Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» icon

Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь»



НазваниеНаучно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь»
Дата17.10.2016
Размер
ТипСправочники, творчество

Департамент образования г.Москвы

Восточное окружное управление

Государственное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №351


Научно-практическая конференция учащихся

«ЮНИС: ЮНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ» - 2011


Секция «Точные науки»


Тема проекта: «Определение хладопроизводительности и холодиль­ного коэффициента компрессорного холодильника»


Автор: Храмова Анастасия Евгеньевна

ученица 10 «А» класса


Научный руководитель: учитель физики

Кучербаева Ольга Геннадиевна


Москва, 2011 г.


Храмова Анастасия Евгеньевна 10 класс «А» ГОУ СОШ № 351

ВОУО ДО г. Москвы

Научный руководитель: Кучербаева О.Г.


«Определение хладопроизводительности и холодиль­ного коэффициента компрессорного холодильника».


Аннотация.

Актуальность темы: вызвана тем, что на рынке появилось большое число холодильников разных типов и возникновением вопросов, какой холодильник выбрать, какой из них наиболее энергоэкономный (в современном мире проблема энергосбережения очень важна), какой наиболее практичный в использовании, ведь каждый человек не мыслит своей жизни без холодильника

^ Область исследования – физика, термодинамика.

Предмет исследования – бытовой компрессорый холодильник.

Цели: доказать, что действие любого бытового прибора, который мы используем, в том числе и холодильника, основано на законах физики.

^ Задачи данной работы:

  1. Изучить законы термодинамики, на которых базируется принцип действия холодильных установок.

  2. Познакомиться с устройством и принципом действия компрессорных бытовых холодильников

  3. Провести лабораторную работу по определению характеристик компрессорного холодильника.

^ Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение чертежей, схем, проведение лабораторной работы.

В теоретической части работы рассматриваются основные физические принципы холодильных установок, анализируется рабочий цикл холодильной машины, изучается работа холодильника как теплового насоса. Также в ознакомительном плане рассматриваются принцип работы машины Линде и турбодетандер.

^ В исследовательской части приведены результаты лабораторной работы.

Заключение:

Ценность исследования состоит в том, что установлена связь между нашими знаниями, которые получены нами на уроках физики и их использованием в реальной окружающей действительности.

Работа может быть использована при изучении физики тепловых явлений в классах профильного изучения физики и для студентов ВУЗов.


Оглавление:


1.Введение

2.1.Теоретическая часть

§1 Холодильник

§2 Рабочий цикл холодильной машины

§3 Холодильная машина как тепловой насос

§4 Получение и применение низких температур

§5 Машина Линде

§6 Турбодетандер

2.2. Журнал исследования

3.Заключение

4.Список использованной литературы

5.Приложение


1. Введение


«Школьник понимает физический опыт только тогда

хорошо, когда он делает его сам. Но ещё лучше он понимает его, если сам делает прибор для эксперимента»

(П.Л.Капица)


Цель моей работы: определение характеристик компрессионного холодильника и осуществление своего домашнего эксперимента по изучению характеристик холодильника. Кроме того, я открыла для себя привычные наблюдения с новой физической стороны, познакомилась с литературой по холодильным машинам, разобралась с математическими выводами, касающимися данной темы, но выходящими за пределы школьного курса физики 9 класса.


^ 2.1. Теоретическая часть


§1 Холодильник.


Не опровергает ли второй закон термодинамики работа холодильника?

Действие его как раз заключается в том, что от более холодного тела, находящегося в мо­розильнике, отнимается некоторое количество теплоты и передается бо­лее нагретому телу. Этим более на­гретым телом является воздух в ком­нате, который в результате работы холодильника нагревается до еще более высокой температуры.

Однако холодильник работает в полном соответствии со вторым за­коном термодинамики. Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутую систему. Холодильник подключен к электрической сети, а работу совершает его электродвига­тель. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не яв­ляется единственным результатом работы холодильника, так как за счет работы электродвигателя этот про­цесс сопровождается превращением энергии электрического тока во внут­реннюю энергию.

Рабочим телом в компрессионном холодильнике служит фреон. Фреоном заполнена система конденсатора и испарителя. Компрес­сор, приводимый в действие электро­двигателем, откачивает газообраз­ный фреон из испарителя и нагнетает его в конденсатор. При сжатии фреон нагревается. Охлаждение его до комнатной температуры происхо­дит в конденсаторе, расположенном обычно на задней стенке холодиль­ного шкафа. Охлажденный до ком­натной температуры при повышенном давлении, создаваемом в конденсато­ре с помощью компрессора, фреон переходит в жидкое состояние. Из конденсатора жидкий фреон через капиллярную трубку поступает в ис­паритель. Откачка паров фреона из испарителя с помощью компрессора поддерживает в нем пониженное дав­ление. При пониженном давлении в испарителе жидкий фреон кипит и испаряется даже при температуре ниже \ О °С. Энергия на испарение фреона отбирается от стенок испарителя, вы­зывая их охлаждение. Откачанные пары фреона поступают в кожух ком­прессора, оттуда снова в конденса­тор и т. д., по замкнутому кругу. Самая низкая температура, кото­рая может быть получена в испари­теле (морозильной камере), опреде­ляется значением давления паров фреона, так как температура кипения фреона, как и любой другой жид­кости, понижается с уменьшением давления. При постоянной скорости поступления жидкого фреона из кон­денсатора в испаритель через капил­лярную трубку давление паров фрео­на в испарителе будет тем ниже, чем дольше работает компрессор. Если нет нужды добиваться понижения температуры в испарителе до пре­дельно достижимого значения, то компрессор периодически останавли­вается путем выключения электромо­тора, приводящего его в действие. Компрессор включается автоматом, следящим за поддержанием в холо­дильном шкафу заданной темпера­туры.


§2 Рабочий цикл холодильной ма­шины.


В обратных процессах (циклах) холодильником по-прежнему называют тело с более низкой температурой, хотя теперь оно отдает тепло, а нагревателем — тело, имеющее более высокую температуру, хотя теперь оно его получает.

При этом рабочее тело получает за один цикл от холодильника количество теплоты Q2, отдавая нагревателю количество теплоты Q1 , которое больше получен­ного количества теплоты Q2 на работу А’, совершаемую электромотором: | Q1 |= Q2 +A’.

Можно сказать, что в данном случае тепловая машина со­вершает отрицательную работу:

A= Q2 -|Q1|=-A’.

В результате проведения обрат­ного цикла увеличивается разность температур между нагревателем и холодильником. В этих условиях теп­ловая машина работает как «тепло­вой насос».

Важнейшей характеристикой хо­лодильной машины является холо­дильный коэффициент, равный отно­шению количества теплоты, отнятого от холодильной камеры, к работе электродвигателя (расходу электро­энергии) :

ζ= Q2 /A’= Q2 /| Q1|- Q2

В идеальной холодильной машине максимальный холодильный коэффи­циент равен:

ζ= Т2 / (Т1- Т2)

в реальных машинах:

ζр < Т2 / (Т1- Т2)

Еще одна характеристика холо­дильной машины — хлодопроизводи-тельность. Она показывает, какое ко­личество теплоты q способна отни­мать машина у охлаждаемых тел в единицу времени:

q = Q2/t.


§3 Холодильная машина как тепловой насос

Нельзя ли использовать холодильную машину для обогрева помещения? Ведь, как мы выяснили, эта машина охлаждает холодное те­ло (внутреннюю емкость холодильни­ка) и нагревает более горячее, на­пример окружающий воздух в поме­щении. Ответ на поставленный воп­рос уже по существу дан: холодиль­ная машина может служить обогре­вателем. Но стоит ли это делать, не лучше ли пользоваться обычными электроотопительными приборами, более простыми по устройству, чем тепловые насосы?

Чтобы ответить на этот вопрос, найдем соотношение между количе­ством теплоты Q2, отнятым у холод­ного тела, и количеством теплоты Q1, переданным нагретому телу.

Поскольку в обратном цикле сжа­тие газа происходит при более вы­сокой температуре, чем расширение, то работа сжатия больше работы расширения (|A'сжат| > |A'расш|). Таким образом, за каждый «обратный цикл» внешние силы совершают положи­тельную работу:

A’ = |A'сжат| - |A'расш| > 0

Применив первый закон термоди­намики к изотермическим процессам сжатия и расширения, найдем:

Q1 = |A'сжат|; Q2 = |A'расш|,

следовательно,

| Q1 |= Q2 +A’ > Q2

В полном соответствии с первым законом термодинамики мы получи­ли, что за счет работы компрессора А' холодильник отдает в окружаю­щее пространство большее количе­ство теплоты, чем то, которое он от­нимает у морозильной камеры.

Если холодильную камеру выне­сти на улицу, а конденсатор оставить в помещении, то при совершении ком­прессором работы А' за счет энергии электрической сети от холодного воз­духа на улице будет отнято коли­чество теплоты Q2 и теплому воздуху в комнате будет передано количество теплоты | Q1 |= Q2 +A’ . Так можно использовать холодильную машину для обогрева помещения. Холодиль­ную машину, работающую по такому принципу, называют тепловым насо­сом.

Ответим теперь на поставленный выше вопрос: выгодно ли пользовать­ся тепловым насосом? Коэффициент полезного действия электронагрева­теля можно считать равным единице. Эффективность теплового насоса ха­рактеризуется отопительным коэф­фициентом, равным отношению коли­чества теплоты, которое получает отапливаемое помещение, к работе электродвигателя (расходу электро­энергии):

Ψмах = | Q1| /A’= | Q1| /| Q1|- Q2 = Т1 / (Т1- Т2) > 1


У реального теплового насоса:

Ψмах < Т1 /1- Т2)

Но и в этом случае добиваются, что­бы выполнялось условие Ψр> 1, ина­че теряет смысл сама идея теплового насоса как более экономичной отопи­тельной системы.

В качестве примера рассмотрим случай, когда температура наружно­го воздуха t2 = 0°С, а внутри дома тепловой насос должен поддержи­вать температуру t1 = +20°C. Для этих значений температур макси­мальный отопительный коэффициент равен:

Ψмах = Т1 / (Т1- Т2) = 14,5

Это значит, что, пользуясь тепло­вым насосом, работающим за счет электрической энергии двигателя, мы можем «накачать» в помещение при­мерно в 15 раз большее количество теплоты, чем получили бы при той же затрате энергии от электронагрева­тельного прибора.

§4 Получение и применение низких температур.

Низкие температуры ши­роко применяют не только для хра­нения продуктов в быту и пищевой промышленности, но и в медицине, в строительстве, в химической про­мышленности, в современной про­мышленной технологии. Искусствен­ный холод применяют при проходке туннелей и строительстве шахт для замораживания водоносных пород, при создании искусственных катков на стадионах, при производстве син­тетического каучука, искусственного волокна. Глубокое охлаждение (ни­же 200 К) используют для длитель­ного хранения крови в медицине, а в машиностроении для охлаждения внутренних деталей машин, которые при сборке должны быть плотно при­гнаны к наружным.

Одно из наиболее важных при­менений глубокого охлаждения - сжижение воздуха с целью получения из него газообразных азота (tK = - 196 °С) и кислорода (tK = -183 °С). Азот используют для производства аммиака, из которого получают различные удобрения, взрывчатые вещества, красители. Кислород применяют для интенсифи­кации окислительных процессов и по­лучения высоких температур в авто­генной сварке и резке металлов (тем­пература пламени около 3200 °С). Применение кислородного дутья при выплавке стали в мартенах и конвер­торах снижает расход топлива и по­вышает производительность агрегата за счет ускорения процессов. Напри­мер, обогащение кислородом воздуха всего на 1 % увеличивает производи­тельность домны на 10%.


§5 Машина Линде.

Для получения низких температур можно использо­вать адиабатное расширение сжатого воздуха после прохождения его через отверстие малого диаметра, назы­ваемое дросселем. Резкое падение давления сопровождается увеличе­нием расстояний между молекулами. При этом совершается работа газа против сил молекулярного при­тяжения. В результате потенци­альная энергия взаимодействия мо­лекул увеличивается за счет умень­шения кинетической энергии их хао­тического движения, и температу­ра газа понижается. Этот процесс называют адиабатным дросселиро­ванием, а понижение температуры в этом процессе — эффектом Джоу­ля - Томсона.

В машине Линде воздух сжимают компрессором до давления 107 Па. После охлаждения в теплообменнике сжатый воздух поступает в змеевик (см. Приложение рис.1), состоящий из труб, рас­положенных одна в другой. При вы­ходе сквозь дроссель внутренней трубы воздух резко расширяется и его температура понижается.

Охлажденный воздух идет по внешней трубе навстречу воздуху, идущему по внутренней трубе. В ре­зультате теплообмена температура воздуха, идущего по внутренней тру­бе, еще более понижается. Через не­сколько часов работы установки тем­пература воздуха понижается на­столько, что начинается его конден­сация. Жидкий воздух собирается в дьюаровском сосуде .


§6 Турбодетандер.

В современных холодильных машинах сжатый газ охлаждается не только вследствие расширения, но и за счет совершения внешней работы. Для этого предва­рительно сжатый и охлажденный воз­дух направляется в специальную ма­шину — турбодетандер.

Схема установки с турбодетандером, разработанным академиком П. Л. Капицей, изображена (на ри­сунке 2 Приложения). Компрессор сжимает воздух до давления 6* 105 Па. Сжа­тый воздух проходит через теплооб­менник , где предварительно охлаж­дается встречным потоком несжиженного холодного воздуха. Далее поток разделяется на две части. Не­большая часть сжатого воздуха по­ступает непосредственно в конденса­тор, а основной поток поступает в турбодетандер. В турбодетандере сжатый воздух ударяется о лопасти турбины и, вращая последнюю, со­вершает работу. При этом его давле­ние падает до атмосферного и проис­ходит дополнительное понижение температуры. Расширившийся и охлажденный воздух поступает в кон­денсатор , поднимается по трубам вверх и затем выходит через тепло­обменник наружу.

Сжатый воздух, не прошедший через детандер, поступает в межтруб­ное пространство конденсатора, где охлаждается встречным потоком воздуха. При этом в межтрубном пространстве воздух сжижается. Жидкий воздух пропускается через дроссель в конденсатор. При умень­шении давления часть жидкого воз­духа испаряется и поднимается вверх, а оставшаяся жидкость, от­дав часть внутренней энергии на испарение, охлаждается до темпе­ратуры, при которой давление насы­щенных паров не превышает 105 Па.

Преимущество турбодетандера -возможность применения более низ­ких давлений и, как следствие, умень­шение габаритов установки.

Турбодетандеры обладают высо­кой производительностью, их тер­модинамический КПД достигает 17%, а на получение жидкого воз­духа массой 1 кг затрачивается энергия 1,1 кВт-ч.

В турбодетандерах можно произ­водить сжижение не только возду­ха, но и водорода, гелия. Для этого требуется более глубокое предвари­тельное охлаждение газа.


^ 2.2. Журнал исследования


Для определения характеристик (хладопроизводительность и холодиль­ный коэффициент) домашнего холо­дильника необходимы:

  1. холодильник компрессионный,

  2. инструк­ция по его эксплуатации,

  3. термометр,

  4. полиэтиленовый мешочек,

  5. часы,

  6. стакан.

Предварительно я ознакомилась с устройством ком­прессионной холодильной машины, по­казанным на рисунке в Приложении. Необходимо знать следующее.

В компрессионном холодильнике зам­кнутая система из соединенных последо­вательно трубопроводами компрессора, испарителя и конденсатора заполняется хладоагентом. В качестве него обычно применяется фреон-12 (СF2Cl2 ) —ди-фтордихлорметан; он взрывобезопасен, не имеет запаха и обладает низкой температурой кипения (-29,8 °С при атмосферном давлении).

При работе компрессора происходит отсасывание паров фреона из испарите­ля и из-за понижения давления процесс испарения ускоряется. Теплота, идущая на испарение, «отбирается» от среды, окружающей испаритель. Компрессо­ром пары фреона сжимаются, при этом их температура повышается. В конден­саторе-теплообменнике (находящемся на задней стенке холодильника) они ох­лаждаются до комнатной температуры, отдавая часть тепла окружающей среде, и конденсируются при постоянном дав­лении р1.

После прохождения фреона через ка­пиллярную трубку в испаритель его дав ление снижается от значения р1 в кон­денсаторе до р2 в испарителе. Здесь жидкий фреон при понижении давления опять испаряется, его температура (и вместе с ним температура испарителя) понижается. Такая циркуляция фреона, связанная с теплообменом, происходит непрерывно, пока работает компрессор. В конденсаторе холодильника выде­ляется количество теплоты

| Q1 |= Q2 +A’ .

где A’ — работа, совершенная электро­двигателем компрессора, (Q2 — коли­чество теплоты, полученное от среды окружающей испаритель.

Экономичность холодильника опреде­ляется холодильным коэффициентом ε, равным отношению количества теплоты (Q2, переданного охлаждаемыми телами испарителю, к работе A’, совершенной при этом электродвигателем компрессо­ра. Учитывая приведенную выше фор­мулу, получаем:

ε = Q2/ A’ = Q2 /| Q1|- Q2 (1)

Другая практически важная характе­ристика холодильной машины — ее хладопроизводительность. Хладопроизводителъностью называется количество теплоты (Q2 , «отнимаемое» у охлаждае­мых тел за единицу времени:

q = Q2/t (2)

(В технике хладопроизводительность обычно измеряется в Дж/ч.)

Для измерения количества теплоты Q2 , «отнятого» у охлаждаемого тела, можно поместить в испаритель извест­ное количество воды т в полиэтилено­вом мешочке и измерить понижение ее температуры Δt за известный промежу­ток времени. Очевидно, что Q2 = стΔt , где с — удельная теплоемкость воды, Δt — понижение ее температуры. Рабо­ту, совершенную электродвигателем за определенное время, можно найти по известной его мощности N и зафиксиро­ванному времени t работы холодильни­ка: A=Nt (Поскольку компрессионные холодильники периодически включают­ся и выключаются с помощью реле, в расчетах следует пользоваться значе­нием средней «потребляемой» мощ­ности. Например, если электродвигатель мощностью 150 Вт работал 5 минут

10 мин был выключен, то N ср = 1/3*150 = = 50 Вт.)

Сначала выключают холодильник, поставив ручку терморегулятора в по­ложение «выкл.», освобождают камеру и испаритель от продуктов и «ледяной шубы». После размораживания холо­дильник включают, поставив ручку тер­морегулятора на первое деление. Опыт можно начать, когда установится нор­мальный режим работы холодильника, т. е. через 20—25 мин (после четырех-пяти автоматических включений и вы­ключений электродвигателя). За это время нужно налить в полиэтиленовый мешочек 300г воды, измерить ее на­чальную температуру Т1 плотно завя­зать мешочек, дождаться очередного включения электродвигателя и, быстро положив мешочек с водой в испаритель, закрыть дверцу холодильника. Одно­временно надо зафиксировать время t1 начала работы электродвигателя. Затем отмечают время выключения агрегата t2 и время его повторного включения t3 . Вынув мешочек с водой из испарителя, слегка взбалтывают ее для растворения образовавшихся на дне кристалликов льда и измеряют температуру Т2 .

Зная мощность холодильника N из паспорта, время работы электродвига­теля t2 - t1 и время t3 - t2 , в течение ко­торого он был выключен, определяют среднюю мощность:

N ср = N( t2 - t1 )/( t3 - t1 )





т (кг)

Т1 - Т2 (К)

Q=тΔt (Дж)

t1

t2

t3

N ср (Вт)


А = N ср

( t3 - t1 )

(Дж)

q = Q2/( t3 - - t1 )

(Дж/ч)

ε = Q2/ A’

1

0,3

13

16 300

0

600

1500

60

90 000

11

0,2



3. Заключение


В своей работе я достигла поставленных целей. А именно:

Я проделала свой домашний эксперимент по изучению характеристик холодильника. Кроме того, открыла для себя привычные наблюдения с новой физической стороны, познакомилась с литературой по холодильным машинам, разобралась с математическими выводами, касающимися данной темы, но выходящими за пределы школьного курса физики 10 класса.


4. Список литературы:


  • Балашов М.М. О природе . М.: Просвещение, 1991 г.

  • Громов С.В., Родина Н.А. Физика –9. – М.: Просвещение, 2000 г.

  • Новиков Э.А. Планета загадок. – Л.: Недра, 2004 г.

  • Физика – юным. / Сост. Алексеева М.Н. – М.- Просвещение., 2003 г.

  • Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, 2003г.



5. Приложение



Похожие:

Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» icon"vi международная научно-практическая конференция Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве"
В системе дополнительного технологического образования и научно-технического творчества
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconПятая районная научно практическая конференция обучающихся общеобразовательных школ «Шаги в науку – 2013» Секция №11 Экологические проблемы современности Вид работы: Исследовательская работа Тема: «Озеленение города Липки»
Пятая районная научно практическая конференция обучающихся общеобразовательных школ «Шаги в науку – 2013»
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconПоложение городской научно-практической конференции научного общества учащихся Красноярского края города Ачинска
Научно-практическая конференция учащихся образовательных учреждений проводится ежегодно в рамках деятельности Городской Ассоциации...
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconБ. И. Араптана Кызылского района рт научно-практическая конференция «Шаг в будущее» Научно исследовательская работа
Цель исследования: Провести сравнительный органолептический и химический анализ снега
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconПоложение о XVII городской научно-практической конференции школьников Верхнесалдинского городского округа «Мои исследования – родному краю»
Научно-практическая конференция учащихся (далее нпк) проводится ежегодно в рамках Фестиваля «Юные интеллектуалы Среднего Урала» Муниципальным...
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconIii международная научно-практическая конференция "Язык и культура" (кф-3)
Приглашаем ученых, преподавателей вузов, учителей, аспирантов, работников образования, студентов принять участие в работе международной...
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconШкольная научно – практическая конференция для учащихся 1 – 11 классов «Шаги в науку»
Дмитров. Вот так появлялись названия городов. Получается, что каждое имя, что- нибудь означает. В конце этого текста у нас стали...
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconIii международная научно-практическая конференция
Новокузнецкий институт (филиал) фгбоу впо «Кемеровский государственный университет»
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconГородская научно практическая конференция создание рабочей тетради по литературе Зауралья для учащихся 5,6 классов моу города Кургана
Значение изучения произведений писателей Зауралья для формирования нравственности ребёнка: собиратели зауральского фольклора: А....
Научно-практическая конференция учащихся «юнис: юный исследователь» iconНаучного сотрудничества I ежегодная международная научно-практическая конференция, посвященная Дню Учителя Современная система образования
Приглашаем принять участие в международной научно-практической конференции ученых, аспирантов, педагогов высших, средних и дошкольных...
Разместите ссылку на наш сайт:
Справочники, творчество


База данных защищена авторским правом ©dmee.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
контакты