Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Аквариум – это небольшой параллельный мир, в который можно периодически уходить, когда в существующей вселенной становится неуютно.

Однако поддержание нормального микроклимата в аквариуме является не самой простой задачей и требует применения специализированного оборудования.

Конечно, может показаться, что сейчас на рынке есть все, что для этого необходимо, но, как оказалось на практике, это не совсем так.

Одной из проблем содержания аквариумных рыбок является необходимость охлаждения воды летом, когда температура воздуха перестает опускаться ниже 25 °C. Например, в Одессе этот период начинается с середины июля и может продолжаться до двух месяцев. Если в помещении нет кондиционера, то для многих рыбок наступление этого сезона заканчивается самым печальным образом.

Уменьшить температуру воды намного сложнее, чем увеличить. На рынке присутствует огромный выбор недорогих и надежных аквариумных обогревателей, в том числе и со встроенными терморегуляторами, но стоимость охладителей (чиллеров) в большинстве случаев оказывается заоблачной.

Да и рассчитаны они обычно на охлаждение больших объемов воды, поэтому приобретать их, например, для маленького 10-литрового аквариума нет особого смысла.

Существует еще несколько проектов чиллеров, которые можно изготовить в домашних условиях, однако они тоже достаточно сложны для повторения.

В этой статье описан простой и недорогой аквариумный охладитель, который можно собрать самостоятельно за несколько часов. Большинство деталей для его изготовления можно найти в «закромах» людей, занимающихся ремонтом компьютеров или увлекающихся электроникой.

В самом лучшем случае для повторения этой конструкции потребуется приобрести всего один элемент Пельтье.

И хоть данная самоделка может оказаться слишком примитивной и не очень презентабельной, с ее помощью можно охладить воду 20-литрового аквариума почти на 5 °С, что вполне достаточно для спасения обитателей аквариума в летнюю жару.

Методы уменьшения температуры воды в аквариуме

Существует два основных способа охлаждения воды в аквариуме: добавление холодных объектов, например, контейнеров со льдом, и использование тепловых насосов.

Добавление льда или холодной воды требует постоянного присутствия человека рядом с аквариумом и холодильником, что не всегда возможно, особенно для людей с напряженным рабочим графиком, поэтому лучше всего использовать для этого автоматизированные устройства.

На сегодняшний день существует два основных вида тепловых насосов: на основе компрессоров и на основе элементов Пельтье. Компрессорные тепловые насосы имеют высокую эффективность и могут создать достаточно большую разницу температур в рабочих контурах.

Из-за этого они активно используются в бытовых и промышленных холодильных установках, а также системах отопления и кондиционирования.

Однако они имеют достаточно сложную конструкцию, а для того, чтобы изготовить их в домашних условиях, необходимы специальное оборудование, знания и практические навыки, обычно отсутствующие у большинства специалистов в области электроники.

Эффективность элементов Пельтье меньше, чем у компрессорных систем. Однако они компактны, и намного проще в эксплуатации, чем компрессоры.

С точки зрения электроники, элемент Пельтье является относительно простым радиоэлементом, не требующим для своей работы сложных алгоритмов запуска или высокостабильных токов.

Кроме того, элементы Пельтье доступны для приобретения практически у всех поставщиков электронных компонентов и имеют относительно невысокую стоимость.

Особенности использования элементов Пельтье

Принцип работы элементов Пельтье широко описан в технической литературе, поэтому нет смысла подробно останавливаться на этом вопросе.

На сегодняшний день самыми популярными и доступными на рынке являются элементы Пельтье TEC1 с размерами 40 × 40 × 3.8  мм.

В охладителе был использован элемент TEC1-12706 (Рисунок 1), содержащий 127 последовательно включенных полупроводниковых элементов, способных работать при токе до 6 А.

Рисунок 1.	Внешний вид элемента Пельтье TEC1 12706.

Элементы TEC1 состоят из двух керамических пластин, обычно белого цвета, между которыми располагаются активные полупроводники. Промежуток между пластинами заливается герметичным компаундом. Электрическая энергия на полупроводниковые компоненты подается с помощью двух проводов, как правило, красного и черного цветов.

При подключении красного провода к положительному полюсу источника питания, а черного – к отрицательному сторона, на которой нанесена маркировка, обычно охлаждается, а противоположная сторона, без маркировки, нагревается.

Если изменить полярность напряжения, то передача тепла (энергии) будет происходить в обратном направлении.

