Heizung

Da die Temperatur mit zunehmender Höhe immer geringer wird und wir während des Fluges eine Außentemperatur von unter -40°C erreichten, war es wichtig, die Messelektronik sowie die Akkus warm zu halten, um eine einwandfreie Funktion sicherzustellen und durchgehend Messungen durchführen zu können.

Hierzu haben wir 2 Möglichkeiten entwickelt. Das Heizen über einen Taschenwärmer und das Heizen über eine elektrische Heizung.

Beim Flug haben wir Taschenwärmer in die Sonde gelegt, da die elektrische Heizung zu diesem Zeitpunkt noch nicht komplett fertiggestellt war. Im Nachhinein wurde diese jedoch fertiggestellt und konnte sogar bei der Firma Continental in der Kältekammer, welche normal für Motoren- bzw. Fahrzeugtests verwendet wird, getestet werden.

Der Vorteil der Beheizung durch einen Taschenwärmer ist die einfache Handhabung. Es werden bis auf die fertigen Taschenwärmer keine weiteren Kabel oder Schaltungen benötigt. Nachteilig ist jedoch, dass die Heizleistung nicht gesteuert werden kann und somit kein intelligentes System vorliegt.

Dieses Problem lässt sich bei der Benutzung einer elektrischen Heizung ausschließen. Hier kann die Innenraumtemperatur durch bereits vorhandene Temperatursensoren (BME280) gemessen und die Heizleistung mittels eines Transistors bzw. MOSFETs gesteuert und angepasst werden.



Abb. 1: Taschenwärmer

Ein Taschenwärmer hat eine Reaktionsenthalpie von ca. 160 Joule pro Gramm [1]. (Bei der Reaktion von 1g frei gewordene Energie)

Berechnet man diesen Wert für zwei Taschenwärmer von je 80g, so ergeben sich etwa 25600J bzw. 7,1Wh:
$$160g \cdot 160 \frac{J}{g} = 25600 J$$ $$25600 J = 7,11Wh$$ Unser Akku mit einem Gewicht von 175g und einer gespeicherten Energie von 24,42Wh (11.1V * 2200mAh) kann folglich jedoch viel mehr Energie speichern.

Das System benötigt ohne die Heizung einen Strom von 60mA. Bei Betrieb der Heizung, welche eine Leistung von 12W hat, ist es wichtig, diese bei Gefahr auf Tiefenentladung des Akkus abzustellen um eine langzeitige Schädigung des Akkus, bis hin zur Brandgefahr, zu verhindern. Um eine gewisse Restkapazität, zum Betreiben der Messinstrumente, verfügbar zu haben, deaktivierten wir den Heizungsbetrieb bereits bei 10.8V Akkuspannung (dies entspricht 3.6V pro Zelle). Die Akkuspannung wurde hierzu über einen Spannungsteiler geviertelt und konnte proportional an einem analogen Eingang des Mikroprozessors gemessen werden, wodurch dieser über das Betreiben der Heizung entscheiden konnte. 



Abb. 2: Heizfolie



Abb. 3: Schaltung

Um ein Fazit ziehen zu können, welche Heizmethode sich besser eignet, testeten wir beide Heizungen im Nachhinein in der Kältekammer bei Continental. Die Messungen konnten von einem Bekannten im neben der Schule liegenden Labor durchgeführt werden.

Hierzu wurde die Temperatur in der Testkammer innerhalb von einer Stunde auf etwa -40°C, den Minimalwert der Kammer, heruntergekühlt.

Es wurden 3 Messungen durchgeführt, um die Innentemperatur der Kapsel mit der Außentemperatur vergleichen zu können.

  1. Mit Taschenwärmern
  2. Mit elektrischer Heizung
  3. Ganz ohne Heizmethode


D. 1: Vergleich der Innentemperatur der verschiedenen Messungen mit der Außentemperatur

Das Diagramm (D.1) zeigt die drei Kurven der Innenraumtemperatur, sowie den Mittelwert der Außentemperaturen. Das Diagramm (D.2) zeigt den Temperaturverlauf im Innenraum während des Fluges. Hier wurden Taschenwärmer verwendet. Die Ergebnisse der Messungen bei Continental sind offenkundig sehr verschieden zu denen, aufgenommen während des Fluges.

Währenddessen sich die Innentemperatur beim Flug um etwa 22°C einpendelte, fielen die Innentemperaturen bei den Messungen im Kälteschrank sehr drastisch. Es wurden Werte unter -30°C erreicht.

Diese starken Unterschiede begründen wir durch die folgenden verschiedenen Parameter:
Währenddessen wir beim Flug ziemlich parallel mit dem Wind flogen, blies in der Kältekammer ein kalter Wind mit 1 m/s. Außerdem blieb der Druck in der Kältekammer immer gleich hoch (Normaldruck), wohin gegen dieser während des Flugs immer tiefer absank und sogar Werte unter 4 hPa erreichte.



D. 2: Messung des BME280: Temperatur im Innenraum während des Fluges unter Verwendung von Taschenwärmern

Durch die drei Mechanismen des Wärmetransports lassen sich die Unterschiede physikalisch erklären [2][3].

  1. Wärmeleitung:
    Hierbei wird die Energie über Stöße zwischen verschiedenen Teilchen übertragen, wobei diese jedoch an der Stelle verweilen und sich nicht bewegen. Man spricht auch von dem Transport durch die Materie hindurch.

    Grundsätzlich lässt sich folgende Formel anwenden: $I_W = G_W \cdot \Delta T$

    Der Wärmestrom $I_W$ ist das Produkt aus dem Leitwert des Wärmeleiters $G_W$ und der Temperaturdifferenz $\Delta T$.

    Das bedeutet, dass erst effektiv Wärme ausgetauscht wird, wenn eine Temperaturdifferenz, also ein verschobenes Gleichgewicht, ähnlich wie die Spannung in einem Stromkreis, vorliegt.

    Bei diesen niedrigen Drücken ist der Leitwert sehr niedrig, da nur noch wenige Teilchen vorhanden sind, und somit weniger Wärme über diese abgegeben werden kann, was eine Auswirkung auf die unterschiedlichen Temperaturänderungen in der Sonde hat.
  2. Konvektion (Wärmeströmung)
    Mit Konvektion ist die Bewegung der Wärme mit der Materie gemeint.

    Das heißt, die Energie wandert von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedriger Temperatur. Dies kommt zum einen durch die Dichtenänderung und somit die freie Konvektion (heißer Luftstrom aus einem Toaster) zustande. Zum anderen aber auch durch die Luftbewegung wegen des Windes und somit erzwungener Konvektion (Effekt der Windkühle bei einem Ventilator).

    In beiden Fällen fand freie Konvektion statt. Jedoch lässt sich vermuten, dass der Effekt durch erzwungene Konvektion eine viel größere Rolle spielte. Während die Sonde fast die selbe Geschwindigkeit wie der Wind hatte, blies dieser in der Kältekammer mit 1m/s. Somit wurde die Sonde in der Kältekammer stärker abgekühlt.
  3. Wärmestrahlung
    Die Wärmestrahlung beschreibt den Transport von Wärme über elektromagnetische Wellen. Wie jeder Körper nimmt auch unsere Sonde Wärmestrahlung auf, und gibt diese wieder ab. Hierbei besteht jedoch, im Gegensatz zu den anderen Mechanismen, keine Abhängigkeit von der Materie. Bei niedrigen Drücken ist dieser Effekt der einzige Wirksame, da nur sehr wenige Teilchen vorhanden sind. Dieses Prinzip findet auch bei der Isolation durch Vakuum in Thermoskannen seinen Einsatz.
Zusammengefasst geschieht der Wärmeaustausch durch $I_W$ bei niedrigen Drücken nur noch durch Wärmestrahlung. Die Effekte der Wärmeleitung und Konvektion haben somit keinen wirklichen Einfluss.




Vergleich beider Heizmethoden



D. 1: Vergleich der Innentemperatur der verschiedenen Messungen mit der Außentemperatur

Vergleicht man nun die Auswirkung der Heizmethoden, lässt sich schnell feststellen, dass, egal ob elektrisch oder chemisch, die Temperatur im Innern der Sonde nicht so rapide absinkt, wie wenn man nicht heizt.

Am charakteristischsten ist der starke Anstieg der Temperatur bei Verwendung der Taschenwärmer. Die Kapsel erreicht innerhalb kurzer Zeit einen Maximalwert von 40°C. Im Gegensatz, scheint die elektrische Heizung jedoch von Anfang an, mit ihrer Leistung von 12W, Probleme zu haben die Kapsel auf Temperaturen zu halten.

Des Weiteren lässt sich aber auch feststellen, dass die Temperatur bei Benutzung der Taschenwärmer stärker abfällt, als mit elektrischer Heizung. Die Temperaturkurve gleicht hierbei schon fast der Kurve ohne Heizung, nur dass diese um einen Absolutwert verschoben ist. Der Taschenwärmer gibt seine gesamte Energie also schon am Anfang ab, da er sich im Gegenteil zu der elektrischen Option nicht regeln lässt.

Da jedoch beide Techniken nicht ausreichend Leistung hatten bzw. die Styroporbox zu schlecht isolierte, fiel die Innenraumtemperatur ziemlich rapide ab. Da sowohl im Taschenwärmer, als auch im Akku, chemische Prozesse die Energie liefern, und deren Reaktionsgeschwindigkeit mit abnehmender Temperatur immer geringer wird, lässt sich nicht ausschließen, dass hierdurch auch die jeweiligen Heizleistungen abnahmen, wodurch die Temperatur noch tiefer sank. Und sich die Effekte verstärkten.

Da sich die Heizleistung der Taschenwärmer schlecht steuern lässt, wodurch die Kapsel am Anfang sehr stark aufgeheizt wurde, was die Komponenten womöglich auch schädigte, sich die Energiedichte bei Taschenwärmern weit unter der von LiPo-Akkus befindet, und unter Verwendung einer leistungsstärkeren Heizung womöglich bessere Ergebnisse zustande gekommen wären, tendieren wir eindeutig zur elektrischen Heizung. Zwar ist diese etwas komplizierter im Aufbau, liefert über längere Sicht jedoch die besseren Ergebnisse, wenn es um eine konstante Innenraumtemperatur geht, da hierbei anhand der simultan gemessen Temperaturwerte im Innenraum eine Reglung und somit effektivere Nutzung der Heizung erreicht werden kann.



Quellen:
[1] "Wundersames, Warmes, Handwärmer". In: http://www.wundersamessammelsurium.info/warmes/handwaermer/index.html.
[2] W. Maurer: "Wärmetransport - SystemPhysik". In: http://systemdesign.ch/wiki/Wärmetransport.
[3] J. H. Stiftung: "Wärmetransport | LEIFI Physik". In: https://www.leifiphysik.de/warmelehre/warmetransport.
© 2018, Jonathan Knoll