Элементы пельтье принцип работы: Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?

Содержание

Элемент Пельтье | Практическая электроника

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? “Ну а как же, например, бытовой холодильник” – скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток  оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами,  в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют

элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Элемент Пельтье (практика)

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид – это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону “А” и сторону “Б” для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание “разности температур”? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный – на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона “А” охлаждается, а сторона “Б” греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье – это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  – плюс, а на черный – минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию – это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример – это фонарик, работающий от тепла руки

Мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые  значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс – он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном  мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается  очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

элемент пельтье

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

элемент пельтье

Вот ссылка на них

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам / Хабр
Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…


Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:


Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.


Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.


Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…


Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

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:
Модуль на элемент Пельтье + интересное применение.
Приветствую тебя читатель banggood астрологи объявили неделю Пельтье поэтому в обзоре речь пойдёт об одном интересном применении данной штуковины. Милости просим под CUT.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало ).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно. (зоны с более высокой скоростью назовём З+ с низкой З- ) Рыбка находится в З+ она хочет перейти в З- она взаимодействует с лопастью на границе и начинает плыть медленнее, при этом лопасти (на границе З+/З-) начинают крутиться быстрее. Далее рыбка хочет перейти в следующую зону З+ ей надо ускориться она взаимодействует с лопастью на границе З-/З+ и ускоряется при этом лопасть начинает крутиться медленнее. Далее всё повторяется. Можно заметить что одни лопасти будут замедлятся а другие ускорятся. Элемент Пельтье работает по аналогичному принципу. Вместо рыбок там электроны вместо скорости рыбок энергия электронов в полупроводниках. При протекании тока через контакт 2х полупроводников, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, При этом чем больше ток тем выше эффект переноса энергии, энергия именно переноситься (а не волшебным образом пропадает) от «холодной» стороны к «горячей», поэтому элемент Пельтье способен охлаждать предметы до температуры ниже комнатной (проще говоря это полупроводниковый тепловой насос). Если у Вас задача просто отвести тепло от процессора транзистора и т.д. применение элемента Пельтье невыгодно т.к. Вам понадобиться Радиатор способный передать в окружающую среду тепло от охлаждаемого объекта + тепло возникающее при работе элемента Пельтье. Думаю с теорией покончено можно двигаться дальше.
Давайте посмотрим как по мнению спонсора обзора выглядит 13,90 зелени.
Модуль представляет из себя этакий 5 уровневый бутерброд, он состоит из пары радиаторов и вентиляторов и собственно самого элемента Пельтье.Вентилятор большего размера предназначен для отвода тепла. При приложении усилия его можно снять без выкручивания шурупов. Вентилятор самый обыкновенный ( Питание 12В размер 90мм) прикрыт решёткой, изначально вентилятор установлен на отвод воздуха.На противоположной стороне малый вентилятор (Питание 12В размер 40мм)Малыш прикручен на совесть Посмотрим на радиаторыБольшой радиатор размером 100мм*120мм высота 20ммМалый радиатор 40мм*40мм высота 20мм. Радиаторы скреплены двумя винтами, в малом радиаторе нарезана резьба. При снятии радиатора обнаружена термопаста это хорошо, но можно увидеть что есть недожим.Контакт с большим радиатором идеальным тоже не назовёшь.Главный вывод — если хотите выжать из этого модуля максимум то обязательно загляните под радиаторы. А если стереть термопасту то можно увидеть что тут установлен элемент TEC1-12705 (размер 40мм*40мм*4мм) хотя заявлен более мощный TEC1-12706. Мануал на TEC1-12705 peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12705.pdf
Снимем малый радиатор и попробуем запустить модуль замерив температуры «тёплой» и «холодной» сторон.Температура «холодной» стороны -16,1 «горячей» 37,5 дельта 53,6. ток потребления при 12В составил 4,2А. На режим элемент Пельтье вышел через 90с.