Срок службы элементов Пельтье во многом зависит от режима их работы. Лучше всего подавать на них постоянное напряжение с коэффициентом пульсаций не более 5%.

В процессе работы элемента Пельтье лучше всего стабилизировать уровень потребляемой мощности, а также контролировать температуру горячей пластины, которая не должна превышать 50 °C.

Питание элементов Пельтье импульсным напряжением, например, с использованием ШИМ, а также частое включение-выключение, не рекомендуется – материалы этих элементов деградируют при каждом изменении температурного режима, поэтому циклические режимы работы могут быстро разрушить эти приборы.

Конструкция и сборка охладителя

Размеры элемента TEC1 12706 равны 40 × 40 мм, что соизмеримо с размерами процессоров компьютеров.

Поэтому в качестве теплообменников удобнее всего использовать готовые радиаторы от старых компьютеров – элементы TEC1 12706 на них устанавливаются без какой-либо доработки (Рисунок  2).

Кроме того, практически всегда можно найти готовый комплект радиатор + вентилятор, который вряд ли уже когда-нибудь будет использоваться по своему прямому назначению.

Рисунок 2.	Элементы охладителя аквариума.

Размеры радиатора, предназначенного для охлаждения воды, должны быть максимально большими. При этом желательно выбирать радиатор с длинными ребрами, чтобы не утратить контакт с водой при возможном ее испарении. Поскольку вода имеет достаточно высокую теплопроводность, то вентилятор для этого радиатора не нужен.

Из-за низкой теплопроводности воздуха радиатор с горячей стороны элемента Пельтье должен или иметь большие размеры или обдуваться вентилятором.

Если использовать радиаторы, предназначенные для охлаждения процессоров, то вентилятор нужен обязательно, хотя бы потому, что воздушные радиаторы, рассчитанные на работу при принудительном охлаждении, плохо работают при естественном обдуве.

Без вентилятора температура горячего радиатора очень быстро достигает 50 °C и ток, потребляемый элементом Пельтье, катастрофически падает. В таком режиме уменьшение температуры воды не превышает 1 °C (проверено).

Единственным элементом, который придется изготовить самостоятельно, является основание, предназначенное для сборки конструкции целиком.

Основание должно быть изготовлено из материала с невысокой теплопроводностью, поскольку оно контактирует и с горячим, и с холодным радиаторами, и если сделать его, например, из металла, то произойдет тепловое короткое замыкание и эффективность работы охладителя уменьшится до нуля.

Геометрические размеры основания во многом зависят от размеров и способа крепления радиаторов. Желательно делать его максимально большим, поскольку оно еще и выполняет функцию теплового экрана, препятствуя смешиванию вентилятором холодного воздуха у поверхности воды с горячим воздухом, выдуваемым с радиатора.

Для изготовления основания лучше всего использовать материал такой же толщины, как и элемент Пельтье – приблизительно 4 мм.

Это позволит хорошо прижать радиаторы друг к другу, не создавая при этом значительных механических усилий на сам элемент.

В данном случае, самым доступным материалом для основания оказалась трехслойная 4-миллиметровая фанера, хотя можно использовать и другие листовые материалы подходящей толщины, например, акрил или поликарбонат.

Для установки элемента Пельтье в центре освнования лобзиком выпиливается прямоугольное отверстие с размерами 50 × 50 мм (Рисунок 3).

При необходимости с одной из сторон этого квадрата делаются два пропила для проводов.

Форма и размеры остальных отверстий зависят от имеющихся радиаторов, поэтому на чертеже указаны лишь общие цифры – при использовании других радиаторов отверстия будут другими.

Рисунок 3.	Чертеж и пример основания.

Способ объединения всех элементов конструкции, опять же, зависит от имеющихся радиаторов. В данном случае горячий радиатор изначально был рассчитан на установку с помощью пружины. Эта пружина и была использована для соединения всей конструкции в единое целое.

Для этого пришлось немного изменить ее форму, разогнув один конец с помощью плоскогубцев, а в холодном радиаторе просверлить два отверстия и нарезать в них резьбу (Рисунок 4).

После этого, сделав в основании необходимые прорези, всю конструкцию можно собрать в единое целое с помощью двух винтов М3 или М4.

Винты для соединения радиаторов лучше использовать с низкой теплопроводностью, например, изготовленные из пластика или капрона, поскольку через металл замыкается часть теплового потока. Перед сборкой обе стороны элемента Пельтье нужно смазать термопастой, например, КПТ-8 для лучшего теплового контакта с радиаторами.

