Uczniowie przeprowadzali eksperyment na stacji badawczej Kolektora Ciepła. Zadaniem zespołu było:
– postawienie naczynia wymiennika ciepła z wieczkiem na stałym podłożu.
– za pomocą zlewki napełnienie je gorącą wodą o temp. ok. 40°C, którą należało pobrać bezpośrednio z domowego przyłącza ciepłej wody, bądź podgrzać ją za pomocą kolektora. Następnie uczniowie wykonywali następujące działania:
Przeprowadzali pomiar temperatury w naczyniu w odstępie dwóch minut, podczas gdy woda ochładza się. Wyniki pomiarów zamieszczali w tabeli. Po wykonaniu kilku pomiarów założyli izolację wokół wymiennika ciepła, oraz przeprowadzili ponownie pomiary i zapiski wyników w tabeli. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzili wykres na którym zostały porównane pomiary temperatury.
Przykład wykresu
Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia oraz otrzymanych wyników uczniowie przedstawili następujące wnioski do postawionych założeń.
Wniosek 1.
Jeżeli wymiennik ciepła nie jest izolowany, wtedy podczas ochładzania następuje wyraźnie szybszy spadek temperatury wody. Pojawiają się straty termiczne spowodowane przez przewodzenie ciepła, promieniowanie i konwekcję termiczną. Izolacja wykonana jest z tworzywa sztucznego, które wykazuje szczególnie złe właściwości przewodnictwa cieplnego. Dodatkowo w spienionym materiale znajduje się dużo pęcherzyków powietrza, co powoduje dodatkowe działanie izolacyjne, porównywalne z zasadą działania dzbanka termicznego. Wpływ przepływu ciepła/konwekcji termicznej można wykluczyć poprzez zastosowanie szczelnej, mocnej ściany zewnętrznej wymiennika ciepła. Przyczyna tego, że – mimo zminimalizowania strat – wskutek konwekcji termicznej nadal jest uwalniana znaczna ilość energii, tkwi z jednej strony w tym, że płyty wieczka i dna nie są izolowane, a z drugiej strony również w promieniowaniu termicznym. Promieniowanie ciepła można osłonić za pomocą powierzchni odbijających ciepło. Ilość strat termicznych można jeszcze bardziej zmniejszyć poprzez zastosowanie folii aluminiowej, którą osłania się niekiedy jedzenie w piecyku przed nadmiernym promieniowaniem termicznym.
Wniosek 2
Współczynnik sprawności instalacji solarnych jest zdecydowanie zależny od tego, w jakim stopniu uda się zminimalizować straty termiczne w obiegu wody. Wszystkie rurociągi, przyłącza i zasobniki ciepła należy zoptymalizować pod względem termoizolacji. Należy przy tym pamiętać, że straty mogą wystąpić zarówno wskutek przewodzenia, jak i promieniowania ciepła, a co za tym idzie należy szukać mieszanego rozwiązania izolacyjnego. Bardzo dobre właściwości termoizolacyjne można osiągnąć poprzez utworzenie na zewnątrz polerowanej, metalicznej warstwy izolacyjnej. W praktyce jednak – ze względu na wysokie koszty – tak drogie izolacje stosuje się tylko w niektórych miejscach obiegu termicznego.
