Peltier-Effekt: Wärmepumpe

Transkript

1 Peltier-Effekt: Wärmepumpe ENT Schlüsselworte Wärmepumpe, Leistungsziffer, Wirkungsgrad, Peltierelement, Elektrische Energie, Wärmeenergie Prinzip Fließt ein Gleichstrom durch ein Peltier-Element, dann erwärmt sich eine Seite und die andere kühlt sich ab. Mit dieser Eigenschaft lässt sich das Prinzip der einer Wärmepumpe erklären: Die warme Seite wird nicht nur durch den elektrischen Strom erhitzt, sondern auch durch das Abkühlen der anderen Seite, es wird Energie von der kalten Seite auf die warme gepumpt. In diesem Versuch werden Temperaturen und elektrische Arbeit in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Daraus lassen sich die elektrische Energie und Wärmeenergien auf beiden Seiten bestimmen und Leistungsziffer und Wirkungsgrad berechnen. Material *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *2 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *1 Ausschalter, DB *1 Thermogenerator, Peltierelement *1 Wärmeisolierungsplatte, Filz *1 Geräteträger auf Haftmagneten *2 Becherglas, niedrige Form, 250 ml *1 Rührstab *1 Glasstab, l = 200 mm, d = 5 mm Kaltes Wasser **2 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **2 Halter für Handmessgeräte **2 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 750 mm, blau Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless Manager PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Peltier-Effekt: Wärmepumpe Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. Der Schalter ist offen. - Den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes über die Cobra4 Sensor-Unit Energy an den Stromkreis anschließen. Darauf achten, dass der positive Pol des Netzgerätes mit der A -Buchse der Sensor Unit verbunden wird. - Geräteträger mit Haftmagneten an die Wand setzen und die Wärmeisolierungsplatte darauf legen (zunächst noch nicht die Bechergläser mit dem Thermogenerator darauf stellen). - Die Tauchfühler an die Cobra4 Sensor Unit 2x Temperatur anschließen. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Jeweils ein Cobra4 Wireless-Links mit einer Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten der Wireless-Links werden die Sensor-Units automatisch erkannt und es wird ihnen eine ID- Nummer zugewiesen, die im Display der beiden Cobra4 Wireless-link sichtbar sind. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless-Manager und den Cobra4 Wireless-Links wird durch die jeweilige LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur einschalten. Die Sensor- Unit und die Messgrößen T 1 und T 2 werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 2). Abb. 2: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Peltier-Effekt: Wärmepumpe ENT - Beide Bechergläser mit genau 150 ml Wasser füllen und auf den Geräteträger stellen. - Den Thermogenerator an den Stromkreis anschließen und in die Becherglaser stellen. - Die beiden Temperaturfühler in die Bohrungen des Thermogenerators stecken, T1 soll dabei die Temperatur des negativen Pols sein (blau). - Glasstab bzw. Rührstab in die Bechergläser stellen. - Am Netzgerät die Stromstärke auf 1 A einstellen, die Spannung auf ca. 3 V. - Netzgerät einschalten. - Den Schalter im Stromkreis schließen. - Messwertaufnahme in measure starten. - Die Aufnahme eines Messwertes erfolgt alle 30 s. Wasser in den Bechergläsern gleichmäßig umrühren, vor allem vor einer Messung. - Die Messwertaufnahme endet automatisch nach 10 min. - Messwert für die elektrische Arbeit protokollieren. - Messwerte in das Hauptprogramm measure übertragen. - Netzgerät ausschalten. Beobachtungen und Ergebnisse Der negative Pol des Thermogenerators erwärmt sich während der positive sich abkühlt. Dabei ist die Temperaturerhöhung etwas größer als die Abnahme. Die elektrische Arbeit beträgt nach der Messung 1404,6 Ws. Auswertung Fließt ein Strom durch das Peltier-Element, dann verändert sich seine Temperatur und damit sein Innenwiderstand. Bei konstanter Spannung bedeutet dies eine große Veränderung der Stromstärke und