- Co je to?
- Zařízení a princip činnosti
- Technické specifikace
- Značení
- Aplikace
- Jak se připojit?
- Jak zkontrolovat Peltierův prvek pro výkon?
- Jak udělat Peltierův prvek vlastníma rukama?
Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Chladicí zařízení se v našem životě stalo tak pevně zakořeněným, že je dokonce těžké si představit, jak to bez něj bylo možné. Klasické návrhy chladiv však nejsou vhodné pro mobilní použití, například jako turistická taška.
Pro tento účel se používají zařízení, ve kterých je princip činnosti postaven na Peltierově efektu. Stručně o tomto jevu.
Co je to?
Tento termín znamená termoelektrický jev objevený v roce 1834 francouzským přírodovědcem Jeanem-Charlesem Peltierem. Podstata účinku spočívá v uvolnění nebo absorpci tepla v zóně, kde jsou v kontaktu heterogenní vodiče, kterými prochází elektrický proud.
Podle klasické teorie existuje následující vysvětlení tohoto jevu: elektrický proud přenáší elektrony mezi kovy, což může urychlit nebo zpomalit jejich pohyb, v závislosti na rozdílu kontaktního potenciálu vodičů z různých materiálů. V důsledku toho, s nárůstem kinetické energie, dochází k její přeměně na teplo.
Na druhém vodiči je pozorován obrácený proces, který vyžaduje doplňování energie v souladu se základním fyzickým zákonem. To je způsobeno teplotními výkyvy, které způsobují ochlazení kovu, ze kterého je vytvořen druhý vodič.
Moderní technologie umožňují vyrábět polovodičové moduly s maximálním termoelektrickým efektem. Má smysl stručně hovořit o jejich designu.
Zařízení a princip činnosti
Moderní moduly jsou konstrukce sestávající ze dvou desek-izolátorů (obvykle keramických) s termočlánky spojenými v sérii mezi nimi. Zjednodušené schéma takového prvku lze nalézt na obrázku níže.
Legenda:
- - kontakty pro připojení k napájení;
- B je horký povrch prvku;
- C je studená strana;
- D - měděné vodiče;
- E - polovodič na bázi p-spojení;
- F je polovodič typu n.
Konstrukce je vyrobena tak, že každá strana modulu kontaktuje buď pn nebo np přechody (v závislosti na polaritě). Kontakty pn se zahřejí, np - cool (viz obr. 3). Proto je na stranách prvku teplotní rozdíl (DT). Pro pozorovatele bude tento efekt vypadat jako přenos tepelné energie mezi stranami modulu. Je pozoruhodné, že změna polarity energie vede ke změně horkého a studeného povrchu.
Technické specifikace
Charakteristiky termoelektrických modulů jsou popsány následujícími parametry:
- chladicí výkon (Q max ), tato charakteristika je určena na základě maximálního přípustného proudu a teplotního rozdílu mezi stranami modulu, měřeno ve wattech;
- maximální teplotní rozdíl mezi stranami prvku (DT max ), parametr je uveden pro ideální podmínky, měrnou jednotkou jsou stupně;
- přípustná proudová pevnost potřebná k zajištění maximálního teplotního rozdílu - I max ;
- maximální napětí U max požadované pro proud I max pro dosažení špičkového rozdílu DT max ;
- vnitřní odpor modulu - Odpor uvedený v ohmech;
- koeficient účinnosti - COP (zkratka anglického - koeficientu výkonu), ve skutečnosti je to účinnost zařízení, která ukazuje poměr chlazení ke spotřebě energie. U nízko nákladových položek je tento parametr v rozmezí 0, 3-0, 35, u dražších modelů se blíží 0, 5.
Značení
Uvažujme, jak je typické značení modulů interpretováno pomocí příkladu na obrázku 4.
Značení je rozděleno do tří významných skupin:
- Označení položky. První dvě písmena jsou vždy stejná (TE), říkají, že se jedná o termočlánek. Následující označuje velikost, mohou být písmena "C" (standardní) a "S" (malá). Poslední číslice označuje, kolik vrstev (kaskád) je v prvku.
