Пельтье что это: Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?
Содержание
Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект
Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).
Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.
1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный
В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.
Принцип действия
Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.
Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:
- Свойства металла.
- Температуры среды.
Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл.
Создается разность потенциалов.
На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.
Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.
При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.
Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.
Сфера использования
Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.
Вот их некоторые области использования:
- Устройства ночного видения.
- Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
- Телескопы с охлаждением.
- Кондиционеры.
- Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
- Холодильники.
- Кулеры для воды.
- Автомобильные холодильники.
- Видеокарты.
Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.
В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.
Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.
Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.
Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.
Обратный эффект элементов Пельтье
Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.
Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.
Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.
Преимущества и недостатки
Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:
- Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
- Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
- Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
- При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.
Недостатками можно назвать такие моменты:
- Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
- Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.
Как изготовить элементы Пельтье для холодильника
Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.
Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.
Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору.
После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.
Другие применения термоэлектрических модулей
Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.
Основные места использования модулей:
- Охлаждение микропроцессоров.
- Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
- В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.
Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока.
Это называется обратимым эффектом.
Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.
Похожие темы:
- Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры
- Тепловые реле. Виды и устройство. Работа и применение
- Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение
- Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство
Элемент Пельтье, принцип работы
Что такое элемент Пельтье – электро-, термопреобразователь, который состоит из нескольких пар ( в отдельных случаях одной) полупроводников различных по свойству типов («n» и «р»), последние соединяются перемычками из металла – в основном это — медь. На практике данное устройство создает температурную разность на разных концах поверхности при протекании энергии электрического тока.
- Принцип работы элемента Пельтье
- Как работает элемент Пельтье
- Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье
- Достоинства и недостатки модуля Пельтье
- Область применения элементов Пельтье
Одним из наиболее простейших вариантов данного устройства Пельтье в практическом использовании является модификация ТЕС1-12706, изображенная на рисунке 1.
Принцип работы элемента Пельтье
В корне принципа работы положен термоэлектрический эффект Пельтье. Другими словами — при протекании и под действием электрического тока создается разница температур в местах контактов термопар — полупроводников «n» и «р» — типа.
Элементы Пельтье – доволи таки «чувствительные устройства» к перегреву и высоким температурам. К ним предъявляются высокие требования к эксплуатации, при невыполнении которых, устройство быстро выходит из строя. Очень важно отводить тепло, для этой цели необходимо устанавливать радиатор или вентилятор, в противном случае не достигается температура холодной стороны относительно горячей.
Как работает элемент Пельтье
Представим, что электрический ток проходит через термическую пару, как показано на рисунке 2.
В этом случае происходит процесс поглощения энергии тепла на полупроводниковом контакте n — p и процесс выделения тепловой энергии на p — n контакте. В итоге часть термопары полупроводника, который сопрягается с n — p контактом, будет охлаждаться, а вторая часть с другой противоположной стороны — соответственно, нагреваться.
В том случае, когда поменяем полярность по току, то происходит процессы нагревания и охлаждения, соответственно, также поменяются.
Обратный процесс эффекта Пельтье приводит к тому, что при подводе теплоты к одной стороне термопреобразователя получают энергию электрического тока.
Конечно на практике, применение одной термопары не хватает для полного отвода тепловой энергии, поэтому в преобразователе применяют большое количество.
Электрическая цепь собирается из термопар последовательно. В то же время в конструкции термопреобразовательных элементов: нагревающие термопары располагаются на другой стороне относительно охлаждающих.
Устройство элемента Пельтье очень простое. Термические пары конструируются между двумя платинами, выполненными из керамики. Соединение термопар производится медными проводниками (шинами). Количество термопар определяется назначением термопреобразователя, его мощности и места установки и может применяться от одной до нескольких сотен штук.
Основными элементами термопреобразователя являются: полупроводники р — типа, n — типа, керамические пластины, медные сопряжения — проводники; контакты подвода электрического тока «плюс» и «минус». Для элемента Пельтье разница по температурам разных краев термопар достигает до 70 градусов по Цельсию. Чтобы увеличить данную разницу требуется увеличить каскад последовательного включения термопар.
Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье
Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.
Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.
Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.
Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики — любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение — к сжатию.
Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.
Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».
Достоинства и недостатки модуля Пельтье
Сравнивать устройство Пельтье с другими охладительными установками с различным приводом в принципе невозможно и нецелесообразно, так как в первом случае имеют полупроводниковые материалы в виде кристаллов, а во втором случае рабочее тело — газ или жидкость ( к примеру: компрессорный холодильник). В различных областях применяются и те и другие устройства.
К преимуществам элементов Пельтье можно отнести:
- полное отсутствие механики движения и вращающихся частей, а также жидкостей, газов;
- абсолютно нет шума работы устройств;
- сравнительно малые размеры;
- двухфункциональность: нагревание и охлаждение при изменении полярности;
К недостаткам можно отнести:
- относительно низкий коэффициент полезного действия;
- требование постоянного источника энергии, питания;
- число пусков и остановов ограничено;
- плавность отключения и включения термоэлектрических устройств;
- контроль нагрева с одной стороны или охлаждения с другой с помощью вентилятора.
8
Область применения элементов Пельтье
Основной и наиболее широким применением термоэлектрические преобразователи нашли в следующих приборах, аппаратах и устройствах:
- автохолодильники и бытовые аппараты;
- водо- и воздухоохладители;
- в электронных приборах и устройствах также в качестве охлаждения;
- в генераторах электротермических.
Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 7 чел.
Средний рейтинг: 4.6 из 5.
Как работают термоэлектрические охладители (ТЭО)
Главная / Продукция / Термоэлектричество / Ресурсы
Как работают термоэлектрические охладители (ТЭО)?
Эффект Пельтье
Термоэлектрические охладители работают на эффекте Пельтье. Эффект создает разницу температур за счет передачи тепла между двумя электрическими соединениями.
На соединенные проводники подается напряжение для создания электрического тока. Когда ток протекает через места соединения двух проводников, в одном соединении отводится тепло и происходит охлаждение. Тепло отводится в другом соединении.
Основное применение эффекта Пельтье — охлаждение. Однако эффект Пельтье также можно использовать для нагрева или регулирования температуры. В любом случае требуется постоянное напряжение.
Элементы термоэлектрического охладителя
Термоэлектрические охладители II-VI выполняют роль твердотельного теплового насоса. Каждый из них представляет собой массив чередующихся полупроводников n- и p-типа. Полупроводники разного типа имеют дополнительные коэффициенты Пельтье. Массив элементов впаян между двумя керамическими пластинами электрически последовательно и термически параллельно. Твердые растворы теллурида висмута, теллурида сурьмы и селенида висмута являются предпочтительными материалами для устройств на эффекте Пельтье, поскольку они обеспечивают наилучшие характеристики в диапазоне температур от 180 до 400 К и могут быть выполнены как n-типа, так и p-типа.
Охлаждающий эффект любого устройства, использующего термоэлектрические охладители, пропорционален количеству используемых охладителей. Обычно несколько термоэлектрических охладителей соединяют рядом, а затем помещают между двумя металлическими пластинами. II-VI включает три различных типа термоэлектрических охладителей, в том числе: термоциклеры, одноступенчатые и многоступенчатые.
Теплопоглощение
Охлаждение происходит при прохождении тока через одну или несколько пар элементов от n- до p-типа; происходит понижение температуры на стыке («холодная сторона»), в результате чего происходит поглощение тепла из окружающей среды. Тепло переносится по элементам переносом электронов и высвобождается на противоположной («горячей») стороне по мере того, как электроны переходят из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое.
Поглощение тепла Пельтье определяется выражением Q = P (коэффициент Пельтье) I (ток) t (время). Одноступенчатый термоэлектрический охладитель может создавать максимальную разницу температур около 70 градусов Цельсия.
Тем не менее, термоэлектрический охладитель Triton ICE от II-VI будет охлаждать электронику на 2 градуса по Цельсию ниже текущих рыночных предложений.
