Chladiace zariadenia a chladiace jednotky sú v každodennom živote nepostrádateľné. Štandardné veľkoobjemové konštrukcie na báze chladiva však nie sú vhodné na mobilné použitie, napríklad v chladiacich nákupných taškách. V takýchto prípadoch sa používajú zariadenia založené na Peltierovom efekte, ktorým sa budeme podrobne venovať v tomto materiáli.
Peltierov prvok alebo termoelektrický chladič je založený na termočlánku pozostávajúcom z dvoch prvkov s vodivosťou p- a n-typu, ktoré sú spojené medenou spínacou doskou. Súčasti sú vo väčšine prípadov vyrobené z bizmutu, telúru, antimónu a selénu. Takéto zariadenia sa používajú v chladiacich systémoch pre domácnosti a majú tiež tendenciu vyrábať energiu.
Obsah
Čo to je
Peltierov jav a pojem sa vzťahuje na objav, ktorý v roku 1834 urobil francúzsky vedec Jean-Charles Peltier. Podstatou tohto objavu je, že v oblasti, kde sa dotýkajú dva rôzne orientované vodiče a preteká nimi elektrický prúd, neustále vzniká alebo sa absorbuje teplo.
Klasická teória vysvetľuje tento jav takto: elektróny sa prenášajú medzi kovmi pomocou elektrického prúdu, ktorý sa zrýchľuje alebo spomaľuje v závislosti od rozdielu kontaktných potenciálov na kovových vodičoch s rôznymi úrovňami vodivosti. Peltierove prvky tak prispievajú k premene kinetickej energie na tepelnú.
Na druhom vodiči dochádza k opačnému efektu, keď je potrebné doplniť energiu na základe základného fyzikálneho zákona. Je to spôsobené procesom tepelných oscilácií, ktoré spôsobujú ochladzovanie kovu druhého vodiča.
Peltierov modul s maximálnym termoelektrickým účinkom možno vyrobiť pomocou modernej technológie.
Konštrukcia a princíp fungovania
Moderné Peltierove moduly predstavujú konštrukciu, v ktorej sa nachádzajú dve izolačné dosky s termočlánkami zapojenými v prísnom poradí medzi nimi. Pre lepšie pochopenie funkcie tohto prvku je na obrázku znázornená štandardná schéma.
Označenie prvkov:
- A - kontakty, pomocou ktorých sa vykonáva pripojenie k napájaniu;
- B - horúca strana;
- C - studená strana;
- D - medené vodiče;
- E - polovodič s p-prechodom;
- F - polovodič typu n.
Prvok je vyrobený tak, že oba povrchy sú v kontakte s p-n alebo n-p prechodmi, v závislosti od polarity. Kontakty p-n sa zahrievajú a teplota n-p sa znižuje. Výsledkom je teplotný rozdiel DT na koncoch prvku. Tento efekt znamená, že tepelná energia, ktorá sa pohybuje medzi prvkami modulu, reguluje teplotný režim v závislosti od polarity. Treba tiež poznamenať, že ak sa polarita obráti, horúce a studené povrchy sa zmenia.
Technické vlastnosti
Technické parametre Peltierovho prvku nadobúdajú tieto hodnoty:
- Chladiaci výkon (Qmax) - vypočítaný na základe limitného prúdu a rozdielu teplôt medzi koncami modulu. Mernou jednotkou je watt;
- medzný teplotný rozdiel (DTmax) - meria sa v stupňoch, táto charakteristika sa uvádza pre optimálne podmienky;
- Imax - hraničná sila elektrického prúdu potrebná na dosiahnutie väčšieho teplotného rozdielu;
- Umax je maximálne napätie Umax potrebné pre elektrický prúd Imax na dosiahnutie maximálneho teplotného rozdielu DTmax;
- Odpor - vnútorný odpor zariadenia meraný v ohmoch;
- POR je faktor účinnosti alebo účinnosť Peltierovho modulu, ktorý vyjadruje pomer chladiaceho výkonu k spotrebe chladiaceho výkonu. V závislosti od vlastností zariadenia sa tento údaj pohybuje od 0,3 do 0,35 v prípade lacných zariadení, zatiaľ čo v prípade drahších modelov dosahuje až 0,5.
