Účinek termoelektrického chlazení poprvé objevil a popsal v roce 1834 Jean Peltier. Tento jev spočívá v tom, že když elektrickým obvodem složeným z různých vodičů protéká stejnosměrný elektrický proud, určité množství tepla se na spoji vodičů pohltí nebo uvolní a v závislosti na tom se tato část obvodu ochladí nebo ohřeje. na směru proudu.
Jean Charles Athanaz Pelletier
Následná práce vědců, kteří se snažili vysvětlit podstatu Peltierova jevu, ukázala, že množství tepla absorbovaného na přechodu je úměrné síle proudu, době, po kterou protéká, a určitému koeficientu závislému na fyzikálně-chemických vlastnostech materiálu. obvodové vodiče. V tomto případě hraje roli chladiva v termoelektrickém chladicím stroji plyn elektronových děr polovodičů.
Moderní výzkum v oblasti termoelektriky
Moderní výzkum v oblasti termoelektriky začal v polovině minulého století prací Abrama Fedoroviče Ioffeho, který ukázal, že nejlepšími materiály pro termoelektrické měniče energie (termoelektrika) jsou polovodiče s příměsí atomů jiných prvků.
Abram Fedorovič Ioffe
Navrhl také využít termoelektřinu k vytvoření zcela jiného typu chladicího stroje – na bázi pevné fáze. Takové chladničky nemají žádné pohyblivé části a mohou pracovat téměř neomezeně dlouho. Ioffeho návrhy iniciovaly aktivní další práci v tomto směru.
První laboratorní model domácí termoelektrické chladničky s vodním chlazením horkých spojů termočlánku s objemem chladicí komory 20 litrů vznikl v letech 1953–1954. a byl demonstrován na první All-Union Conference on Semiconductors v roce 1955 v Leningradu.
V roce 1955 vznikl na základě komory leningradské průmyslové absorpční chladničky model vzduchem chlazené termoelektrické chladničky. Článek akademika Ioffe, Stilbanse, Iordanishviliho, Fedoroviče „Termoelektrická chladnička“ s podrobným popisem této chladničky byl publikován v roce 1956 v časopise „Refrigeration Engineering“.
První domácí termoelektrická chladnička na světě
Podobný model vznikl v roce 1956 již na bázi Tambovské chladicí komory (120 l), i když konkurenceschopnost termoelektriky s takovými chladicími objemy byla velmi problematická.
Sériová výroba termoelektrických chladniček pod značkou Morozko byla organizována ve Velikiye Luki. Přístroje se začaly prodávat v roce 1956, daly se instalovat na podlahu nebo na stůl a zavěsit na zeď.
Termoelektrické chladničky nejsou široce používány kvůli jejich malým rozměrům a omezené poptávce. Pokud jde o účinnost, byly výrazně horší než jejich absorpční a kompresní protějšky.
Do 50. let se datuje také vytvoření prvních funkčních prototypů termoelektrických kryomedicínských zařízení.
V letech 1957 až 1965 Byly provedeny výzkumy všech tehdy známých polovodičů, polokovů a slitin a byly objeveny nejlepší materiály pro termoelektrické chlazení: vizmut a teluridy olova, slitiny bismut-antimon. Bylo provedeno obrovské množství teoretické práce, byly sestrojeny modely, které velmi dobře popisují existující materiály. Ani ty nejlepší materiály však neumožňovaly vytvoření chladicích systémů s dostatečnou účinností.
V 21. století dochází opět k jasnému oživení v oblasti termoelektrického chlazení. Nedávný výzkum tvorby a hledání materiálů pro termoelektriku dává důvod očekávat v blízké budoucnosti výrazné zvýšení účinnosti termoelektrických chladicích strojů.
Výhody termoelektrického chlazení
Oživení zájmu o využití termoelektrického chlazení je v současnosti spojeno i s ekologickými problémy, které vznikají při používání tradičních způsobů výroby chladu (poškozování ozonové vrstvy, skleníkový efekt apod.). Termoelektrické chladničky jsou absolutně bezpečné z hlediska životního prostředí, nemají opotřebitelné prvky, což znamená, že jsou tiché v provozu, vyznačují se absencí vibrací, nevyžadují standardní čisticí zařízení pro pracovní kapaliny a jsou schopné provozu. stabilně po dlouhou dobu.