der Leistung des Thermogenerators. Es wird daher empfohlen, die Stromregelung des Netzgerätes zu nutzen um die Stromstärke automatisch auf 1 A zu halten. Die Wärmeenergien auf der warmen bzw. der kalten Seite des Thermogenerators lassen sich aus der Gesamt-Wärmekapazität C und aus den jeweiligen Temperaturdifferenzen ϑ berechnen. Wärmeenergie = C ϑ wobei sich die Gesamt-Wärmekapazität C aus der Wärmekapazität des Wassers C W im Becherglas und der Wärmekapazität C TG vom Kupfer-Schenkel des Thermogenerators zusammensetzt. = C W + C ) ϑ ( TG Die Wärmekapazitäten C W bzw. C TG sind das Produkt aus der jeweiligen Masse und den spezifischen Wärmekapazitäten c W bzw. c TG. C = c m Das Peltier-Element des Thermogenerators liegt zwischen zwei gebogenen Kupferblechen, die Buchsen für die Thermoelemente bestehen aus Messing. Die spezifischen Wärmekapazitäten von Kupfer und Messing sind im Rahmen der Messgenauigkeit praktisch gleich groß, so dass der Einfachheit halber mit dem gleichen Wert gerechnet werden kann. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Peltier-Effekt: Wärmepumpe Die Wärmekapazitäten sind in der Tabelle angegeben. Tabelle: Wärmekapazitäten von jeweils einer Seite des Thermogenerators m g c J/gK Thermogenerator (Cu, Ms) 147 0, C J/K Wasser 150 4, Gesamt Abb. 3: Messung In Abb. 3 mit Hilfe der Funktion Darstellungsoptionen für die Temperaturen T 1 und T 2 als sinnvolle Nachkommastellen Anzahl 2 wählen. An die Messkurve für T 1 (linke Achse) mit Hilfe der Funktion Regression eine Gerade anlegen und die Steigung, d. h. die durchschnittliche Erwärmung des Wassers, bestimmen. Entsprechend für T 2. Steigung der Geraden für T 1 : 0,28 K/min Steigung der Geraden für T 2 : 0,10 K/min Energiebilanz nach 10 Minuten: Temperaturänderung der Wasserbäder Warme Seite Τ 1 = 2,8 K nach 10 min Kalte Seite Τ 2 = 1,0 K nach 10 min 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Peltier-Effekt: Wärmepumpe ENT Benötigte elektrische Energie (am Ende der Messung abgelesen) el = 1404,6 Ws, wobei 1 Ws = 1 J Elektrische Energie Wärmeenergie Warme Seite Kalte Seite el = 1,40 kj w = 1,91 J k = 0,68 J Leistungsziffer ε und Wirkungsgrad η einer Wärmepumpe sind folgendermaßen definiert: η = ε = Aus den im Experiment ermittelten Energien ergibt sich Leistungsziffer ε = 1,36 Wirkungsgrad η = 92 % el Es ist das typische Merkmal einer Wärmepumpe, dass die Leistungsziffer größer als 1 ist. Mit Hilfe der elektrischen Energie wird auf einer Seite gekühlt, dort wird Wärmeenergie entzogen und dadurch die andere Seite stärker erwärmt, als dies mit einer rein elektrischen Heizung möglich wäre. Hinweise 1. Die Stromstärke sollte in diesem Versuch nicht größer als 1 A gewählt werden. Wenn sich das Peltier-Element zu stark erhitzt, dann werden die Wärmeverluste dort zu hoch, die Leistungsziffer wird kleiner und das Peltier-Element kann nicht mehr überzeugend als Wärmepumpe dargestellt werden. 2. In diesem Versuch wurden keine isolierten Gefäße verwendet, damit die Schüler den Thermogenerator gut sehen können. Dadurch werden Wärmeverluste in Kauf genommen. Anwendung Für Heizungsanlagen werden vor allem Kompressionswärmepumpen verwendet. Auf der warmen Seite wird Energie an das Heißwassersystem des Hauses abgegeben, und auf der kalten Seite Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Im Kreislauf einer Kompressionswärmepumpe herrschen zwei verschiedene Drücke. Dadurch ist es möglich, dass das Kältemittel auf der kalten Seite Energie aufnimmt und verdampft. Beim Durchgangdurch den Kompressor wird der Druck erhöht und das Kältemittel kann auf der warmen Seite Energie abgeben und kondensieren. Danach fließt es durch eine Drossel wieder auf die Niederdruck-Seite. w el w + k P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Peltier-Effekt: Wärmepumpe Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 7.4 Der Peltier-Effekt: Wärmepumpe (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Digitale Großanzeige PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P