- Počet termočlánků v modulu zobrazeném na fotografii je 127.
- Hodnota jmenovitého proudu v ampérech, máme - 6 A.
Značení ostatních modelů řady TEC1 je také čteno stejným způsobem, například: 12703, 12705, 12710 atd.
Aplikace
I přes poměrně nízkou účinnost jsou termoelektrické prvky široce používány v měřicích, výpočetních a domácích spotřebičích. Moduly jsou důležitým pracovním prvkem následujících zařízení:
- mobilní chladicí jednotky;
- malé generátory pro výrobu elektřiny;
- chladicí systémy v osobních počítačích;
- chladiče pro chlazení a ohřev vody;
- sušičky vzduchu atd.
Uveďte podrobné příklady použití termoelektrických modulů.
Peltierova lednice
Termoelektrické chladicí jednotky jsou výrazně horší než u kompresorových a absorpčních protějšků. Mají však značné výhody, které je vhodné za určitých podmínek používat. Mezi tyto výhody patří:
- jednoduchost designu;
- odolnost proti vibracím;
- nepřítomnost pohyblivých částí (s výjimkou ventilátoru foukajícího radiátor);
- nízká hladina hluku;
- malé rozměry;
- schopnost pracovat v jakékoli pozici;
- dlouhá životnost;
- nízká spotřeba energie.
Tyto funkce jsou ideální pro mobilní instalace.
Peltierův prvek jako generátor elektřiny
Termoelektrické moduly mohou pracovat jako elektrické generátory, pokud je jedna z jejich stran vystavena nucenému ohřevu. Čím vyšší je teplotní rozdíl mezi stranami, tím vyšší je proud generovaný zdrojem. Maximální teplota termogenerátoru je bohužel omezená, nemůže být vyšší než teplota tání pájky použité v modulu. Porušení této podmínky povede k selhání prvku.
Pro sériovou výrobu termogenerátorů se používají speciální moduly se žáruvzdornou pájkou, které lze ohřát na teplotu 300 ° C. U běžných prvků, například TEC1 12715, je limit 150 stupňů.
Protože účinnost těchto zařízení je nízká, používají se pouze v případech, kdy není možné použít účinnější zdroj elektrické energie. Nicméně, 5-10 W termogenerátory jsou v poptávce mezi turisty, geology a obyvatele odlehlých oblastí. Velké a výkonné stacionární zařízení pracující z vysokoteplotního paliva slouží k napájení zařízení pro rozvod plynu, vybavení meteorologických stanic atd.
Pro vychladnutí procesoru
Relativně nedávno se tyto moduly začaly používat v chladicích systémech CPU osobních počítačů. Vzhledem k nízké účinnosti termoprvků jsou výhody těchto konstrukcí spíše pochybné. Například, pro chlazení zdroje tepla s kapacitou 100-170 W (odpovídá většině moderních modelů CPU), musíte strávit 400-680 W, což vyžaduje instalaci výkonného zdroje napájení.
Druhý úder - nezatížený procesor vyprodukuje méně tepla a modul jej může ochladit pod rosný bod. V důsledku toho se začne tvořit kondenzát, který zaručí vypnutí elektroniky.
Ti, kteří se rozhodnou vytvořit takový systém sami, budou muset provést sérii výpočtů o volbě výkonu modulu pro konkrétní model procesoru.
Na základě výše uvedeného není použití těchto modulů jako chladicího systému CPU efektivní z hlediska nákladů, navíc mohou způsobit selhání hardwaru počítače.
Jinak je tomu u hybridních zařízení, kde jsou tepelné moduly používány ve spojení s chlazením vodou nebo vzduchem.
Hybridní chladicí systémy se ukázaly jako účinné, ale vysoké náklady omezují rozsah jejich obdivovatelů.
Klimatizace Peltier
Teoreticky by takové zařízení bylo konstruktivně podstatně jednodušší než klasické klimatizační systémy, ale to vše vede k nízké produktivitě. Jedna věc je ochlazovat malý objem chladicí komory, další věc je umístit nebo umístit do auta. Klimatizační jednotky na termoelektrických modulech spotřebují více (3-4 krát) elektřinu než zařízení pracující na chladivu.