Termoelektrické měniče energie mají další výhody:
možnost nejen chlazení, ale i vytápění;
mimořádná spolehlivost komponent, které produkují chlad;
možnost velmi rychlého chlazení;
vysoká přesnost regulace teploty a schopnost termostatu změnou napájecího proudu;
nezávislost parametrů termoelektrických modulů na síle
gravitace a orientace v prostoru, stejně jako nízká citlivost na vysoké mechanické zatížení;
není potřeba údržby.
Trochu teorie: termoelektrické jevy
Provoz termoelektrických chladicích jednotek je založen na termoelektrických jevech. Patří mezi ně efekty Seebeck, Peltier a Thomson. Tyto efekty jsou spojeny jak s přeměnou tepelné energie na elektrickou, tak s přeměnou elektrické energie na chlad.
Seebeckův efekt
Seebeckův jev spočívá v tom, že pokud v otevřeném elektrickém obvodu sestávajícím z několika různých vodičů je na jednom z kontaktů udržována teplota Tg (horký spoj) a na druhém teplota Tx (studený spoj), pak za podmínky Tg Tx na koncích obvodu vzniká termoelektromotorická síla E. Při sepnutí kontaktů se v obvodu objeví elektrický proud.
Peltierův efekt
Peltierův jev spočívá v tom, že při průchodu stejnosměrného proudu termočlánkem sestávajícím ze dvou vodičů nebo polovodičů se v místě kontaktu uvolňuje nebo absorbuje určité množství tepla (v závislosti na směru proudu). Když se elektrony přesouvají z materiálu typu p do materiálu typu n prostřednictvím elektrického kontaktu, musí překonat energetickou bariéru a odebírat energii z krystalové mřížky (studený spoj), aby tak učinily. Naopak při přechodu z materiálu typu n na materiál typu p přenášejí elektrony energii do mřížky (horký spoj).
Thomsonův efekt
Thomsonův jev spočívá v tom, že když elektrický proud protéká vodičem nebo polovodičem, ve kterém se vytváří teplotní gradient, kromě Jouleova tepla se uvolňuje nebo absorbuje určité množství tepla (v závislosti na směru proudu). Fyzikální důvod pro tento efekt je způsoben tím, že energie volných elektronů závisí na teplotě. Poté elektrony na horkém přechodu získají vyšší energii než na studeném přechodu. Hustota volných elektronů se také zvyšuje s rostoucí teplotou, což má za následek tok elektronů od horkého konce ke studenému konci. Na horkém konci se hromadí kladný náboj a na studeném konci záporný. Redistribuce nábojů brání toku elektronů a při určitém rozdílu potenciálu jej úplně zastaví. K výše popsaným jevům dochází obdobně u látek s děrovou vodivostí, jen s tím rozdílem, že na horkém konci se hromadí záporný náboj a na studeném konci kladně nabité díry. U látek se smíšenou vodivostí se proto Thomsonův jev ukazuje jako nevýznamný.
Vztah mezi uvažovanými termoelektrickými jevy je znázorněn na obrázku.
Termoelektrické jevy: a – Seebeckův jev; b – Peltierův jev
Autor: Akademie CryoFrost
Zdroj: na základě materiálů z článků doktora fyzikálních a matematických věd L.P. Bulat
Termoelektrická chladicí zařízení. Pokyny pro studenty oboru 070200 Nízkoteplotní inženýrství a fyzika.pdf
Chladicí zařízení se v našich životech tak pevně usadilo, že je dokonce těžké si představit, jak bychom se bez něj obešli. Klasická provedení chladiva však nejsou vhodná pro mobilní použití, například jako cestovní chladicí taška.
Chladicí vak s Peltierovými prvky, bez kompresoru, bez potřeby freonu nebo jiných chladiv
K tomuto účelu se používají instalace, ve kterých je princip činnosti založen na Peltierově jevu. Pojďme si o tomto fenoménu krátce povědět.
