/s

b = 2.91671*10²; Δb = 0.00161*10²

korelacja = 0.98783

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 5,238095*10^-3 K/s *1100 J/K = 5,7619045 W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0,368856*10^-3 K/s * 1100J/K = 0,41 W

P_chł = (5,76±0,41) W

U_śr = 5,364 V

P_el = U_śr * I

P_el = 5,364 V * 1A = 5,364W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 5,76W / 5,364W = 1,07

1. dla 2A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	290
2.	60	288,7
3.	120	287,6
4.	180	286,8
5.	240	286,1
6.	300	285,4
7.	360	284,7
8.	420	284,3
9.	480	283,6
10.	540	283,3
11.	600	282,8

W wykresie pominęłam pomiary 1, 2 i 3.

a_chł = 9.198413*10^-3 K/s; Δa_chł = 0.356731*10^-3 K/s

b = 2.88172*10²; Δb = 0.00148*10²

korelacja = 0.99552

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 9.198413*10^-3 K/s *1100 J/K = 10,12W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0.356731*10^-3 K/s * 1100J/K = 0,39 W

P_chł = (10,12±0,39) W

U_śr = 8,373 V

P_el = U_śr * I

P_el = 8,373 V * 2A = 16,75W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 10,12W / 16,75W = 0,60

1. dla I = 3A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	289
2.	60	287,6
3.	120	286,3
4.	180	285,4
5.	240	283,4
6.	300	282,7
7.	360	281,9
8.	420	281,1
9.	480	280,6
10.	540	279,6
11.	600	279,1

W wykresie pominęłam pomiar 1, 2, 3 i 4.

a_chł = -1.214286*10^-2 K/s; Δa_chł = 0.030117*10^-2 K/s

b = 2.86314*10²; Δb = 0.00132*10²

korelacja = 0.99847

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 1.214286*10^-2 K/s *1100 J/K = 13,35W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0.030117*10^-2 K/s * 1100J/K = 0,33W

P_chł = (13,35±0,33) W

U_śr = 12,34 V

P_el = U_śr * I

P_el = 12,34 V * 3A = 37,02W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 13,35W / 37,02W = 0,36

1. dla I = 3,5A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	289
2.	60	285,2
3.	120	284,3
4.	180	283,2
5.	240	282,5
6.	300	281,5
7.	360	280,6
8.	420	280
9.	480	279,1
10.	540	278,4
11.	600	278

W wykresie pominęłam pomiary 1 i 2.

a_chł = -1.363636*10^-2 K/s; Δa_chł = 0.040448*10^-2 K/s

b = 2.8578*10²; Δb = 0.00151*10²

korelacja = 0.9965

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 1.363636*10^-2 K/s *1100 J/K = 15,00W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0.040448*10^-2 K/s * 1100J/K = 0,44W

P_chł = (15,00±0,44) W

U_śr = 14,34V

P_el = U_śr * I

P_el = 14,34V * 3,5A = 50,19W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 15,00W / 50,19W = 0,30

1. dla I = 4A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	287,8
2.	60	285
3.	120	283,4
4.	180	282,4
5.	240	281,4
6.	300	280,4
7.	360	279,4
8.	420	278,7
9.	480	278,1
10.	540	277,8
11.	600	277,1

W wykresie pominęłam pomiar 1.

a_chł = -1.423232*10^-2 K/s; Δa_chł = 0.087544*10^-2 K/s

b = 2.85067*10²; Δb = 0.00326*10²

korelacja = 0.9852

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 1.423232*10^-2 K/s *1100 J/K = 15,70W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0.087544*10^-2 K/s * 1100J/K = 0,96W

P_chł = (15,70±0,96) W

U_śr = 15,84V

P_el = U_śr * I

P_el = 15,84V * 4A = 63,36W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 15,70W / 63,36W = 0,25

1. dla I = 4,5A

L.p.	t [s]	Tchł [K]
1.	0	285,9
2.	60	284,8
3.	120	283,8
4.	180	283
5.	240	282,1
6.	300	281,3
7.	360	280,2
8.	420	279,1
9.	480	278,3
10.	540	277,6
11.	600	277

a_chł = -1.507576*10^-2 K/s; Δa_chł = 0.028368*10^-2 K/s

b = 2.85714*10²; Δb = 0.00101*10²

korelacja = 0.99841

P_chł = a_chł * C; C = 1100 J/K

P_chł = 1.507576*10^-2 K/s *1100 J/K = 16,58W

ΔP_chł = Δa_chł * C

ΔP_chł = 0.028368*10^-2 K/s * 1100J/K = 0,31W

P_chł = (16,58±0,31) W

U_śr = 17,56V

P_el = U_śr * I

P_el = 17,56V * 4,5A = 79,02W

Ƞ_chł = P_chł / P_el

Ƞ_chł = 16,58W / 79,02W = 0,21

1. Wykres zależności P_chł w funkcji natężenia prądu I:

I [A]	Pchł [W]	Pel [W]	Ƞchł [-]
1	5,76	5,364	1,07
2	10,12	16,75	0,60
3	13,35	37,02	0,36
3,5	15,00	50,19	0,30
4	15,70	63,36	0,25
4,5	16,58	79,02	0,21

Wartość optymalna natężenia prądu zasilania modułu Peltiera wynosi ok. 3 A.

1. Wykres zależności temperatury minimalnej, osiąganej w danej serii pomiarowej w

funkcji natężenia prądu I:

1. Wnioski

Szybkość chłodzenia się płytek jest zależna od natężenia prądu I. Przy niższym natężeniu prądu płytki chłodziły się wolniej, niż przy natężeniu wyższym.

Przy wyższym natężeniu wydajność chłodnicza była większa, niż przy natężeniu niższym.

Współczynniki wydajności chłodniczej również zależą od natężenia – im większe natężenie, tym większy współczynnik.

Na niedokładność pomiarów mogły wpłynąć zmiany temperatury otoczenia, co mogło być przyczyną odchyleń w pomiarach. Wpływ mogła mieć również niedokładność aparatury pomiarowej.