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.Кладём термопасту и устанавливаем термопаруДалее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентовСобираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха. Действует следующим образом: ИК-светодиод светит в отражающую пластинку, после отражения свет от ИК-светодиода попадает на ИК-фотодиод. С обратносмещённого ИК-фотодиода снимается сигнал напряжения. При охлаждении пластинки до температуры точки росы на ней начинает собираться конденсат, интенсивность отражаемого излучения падает, сигнал на фотодиоде изменяется. Регистрируя температуру пластины, и окружающего воздуха можно найти относительную влажность. Для работы я использовал Brymen BM869 (с самодельным кабелем и софтом) и Uni-t UT61E Ниже представлен результат Рыжий график температура пластины, синий график сигнал с фотодиода. Будем считать момент, когда напряжение с фотодиода изменилось на половину от общего изменения напряжения есть момент выпадения конденсата. Исходя из поставленных условий измеренная температура точки росы в комнате +9С.Температура окружающего воздуха 26,7 (на графиках не отображалась т.к. она была неизменна).Одновременно я запустил модуль HTU21 и наблюдал за показаниями в терминале.(скриншот терминала добавлен к графику).Далее я использовал онлайн калькулятор planetcalc.ru/248/ для пересчёта влажности в температуру точки росы Результат пересчёта влажности с HTU21 в температуру точки росы совпал с измеренной напрямую температурой точки росы. Это значит, что если описанным выше методом определять точку росы, а затем делать пересчёт, то можно достаточно точно определять влажность (Ну естественно если делать всё по-взрослому). Данный метод называется методом охлаждаемого зеркала, а гигрометры, построенные на таком принципе, называются конденсационными. Надеюсь вам понравился обзор, и Вы узнали для себя что-то новое. Всем спасибо за внимание.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

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.

Одним из наиболее простейших вариантов данного устройства Пельтье в практическом использовании является модификация ТЕС1-12706, изображенная на рисунке 1.

Элемент Пельтье – преобразователь термический, электрический ТЕС1-12706 Элемент Пельтье – преобразователь термический, электрический ТЕС1-12706

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.

Принцип работы элемента Пельтье Принцип работы элемента Пельтье

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.

Устройство элемента Пельтье Устройство элемента Пельтье

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.

Опрос: Понятно ли что такое и как устроен Элемент Пельтье (Кол-во голосов: 10)

Да, понял с первого раза

Пришлось перечитать несколько раз, чтобы понять

Нет, не понял вообще

Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты

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: 4 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Чуть чуть теории.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ)  является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Практика.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа. 

50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось:

   Подключаем воду к охладителю  к одной стороне элемента Пельтье, а другую ставим на конфорку.  К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат - наш генератор работает !

  Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта. 

Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%. 

   Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Использование термоэлектрического модуля.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится - если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone  ещё в `85 изобрели бы ! 🙂

Термоэлектрический холодильник

Термоэлектрический холодильник (вариант 2)

Термоэлектрический холодильник (вариант 3)

Автомобильный охладитель для баночных напитков

Кулер для питьевой воды

Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа

В такой "ковшик" наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там "зарыт" Пельтье

Давайте поподробней об этой конструкции.

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии - радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, "бросового" тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности - от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

 

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В - 6 В - 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8

Техническая спецификация

Масса без жидкости , кг, не более0,55

Габаритные размеры, мм

с ручкой

без ручки250х130х110 ? 123, h=100

Внутренний объем, дм31,0

Номинальная генерируемая мощность, Вт, не менее8,0

Выходное напряжение, В3,0 ? 12,0

Ток, мА660 ? 2660

А вот ещё один пример использования .

Из таких небольших термоэлектрических конденсаторов и состоит генератор.

Уже сейчас термоэлектрические генераторы (TEG) благодаря применению новейших материалов способны вырабатывать электроэнергию мощностью до 1000 Вт.

Термогенератор особенно порадует любителей динамичной езды: ведь чем выше обороты мотора, тем больше вырабатывается электроэнергии, которая в будущем может использоваться в гибридных силовых установках, например, для еще лучшей разгонной динамики.

Почти две трети энергии топлива в современных ДВС «улетает» в атмосферу вместе с теплом. Поэтому инженеры BMW вместе со специалистами американского аэрокосмического агентства NASA активно работают над технологиями превращения тепловой энергии выхлопных газов в электрическую. Такие установки имеют еще один позитивный эффект: дополнительное нагревание непрогретого мотора. Пока TEG «окутывает» отрезок выхлопной трубы, но в будущем планируется интегрировать эту систему в катализатор, используя тем самым его тепловой режим. Для более масштабного внедрения данной технологии в автомобиле придется модернизировать днище, расширив в некоторых местах центральный тоннель. Ожидается, что подобная система уже совсем скоро сможет давать 5-процентную экономию топлива, повышая КПД двигателя внутреннего сгорания.