Výhodou mobilného Peltierovho prvku sú jeho malé rozmery, reverzibilita procesu a možnosť použitia ako prenosného generátora energie alebo chladničky.
Nevýhodou modulu sú vysoké náklady, nízka účinnosť okolo 3 %, vysoké náklady na energiu a potreba neustáleho udržiavania teplotného rozdielu.
Aplikácia
Aj napriek nízkej účinnosti sa Peltierove modulové dosky široko používajú v meracích a výpočtových zariadeniach, ako aj v prenosných domácich spotrebičoch. Tu je zoznam zariadení, ktorých neoddeliteľnou súčasťou sú modely:
- prenosné chladiace jednotky;
- malé generátory energie;
- chladiace jednotky v počítačoch a prenosných počítačoch;
- chladiče na ohrev a chladenie pitnej vody;
- odvlhčovače.
Ako sa pripojiť
Peltierov modul môžete pripojiť sami a je to rýchly a jednoduchý proces. Na výstupné kontakty sa musí privádzať jednosmerné napätie podľa návodu na obsluhu jednotky. Červený vodič je pripojený k plusu a čierny k mínusu. Všimnite si, že zmena polarity zmení vyhrievané a chladené povrchy.
Pred pripojením prvku sa odporúča skontrolovať jeho funkciu. Jedným z jednoduchých a spoľahlivých spôsobov testovania jednotky je hmatová metóda: pripojte jednotku k zdroju elektrického prúdu a dotknite sa rôznych kontaktov. V správne fungujúcej jednotke budú niektoré kontakty teplé a iné chladné.
Kontrolu je možné vykonať aj pomocou multimetra a zapaľovača. Na tento účel pripojte sondy ku kontaktom jednotky, podržte zapaľovač na jednej strane a sledujte údaje multimetra. Ak Peltierov prvok pracuje v štandardnom režime, proces ohrevu bude na jednej strane produkovať elektrický prúd a na obrazovke multimetra sa zobrazí údaj o napätí.
Ako vyrobiť Peltierov prvok vlastnými rukami
Peltierov prvok nie je vhodný na stavbu v domácnosti vzhľadom na jeho nízke náklady a potrebu odborných znalostí na zostavenie funkčného prvku. Vlastnými rukami je však možné zostrojiť účinný mobilný termoelektrický generátor, ktorý sa vám bude hodiť na vidieku alebo pri kempovaní.
Na stabilizáciu elektrického napätia je potrebné vytvoriť vlastný štandardný prevodník na integrovanom obvode L6920. Vstupné napätie 0,8-5,5 V sa musí použiť a výstupné napätie bude 5 V, čo je dostatočné na nabíjanie batérie mobilných zariadení v štandardnom režime. Ak sa použije štandardné elektronické Peltierovo zariadenie, potom sa vyžaduje limitná povrchová teplota 150 stupňov. Kvôli jednoduchej regulácii teploty sa odporúča použiť hrniec s vriacou vodou, potom sa model nezahreje nad 100 stupňov.
Peltierove dosky sa široko používajú na chladenie moderných domácich spotrebičov, v klimatizáciách, pričom účinnosť zariadenia sa preukázala najmä pri stabilizácii tepelného režimu a chladení výkonného procesora. Peltierove prvky sa často používajú na výrobu účinných mobilných chladničiek pre letné chaty alebo autá, prípadne na napájanie domácich chladičov. Vzhľadom na reverzibilitu procesu sa domáce prvky používajú ako mobilné malé elektrárne v oblastiach bez zdroja elektrickej energie.
Súvisiace články:
