การกำหนดพฤติกรรมของระบบแลกเปลี่ยนความร้อน

ฉันกำลังพยายามพัฒนาระบบทำความเย็นเครื่องดื่มที่ใช้กระเบื้องเทอร์โมอิเล็กตริก (Peltier) เป็นการดีที่ฉันยังต้องการอุปกรณ์ในการแก้ปัญหาเบียร์อุ่นถ้าอุณหพลศาสตร์ให้ความมั่นใจกับฉัน

ก่อนอื่นฉันจะอธิบายรายละเอียดการไหลของความคิดของฉันในแง่ทฤษฎีแล้วฉันจะไปที่การตั้งค่าเฉพาะที่ฉันมีในใจ

เห็นได้ชัดว่าถ้าใครแช่กระเบื้อง Peltier ที่มีประสิทธิภาพ 100% 10% ลงในแก้วน้ำที่ 298 K (สมมติว่ามี 10 โมลแน่นอน) หากระบบภาชนะถือว่าเป็นอะเดียแบติกในธรรมชาติเพื่อลดอุณหภูมิลงที่ 274 K (ประมาณ 35 ° F) ต้องการ:

Q = m c_{p} Δ T = 180.2 \times 4.1813 \times 24 = 18083.3 J

$Q = m \, c_p \, \Delta T = 180.2 \times 4.1813 \times 24 = 18083.3 \:\mathrm{J}$

จากนั้นเนื่องจากประสิทธิภาพจะให้พลังงาน "การถ่ายเทความร้อน" เล็กน้อยเป็น 10 W:

t = \frac{18083.3 J}{10 J / s} = 1808.33 s

$t = \frac{18083.3\:\mathrm{J}}{10\:\mathrm{J/s}} = 1808.33 \:\mathrm{s}$

ดังนั้นการระบายความร้อนจะใช้เวลาประมาณ 30 นาทีในการทำใจให้สบายมากยิ่งขึ้นเมื่อคุณพิจารณาว่าแก้วน้ำไม่ยึดติดกับพฤติกรรมอะเดียแบติกอย่างใกล้ชิด

การตั้งค่าจริง (ภาพร่างด้วยมือที่วาดไม่ดีดังต่อไปนี้):

การตั้งค่าการทดลอง

ตอนนี้เห็นได้ชัดว่ามีค่าสี่ชุดที่ต้องพิจารณาที่นี่:

การนำความร้อนและความร้อนจำเพาะของเครื่องดื่มเอง
การนำความร้อนและความร้อนที่เฉพาะเจาะจงของภาชนะแก้วที่ถือเครื่องดื่มโดยประมาณได้อย่างง่ายดายโดยการตั้งสมมติฐานว่าแก้วสามารถถูกกำหนดโดยซิลิกาผสม
การนำความร้อนและความร้อนที่เฉพาะเจาะจงของของเหลวการถ่ายโอนน้ำที่จัดตั้งขึ้นเป็นอย่างดี
การนำความร้อนและความร้อนจำเพาะของห้องทำงานอลูมิเนียม 6061 ซึ่งได้รับการยอมรับอย่างดีอีกครั้ง

ปัญหาของฉันคือวิธีการสร้างแบบจำลองระบบและรับการคำนวณแบบจำลองสำหรับการถ่ายโอนระหว่างแต่ละขั้นตอนตัวอย่างเช่นการแก้สมการเพื่อให้ฉันรู้ว่าถ้าฉันใช้วัตต์สะสมที่กำหนดของกระเบื้อง Peltier มันจะลดอุณหภูมิของระบบ ตามจำนวนที่กำหนดในระยะเวลาหนึ่ง

ก่อนหน้านี้ฉันยินดีที่จะยอมรับเพื่อจุดประสงค์ของการอภิปรายว่าระบบนี้สามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นอะเดียแบติกที่เกี่ยวกับสภาพแวดล้อมภายนอก กล่าวคือไม่มีการดูดซับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการทำความเย็น

mechanical-engineering thermodynamics heat-transfer

— ecfedele
แหล่งที่มา

คุณขาดความร้อนไปเท่าใดเครื่องทำความเย็น Pelier จะแผ่ไปทางด้านร้อนของมัน

— mart

ฉันไม่ได้หายไปฉันแค่ไม่สนใจที่จะเป็นส่วนหนึ่งของโมเดล อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อความร้อนถูกส่งไปยังเครื่องทำความเย็น Peltier ฉันไม่คิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับมันตราบใดที่มันไม่ได้ย้อนกลับ เพื่อการอภิปรายฉันวางแผนที่จะทำให้กระเบื้องเย็นลงในอัตราที่สูงกว่าอัตราที่พวกเขาสามารถดึงพลังงานออกจากระบบ

— ecfedele

FWIW ทางด้านการระบายความร้อน "ตัวเลขแห่งบุญ" จะเป็นคะแนน K / W (อุณหภูมิต่อวัตต์) ของแผงระบายความร้อน แม้ว่าคุณไม่ต้องการที่จะพิจารณาในปัจจุบันมันเป็นส่วนที่ไม่สำคัญของปัญหาโลกแห่งความจริง พลังงานความร้อนออกมาประมาณ 110 วัตต์ Delta T ที่ต้องการคือ 24 K ทุก ๆ องศา K การลดลงของฮีทซิงค์ออกมาจากงบประมาณการระบายความร้อนสำหรับอ่างภายนอกโดยรอบ ในการรับเดลต้า 1 องศา K ที่ HS คุณต้องมี 0.01 K / W HS ซึ่งไม่สามารถยกเลิกได้ อยู่ที่ไหนสักแห่งในช่วง 0.01 - 0.1 K / W จะกลายเป็นไปได้ แต่แม้กระทั่ง HS 0.1 k / W ก็ดีกว่าที่คุณจะอยู่เฉยๆ ...

— รัสเซลแมคมาฮอน

... โดยไม่ต้องใช้โลหะหนัก ดังนั้นคุณอยู่ในอากาศที่พัด (ทางตะวันออก) อาจเป็นของเหลวไหลเวียนและอาจเป็นท่อความร้อนเพื่อให้ได้พลังงานที่ HS สามารถรับได้ ทั้งหมดนี้คือถ้าคุณต้องการให้ HS สามารถละเว้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ มนุษย์ปุถุชนมักจะยอมรับเดลต้า T ที่สำคัญกว่าและคำนึงถึงความต้องการ | จุดเริ่มต้นสำหรับการสร้างแบบจำลองซึ่งมีแนวโน้มว่าจะ "ไม่เลวร้าย" คือการสร้างแบบจำลองแต่ละส่วนของเส้นทางความร้อนในฐานะที่เป็นความต้านทานความร้อนเทียบเท่ากับ Rth สัดส่วนกับ kt / A (t = ความหนาของวัสดุ A = พื้นที่, k = ขึ้นอยู่กับวัสดุฉันสงสัย ....

— รัสเซลแมคมาฮอน

.... ถังอัลจะมีผลกระทบเล็กน้อยแก้วไม่เลวเท่าที่คุณคาดหวังตราบใดที่บางจะเหมาะสมและน้ำที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันอาจมีความสำคัญมากกว่าความต้านทานความร้อน - เช่นถ้าคุณให้ การหล่อเย็นแบบกึ่ง infinte แล้วกวนน้ำอาจทำให้รู้สึก | ความรู้สึกนิ้วมือในอากาศแนะนำไม่กี่องศา (พูด 1 ถึง 10 ขึ้นอยู่กับระยะการทำความเย็น) ความแตกต่างระหว่างน้ำและของเหลวเป้าหมาย | สิ่งที่ฉันไม่ได้เห็น - แต่ฉันคิดว่ามันคือใช้ท่อฮีปเพื่อให้ Peltier เย็นลง หากคุณได้รับอนุญาตให้เปิด ....

— รัสเซลแมคมาฮอน

มีการจัดอันดับสองวัตต์สำหรับแผ่น peltier หนึ่งคือการบริโภคพลังงานอื่น ๆ ที่เป็นความร้อนส่งทั่วชิปเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิของศูนย์ สิ่งสำคัญคือปริมาณความร้อนที่เคลื่อนผ่านแผ่นขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งแผ่น

กราฟ Peltier

เอื้อเฟื้อภาพจาก: http://www.heatsink-guide.com/peltier.htm

การใช้กราฟด้านบนเป็นตัวอย่างหากด้านที่ร้อนของแผ่น peltier นั้นไม่ได้ติดอยู่กับแผ่นระบายความร้อนแล้วมันจะร้อนได้เร็วกว่า 70 องศาที่ร้อนกว่าเครื่องดื่มและความร้อนจะหยุดไหลออกไปด้านนอก ณ จุดนั้นถ้าแผ่นนี้มีประสิทธิภาพ 10% มันจะยังคงผลิตความร้อนประมาณ 400W ความร้อนนั้นจะเกิดขึ้นที่ด้านร้อนของชิป * แต่นั่นหมายความว่าหากไม่มีชุดระบายความร้อนบางประเภทด้านร้อนก็จะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วกว่า 70 องศาเหนือหน่วยเครื่องดื่มและความร้อนจะเริ่มไหลกลับเข้าไปในหน่วยเครื่องดื่ม ให้ความร้อนมากกว่าให้ความเย็น

ดังนั้นชุดระบายความร้อนของเครื่องดื่ม "ความเย็น" ของคุณจะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการที่ระบบของคุณเย็นตัวลง (หรือความร้อน) เครื่องดื่มของคุณและไม่มีข้อมูลใด ๆ กับพวกเขาฉันเดาว่าระบบของคุณจะให้ความร้อนเครื่องดื่มของคุณ

* ความร้อนนั้นเกิดขึ้นทั่วทั้งชิป แต่จะถูกส่งออกไปพร้อมกับความร้อนอื่น ๆ และกราฟจะถูกชดเชยให้กับการถ่ายเทความร้อนพิเศษนี้และแสดงความร้อนที่ถ่ายเทออกจากด้านเย็นเท่านั้น

— กองหญ้าแห้ง
แหล่งที่มา

อาดังนั้นระบบโดยรวมจะดีพอ ๆ กับความสามารถในการขจัดความร้อนออกจาก Peltiers นั่นทำให้รู้สึกที่สมบูรณ์แบบ

— ecfedele