Вот такой он Элемент Пельтье или термоэлектрический модуль!

Что можно сделать из элементов Пельтье и за счет каких механизмов?

Элементы Пельтье – казалось бы, давно уже не новость, однако многие не полностью представляют принцип их работы, и не знают, что можно сделать из модулей и зачем они нужны. Изобретатель Игорь Белецкий покажет несколько наглядных экспериментов, чтобы у вас сложилось понимание того, на что способны эти пластинки.

Их легко приобрести в интернете и заказать доставку по почте. Купить Пельтье лучше всего в этом китайском магазине. Есть и специальный кулер охлаждения.

На фото: Модуль Пельтье

Элемент Пельтье

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой TEC1-12706.  Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов – полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

Схема Элемента ПельтьеСхема Элемента Пельтье

Некоторые думают что модули Peltier, это что-то типа солнечных панелей – ведь они такие же плоские, торчат проводки, и те и другие могут генерировать электрический ток. Увы, это не совсем так на самом деле. Чтобы понять, как функционируют загадочные пластинки, посмотрите видео И. Белецкого, описание в текстовом формате ниже.

Эффекты Пельте и Зебека – функции модуля

У этого девайса есть целых два режима работы – 1. выработка холода и тепла; 2 – генерация электрического тока.

1. Итак, знаменитый эффект Пельтье (тепло и холод). Это когда вы подводите к элементу постоянный ток и замечаете, что одна из его сторон стала теплее, а другая холоднее. Таким образом он работает как тепловой насос. Очень полезное свойство. Спору нет.

2. Но оказалось, что имеет место и обратный процесс – так называемой эффект Зебека, а именно возникновение электрического тока при установлении и поддержании определенной разности температур на сторонах самого модуля (пластинки).

Примечание. Никогда не перегревайте элементы, если хотите и далее проводить эксперимент с ними. Полупроводники в модуле спаяны припоем, температура плавления которого может лежать в пределах от восьмидесяти до двухсот градусов. А учитывая, где сегодня производится большинство этих элементов, можно только догадываться на каких соплях их спаяли.

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

peltie

peltie2

Вся неприятность в том, что этот элемент будет нормально работать только при эффективном охлаждении.

Тест с получением электричества

Например, мы хотим проверить эффект Зебека. Поставим сверху кружку с кипятком. Тем самым не превышено 100 градусов, допустимых по нагреву.

peltie2

Наблюдаем появление напряжения. Интересно, что если изменить направление тепловой потока через модуль, то изменится направление постоянного тока. Но со временем на второй стороне благодаря теплопроводности элемента Пельтье температура тоже поднимется и напряжение, естественно, упадет.

Чтобы эффект был постоянным, нужен постоянный отвод тепла. Для этого модуль размещают на массивным радиаторое и желательно с активным охлаждением. Показатели явно лучше, как вы понимаете. Это требует дополнительных энергозатрат.

Допустим, вы хотите сделать из этого элемента походную зарядку для мобильников. Тогда на природе радиатор можно поместить в холодную воду, возможно даже проточную или ледяную, что несомненно еще лучше. Применение этих модулей зимой при хорошем дармовом минусе – наиболее перспективно.

Правда, одного элемента для зарядки телефона явно будет маловато. А вот два – это уже лучше. Естественно, если увеличить нагрев, то выходная мощность тоже возрастет. Но это очень рискованный шаг, который можно сделать только ради эксперимента. Работа такого генератора будет длиться недолго.

Теперь перейдем к эффекту Пельтье, то есть к производству холода.

Холодильник на модулях Пельте – насколько он эффективен?

Для эксперимента будет использован автомобильный холодильник. Полезный объем его 20 литров. Обратите внимание – заявленная мощность – 48 ватт при токе 4 ампера и постоянном напряжении 12 вольт. А это значит, что внутри стоит всего лишь 1 маленький элемент Пельтье. Для тех кто не в теме откроем секрет – такую же мощность имеет обычный домашний холодильник, размеры которого в разы больше. Ну да ладно, сейчас не об этом. Проверим его эффективность. Например поставим ему минимальную задачу охладить стаканчик с водой, имеющей комнатную температуру 26 градусов. Для работы холодильника будем использовать блок питания, идеально подходящий по своим параметрам. Дополнительно в цепь будем помещен ваттметр. Он будет в реальном времени отображать ток, напряжение и мощность. Но самое главное – потребление, так называемый ватт в час. Таким образом мы сможем примерно оценить энергозатраты нашего холодильника.

