Дослідження процесу електродного нагрівання рідини

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Високий
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне й експериментальне дослідження процесу електродного нагрівання рідини.

Мета роботи: визначення коефіцієнту корисної дії (ККД) електродного нагрівача.

Завдання роботи: дослідити процес електродного нагрівання рідини та визначити його ККД.

Блок 2. Попередня інформація

Електродний нагрів рідини здійснюється шляхом пропускання електричного струму безпосередньо через теплоносій. Теплоносій має бути електропровідним. Зазвичай на практиці використовують розчини різноманітних солей, зокрема – гідрокарбонату натрію. Електричний струм при цьому має бути змінним для мінімізації явища електролізу.

Застосування електродного нагрівання теплоносія в електричних системах опалювання має ряд суттєвих переваг порівняно з використанням звичайних нагрівних елементів:

– відсутність аварійних ситуацій, пов’язаних із витіканням теплоносія. У разі витікання теплоносія електричний ланцюг розмикається, оскільки теплоносій є його елементом;

– значно менша інерційність, що дає змогу ефективніше застосовувати керівну автоматику;

– електродні котли мають менші габаритні розміри та собівартість.

Недоліками електродних систем нагрівання є:

– вибагливість до якості теплоносія;

– поступова зміна хімічного складу теплоносія через явище електролізу, що призводить до зміни його електропровідності, а, відповідно, і потужності;

– виділення електролізних газів у процесі роботи, що може призвести до утворення газових пробок;

– необхідність гарного електричного заземлення, у випадку порушення якого виникає небезпека враження електричним струмом.

Кількість теплоти, що виділяється під час електродного нагрівання рідини, пропорційна силі струму, часові його проходження і падінню напруги:

(1)

де I – сила струму;

U – прикладена напруга;

T – час проходження струму.

Для визначення кількості виділеної теплоти при проходженні струму крізь теплоносій використовують калориметричний метод. Сутність методу полягає у визначенні кількості теплоти, яку отримує теплоносій у внутрішньому стакані калориметра при проходженні крізь нього струму. Далі йде вирахування кількості теплоти, виходячи з виразу:

(2)

де св – питома теплоємність теплоносія;

m – маса теплоносія в калориметрі;

∆t – різниця кінцевої та початкової температури води.

Коефіцієнт корисної дії електродного нагрівника визначається відношенням:

(3)

Досліджувана проблема – визначити ККД електродного нагрівника за різних концентрацій солі в теплоносії та з’ясувати, як впливає склад теплоносія на ККД.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: електрична енергія, теплова дія електричного струму, теплова енергія, коефіцієнт корисної дії.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

Блок 3. Обладнання

набірне поле «Школяр»; джерело живлення постійного струму; джерело живлення змінного струму 12 В; мобільна лабораторія NOVA5000; датчик напруги DT001; датчик струму DT005; датчик температури DT029; 2 мультиметри; з’єднувальні провідники; нагрівний елемент; калориметр; мірний циліндр; вода кімнатної температури; кухонна сіль.

Основні терміни та поняття

РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Закон Джоуля-Ленца ЕЛЕКТРОЛІТИЧНА ДИСОЦІАЦІЯ – СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛІТАХ ЗАКОН ЕЛЕКТРОЛІЗУ. ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОЛІЗУ – СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛІТАХ Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Складіть дослідницьку установку за рисунком у методиці “Дослідження теплової дії електричного струму”.
  2. Проведіть вимірювання за цією методикою та визначте ККД звичайного нагрівника.
  3. Підготуйте три розчини кухонної солі у воді з концентраціями С солі 10, 20 та 30% у кількості не менше 200 мл та визначте їхню теплоємність за зазначеною вище методикою.
  4. Складіть експериментальну установку за схемою на рисунку.
  5. Проведіть вимірювання сили змінного струму, напруги, часу та різниці температур під час електродного нагрівання кожного сольового розчину. Як електроди використовуйте відрізки мідного дроту або графітові стрижні з олівців.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
С, % св, Дж/кг∙К m, кг Δt, °С Q2, Дж I, А U, В T, c Q1, Дж η, %
10
20
30
  1. За формулою (1) визначте кількість електроенергії, витраченої на нагрівання розчину.
  2. За формулою (2) визначте кількість теплової енергії, отриманої в процесі електродного нагрівання рідини.
  3. За формулою (3) визначте ККД електродного нагрівника.
  4. Побудуйте графік залежності ККД від концентрації соляного розчину.
  5. Дійдіть висновків про вплив концентрації солі в розчині на ККД електродного нагрівника.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Визначте оптимальну концентрацію солі для здійснення процесу електродного нагрівання.
  2. Опишіть можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.