Pokud jde o použití klimatizace jako automobilového systému, výkon standardního generátoru nebude pro provoz takového zařízení dostatečný. Výměna za účinnější zařízení povede k výrazné spotřebě paliva, která není nákladově efektivní.
Diskuse na toto téma pravidelně vznikají v tematických fórech a zvažují se různé domácí návrhy, ale dosud nebyl vytvořen plnohodnotný pracovní prototyp (nepočítá se kondicionér pro křečka). Je možné, že se situace změní, když se moduly s přijatelnější účinností objeví v širokém přístupu.
Pro chladicí vodu
Termoelektrický prvek je často používán jako chladič pro vodní chladiče. Konstrukce obsahuje: chladicí modul, regulátor řízený termostatem a ohřívač. Taková implementace je mnohem jednodušší a levnější než kompresorový okruh, kromě toho je bezpečnější a jednodušší. Existují však určité nevýhody:
- voda není ochlazena pod 10-12 ° C;
- chlazení trvá déle než protějšek kompresoru, takže takový chladič není vhodný pro kancelář s velkým počtem pracovníků;
- zařízení je citlivé na vnější teplotu, v teplé místnosti nebude voda ochlazena na minimální teplotu;
- Instalace v prašných prostorách se nedoporučuje, protože by se ventilátor mohl ucpat a chladicí modul by selhal.
Peltierova sušička vzduchu
Na rozdíl od klimatizační jednotky je implementace sušiče vzduchu na termoelektrických prvcích zcela možná. Design je poměrně jednoduchý a levný. Chladicí modul snižuje teplotu radiátoru pod rosný bod, v důsledku čehož se na něm vlhkost obsažená ve vzduchu procházejícím zařízením usadí. Vysrážená voda je odváděna do speciální nádrže.
I přes nízkou účinnost je v tomto případě účinnost zařízení poměrně uspokojivá.
Jak se připojit?
S připojením modulu nebudou žádné problémy, je nutné použít konstantní napětí na výstupní vodiče, jeho hodnota je uvedena v datovém listu prvku. Červený vodič musí být připojen k plusu, černý - k minus. Pozor! Reverzace polarity mění chlazené a vyhřívané povrchy.
Jak zkontrolovat Peltierův prvek pro výkon?
Nejjednodušší a nejspolehlivější způsob je hmatový. Modul je nutné připojit k příslušnému zdroji napětí a dotknout se jeho různých stran. Pracovní prvek bude mít jeden z nich teplejší, druhý chladnější.
Pokud není k dispozici vhodný zdroj, budete potřebovat multimetr a zapalovač. Proces ověření je velmi jednoduchý:
- připojujeme sondy k závěsům modulu;
- zapalovač zapněte na jednu ze stran;
- sledujte hodnoty přístroje.
V pracovním modulu se při ohřevu jedné ze stran generuje elektrický proud, který je zobrazen na přístrojové desce.
Jak udělat Peltierův prvek vlastníma rukama?
Je téměř nemožné vyrobit doma vyrobený modul doma, tím spíše, že to nedává smysl, vzhledem k jejich relativně nízkým nákladům (asi $ 4 - $ 10). Ale můžete sestavit zařízení, které bude užitečné v kampani, například termoelektrický generátor.
Pro stabilizaci napětí je nutné na čipu IC L6920 sestavit jednoduchý převodník.
Vstup takového převodníku je napájen napětím v rozsahu 0, 8-5, 5 V, na výstupu bude produkovat stabilní 5 V, což je dostačující pro dobití většiny mobilních zařízení. Při použití obvyklého Peltierova prvku je nutné omezit rozsah pracovních teplot zahřáté strany na 150 ° C. Aby nedošlo k obtěžování sledování, je lepší použít jako zdroj tepla konvici s vroucí vodou. V tomto případě je zaručeno, že prvek nebude zahřívat nad 100 ° C.