C++Guns – RoboBlog blogging the bot

Hab mal eine Zeichnung des Aufbaus gemacht. Vllt. wird es deutlicher wie ich mir das alles so gedacht habe.
Aber der erste Testlauf war recht enttäuschend. 80°C maximal. Auch nicht mehr als beim Probeaufbau. Hatte wirklich mehr erwartet. Schwarzer Kühlkörper. Mehr Styropor. Doppel Verglasung. ABER: weniger Absorptionsfläche.
Werd das mal genauer rechnen. Aber allmählich bekomme ich ein Gefühl dafür, wieviel Energie in Form von Wärme durch ein Stück Styropor fließt.

Der Kühlkörper ist 200mm lang und 80mm breit. Hat also eine Fläche von 0.016m^2
Man nimm in etwa an, dass pro Quadratmeter Fläche 1000W an Strahlung die Erdoberfläche erreicht.
1m^2 = 1000W
0.1m^2 = 100W
0.01m^2 = 10W
0.001m^2 = 1W
0.016m^2 = 16W

Der Kühlkörper würde also 16W an Solarstrahlung abbekommen, wenn da nicht die Verluste wären. Erstmal natürlich 4% Reflektion an jeder Glasscheibe. Absorption im Plexiglas soll vernachlässigbar klein sein.
Der Kühlkörper selbst soll 90% Absorption haben. Es bleiben 13W.

Nehmen wir an, der Kühlkörper heizt sich auf 80°C bei einer Umgebungstemperatur von 30°C auf. Also so wie ich das heute mittag gegessem hatte.
Dann fließt die Wärme durch das Styropor wieder ab. Styropor oder Polystyrol (PS) hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0.08W/(mK) laut Wikipedia. Manchmal sind auch 0.04W/(mK) angegeben. Damit kann man nun den Wärmeleitwert ausrechnen:

Wärmeleitwert = Wärmeleitfähigkeit × Fläche / Dicke

Betrachten wir nur mal die Fläche der Seitenwände. (2*0.21 + 2*0.09)m * 0.03m = 0.018m^2
Die Dicke beträgt 2cm. Das ergibt ein Wärmeleitwert von 0.072W/K. Bei 50K Temperaturunterschied fließen also 3.6W an Wärme durch die Seitenflächen ab.
Bei einer gesammt Einstrahlung von 13W beliben noch 9.4W übrig.

Was durch den Boden fließt erscheint mir etwas komplizierter zu berechnen, da ja noch die Alu Stange durch den Boden geht. Ich berechne sie einfach einzeln. Die Rechnung ist eh nur eine Schätzung :)

Der Boden hat eine Fläche von 0.21m*0.09m = 0.019m^2. Minus der Grundfläche der Alustange, sind gleich 0.018m^2. Bei einer Dicke von 0.06m komm ich auf einen Wärmeleitwert von 0.024W/K. Macht ein Leistungsverlust von 1.2W. Es bleiben 8.2W

Die Alu Stange hat eine Mantelfläche von M = 2PI*r*h = 2PI * 0.0175m*0.06m = 6.60*10^-3 m^2 Die Dicke der Isolierung ist nun in jeder Richtung anders und schwankt von 5cm bis 11cm. Ich nehm einfach den Mittelwert von 8cm. Also nocheinmal Wärmeleitwert ausrechnen: G = 0.08W/(Km) * 6.60*10^-3 m^2 / 0.08m = 6.6*10^-3W/K Lustigerweise kürzen sich hier Wärmeleitfähigkeit und Dicke weg.
Das ergibt einen Leistungsverlust von 0.33W. Es bleiben PI mal Daumen 8W.

Es bleibt noch der Deckel aus Plexiglas. Laut Wikipedia hat Plexiglas, oder Polymethylmethacrylat (PMMA) eine Wärmeleitfähigkeit von 0.19W/(mK). Leitet die Wärme also besser als Styropor. Ich werde die beiden Plexiglasscheiben als eine Scheibe betrachten um die Rechnung zu verkürzen. Dann hätten sie eine Fläche von 0.235m*0.12m = 0.0282m^2 bei einer Dicke von 0.015m.
G = 0.19W/(Km) * 0.0282m^2 / 0.015m = 0.357W/K Ergibt ein Wärmeverlust von 17.9W.

Ups, deutlich mehr als 8W. Na, da war ich wohl zu großzügig mit meinem Schätzungen.