Преимущества
Термоэлектрические охладители предлагают множество преимуществ, когда традиционные методы охлаждения не подходят. Кроме того, термоэлектрические охладители экологически безопаснее, чем другие охлаждающие устройства, представленные на рынке. Некоторые преимущества использования термоэлектрического охлаждения в электронных устройствах включают:
- Отсутствие выбросов хлорфторуглеродов или хладагента
- Низкие эксплуатационные расходы
- Долгий срок службы
- Управляемый
- Подходит для экстремальных условий или удаленных мест
- Возможность охлаждения намного ниже температуры окружающей среды
- Производительность не зависит от ориентации
Кроме того, охладители могут значительно улучшить электронные системы заказчика в следующих проблемных областях:
- Тепловые характеристики
- Стоимость
- Шум
- Вес
- Размер
- Эффективность
Приложения
Применение 1: Термоциклеры
Термоциклеры применяются в аэрокосмических и оборонных технологиях.
Поскольку технология термоциклеров II-VI может выдерживать экстремальные условия, эти модули идеально подходят для использования в космосе или в подобных сложных условиях.
Термоциклеры также широко используются в биомедицинских учреждениях для амплификации образцов ДНК и РНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Термоциклеры амплифицируют сегменты ДНК, систематически повышая и понижая температуру блока, содержащего реакционную смесь для ПЦР. Циклеры предлагают надежный вариант, рассчитанный на более чем 500 000 тепловых циклов. Серия XLT II-VI работает в основе модулей термоциклеров ПЦР, не имеющих себе равных по своей способности выполнять требования ПЦР, включая термическую однородность, повторяемость, точность и скорость.
Применение 2: Одноступенчатые термоэлектрические охладители
Одноступенчатые термоэлектрические охладители предназначены для средних и низких требований к тепловой насосной мощности. Типичные области применения включают: массивы лазерных диодов в волоконно-оптических системах и поддержание постоянной вязкости в струйных принтерах.
II-VI также предлагает термоэлектрический охлаждающий модуль Triton ICE™, который может охлаждать электронику на 2°C ниже, чем текущие рыночные предложения. Triton ICE™ разработан в первую очередь для промышленного и медицинского секторов, но может предоставить решения для всех рыночных приложений, требующих превосходной охлаждающей способности.
Элементы Пельтье
Элементы Пельтье / термоэлектрические охладители (ТЭО) представляют собой тепловые насосы, передающие тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этой статье объясняется, как работают элементы Пельтье / термоэлектрические охладители, описываются особенности и упоминаются производители элементов Пельтье.
—> Купить контроллер TEC здесь
Содержание
- Основы элемента Пельтье
- Модель элемента Пельтье
- Параметры элемента Пельтье
- Свойства и поведение элементов Пельтье
- Сравнение теплового насоса с текущим
- Коэффициент полезного действия (COP) (КПД)
- Отвод тепла от элемента Пельтье
- Зависимость отведенного тепла от dT
- Зависимость напряжения от тока
- Многоступенчатые элементы Пельтье
- Производители
Основы элемента Пельтье
Элемент Пельтье способен передавать тепло с помощью эффекта Пельтье.
Внутри элемента Пельтье эффект Пельтье создает разницу температур между двумя сторонами, когда течет ток.
В зависимости от направления протекания постоянного тока можно охлаждать и нагревать с помощью элементов Пельтье без замены разъемов или механической настройки. Дополнительные преимущества заключаются в возможности реализации небольших конструкций и отсутствии движущихся частей. Ток, подаваемый на элемент Пельтье, регулируется контроллером ТЭО.
Левая сторона: Стандартный элемент Пельтье Правая сторона: Специальные типы элементов Пельтье
Обычно идентификация производителя напечатана на холодной стороне элемента Пельтье. Это холодная сторона, если положительное напряжение питания подключено к красному кабелю элемента Пельтье
Поскольку кабели обладают теплоемкостью, они подключаются к горячей стороне элемента Пельтье, чтобы не снижать охлаждающую способность элемента.
Как вы можете видеть на правом рисунке, существуют различные типы элементов Пельтье.