Co je to?
Tento termín označuje termoelektrický jev objevený v roce 1834 francouzským přírodovědcem Jeanem-Charlesem Peltierem. Podstatou efektu je uvolňování nebo absorpce tepla v oblasti, kde jsou v kontaktu různé vodiče, kterými prochází elektrický proud.
V souladu s klasickou teorií existuje pro tento jev následující vysvětlení: elektrický proud přenáší elektrony mezi kovy, které mohou urychlovat nebo zpomalovat jejich pohyb v závislosti na rozdílu kontaktních potenciálů ve vodičích z různých materiálů. V souladu s tím se s nárůstem kinetické energie přeměňuje na tepelnou energii.
Na druhém vodiči je pozorován opačný proces vyžadující doplnění energie v souladu se základním fyzikálním zákonem. K tomu dochází v důsledku tepelné vibrace, která způsobuje ochlazování kovu, ze kterého je vyroben druhý vodič.
Moderní technologie umožňují vyrábět polovodičové prvky-moduly s maximálním termoelektrickým účinkem. Má smysl krátce mluvit o jejich designu.
Zařízení a princip činnosti
Moderní moduly jsou konstrukce sestávající ze dvou izolačních desek (obvykle keramických), mezi nimiž jsou umístěny sériově spojené termočlánky. Zjednodušené schéma takového prvku lze nalézt na obrázku níže.
Návrh modulárního Peltierova prvku
Označení:
- A – kontakty pro připojení ke zdroji energie;
- B – horký povrch prvku;
- C – studená strana;
- D – měděné vodiče;
- E – polovodič na bázi p-přechodu;
- F – polovodič typu n.
Konstrukce je provedena tak, že každá strana modulu je v kontaktu buď s pn nebo np přechody (v závislosti na polaritě). Kontakty pn se zahřívají, kontakty np chladí (viz obr. 3). V souladu s tím vzniká na stranách prvku teplotní rozdíl (DT). Pro pozorovatele bude tento efekt vypadat jako přenos tepelné energie mezi stranami modulu. Je pozoruhodné, že změna polarity napájení vede ke změně horkých a studených povrchů.
Rýže. 3. A – horká strana termočlánku, B – studená strana
Технические характеристики
Vlastnosti termoelektrických modulů jsou popsány následujícími parametry:
- chladicí výkon (Qmax), tato charakteristika je určena na základě maximálního přípustného proudu a teplotního rozdílu mezi stranami modulu, měřeno ve Wattech;
- maximální teplotní rozdíl mezi stranami prvku (DTmax), parametr je uveden pro ideální podmínky, jednotkou měření jsou stupně;
- přípustný proud potřebný k zajištění maximálního teplotního rozdílu – Imax;
- maximální napětí Umax, potřebné pro proud Imaxk dosažení maximálního rozdílu DTmax;
- vnitřní odpor modulu – Odpor, udávaný v Ohmech;
- koeficient účinnosti – COP (zkratka z angličtiny – koeficient výkonu), v podstatě se jedná o účinnost zařízení, ukazující poměr chlazení ke spotřebě energie. U levných prvků se tento parametr pohybuje v rozmezí 0,3-0,35, u dražších modelů se blíží 0,5.
značkování
Podívejme se, jak jsou dešifrována typická označení modulů na příkladu na obrázku 4.
Obrázek 4. Peltierův modul označený TEC1-12706
Označení je rozděleno do tří smysluplných skupin:
- Označení prvku. První dvě písmena jsou vždy nezměněna (TE), což znamená, že se jedná o termočlánek. Další označuje velikost, mohou tam být písmena „C“ (standardní) a „S“ (malá). Poslední číslo udává, kolik vrstev (kaskád) je v prvku.
- Počet termočlánků v modulu zobrazený na fotografii je 127.
- Jmenovitý proud je v ampérech, pro nás je to 6 A.