Рисунок 4.	Крепление радиаторов.

Для установки охладителя в аквариуме были использованы четыре металлические полосы из мягкого металла (Рисунок 5). В данном случае они были сделаны из оставшихся после ремонта прямых подвесов для стоечного профиля, используемых при монтаже гипсокартоновых стен.

Металл полос должен быть мягким, чтобы можно было легко регулировать положение охладителя в аквариуме. Соединить полосы с основанием можно любым способом, например, с помощью шурупов или винтов М3 или М4.

Длина полос зависит от размера аквариума и должна быть достаточна для того, чтобы охладитель случайно не упал в воду.

Рисунок 5.	Охладитель в сборе.

Последний этап сборки заключается в установке клеммной колодки и электрического соединения всех элементов охладителя в единое целое (Рисунок 6).

Поскольку и для элемента Пельтье, и для вентилятора необходимо постоянное напряжение величиной 12 В, то никаких проблем на этом этапе возникнуть не должно.

Если вентилятор имеет встроенный датчик оборотов, то его выход также лучше подключить на отдельную клемму, хотя это совершенно необязательно. Закрепить клеммную колодку на основании можно любым способом, например, с помощью шурупов или винтов М3/М4.

Рисунок 6.	Электрическая схема охладителя.

При использовании элемента TEC1 12706 для питания охладителя необходим источник постоянного напряжения с максимальным выходным током не менее 5 A.

Для этого можно использовать любые выпрямительные устройства общего назначения, например, используемые для питания светодиодных лент (Рисунок 7).

Соединить блок питания с охладителем можно любым проводом необходимой длины, рассчитанным на работу при длительном токе не менее 3 А, то есть имеющим сечение не менее 0.75 мм2.

Рисунок 7.	Блок питания 12 В, 5 А.

После этого охладитель готов к работе. В аквариуме его желательно установить в центре так, чтобы нижний радиатор имел хорошее соприкосновение с водой, при этом основание должно находиться выше уровня воды (Рисунок 8).

Не лишним будет напомнить, что блок питания нужно устанавливать таким образом, чтобы исключить даже малейшую возможность как попадания его в воду, так и попадания воды на него, а включать систему в электрическую сеть можно только после завершения всех монтажных работ.

Рисунок 8.	Установка охладителя в аквариуме.

Результаты тестирования охладителя

Испытание охладителя было произведено в тестовом аквариуме емкостью 20 литров. Измерения температуры проводились с помощью четырех аквариумных термометров (Рисунок 9), три из которых были установлены на передней стенке и измеряли температуру в верхней, средней и нижней частях аквариума (Рисунок 8).

Четвертый термометр располагался недалеко от аквариума и измерял температуру воздуха в помещении. При приобретении термометров особое внимание было уделено совпадению результатов измерений, чем были немало озадачены продавцы на одесском Староконном рынке.

В конечном итоге удалось найти четыре прибора, дававших одинаковые результаты в диапазоне температур 10…25 °C.

Рисунок 9.	Аквариумный термометр.

Аквариум был установлен на ровном деревянном основании в сухом неотапливаемом помещении без постоянных воздушных потоков. Мощность, потребляемая из сети, контролировалась энергометром Intertek Power Meter PP-3460, напряжение и ток элемента Пельтье – стендовым вольтамперметром DC0-100V/10A.

В момент включения, когда температура охладителя не отличалась от температуры окружающей среды, ток, потребляемый элементом Пельтье, был равен 3.1 А при выходном напряжении источника питания, равном 12 В.

После этого ток достаточно быстро – за несколько минут – уменьшился до величины 2.85 А. Таким образом, в установившемся режиме элемент Пельтье потреблял мощность, равную 34 Вт.

Энергометр, подключенный к сети, при этом, показывал потребление мощности на уровне 41 Вт, что позволило определить КПД блока питания – приблизительно 83%.

В начале эксперимента температура воды и воздуха были приблизительно одинаковы – перед этим помещение несколько дней стояло закрытым, что исключало поступление внутрь воздуха с иной температурой. Кроме того, перед началом эксперимента в течение нескольких дней стояла пасмурная погода, что значительно уменьшало дневной нагрев помещения солнечными лучами, проникающими через окно.