Они различаются по размеру и форме, мощности и температурному диапазону.
Диапазон размеров: от 1 мм x 1 мм до 60 мм x 60 мм
Формы: квадратные, кольцевые, многоступенчатые, одноступенчатые, герметичные или негерметичные, нестандартные формы
Диапазон температур: перепад температур dT max до 130 °C (многоступенчатый), макс. температура до 200 °C
Максимальная мощность охлаждения: до 290 Вт
Элемент Пельтье, модель
Элементы Пельтье можно охарактеризовать с помощью модели. Модель
- Эффект Пельтье Q p : Перенос тепла с одной стороны на другую. Описано в этом уравнении Q p = I * α * T
- Обратный поток тепла Q Rth : Поток тепла с горячей стороны на холодную. Описано в этом уравнении Q Rth = dT / Rth
- Джоули нагрев/потери Q Rv представляют собой сопротивления R v : Описанные в этом уравнении Q Rv = I 2 * R v / 2.
холодная сторона. Тепло, выделяемое на горячей стороне, непосредственно рассеивается радиатором и поэтому не включается в это уравнение.
Результирующая перекачиваемая тепловая нагрузка Q c зависит от трех эффектов Q p , Q Rth и Q Rv .
В случае охлаждения уравнение для Q c . выглядит следующим образом: Q c = Q p — Q Rth — Q Rv .
Параметры элемента Пельтье
Помимо механических свойств элементы Пельтье характеризуются четырьмя важными параметрами. Которые предоставляются производителем: Q max , dT max , U max , I max
- Q max : Максимальная производительность теплового насоса при разнице температур между горячей и холодной сторонами 0 °K
- dT max : Максимальная разность температур на элементе Пельтье, когда тепло не перекачивается
- I макс. : Ток через элемент Пельтье при Q макс.
- U макс. : Напряжение через элемент Пельтье при Q макс.
: Ток через элемент Пельтье при Q макс. Параметры Q max и dT max являются теоретическими цифрами и используются для описания поведения элементов Пельтье. Однако эти максимальные значения никогда не достигаются в термоэлектрическом приложении. Они предоставляются производителем для характеристики производительности модуля Пельтье.
В термоэлектрическом применении всегда существует компромисс между производительностью теплового насоса Q c и разностью температур dT.
Свойства и поведение элементов Пельтье
Следующие четыре диаграммы характеризуют товар с элементами Пельтье. Они полезны для понимания свойств и поведения элементов Пельтье. Подобные схемы иногда используют и производители, например Ferrotec. Все значения на графиках относительные.
Тепловой насос в зависимости от тока
На этой нормализованной диаграмме показано соотношение между выходной мощностью теплового насоса по оси y и током по оси x для различных значений разности температур между горячей и холодной сторонами (dT = T горячий — Т холодный ) в случае охлаждения.
Динамика системы. Нормированная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока
Только при относительно небольшой разнице температур dT может передаваться значительное количество тепла. Многоступенчатые элементы Пельтье используются, когда необходимы более высокие перепады температур.
Перекачиваемое тепло Q C и разница температур dT обратно пропорциональны друг другу, так как тепло подается на холодную сторону, разница температур подавляется.
Обычно ток через элемент Пельтье должен составлять от 0 до 0,7 умноженного на I max .
Динамика системы
Динамика системы. Нормализованная диаграмма Тепловой насос в зависимости от тока
Чтобы понять динамику системы, мы можем наблюдать, что происходит, если изменяется температура — и, следовательно, dT — или когда увеличивается тепловая нагрузка.
Если мы используем элемент Пельтье с током около 25 % от I макс. , можно компенсировать увеличение dT на 10 градусов Кельвина — точка от A до B — Чтобы обеспечить постоянную производительность теплового насоса, ток должно быть увеличено.
Производительность теплового насоса также может быть увеличена без изменения dT, если мы перейдем от A к C.
Если рабочая точка составляет около 60% от I max , нам потребуется больший ток, чем в предыдущем примере, чтобы компенсировать 10- Повышение dT по шкале Кельвина — точки от D до E — когда производительность теплового насоса не должна изменяться. Производительность теплового насоса можно увеличить без потери разницы температур, если перейти от D к F.
