XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Подбор теплоизоляции для чайника

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крюкова Е.С. 1

---

1МАОУ «Средняя общеобразовательная школа №30 г.Йошкар-Олы»

Яранцева Т.В. 1

---

1МАОУ "Средняя общеобразовательная щкола №30 г. Йошкар-Олы"

Работа в формате PDF

179.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Вводная часть

Объект проекта – теплоизолятор для электрического чайника.

Предмет исследования – влияние теплоизоляции на работу электрического чайника.

Цель проекта – оценка эффективности тепловой изоляции бытовых нагревателей электроприборов

Задачи:

1. Обзор тепловых изоляций;

2. Оценить электропотребление чайника;

3. Рассчитать тепловые потери при нагревании;

4. Оценить эффективность и экономический эффект теплоизоляции чайника.

Гипотеза исследования – использование теплоизоляции позволит снизить время закипания воды в чайника и повысить экономическую эффективность.

Методы исследования – обзор материалов, теоретические расчеты, проведение эксперимента.

Для исследования использовался электрический чайник (рис. 1):

модель – Scarlett SC-028;

объём – 1 (л);

мощность N = 2 (кВт).

2. Ход эксперимента

Температура воды в чайнике в начале эксперимента t₁= 20 (⁰C)

Объём воды в чайнике = 1 (л)

Для измерения температуры использовали бытовой градусник с ценой деления 1^O.

Для измерения времени вскипания воды использовали электронный секундомер на мобильном телефоне.

После каждого эксперимента сливали горячую воду и остужали чайник проточной холодной водой, пока температура воды в нём не достигала стартового значения 20⁰C.

Рисунок 1 – Внешний вид электрического чайника

Таблица 1 - Результаты эксперимента

3. Расчёт потерь

Q = c * m * (t₂-t₁),

Q – количество теплоты (кДж);

c - удельная теплоёмкость вещества, физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы его температура изменилась на 1⁰С;

c (воды) = 4,19 (кДж/кг*⁰С);

m – масса тела, в данном случае воды = 1 (кг);

t₂ – температура кипения воды = 100 (⁰С).

Расчёт теоретического количества тепла необходимого, что бы вскипятить 1 литр воды:

Q_теор = c*m*(t₂-t₁) = 4,19 * 1 * (100-20) = 335,2 (кДж).

Расчёт фактического количества тепла, которое потребовалось во время эксперимента, что бы вскипятить 1 литр воды:

Q_факт = N*T = 2 * 180 = 360 (кДж).

Расчёт потерь тепла:

Q_пот = Q_факт – Q_теор = 360 – 335,2 = 24,8 (кДж).

4. Обзор тепловых изоляторов

В качестве теплоизолятора выбран пробковый лист. Этот материал обладает низкой теплопроводностью, до 100 (⁰С) не деформируется и не воспламеняется, а так же имеет эстетичный внешний вид.

Таблица 2 – Теплопроводность материалов

Рисунок 2 – Схема размещения теплоизолятора на чайнике

q _{пот теор изол} – теоритические потери тепла через стенки чайника с термоизоляцией из пробкового листа;

t_в – температура воды = (t₂+t₁) / 2 = (373+293) / 2 = 333 (К);

t₁ – температура воды в начале эксперимента = 20 (⁰С) = 293(К);

t₂ – кипения воды = 100 (⁰С) = 373 (К);

t_с – температура воздуха снаружи = 22 (⁰С) = 295 (К);

δ₁ – толщина теплоизолятора = 0,004 (м);

λ₁ – теплопроводность теплоизолятора;

δ₂ – толщина стенки чайника = 0,004 (м);

λ₂ – теплопроводность полипропилена, материал стенки чайника.

Расчёт потерь на примере пробкового листа:

q_{пот теор изол} = (333 - 295) / (0,004/0,035 + 0,004/0,22) = 287 (Вт/м²).

Расчёт времени, которое теоретически должно потребоваться для нагрева 1 кг воды:

Т_теор = Q_теор / N = 335,3 / 2 = 167,6 с.

Расчёт площади поверхности чайника, через которую происходит потеря тепла во время нагревания воды:

S = π*R*(R+2*H) = 3,14*0,075*(0,075+2*0,01) = 0,065 (м²).

Расчёт количества потерь тепла при теплоизолированной поверхности чайника:

Q_{пот теор изол} = q_{пот теор изол *} S = 287 * 0,065 = 18,65 (Вт).

Расчёт мощности чайника с теплоизоляцией, которая идёт на нагрев воды:

N_изол = N - Q_{пот теор изол} = 2000 - 18,65 = 1981,35 (Вт).

Расчёт времени вскипания воды с теплоизоляцией:

T_изол = Q_теор / N_изол = 335200 / 1981,35 = 169,2 (c).

Расчёт экономической эффективности применения теплоизоляции:

Экономия= (N * T / 3600 - N_изол * T_изол / 3600) * Тариф = (2 * 180 / 3600 – 1,981 * 169,2 / 3600) * 4,51 = 0,03 (руб) = 3 копейки.

5.Выводы

Если мы применим в качестве теплоизоляционного материала пробковый лист толщиной 4 мм, то:

1. время вскипания воды сократиться на 2 секунды;

2. экономический эффект составит 3 копейки с каждого кипячения 1 литра воды.

6. Список литературы

1. Цветков Ф. Ф., Григорьев Б. А. Тепломасоообмен: Учебное пособие. – М.: МЭИ, 2005.

2. Теплопроводность и коэффициент теплопроводности, https://www.econel.ru/teploprovodnost/