Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme mit der Peltier-Wärmepumpe ENT 7.3

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1 Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme ENT Schlüsselworte Peltier-Effekt, Peltierelement, Kältemaschine, Wärmepumpe, Thermogenerator, Geothermie Prinzip Fließt ein Gleichstrom durch ein Peltierelement, dann entsteht eine Temperaturdifferenz: eine Seite erwärmt sich, die andere Seite kühlt sich ab. Dabei hat die Temperatur der warmen Seite Einfluss auf die der kalten und auch umgekehrt. Wird die warme Seite durch einen großen Speicher z. B. von Wasser auf konstanter Temperatur gehalten, kühlt sich die kalte Seite stärker ab als ohne Speicher. In diesem Versuch werden Temperaturen beim Betrieb des Thermogenerators ohne und mit Wasser- Speicher auf der warmen Seite in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Material *1 Thermogenerator, Peltierelement *1 Wärmeisolierungsplatte, Filz *1 Geräteträger auf Haftmagneten *1 Becherglas, niedrige Form, 250 ml *2 Becherglas, niedrige Form, 400 ml Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät, universal **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link Kaltes Wasser **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur **1 Halter für Handmessgeräte **2 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 750 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau Thermogenerator ohne Wasserspeicher P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme Aufbau - Den Versuch nach Abb. 1 aufbauen. - Auf den Geräteträger die Wärmeisolierungsplatte legen und darauf den Thermogenerator stellen. - Den Thermogenerator an den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes anschließen. - Die beiden Temperaturfühler jeweils in die dafür vorgesehenen Bohrungen vom Thermogenerator stecken und an die Sensor-Unit 2x Temperatur anschließen. T1 soll dabei die Temperatur des Schenkels mit der blauen Buchse sein. - Das 250 ml Becherglas und die beiden 400 ml Bechergläser jeweils bis zur oberen Marke mit Wasser füllen und bereit stellen. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data 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 Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme ENT 1. Versuch: Thermogenerator ohne Wasserspeicher (Abb. 1) - An der Skala vom Netzgerät eine Stromstärke von 1 A- und eine Spannung von ca. 3 V- einstellen. - Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Die Aufnahme eines Messwertes erfolgt alle 15 s. - Messung nach etwa 5 min beenden, wenn sich die Temperatur T 2 nicht mehr verändert. - Messwerte in das Hauptprogramm measure übertragen. - Netzgerät ausschalten. - Zum Abkühlen den Thermogenerators mit beiden Seiten in die mit Wasser gefüllten 400 ml Bechergläser stellen. Den Temperaturausgleich abwarten. 2. Versuch: Thermogenerator mit einem Wasserspeicher auf der warmen Seite (Abb. 3) - Den Thermogenerator abtrocknen. - Das 250-ml-Becherglas auf den Geräteträger stellen. - Den Thermogenerator so aufstellen, dass der Schenkel mit der blauen Buchse in das Becherglas eintaucht. - Zur Durchführung einer neuen Messung nach measure Cobra4 wechseln. - Die beiden Temperaturfühler wieder in die Bohrungen des Thermogenerators stecken, T1 soll die Temperatur des negativen Pols sein (blau). - Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Die Messwertaufnahme endet automatisch nach 8 min. - Messwerte in das Hauptprogramm measure übertragen. - Netzgerät ausschalten. Abb. 3: Versuchsaufbau Thermogenerator mit Wasserspeicher P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme Beobachtungen und Ergebnisse Bei Verwendung eines Wasserspeichers erhöht sich die Temperatur auf der warmen Seite fast gar nicht mehr. Die Temperatur der kalten Seite wird niedriger als ohne Speicher. Auswertung Abb. 4: Messung Temperaturen des Thermogenerators ohne Speicher Abb. 5: Messung Temperaturen des Thermogenerators mit Speicher auf der warmen Seite 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme ENT Abb. 4 zeigt, dass beim Betrieb des Thermogenerators (Peltierelements) ohne Speicher die Temperatur T 2 auf der kalten Seite nach einer gewissen Zeit konstant bleibt. Diese Zeit lässt sich aus der grafischen Darstellung oder durch Einblenden der Tabelle ermitteln. Zeit bis zum Temperaturminimum: t 0 = 4,5 min (für Messung Abb. 4) Mit Hilfe der Funktion Vermessen die Temperaturabnahme von T 2 vom Anfang der Messung (t = 0) bis zu diesem Zeitpunkt bestimmen. Für einen Temperaturvergleich die Kurve T 2 in Abb. 5 auf die gleiche Weise vermessen. Temperaturänderungen auf der kalten Seite des Thermogenerators nach 4,5 min.: Ohne Wasserspeicher Mit Wassersspeicher T 2 = 21,5 C 16,2 C = 5,3 K T 2 = 21,4 C 15,6 C = 5,8 K Während die Temperatur im ersten Versuch nach 4,5 min konstant bleibt, fällt die Temperatur im zweiten Versuch noch weiter. Sie erreicht nach 8 min einen Wert von 14,0 C und zeigt noch leicht fallende Tendenz. Mit Wassersspeicher (8 min) T 2 = 21,4 C 14,0 C = 7,4 K Hinweis Die Stromstärke sollte in diesem Versuch nicht größer als 1 A sein. Bei höheren Stromstärken erwärmt sich das Peltierelement zu stark, sodass die Temperatur auf der warmen Seite trotz Wasserbad ansteigt. Die Unterschiede in der Abkühlung ohne und mit Speicher werden somit geringer. Anwendung Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen arbeiten besonders effektiv, wenn die warme bzw. die kalte Seite mit Hilfe eines großen Speichers auf konstanter Temperatur gehalten wird. Diese können z. B. Wasserspeicher oder auch Erdspeicher sein. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 7.5 Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme (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 Cobra 4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Digitale Großanzeige P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Modellversuch zur Nutzung von Umgebungswärme Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P