Спустя сутки непрерывной работы разница температур воды и воздуха составила 4.3 °C. При этом в верхней части аквариума температура воды была на 1 °С меньше, чем в нижней и средней части. В конечном итоге, эксперимент был прекращен после 24 часов непрерывной работы охладителя при показаниях термометров: воздух – 21 °С, верхняя часть аквариума – 16 °С, средняя – 17 °С, нижняя – 17 °С.

Термоэлектрический эффект и охлаждение — читайте все нюансы

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Принцип действия

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников.

При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек.

Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n).

Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью АН СССР и академика А.Ф. Иоффе за грандиозный труд по развитию термоэлектричества в СССР и доведения результатов исследований до сведения общественности.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы.

При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы.

Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Применяемость

Эффект Пельтье применяется для охлаждения, нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, явление полезно:

1. Для создания холодильников низкого напряжения и постоянного тока. С возможностью подогрева при изменении полярности питания. На западе так конструируют дорожные сандвиченницы. Холод сохраняет продукт от порчи, обратная полярность позволяет подать продукт на стол горячим.
2. Кулеры процессоров вносят значительную лепту в общие шумовые характеристики системного блока. Если заменить их элементами Пельтье, порой хватает общего вентилятора. Он шумит не настолько сильно, корпус лишён мощного радиатора, а крепление надёжное (в отличие от материала материнской платы).

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна.

Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийних холодильников и до −120 °C для двухстадийных).

«Электрогенератор Пельтье» — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей:

1. непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье,
2. источник тепловой энергии для нагрева преобразователя (например, газовая или бензиновая горелка, твердотопливная печь и т. д.)

Это интересно: Токопроводящий пластик — выкладываем по полочкам

Развитие теории охлаждения

Эффект Пельтье не привлекал пристального внимания учёных, казался бесполезным.

Открытый в 1834 году, пылился на полках научных библиотек более века прежде, нежели стали находиться первые значимые технические решения в этой области.

К примеру, Альтенкирх (1911 год) заявлял о невозможности применения эффекта Пельтье в холодильных установках, в расчётах опирался на использование чистых металлов, вместо сплавов и полупроводников.

Ошибочность выводов немецкого учёного подтверждена позже, в чем немалая роль отводится лаборатории полупроводников Академии наук СССР.

К 1950 году создана стройная теория, позволившая в течение последующего ряда лет создать первый электротермический холодильник.

При сравнительно небольшом КПД в 20% прибор понижал температуру на 24 градуса, чего в большинстве случаев хватало для бытовых целей. Годами позже разница температур уже составляла 60 градусов.

В физике 50-х годов элемент Пельтье рассматривался как холодильная машина с электронным газом вместо фреона. Сообразно этому велось рассмотрение системы.

Основной параметр – холодильный коэффициент, отношение количества тепла, забираемого в единицу времени к мощности, которая на это затрачивается.

У современных фреоновых кондиционеров и холодильников цифра превышает единицу. В 50-х годах для элемента Пельтье едва достигала 20%.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника.

Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера.

Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина.

В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться.

Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Теплота, переносимая эффектом Томсона, прямо пропорциональна разнице температур на концах проводника и зависит от величины протекающего тока.

Явление проявляется лишь в веществах с ярко выраженной зависимостью коэффициента термо-ЭДС от температуры. В некоторых расчётах эффект Томсона считается нулевым, это близко к истине.

В термодинамической теории процесс отдачи и отбора тепла рассматривается с точки зрения двух тепловых потоков:

• Поток тепла, забираемый охлаждающимся спаем, сопровождается двумя параллельно идущими процессами:

1. Паразитное выделение тепла по закону Джоуля-Ленца. В термодинамике берётся как половина произведения квадрата тока на сопротивление. Вторая половина падает на горячем спае.
2. Поток нагрева теплом, идущим от тёплой части. Равен разнице температур, перемноженной с полной теплопроводностью ветвей термоэлемента.

• На горячем спае идут обратные процессы по второму пункту (тепло уносится к охлаждаемой части) и аналогичные по первому – выделяется джоулева теплота.

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление.

Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока.

Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

• Электропроводность материалов термопары одинакова.
• Теплопроводность материалов термопары одинакова.
• Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
• Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

1. Теплопроводность кристаллической решётки.
2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента.

Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр.

Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию.

Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана.

Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

1. l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
2. f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
3. x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И.

Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются.

В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

1. Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
2. Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность.

Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К.

Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью АН СССР и академика А.Ф. Иоффе за грандиозный труд по развитию термоэлектричества в СССР и доведения результатов исследований до сведения общественности.

Применяемость

Эффект Пельтье применяется для охлаждения, нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, явление полезно:

1. Для создания холодильников низкого напряжения и постоянного тока. С возможностью подогрева при изменении полярности питания. На западе так конструируют дорожные сандвиченницы. Холод сохраняет продукт от порчи, обратная полярность позволяет подать продукт на стол горячим.
2. Кулеры процессоров вносят значительную лепту в общие шумовые характеристики системного блока. Если заменить их элементами Пельтье, порой хватает общего вентилятора. Он шумит не настолько сильно, корпус лишён мощного радиатора, а крепление надёжное (в отличие от материала материнской платы).

Развитие теории охлаждения

Эффект Пельтье не привлекал пристального внимания учёных, казался бесполезным.

Открытый в 1834 году, пылился на полках научных библиотек более века прежде, нежели стали находиться первые значимые технические решения в этой области.

К примеру, Альтенкирх (1911 год) заявлял о невозможности применения эффекта Пельтье в холодильных установках, в расчётах опирался на использование чистых металлов, вместо сплавов и полупроводников.

Ошибочность выводов немецкого учёного подтверждена позже, в чем немалая роль отводится лаборатории полупроводников Академии наук СССР.

К 1950 году создана стройная теория, позволившая в течение последующего ряда лет создать первый электротермический холодильник.

При сравнительно небольшом КПД в 20% прибор понижал температуру на 24 градуса, чего в большинстве случаев хватало для бытовых целей. Годами позже разница температур уже составляла 60 градусов.

В физике 50-х годов элемент Пельтье рассматривался как холодильная машина с электронным газом вместо фреона. Сообразно этому велось рассмотрение системы.

Основной параметр – холодильный коэффициент, отношение количества тепла, забираемого в единицу времени к мощности, которая на это затрачивается.

У современных фреоновых кондиционеров и холодильников цифра превышает единицу. В 50-х годах для элемента Пельтье едва достигала 20%.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника.

Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера.

Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина.

В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться.

Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Теплота, переносимая эффектом Томсона, прямо пропорциональна разнице температур на концах проводника и зависит от величины протекающего тока.

Явление проявляется лишь в веществах с ярко выраженной зависимостью коэффициента термо-ЭДС от температуры. В некоторых расчётах эффект Томсона считается нулевым, это близко к истине.

В термодинамической теории процесс отдачи и отбора тепла рассматривается с точки зрения двух тепловых потоков:

• Поток тепла, забираемый охлаждающимся спаем, сопровождается двумя параллельно идущими процессами:

1. Паразитное выделение тепла по закону Джоуля-Ленца. В термодинамике берётся как половина произведения квадрата тока на сопротивление. Вторая половина падает на горячем спае.
2. Поток нагрева теплом, идущим от тёплой части. Равен разнице температур, перемноженной с полной теплопроводностью ветвей термоэлемента.

• На горячем спае идут обратные процессы по второму пункту (тепло уносится к охлаждаемой части) и аналогичные по первому – выделяется джоулева теплота.

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление.

Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока.

Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

• Электропроводность материалов термопары одинакова.
• Теплопроводность материалов термопары одинакова.
• Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
• Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

1. Теплопроводность кристаллической решётки.
2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента.

Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр.

Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию.

Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана.

Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

1. l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
2. f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
3. x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И.

Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются.

В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

1. Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
2. Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность.

Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К.

Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.

Обогрев помещения с помощью элементов Пельтье. Миф или реальность? | Идеи домашнего мастера

Рубрика: Бизнес идеи Опубликовано 20.01.2017   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 4 мин   ·   Просмотры:

Буквально на днях на канале YouTube смотрел фильм, где автор рассказывает об инновационной идее обогрева помещения с использованием термомодулей.

Судя по дате размещения фильма, на дворе был 2013 год. К началу следующего отопительного сезона изобретатель Кондрашов А. А. обещал сделать калорифер (он же будет выполнять роль кондиционера) на базе термомодулей уже в усовершенствованном виде, протестировать его, т.е.

провести все этапы опытно-конструкторских работ.

Работает такой термомодуль при подведении постоянного электрического тока напряжением 15 В как высокоэффективный тепловой насос. При этом одна сторона термомодуля становится горячей, а вторая — холодной.