Stejným způsobem se čtou i označení ostatních modelů řady TEC1, např.: 12703, 12705, 12710 atd.
přihláška
Navzdory poměrně nízké účinnosti jsou termoelektrické prvky široce používány v měřicích, výpočetních a domácích spotřebičích. Moduly jsou důležitým provozním prvkem následujících zařízení:
- Mobilní chladicí jednotky;
- malé generátory na výrobu elektřiny;
- chladicí systémy v osobních počítačích;
- Chladiče pro chlazení a ohřev vody;
- odvlhčovače atd.
Uveďme podrobné příklady použití termoelektrických modulů.
Chladnička využívající Peltierovy články
Termoelektrické chladicí jednotky mají výrazně nižší výkon než kompresorové a absorpční analogy. Mají však významné výhody, proto je jejich použití za určitých podmínek vhodné. Mezi tyto výhody patří:
- jednoduchost designu;
- odolnost proti vibracím;
- nepřítomnost pohyblivých prvků (kromě ventilátoru foukajícího chladič);
- nízká hladina hluku;
- malé rozměry;
- schopnost pracovat v jakékoli pozici;
- dlouhá životnost;
- nízká spotřeba energie.
Tyto vlastnosti jsou ideální pro mobilní instalace.
Termoelektrická autochladnička instalovaná v interiéru vozu
Peltierův článek jako generátor elektřiny
Termoelektrické moduly mohou fungovat jako generátory elektřiny, pokud je jedna z jejich stran vystavena nucenému ohřevu. Čím větší je teplotní rozdíl mezi stranami, tím vyšší je proud generovaný zdrojem. Bohužel maximální teplota pro tepelný generátor je omezená, nemůže být vyšší než bod tání pájky použité v modulu. Porušení této podmínky povede k poruše prvku.
Pro hromadnou výrobu tepelných generátorů se používají speciální moduly se žáruvzdornou pájkou, které lze zahřát na teplotu 300°C. V běžných prvcích, například TEC1 12715, je limit 150 stupňů.
Protože účinnost takových zařízení je nízká, používají se pouze v případech, kdy není možné použít efektivnější zdroj elektrické energie. Mezi turisty, geology a obyvateli odlehlých oblastí jsou však žádané tepelné generátory 5-10 W. Velké a výkonné stacionární instalace na vysokoteplotní palivo se používají k napájení plynových rozvodů, zařízení meteorologických stanic atd.
Termoelektrický generátor B25-12 (M) 12 voltů, 25 wattů
K chlazení procesoru
Relativně nedávno se tyto moduly začaly používat v systémech chlazení CPU osobních počítačů. Vzhledem k nízké účinnosti termoprvků jsou výhody takových konstrukcí spíše pochybné. Například pro chlazení zdroje tepla s výkonem 100-170 W (odpovídající většině moderních modelů CPU), budete muset utratit 400-680 W, což vyžaduje instalaci výkonného napájecího zdroje.
Druhé úskalí spočívá v tom, že nezatížený procesor uvolní méně tepelné energie a modul jej dokáže ochladit pod rosný bod. V důsledku toho se začne tvořit kondenzát, který zaručeně poškodí elektroniku.
Ti, kteří se rozhodnou vytvořit takový systém sami, budou muset provést řadu výpočtů, aby vybrali výkon modulu pro konkrétní model procesoru.
Na základě výše uvedeného není použití těchto modulů jako chladicího systému CPU nákladově efektivní, navíc mohou způsobit selhání počítačového vybavení.
Zcela jiná situace je u hybridních zařízení, kde se využívají tepelné moduly ve spojení s vodním nebo vzduchovým chlazením.
Termoelektrický chladič Armada
Hybridní chladicí systémy prokázaly svou účinnost, ale vysoká cena omezuje okruh jejich obdivovatelů.
Klimatizace založená na Peltierových prvcích
Teoreticky bude takové zařízení konstrukčně mnohem jednodušší než klasické klimatizační systémy, ale to vše souvisí s nízkým výkonem. Jedna věc je chladit malý objem ledničky, druhá věc je chladit místnost nebo interiér auta. Klimatizační jednotky využívající termoelektrické moduly spotřebují více elektřiny (3-4krát) než zařízení běžící na chladivo.
Pokud jde o použití jako systém klimatizace automobilu, výkon standardního generátoru nebude k provozu takového zařízení stačit. Jeho výměna za účinnější zařízení povede ke značné spotřebě paliva, což není nákladově efektivní.
Na tematických fórech se pravidelně objevují diskuse na toto téma a zvažují se různé domácí návrhy, ale plnohodnotný funkční prototyp ještě nevznikl (nepočítám-li klimatizaci pro křečka). Je docela možné, že se situace změní, až budou široce dostupné moduly s přijatelnější účinností.
Pro chladicí vodu
Termoelektrický prvek se často používá jako chladicí kapalina pro vodní chladiče. Konstrukce obsahuje: chladicí modul, termostatem řízený regulátor a ohřívač. Tato implementace je mnohem jednodušší a levnější než kompresorový okruh, navíc je spolehlivější a snadněji se ovládá. Ale existují také určité nevýhody:
- voda neochlazuje pod 10-12°C;
- chlazení trvá déle než jeho kompresorový protějšek, proto není takový chladič vhodný do kanceláře s velkým počtem zaměstnanců;
- zařízení je citlivé na vnější teplotu, v teplé místnosti se voda neochladí na minimální teplotu;
- Instalace v prašných místnostech se nedoporučuje, protože může dojít k ucpání ventilátoru a selhání chladicího modulu.
Vysoušeč vzduchu na Peltierových prvcích
Na rozdíl od klimatizace je implementace odvlhčovače pomocí termoelektrických prvků docela možná. Design je poměrně jednoduchý a levný. Chladicí modul snižuje teplotu chladiče pod rosný bod, v důsledku čehož se na něm usazuje vlhkost obsažená ve vzduchu procházejícím zařízením. Usazená voda je vypouštěna do speciální akumulační nádrže.
Jednoduchý a levný čínský odvlhčovač s Peltierovými prvky
I přes nízkou účinnost je v tomto případě účinnost zařízení vcelku uspokojivá.
Jak se připojit?
S připojením modulu nebudou problémy, na výstupní vodiče musí být přivedeno konstantní napětí, jeho hodnota je uvedena v datasheetu prvku. Červený vodič musí být připojen ke kladnému pólu, černý vodič k zápornému pólu. Pozornost! Obrácením polarity se obrátí pozice chlazených a vyhřívaných povrchů.
Jak zkontrolovat funkčnost Peltierova prvku?
Nejjednodušší a nejspolehlivější metoda je hmatová. Je nutné připojit modul k příslušnému zdroji napětí a dotýkat se jeho různých stran. U pracovního prvku bude jeden z nich teplejší, druhý chladnější.
Pokud nemáte po ruce vhodný zdroj, budete potřebovat multimetr a zapalovač. Proces ověření je poměrně jednoduchý:
- připojte sondy ke svorkám modulu;
- přiveďte zapálený zapalovač na jednu ze stran;
- Sledujeme hodnoty přístroje.
V pracovním modulu se při zahřívání jedné ze stran generuje elektrický proud, který se zobrazí na displeji zařízení.
Jak vyrobit Peltierův prvek vlastníma rukama?
Je téměř nemožné vyrobit domácí modul doma, zejména proto, že to nemá smysl, vzhledem k jejich relativně nízké ceně (asi 4 až 10 $). Můžete si ale sestavit zařízení, které se vám bude hodit na túru, například termoelektrický generátor.
Schéma zapojení domácího termogenerátoru
Pro stabilizaci napětí je nutné na IC čip L6920 sestavit jednoduchý převodník.
Schematické schéma měniče napětí
Vstup takového převodníku je napájen napětím v rozsahu 0,8-5,5 V a na výstupu bude produkovat stabilních 5 V, což je docela dost na dobití většiny mobilních zařízení. V případě použití klasického Peltierova článku je nutné omezit rozsah provozních teplot vyhřívané strany na 150 °C. Abyste se vyhnuli potížím se sledováním, je lepší jako zdroj tepla použít hrnec s vroucí vodou. V tomto případě je zaručeno, že se prvek nezahřeje nad 100 °C.