Aber dennoch habe ich einiges gelernt:

- als erstes habe ich Styropor in seinen Wärmedämmeigenschaften überschätzt. ODER die einfallende Leistung der Sonne unterschätzt. Ich denke beides.

- Plexiglas leitet die Wärme besser als Styropor. Aber ohne geht es nicht. Irgendwie muss das Licht ja auf den Kühlkörper treffen. Deswegen zwei Scheiben um ein Luftpolster zu schaffen. Luft hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0.026W/(Km), ist also nochmal ein Stück besser als Styropor. Aber nur wenn die Luft nicht zirkulieren kann.

- Dann sollte man überlegen verspiegeltes Glas zu nutzen, damit das innen reflektiere Licht nicht wieder entweichen kann. Ich werde mit Sprühaluminium mal ein paar Experimente machen. Vllt. ergibt sich was.

- Glas ist übrigends ein noch besserer Wärmeleiter als Plexiglas mit 0.76W/(Km)

- Man könnte natürlich auch Alufolie auf das Styropor kleben. Dann wird die Wärmestrahlung erstmal zu 90% reflektiert. Nur wie rechnet man das dann?
Statt Alufolie sollte man auch Sprühalu nehmen können. Geht schneller.

In einem dicken Styroporklotz befindet sich ein Kühlkörper. Darüber die erste Plexiglasplatte. Die im Inneren entstandenen Wärme wird somit am entweichen gehindert. Da aber auch Plexiglas Wärme leitet, gibt es die zweite Plexiglasplatte. Und somit ein zweites Luftpolster, dass die Wärme isoliert. Doppelverglasung sozusagen.
Nachteil ist, dass Licht welches von der Seite einfällt, den Kühlkörper nicht mehr erreicht. Auch gibt es Reflexionen an den Plexiglasplatten von jeweils 4%.
Die Wärme des Kühlkörpers wird mit einer Voll-Aluminium Stange nach außen geführt, wo das Peltier Element sitzt.
Die Stange wird an den Kühlkörper angeschraubt. Für das Peltier Element fehlt mir noch eine brauchbare Befestigung, die Wärme nicht leitet.

Plexiglas lässt sich mit einer Stichsäge mit Wasserkühlung und viel Sauerrei bearbeiten. Styropor kann man mit einem Lötkolben teilweise wegschmelzen. Bis es "karamellisiert". Ja sieht sieht dann wirklich so aus =)

Die innere Plexiglasplatte hat eine Dicke von 10mm. Die Äußere 5mm.

Man nehme zwei Temp. Sensoren in Alu Plättchen festgeklebt. Das eine bleibt auf einem Stück Styropor einfach an der Luft liegen, gegen die Kälte des Bodens isoliert. Das andere kommt auf ein Styropordeckel mit Glasscheibe oben drauf.
Das Licht der Sonne dringt durch das Glas und erzeugt Wärme die gefangen bleibt. Konvektion gibt es kaum, da ja Windgeschützt. Nur gegen die Wärmeabstrahlung kann ich nichts tun, weil es wohl Spezialgläser und Legierungen braucht.

Nach ein paar Minuten aufwärmen bei Morgensonne (ca. 9Uhr) brachte es der innere Sensor auf 48°C wohingegen der äussere noch bei 27°C stecken blieb.
Zum Mittag hin konnte ich sogar 80°C messen.

Was ist denn das komisches? Im rechten Parabolspiegel befindet sich ein Temperatur Sensor. In den Brennpunkt des linken Spiegels legt man etwas Eis und schon sinkt die gemessene Temperatur. Kältestrahlen? Nein, ganz sicher nicht ;)
Der Sensor misst garnicht die Umgebungstemperatur. Durch den Spiegel "sieht" er sozusagen nur das, was sich im Brennpunkt des anderen Spiegels befindet. Und dort ist das kalte Eis. Es kommen also keine Kältestrahlen sondern "weniger warme" Strahlen.
Dass Wärme eine elektromagnetische Welle ist, die sich an metallische Flächen gut spiegelt braucht ich ja wohl nicht nochmal erwähnen, oder? ;)

Nein, das ist natürlich keine. Aber sieht dennoch lustig aus. Schwarzer Kühlkörper nimmt Wärme auf, leitet sie durch ein Peltier Element zur Stromerzeugung und der untere Kühlkörper mit Lüfter gibt die Wärme wieder an die Umwelt ab. Funktioniert leider nicht %-) Hab nur ein Temperatur Unterschied von etwa 1°C.