В зимнее время он работают на обогрев помещения, а с наступлением лета будет работать на охлаждение воздуха, подобно кондиционеру. Для этого достаточно будет поменять полярность подключения термомодуля к источнику тока.

Тогда наружная пластина становится горячей, а обращенная в помещение – холодной. Преимущества таких систем очевидны – здесь нет ни одного подвижного элемента.

Монтаж системы обогрева выполняется следующим образом. В середине глубины сквозной ниши, выполненной в стене под подоконником или над окном, устанавливается  набор термомодулей, с каждой стороны которых приклеены радиаторы с термопастой, желательно с обдувом.

На обогрев квартиры площадью 18 кв. м.  при высоте потолка 2,6 м потребуется всего 8 термомодулей размером 40×40 мм. Заманчиво! Не правда ли?

Что это — революционная идея, которая навсегда решит проблему обогрева квартир, или очередной развод? Попробуем вначале разобраться в вопросе о термомодулях. То, что держит в руках Кондрашов А, А., очень напоминает элементы Пельтье, хотя по утверждению изобретателя –  это секретное изобретение ВПК.

Что такое элементы Пельтье?

В 1834 год, пропуская электрический ток через контакт двух проводников, изготовленных из меди и висмута, Пельтье обнаружил, что температура в местах соединения металлов отличается от температуры окружающей среды примерно на 2 градуса. При этом в зависимости от направления тока соединение нагревается или охлаждается. В то время объяснить природу этого явления ученый не смог из-за отсутствия достаточной теоретической базы.

Не будем вдаваться в физические детали этого явления, а перейдем к современным модулям, собранным на полупроводниках. Высокая мощность таких элементов достигается за счет использования большого количества пар полупроводников p и n-типа, соединенных последовательно. Полупроводники заключены между двумя керамическими пластинами.

Если один провод элемента Пельтье  подключить к положительному полюсу источника тока, а второй к отрицательному, то одна керамическая пластина начинает греться, а вторая охлаждаться.

При смене полярности включения элемента наблюдается обратный эффект. Таким образом, при протекании электрического тока возникает разность температур.

Элемент Пельтье работает как термоэлектрический преобразователь.

Элемент Пельтье используется не только для получения тепла и холода. Он позволяет получать из тепла электрический ток (используется так называемый эффект Зеемана). Подобное применение элементы Пельтье нашли в печке Индигирка.

Цена вопроса

Для эффективной работы необходимо поддерживать на керамических пластинах элемента Пельтье значительную разность температур, что достигается большими затратами потребляемой мощности в процессе работы.

В ходе испытания элемента ТЕС1-12706 при номинальном напряжении 12 В ток составил почти 4 А. Потребляемая мощность 12 В х 4 А = 48 Вт.

А если взять 4, 6, 10 термормодулей?  При крайне низком значение их кпд на единицу перекачиваемой энергии затраты почти вдвое больше потребляемой энергии. Поэтому обогрев даже небольшого помещения потребует немалых затрат.

Таким образом, собрать эффективную систему из современных элементов Пельтье для обогрева помещения — занятие бесперспективное.

Как говорилось выше, запись фильма осуществлена в 2013 году. Сейчас начало 2017 года, а результатов опытов использования термомодулей для обогрева помещения в строящемся поселке под Одессой автор так и не предоставил.

После просмотра фильма возникает законный вопрос, а чем же разработанные ВПК термомодули отличаются от китайских элементов Пельтье? Насторожил еще один момент, где Кондрашов А. А. предлагает купить секрет всего за 20 млн. «правильных» рублей.

Увы, изобретатель исчез, наверное, вместе с деньгами еще одного доверчивого покупателя. Жаль, что человечеству так и осталась недоступной тайна, сулившая головную боль системе ЖКХ.

Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье

?

Categories:

• Техника
• История
• Космос
• Технологии
• Cancel

Оригинал взят у holodilshik в Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.Ролик 1Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя – эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.

Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.

Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

• Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.
• Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
• Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.
• Батарея Пельтье

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2.

Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К.

Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов – полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться.

Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70…75 К.Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.Источник: http://podberi-holodilnik.ru/aimg/content/c90791135f6df6227ac4e26cd52e7fd9e7d55e76.gifПреимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);- небольшие размеры;- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;- низкая холодпроизводительность;- высокая стоимость.Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами – хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.

Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC – это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Также холодильники на основе эффекта Пельтье применяются в космосе. Более подробно можно почитать в статье Космические холодильники.