XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение КПД ультразвукового увлажнителя воздуха
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
В открытых публикациях в интернете, описывающих работу ультразвуковых увлажнителей, я столкнулся с противоречивыми данными по оценке КПД этого типа установок. Причём, это нельзя отнести к разряду погрешности, так как величина КПД отличалась в десятки раз, от нескольких процентов до 70%. Поэтому я поставил перед собой задачу по оценке реального значения КПД ультразвукового увлажнителя. Для этого была собрана установка по определению средней высоты выброса капель жидкости и определения их потенциальной энергии и определения эффективности работы увлажнителя по измеренным затратам электроэнергии.
Актуальность данной работы состоит не только в решении проблемы по проверке данных о величине КПД, созданная в работе методика определения коэффициента полезного действия, может использоваться в рамках проведения лабораторных работ по физике.
Основная часть
Работа ультразвукового увлажнителя заключается в том, что вода из резервуара подается в камеру с ультразвуковым излучателем – пьезоэлементом, который путем высокочастотной вибрации формирует из воды водяной туман с мельчайшими каплями диаметром 1-5 мкм.
Устройство и принцип работы увлажнителя
Климатический прибор состоит из ёмкости (приложение 1), в которой и находится основной запас воды, и основания прибора, с расположенным в нем излучателем. В основной емкости запаса воды установлен клапан-дозатор, который служит для поддержания нужного уровня воды в отсеке с излучателем, не допуская переизбытка. Кроме того, в увлажнителе установлен вентилятор для выдува распыленной ультразвуковым элементом воды.
Практически в каждом современном увлажнителе воздуха есть электронное управление, и гигростат, для точного измерения уровня влажности. Многие производители оснащают свои устройства ионизаторами, различной системой фильтрации и множеством дополнительных программ, для более комфортного использования устройства.
Принцип работы ультразвукового увлажнителя воздуха несложен для понимания [1].
Основным узлом прибора является излучатель. Он выглядит в виде шайбы из пьезокерамической керамики, с выведенными посеребренными электродами.
При подаче на него переменного тока, этот элемент начинает вибрировать с ультразвуковой частотой. При достижении определенной мощности, скорость колебания возрастает до такой степени, что начинает разбивать поверхность воды на мельчайшие частички.
Вода, превращенная излучателем в аэрозоль в камере над ультразвуковым элементом. Водяной туман наполняет помещение и повышает уровень влажности воздуха до установленных пользователем пределов.
Гигрометр, установленный в приборе, покажет относительную влажность воздуха, а пользователь всегда имеет возможность прекратить выполнение устройством программы или увеличить мощность увлажнителя при недостаточной влажности.
После достижения устройством нужных значений влажности, он останавливается и находится в режиме ожидания. После понижения содержания влаги в воздухе помещения, прибор автоматически включается и цикл повторяется.
Частота работы.
Частота работы увлажнителя составляет около 1,7МГц.
Расход воды.
Ультразвуковые увлажнители обычно рассчитаны на 300-400 мл/ч.
Диаметр капель.
Размер капли. Ультразвуковой увлажнитель создаёт монодисперсную фазу капелек диаметром 1-5 микрон.
Сфера применения ультразвуковых увлажнителей воздуха.
Увлажнители ультразвукового типа устанавливают в тех помещениях, где уровень влажности недостаточен за счет работы кондиционеров и отопительного оборудования. Особенно внимательно следует подходить к поддержанию необходимой влажности в детских комнатах – т.маленькие дети особенно чувствительны к низкой влажности за счет интенсивных обменных процессов в организме и недостаточно сформированной системы терморегуляции.
При искусственном увлажнении жилого или рабочего пространства важно не допустить переувлажнения воздуха – последствия этого могут выразиться в усиленном размножении болезнетворных микроорганизмов и, как следствие, в росте заболеваемости. В отличие от более простых по своему устройству паровых и традиционных увлажнителей холодного действия, современные бытовые ультразвуковые модели комплектуются гигрометрами, позволяя устанавливать, контролировать и регулировать уровень влажности. Всесторонне оценив все преимущества ультразвукового увлажнителя воздуха - пользу или вред он вам принесет – вы сможете ответить однозначно, что от использования такого устройства намного больше положительных моментов, чем отрицательных.
Экспериментальная часть.
Приборы и материалы:
Ультразвуковой пьезоизлучатель, подключенный к генератору ультразвукой частоты, работающий на частоте 30 кГц с мощностью электропотребления до 2 Ватт.
Мерный стакан с ценой деления шкалы – 5мл.
Чистая вода с коэффициентом поверхностного натяжения при температуре 25 °С – 70 мН/м
Линейка ученическая с ценой деления – 1 мм и длиной 40 см.
Лазерная указка с длиной волны излучения 625 нм.
Источник тока с напряжением 5В и силой тока 2А.
Цифровой USB амперметр и вольтметр для определения напряжения и силы потребляемого тока.
