TUUN AMMATTIKOKEAKOULU TYÖOHJE 1/5 Työ 16A49 S4h ENEGIAN SIITYMINEN TYÖN TAVOITE Työssä perehdytään energian siirtymiseen vaikuttaviin tekijöihin sekä lämpöenergian johtumisen että sähköenergian siirtymisen avulla Tavoittena on saada valmiuksia ymmärtää laitteissa tapahtuvaa lämmön muodostumista ja johtumista TYÖN SUOITUKSESTA Työn suorittaminen kannattaa aloittaa osiosta lämmönjohtavuuden määrittäminen ja lämmityksen kuluessa tehdä osiota sähköenergian siirron tehokkuus LÄMMÖNJOHTAVUUDEN MÄÄITTÄMINEN 1 TYÖN TAVOITE 2 TEOIAA Työssä perehdytään yksinkertaisen kokeen avulla lämmön siirtymiseen ainekerroksen läpi Kun levystä tehtyyn laatikkoon kehitetään lämpöenergiaa vastuksen avulla, lopuksi saavutetaan tasapainotilanne, jossa sähköteho P johtuu kokonaisuudessaan levyn läpi lämpövirtana Φ ympäristöön Tällöin lämpötila pysyy vakiona laatikon sisällä P = U I =Φ A Θ Φ=, 1 s 1 + + h λ h 1 2 (1) jossa U= jännite, I= virta, A= laatikon pinta-ala, s= lastulevyn paksuus, Θ = lämpötilaero, h= lämmösiirron kerroin ja λ = lämmönjohtavuus Lämmöneristeiden yhteydessä voidaan lämmönsiirron kertoimet h jättää huomioimatta, sillä niitä vastaavat termit ovat tavallisesti paljon pienemmät kuin s/λ Näin ollen voidaan kirjoittaa λ A Θ U I s U I eli λ s A Θ [ ] λ = W K m 3 TYÖN SUOITUS Lämpöenergia kehitetään joko hehkulampulla tai vastuksella
TUUN AMMATTIKOKEAKOULU TYÖOHJE 2/5 230VAc I U Lämpömitt T1 T2 Kuva 1 Kytkentä Laatikko V 52002 Huom! Tässä työssä on ehdottomasti käytettävä turvajohtimia Laatikon kannen ja läpivientien tiiviydet on syytä tarkistaa Lämpömittari täytyy suojata suoralta säteilyltä Lämpötila laatikossa nousee aluksi jyrkästi, sitten hitaammin Työtä tehtäessä piirretään joko mm- tai ruutupaperille kuvaaja, jossa lämpötila on ajan funktiona Tämä sen vuoksi, että nähtäisiin, milloin lämpötila alkaa tasaantua Siinä tapauksessa, että työvuoron aikana ei ehditä lämpötilan tasaantumiseen asti, voidaan em käyrän loppuosa ekstrapoloida (=jatkaa arvioiden) θ/ o C tasaantunut lämpötila θ huoneenlämpötila t (min) Kuva 2 Laatikon sisälämpötila ajan funktiona Aluksi mitataan huoneenlämpötila Lämmitysteho pidetään koko mittauksen ajan vakiona ja laatikon sisälämpötila mitataan n 5 min välein Työselostukseen piirretään puhtaaksi kuvaaja, jossa lämpötila on ajan funktiona Muista mitata laatikon koko pinta-ala ja levyn paksuus! Arvioi, mistä johtuu, että lopputulos poikkeaa siitä arvosta, jonka levyn tuottajat ilmoittavat levylle (=kirjallisuusviite)!
