- Čo je to?
- Zariadenie a princíp činnosti
- Technické špecifikácie
- značkovanie
- prihláška
- Ako sa pripojiť?
- Ako skontrolovať Peltier element pre výkon?
- Ako urobiť Peltierov prvok vlastnými rukami?
Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Chladiace zariadenia sa stali tak pevne zakorenené v našom živote, že je dokonca ťažké si predstaviť, ako to bolo možné urobiť bez neho. Klasické návrhy chladív však nie sú vhodné na mobilné použitie, napríklad ako turistická chladiaca taška.
Na tento účel sa používajú zariadenia, v ktorých je princíp činnosti postavený na Peltierovom efekte. Stručne o tomto fenoméne.
Čo je to?
Tento termín znamená termoelektrický jav, ktorý objavil v roku 1834 francúzsky prírodovedec Jean-Charles Peltier. Podstata účinku spočíva v uvoľnení alebo absorpcii tepla v zóne, kde sú heterogénne vodiče v kontakte, cez ktoré prechádza elektrický prúd.
Podľa klasickej teórie je tento jav vysvetlený nasledovne: elektrický prúd prenáša elektróny medzi kovmi, ktoré môžu urýchliť alebo spomaliť ich pohyb v závislosti od rozdielu kontaktných potenciálov v vodičoch z rôznych materiálov. V dôsledku toho, so zvýšením kinetickej energie, dochádza k jej premene na teplo.
Na druhom vodiči je pozorovaný opačný proces, ktorý vyžaduje doplnenie energie v súlade so základným fyzickým zákonom. Je to spôsobené tepelnými výkyvmi, ktoré spôsobujú ochladzovanie kovu, z ktorého je vyrobený druhý vodič.
Moderné technológie umožňujú vyrábať polovodičové moduly s maximálnym termoelektrickým efektom. Má zmysel stručne hovoriť o ich dizajne.
Zariadenie a princíp činnosti
Moderné moduly sú tvorené dvoma doskovými izolátormi (zvyčajne keramickými), medzi ktorými sú zapojené termočlánky. Zjednodušený diagram takéhoto prvku je možné nájsť na obrázku nižšie.
Legenda:
- - kontakty na pripojenie k napájaciemu zdroju;
- B je horúci povrch prvku;
- C je studená strana;
- D - medené vodiče;
- E - polovodič založený na p-spoji;
- F je polovodič typu n.
Konštrukcia je vyrobená tak, že každá strana modulu je v kontakte buď s prechodom pn alebo np (v závislosti od polarity). Kontakty pn sa zahrejú, np - cool (pozri obr. 3). Preto je na stranách prvku teplotný rozdiel (DT). Pre pozorovateľa bude tento efekt vyzerať ako prenos tepelnej energie medzi stranami modulu. Je pozoruhodné, že zmena polarity výkonu vedie k zmene horúceho a studeného povrchu.
Technické špecifikácie
Charakteristiky termoelektrických modulov sú opísané nasledujúcimi parametrami:
- chladiaci výkon (Q max ), táto vlastnosť sa určuje na základe maximálneho povoleného prúdu a teplotného rozdielu medzi stranami modulu, merané vo wattoch;
- maximálny teplotný rozdiel medzi stranami prvku (DT max ), parameter je daný pre ideálne podmienky, merná jednotka je stupne;
- prípustná prúdová sila potrebná na zabezpečenie maximálneho teplotného rozdielu - I max ;
- maximálne napätie U max požadované pre prúd I max na dosiahnutie špičkového rozdielu DT max ;
- vnútorný odpor modulu - odpor uvedený v ohmoch;
- koeficient účinnosti - COP (skratka anglického - koeficientu výkonu), v skutočnosti je to účinnosť zariadenia, ukazujúci pomer chladenia k spotrebe energie. Pri nízko nákladových položkách je tento parameter v rozsahu 0, 3-0, 35, pre drahšie modely sa približuje k 0, 5.
značkovanie
Uvažujme, ako je typické označenie modulov interpretované pomocou príkladu na obr.
Značenie je rozdelené do troch významných skupín:
- Označenie položky. Prvé dve písmená sú vždy rovnaké (TE), hovoria, že je to termoelement. Nasledujúca hodnota označuje veľkosť, môžu byť písmená "C" (štandardné) a "S" (malé). Posledná číslica označuje počet vrstiev (kaskád) v prvku.
- Počet termočlánkov v module zobrazenom na fotografii je 127.
- Hodnota menovitého prúdu v ampéroch, máme - 6 A.
Značenie iných modelov série TEC1 sa tiež číta rovnakým spôsobom, napríklad: 12703, 12705, 12710 atď.
prihláška
Napriek pomerne nízkej účinnosti sú termoelektrické prvky široko používané v meracích, výpočtových a domácich spotrebičoch. Moduly sú dôležitým pracovným prvkom nasledujúcich zariadení:
- Mobilné chladiace jednotky;
- malé generátory na výrobu elektriny;
- chladiace systémy v osobných počítačoch;
- Chladiče pre chladiacu a vykurovaciu vodu;
- sušiče vzduchu atď.
Uveďte podrobné príklady použitia termoelektrických modulov.
Peltierova chladnička
Termoelektrické chladiace jednotky sú výrazne menej výkonné ako kompresorové a absorpčné náprotivky. Majú však značné výhody, ktoré je vhodné používať za určitých podmienok. Medzi tieto výhody patrí:
- jednoduchosť dizajnu;
- odolnosť voči vibráciám;
- neprítomnosť pohyblivých častí (s výnimkou ventilátora vyfukujúceho chladič);
- nízka hladina hluku;
- malé rozmery;
- schopnosť pracovať v akejkoľvek polohe;
- dlhá životnosť;
- nízka spotreba energie.
Tieto funkcie sú ideálne pre mobilné inštalácie.
Peltierov prvok ako generátor elektriny
Termoelektrické moduly môžu pracovať ako elektrické generátory, ak je jedna z ich strán vystavená nútenému ohrevu. Čím väčší je teplotný rozdiel medzi stranami, tým vyšší je prúd produkovaný zdrojom. Bohužiaľ, maximálna teplota pre termogenerátor je obmedzená, nemôže byť vyššia ako teplota topenia spájky použitej v module. Porušenie tejto podmienky povedie k zlyhaniu prvku.
Na hromadnú výrobu termogenerátorov sa používajú špeciálne moduly so žiaruvzdornou spájkou, ktoré sa môžu ohriať na teplotu 300 ° C. V bežných prvkoch, napríklad TEC1 12715, je limit 150 stupňov.
Pretože účinnosť takýchto zariadení je nízka, používajú sa len v prípadoch, keď nie je možné použiť účinnejší zdroj elektrickej energie. Avšak 5-10 W termogenerátory sú žiadané medzi turistami, geológmi a obyvateľmi vzdialených oblastí. Veľké a výkonné stacionárne zariadenia pracujúce z vysokoteplotného paliva sa používajú na napájanie zariadení na rozvod plynu, zariadení meteorologických staníc atď.
Chladenie procesora
Relatívne nedávno sa tieto moduly začali používať v chladiacich systémoch CPU osobných počítačov. Vzhľadom na nízku účinnosť termočlánkov sú výhody takýchto konštrukcií dosť pochybné. Napríklad na chladenie zdroja tepla s kapacitou 100-170 W (zodpovedá väčšine moderných modelov CPU), musíte stráviť 400-680 W, čo vyžaduje inštaláciu výkonného napájacieho zdroja.
Druhý úder - nezaťažený procesor produkuje menej tepla a modul ho môže ochladiť pod rosný bod. V dôsledku toho sa začne tvoriť kondenzát, ktorý zaručí vypnutie elektroniky.
Tí, ktorí sa rozhodnú vytvoriť takýto systém na vlastnú päsť, budú musieť vykonať sériu výpočtov na výber výkonu modulu pre konkrétny model procesora.
Na základe vyššie uvedeného, používanie týchto modulov ako CPU chladiaceho systému nie je nákladovo efektívne, navyše môžu spôsobiť zlyhanie počítačového hardvéru.
Inak je to u hybridných zariadení, kde sa tepelné moduly používajú v spojení s chladením vodou alebo vzduchom.
Hybridné chladiace systémy sa ukázali ako účinné, ale vysoké náklady obmedzujú rozsah ich obdivovateľov.
Klimatizácia Peltier
Teoreticky by takéto zariadenie bolo konštruktívne podstatne jednoduchšie ako klasické systémy na reguláciu klímy, ale to všetko prichádza k nízkej produktivite. Jedna vec je chladenie malého objemu chladiacej komory, ďalšia vec je umiestniť alebo vo vnútri automobilu. Klimatizačné jednotky na termoelektrických moduloch spotrebujú viac (3-4 krát) elektriny ako zariadenia pracujúce s chladivom.
Pokiaľ ide o používanie klimatizácie ako automobilového systému, výkon štandardného generátora nebude stačiť na prevádzku takéhoto zariadenia. Výmena za účinnejšie zariadenie povedie k výraznej spotrebe paliva, ktorá nie je nákladovo efektívna.
Diskusie o tejto téme sa pravidelne objavujú v tematických fórach a zvažujú sa rôzne domáce dizajny, ale ešte nebol vytvorený plnohodnotný pracovný prototyp (nepočítajúc kondicionér pre škrečka). Je možné, že sa situácia zmení, keď sa moduly s prijateľnejšou účinnosťou objavia v širokom prístupe.
Pre chladiacu vodu
Termoelektrický prvok sa často používa ako chladič pre vodné chladiče. Konštrukcia obsahuje: chladiaci modul, regulátor riadený termostatom a ohrievačom. Takáto implementácia je omnoho jednoduchšia a lacnejšia ako kompresorový okruh, okrem toho je bezpečnejšia a ľahšie ovládateľná. Existujú však určité nevýhody:
- voda nie je ochladená pod 10-12 ° C;
- chladenie trvá dlhšie ako náprotivok kompresora, takže takýto chladič nie je vhodný pre kanceláriu s veľkým počtom pracovníkov;
- zariadenie je citlivé na vonkajšiu teplotu, v teplej miestnosti sa voda nebude ochladzovať na minimálnu teplotu;
- Inštalácia v prašnom prostredí sa neodporúča, pretože ventilátor sa môže upchať a chladiaci modul zlyhá.
Peltierova sušička vzduchu
Na rozdiel od klimatizácie je realizácia sušiča vzduchu na termoelektrických prvkoch celkom možná. Dizajn je pomerne jednoduchý a lacný. Chladiaci modul znižuje teplotu radiátora pod rosný bod, v dôsledku čoho sa na ňom usadzuje vlhkosť obsiahnutá vo vzduchu prechádzajúcom zariadením. Vyzrážaná voda sa odvádza do špeciálnej nádrže.
Napriek nízkej účinnosti je v tomto prípade účinnosť zariadenia celkom uspokojivá.
Ako sa pripojiť?
Pri pripájaní modulu nebudú žiadne problémy, na výstupné vodiče je potrebné aplikovať konštantné napätie, jeho hodnota je uvedená v technickom liste prvku. Červený vodič musí byť pripojený na plus, čierny - na mínus. Varovanie! Reverzácia polarity zmení chladené a vyhrievané povrchy.
Ako skontrolovať Peltier element pre výkon?
Najjednoduchší a najspoľahlivejší spôsob je hmatový. Je potrebné pripojiť modul k príslušnému zdroju napätia a dotknúť sa jeho rôznych strán. Pracovný prvok bude mať jeden z nich teplejší, druhý chladnejší.
Ak nie je po ruke vhodný zdroj, budete potrebovať multimeter a zapaľovač. Proces overovania je pomerne jednoduchý:
- pripojíme sondy k záverom modulu;
- zapaľovač zapnite na jednu zo strán;
- sledujte hodnoty prístroja.
V pracovnom module sa pri zohrievaní jednej zo strán vytvára elektrický prúd, ktorý sa zobrazuje na prístrojovej doske.
Ako urobiť Peltierov prvok vlastnými rukami?
Je takmer nemožné urobiť doma vyrobený modul doma, o to viac, že nemá zmysel vzhľadom na ich relatívne nízku cenu (okolo $ 4 $ 10). Ale môžete zostaviť zariadenie, ktoré bude užitočné v kampani, napríklad termoelektrický generátor.
Pre stabilizáciu napätia je potrebné na čip IC L6920 zostaviť jednoduchý prevodník.
Vstup takéhoto konvertora je napájaný napätím v rozsahu 0, 8-5, 5 V, na výstupe bude produkovať stabilný 5 V, čo je dosť dosť na nabíjanie väčšiny mobilných zariadení. Ak sa použije obvyklý Peltierov prvok, je potrebné obmedziť rozsah pracovných teplôt ohrievanej strany na 150 ° C. Aby nedošlo k obťažovaniu sledovania, je lepšie používať kanvicu s vriacou vodou ako zdroj tepla. V tomto prípade je zaručené, že prvok nebude zahrievaný nad 100 ° C.