Прибор для измерения промежутков времени (часы электронные)
Ход работы.
Пьезоизлучатель располагаем на поверхности жидкости в мерном стакане. Над ним, на некой высоте располагаем лазер, луч которого строго направлен вертикально вниз и вдоль этого луча располагаем линейку, нулевой уровень который соответствует положению излучателя. При включении установки образуется облако тумана от излучателя, направленное вертикально вверх. Для точного измерения высоты этого облака используется лазерная подсветка. При этом свет лазера рассеивается на микрокапельках воды из которых состоит облако. Это даёт нам возможность визуально оценить его высоту (приложение 2,3). Определив среднюю максимальную высоту столба облака можно оценить и среднее значение потенциальной энергии микрокапель. Так как размер капель в среднем варьируется от 1 до 5 микрометров [1]. Плотность этого облака неоднородна и наибольшую высоту будут достигать капли с наименьшей массой. Поэтому центр масс этого облака, вероятнее всего, будет смещён от середины облака к нижней его части. Однако, для упрощения нашей расчетной модели и нахождения максимально возможного КПД, примем положение цента масс облака капель как среднюю высоту столба облака.
Определим количество микрокапель образуемых в единицу времени:
где V0 – объём одной микрокапли. Считая средний диаметр капли 3 мкм, можно определить её объём по формуле , тогда исходя из того что за 20 минут «испаряется» 25 мл воды, получим:
Тогда масса облака образуемого за единицу времени
21,2 мг/с
По фотографиям (см.приложение 3) определяем среднюю максимальную высоту на которую поднимается столб капель.
Тогда высоту подъёма центра масс облака можно оценить по формуле
hср = h1-5/2 = 10 cм.
Выведем формулу для расчета КПД ультразвукового увлажнителя:
Так как, полезная работа идет не только на увеличение потенциальной энергии капель при подъеме, но и на работу по разбитию поверхности воды на микрокапли, то Аполенз.=∆Ер + σ∆S
Увеличение потенциальной энергии поднятой воды:
где σ = 70 мН/м –коэффициент поверхностного натяжения воды, который мы определили методом отрыва петли, а ∆S –увеличение свободной поверхности жидкости вследствие образования микрокапель:
∆S=Nπd2
Азатрач. = IUt –работа электрического тока.
Подставив все величины в формулу расчета КПД, получим:
Произведем расчет КПД для нескольких случаев:
Среднее значение КПД, при среднем диаметре капель 3 мкм:
|
Измерено |
вычислено |
|||||
|
∆V, мл |
hcр, см |
σ, мН/м |
I, А |
U, В |
t, мин |
δ (КПД), % |
|
25 |
10 |
70 |
0,2 |
5 |
20 |
≈ 0,3 |
Максимальное значение КПД, при среднем диаметре капель 1 мкм:
|
Измерено |
вычислено |
|||||
|
∆V, мл |
hcр, см |
σ, мН/м |
I, А |
U, В |
t, мин |
δ (КПД), % |
|
25 |
10 |
70 |
0,2 |
5 |
20 |
≈ 0,9 |
Минимальное значение КПД, при среднем диаметре капель 5 мкм:
|
Измерено |
вычислено |
|||||
|
∆V, мл |
hcр, см |
σ, мН/м |
I, А |
U, В |
t, мин |
δ (КПД), % |
|
25 |
10 |
70 |
0,2 |
5 |
20 |
≈ 0,2 |
Вывод:
По результатам наших измерений и вычислений мы рассчитали, что КПД ультразвукового увлажнителя менее 1%, что согласуется с результатом ряда других исследований в несколько процентов, но, ни как, не 70% и более.
Проведённое нами исследование нельзя считать абсолютно точным, так как они носили приближённый характер и позволяли оценить порядок величины КПД. Причём мы выяснили, что большую часть полезной энергии затрачивается на разбиение жидкости на микрокапли.
Заключение.
Причину низкого КПД я обнаружил, ощутив сильный нагрев при касании к пьезоэлементу. Следовательно, значительная часть энергии потребляемого тока уходит на нагревании излучателя и окружающей его воды. Поэтому, в перспективе я планирую продолжить эти исследования, в том числе определить тепловую мощность потерь в ходе эксперимента.
Список используемых источников:
Источник: http://ventilationpro.ru/uvlazhnitel_vozdukha/ultrazvukovojj-uvlazhnitel-vozdukha-princip-raboty-i-osobennosti-ustrojjstva.html
https://www. kakprosto. ru/kak-804537-kak-vliyaet-vlazhnost-na-cheloveka https:///kak-rabotaet-ultrazvukovoj-uvlazhnitel-vozduxa
https://ru. wikipedia. org/wiki/Увлажнитель_воздуха
Учебник: Физика 8 класс, А.П. Перышкин, М. Дрофа, 2017
П риложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
Фото экспериментальной установки
Приложение 4.