Однако, если элемент Пельтье работает при максимальном токе, изменение температуры не может быть компенсировано увеличением тока. Переход от более низкой к более высокой разности температур приведет к снижению производительности теплового насоса.
Коэффициент полезного действия (КПД) (КПД)
Определение КПД – это теплота, поглощаемая на холодной стороне Q C , деленная на входную мощность P el элемента Пельтье: КПД = Q C /P эль . COP в принципе представляет собой эффективность элемента Пельтье при охлаждении.
На следующей диаграмме показана производительность (COP) в зависимости от отношения тока I / I max , значения на этой диаграмме являются относительными и нормализованными.
На этой диаграмме показана зависимость производительности (COP) от текущего соотношения. Используйте его, чтобы найти рабочий ток, обеспечивающий наибольшую производительность для соответствующей разницы температур dT.
С левой стороны мы видим, что КПД максимален при наименьшей разнице температур. Следовательно, мы получаем большое количество тепла, перекачиваемого на единицу электрической мощности. Как видим, в зависимости от dT соответствующий максимум КПД находится на разных уровнях тока — при большем dT он смещается вправо. Если мы проследим за кривой вправо, мы обнаружим, что мы должны вложить в систему много электроэнергии, чтобы получить только небольшое количество тепла, что соответствует низкому значению COP. Мы также можем заметить, что более высокие токи необходимы для создания более высоких перепадов температур.
Причина, по которой COP не начинается с нуля при dT > 0 K, заключается в том, что сначала обратный поток тепла Q Rth должен быть компенсирован эффектом Пельтье Q p , прежде чем элемент Пельтье остынет.
Тепло, отводимое элементом Пельтье
На следующей диаграмме показана теплота Q h , рассеиваемая на теплой стороне элемента Пельтье, в зависимости от тока при охлаждении.
Нормализованная диаграмма, показывающая тепло, отводимое радиатором, в зависимости от тока при различных перепадах температур dT.
Значения нормализованные и относительные. Как видите, Q h , отклоненное элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q max . Количество тепла на горячей стороне Q h может быть таким большим, потому что тепло от эффекта Пельтье Q p и тепло сопротивления потерь Q Rv должны рассеиваться. Q h = Q p + Q Применяется Rv .
Зависимость отведенного тепла от dT
На следующей диаграмме показано соотношение между Q h и Q C для разных dT в случае охлаждения. Отношение Q h / Q c показывает, насколько больше тепла должно рассеиваться на горячей стороне, чем на холодной.
Нормализованная диаграмма, показывающая количество тепла, отводимого радиатором, в зависимости от количества перекачиваемого тепла в зависимости от тока для различных значений dT.
Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором при сравнительно небольшом количестве тепла, поглощаемом на холодной стороне элемента Пельтье.
Например, если вы хотите охладить один ватт на холодной стороне Q C = 1 Вт. Это приводит к теплу 1,75 Вт на горячей стороне Q h = 1,75 Вт, если dt = 20 K. При dT = 40 K это около 3,5 Вт на горячей стороне Q ч = 3,5 Вт. при разных значениях температурных перепадов между горячей и холодной стороной (dT = T горячий — T холодный ) в случае охлаждения.
Нормализованная диаграмма, показывающая зависимость напряжения от тока для различных значений dT.
Как видите, кривая линейна. Поведение элемента Пельтье такое же, как у резистора с источником напряжения. Наклон кривой уменьшается с увеличением dT. Смещение по оси Y связано с эффектом Зеебека.
Многоступенчатые элементы Пельтье
Многоступенчатые элементы Пельтье
Все диаграммы выше относятся к стандартным элементам Пельтье, но поведение многоступенчатых элементов Пельтье аналогично. Многокаскадные элементы Пельтье используются, когда требуются более высокие значения dT (до 125 К). Но Q max ниже, т.е. может рассеивать меньше тепла. Это недостаток многокаскадных элементов Пельтье.