TUUN AMMATTIKOKEAKOULU TYÖOHJE 3/5 SÄHKÖENEGIAN SIION TEHOKKUUS 1 TYÖN TAVOITE 2 TEOIAA Työn tarkoituksena on perustella korkeajännitteen käytön edullisuus sähköenergian siirrossa Energialaitosten generaattoreilla tuotetaan jännitteitä, jotka ovat luokkaa 620 kv Nämä jännitteet muunnetaan suurjännitteeksi 110, 220 tai 400 kv, joka yhdistetään valtakunnan sähköverkkoon siirrettäväksi kulutusalueille pääosin teräsvahvisteisilla alumiinijohtimilla Kulutusalueilla jännite alennetaan arvoon 10 20 kv Vasta paikallisilla muuntajilla lähellä kuluttajaa suurjännite muunnetaan 220 V:n jännitteeksi Näin menettelemällä voidaan energiansiirron hyötysuhde pitää hyvänä Virran I yksinkertaistettua kulkua energialaitokselta talouksiin esittää kuva 1 Energialaitokselta lähtevä teho ja jännite ovat P laitos ja U laitos Siirtojohtojen yhteinen resistanssi on johto ja P johto on johtoihin jäävä hukkateho Kulutuspisteeseen saapuva teho on P laite ja jännite U laite Tehoa kuluttavan vastuksen resistanssia on merkitty tunnuksella laite Virta I pysyy vakiona koko piirin läpi Jännite- ja virtasuureet ovat tässä tehollisarvoja Kuva 3 Virran kulku energialaitokselta talouksiin Pyritään ratkaisemaan, mitä jännitettä on käytettävä, jos halutaan siirtää energiaa määrätyllä hyötysuhteella η Hyötysuhde η on yksinkertaisesti perille saadun tehon suhde lähtevään tehoon: P laite η = Plaitos (8)
TUUN AMMATTIKOKEAKOULU TYÖOHJE 4/5 Koska Plaite = UlaiteI ja Plaitos = UlaitosI, saadaan P U I U laite laite laite η = = = Plaitos Ulaitos I Ulaitos (9) Siten hyötysuhde voidaan laskea myös jännitteiden suhteista 3 TYÖN SUOITUS Tarkastellaan kokeellisesti sähköenergian siirtoa käyttämällä tasajännitteitä Mittauksissa käytetään kuvan 4 mukaista kytkentää Energialaitosta vastaa kuvan 4 kytkennässä tasajännitelähde, kulutuspistettä vastus laite ja siirtojohtojen yhteistä resistanssia johto johtokela Kytkentä rakennetaan puiselle kytkentäalustalle, johon on valmiiksi kiinnitetty johtokela, 2 kpl kulutuspisteen vastuksia ja johtimien kytkentäpisteet Perille kulutuspisteeseen tuodaan kahdessa eri tapauksessa yhtä suuri teho, mutta tarkoituksena on havaita korkeamman jännitteen käytön edullisuus Mittaussarja lyhyesti: kohdassa A tutkitaan sähköenergian siirtoa n 12 V:n tasajännitteellä ja kohdassa B pienemmällä tasajännitteellä Kohdassa C verrataan kohtien A ja B tuloksia toisiinsa ja kohdassa D mitataan ja lasketaan johtokelan resistanssi Kuva 4 Mittauskytkentä (tärkeätä: jännitemittaukset tehdään yhdellä mittarilla!) Seuraavassa yksityiskohtaisemmat ohjeet em mittausten suoritukseen: A Mitataan kulutuspisteitä vastaavien vastusten resistanssit ( laite ) digitaalimittarilla (ennen mittauskytkennän rakentamista) B Tässä työn osiossa käytetään tehon kuluttajana ( laite ) resistanssiltaan suurempaa kytkentälevylle valmiiksi kiinnitetyistä kahdesta vastuksesta akennetaan kuvan 4 mukainen kytkentä Kuvaan on piirretty havainnollisuuden vuoksi kaksi jännitemittaria, mutta käytännössä mittaukset suoritetaan yhdellä digitaalimittarilla vaihtamalla mittauspistettä (mittarin negatiivinen tuloliitin on kytketty pisteeseen 0 ja positiivinen tuloliitin vuorotellen pisteeseen 1 tai 2) Nämä
TUUN AMMATTIKOKEAKOULU TYÖOHJE 5/5 mittauspisteet on merkitty kytkentälevyyn ja kuvaan 4 Säädettävästä tasajännitelähteestä jännitteeksi U laitos säädetään noin 12 V Siirtojohtona on kuparikaapelikela, joka vastaa tässä tapauksessa pitkiä voimalinjoja Mitataan jännitteet U laite ja U laitos ja lasketaan kulutuspistettä vastaavaan vastukseen saatu teho P laite C Vaihdetaan tehon kuluttajaksi ( laite ) resistanssiltaan pienempi kytkentälevylle valmiiksi kiinnitetystä kahdesta vastuksesta Vastuksen piiriin kytkemisen jälkeen säädetään jännite U laitos siten, että tehonkulutus P laite vastuksessa laite pysyy lähes samana kuin kohdassa A Kirjataan vastaavat U laitos ja U laite D Lasketaan kohdissa B ja C suoritetuista mittauksista hyötysuhde η yhtälöstä (9) Mitä voidaan sanoa energian siirron tehokkuudesta? E Mittaa johtokelan resistanssi digitaalimittarilla (muista irrottaa johtokela virtapiiristä ennen mittausta) Laske johtokelan resistanssi käyttäen kohdissa B ja C mitattuja jännitteiden arvoja kaavasta U U I laitos laite johto = (10) Laske lisäksi johtokelan resistanssi käyttäen kuparin resistiivisyyttä kaavasta ρ l = A Cu johto, (11) missä ρ Cu on kuparin resistiivisyys ( = 1,678 10-8 Ωm), A on johdon poikkileikkauksen pinta-ala ja l on johdon pituus Johdon massa ja halkaisija ovat luettavissa kytkentälevystä tai johtokelasta Juhdon pituuden määrittämisessä tarvittava kuparin tiheys on 8,96 10 3 kg/m 3 Vertaa mitattua ja laskettuja johtokelan resistanssien arvoja toisiinsa Mistä mahdolliset erot voisivat johtua? 4 KIJALLISUUS Inkinen, Pentti Manninen, eijo Tuohi, Jukka 2006 Momentti 2, Insinöörifysiikka Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, ss 42-43, 81-82 ja 88-89