Включаем и видим, все прекрасно работает. Вот ток 4,29 А. Напряжение 11,15 Вольт. Мощность 47,9 Ватт. 0,1 Ватт-часов.

Пока процесс идет, проведем более наглядный эксперимент, который покажет, что же именно происходит в холодильнике. Когда подадим на элемент постоянный ток, он начнет перекачивать тепло с одной стороны на другую.

холодильник на Пельтье делаем сами

Кстати, если поменять направление тока, то изменится и направление перекачки тепла, что весьма удобно. Главное не забываем об активном охлаждении, потому что пятьдесят ватт электрической мощности нагревает элемент мгновенно. Чем эффективнее мы отведем тепло с горячий стороны, чем холоднее на другой.

Как видите, на самой поверхности модуля вода замерзает очень быстро, ну еще бы – столько энергии сжирает.

холодильник на Пельтье делаем сами

Но вернемся к нашему холодильнику. Спустя один час работы температура воздуха внутри упала до пятнадцати градусов, а у воды опустилась до 20. Удивило, что за час работы он съел четко 48 ватт. Через два часа у воздуха было 13 градусов, а у воды 17. И наконец, после трех часов работы температура воздуха остановилась на 13-ти градусах, а в стакане с водой была 15 и ниже 12 она уже не опустится. Ну так себе холодильник, учитывая что он был забит напитками не полностью. Но при этом этот монстр потребил 140 Ватт. Для домашней сети может и не много, но для автомобильного аккумулятора это уже весьма ощутимо. Поэтому здесь и стоит всего лишь один элемент. Потому что больше никакой аккумулятор просто не потянет. А это значит, что кпд такого модуля ничтожно мал – буквально считанные проценты, что опять же зависит от производителя. Такой холодильник больше напоминает хороший термос. Если бы взяли из дома холодные продукты, то он бы просто не позволил им быстро нагреться. Делать такие холодильники большими энергетически невыгодно.

В каких случаях Пельтье эффективен?

Кстати это относится и к самодельщикам,  пытающихся делать на этом принципе автомобильные кондиционеры. Есть более эффективные технологии, а вот использовать элементы Пельтье для охлаждения чего-то маленького и компактного – просто идеальное решение. Есть целый спектр таких устройств, например охлаждать процессоры или микросхемы различных малогабаритных приборов. В этом скорее всего и есть самый главный плюс таких элементов. Они миниатюрны и минимальны по весу. По сравнению с теми же фотоэлементами у Пельтье минусов конечно больше, ну а самый эффект безусловно заслуживает внимания. В конце концов все зависит от решаемых задач а если энергия халявная, то высокий КПД не так уж и важен.

До скольки градусов можно охладить элемент? Об этом в отдельном видео.

Заключение

Популярные среди радиолюбителей и инженеров модули Пельтье – электронные элементы, активно использующиеся для систем охлаждения и получения электроэнергии. На их основе разрабатываются источники питания для освещения или зарядки девайсов в походных условиях, мобильные компактные холодильники для автомобилей. Существуют попытки применения для охлаждения компьютерных процессоров. Работа устройств основана на 2 механизмах: при нагреве одной стороны пластины Пельтье и охлаждении второй, вырабатывается электроток; при подаче электричества на контакты одна сторона пластины охлаждается, вторая – нагревается.

TEC / Руководство по проектированию элементов Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье - это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой, в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
Это руководство по проектированию системы содержит информацию о том, как спроектировать простое применение термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.При разработке термоэлектрического применения охлаждение является критически важной частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по проектированию.

TEC Контроллер Обзор продукта

Содержание TEC Controller Products

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей. Однако для более простой системы вы не должны заблудиться в деталях. Данное руководство является отправной точкой для оценки параметров конструкции с некоторыми упрощениями для нового применения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы рассматриваем систему с одним этапом элемента Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их конструкция сложнее.

Консалтинг для сложных тепловых проектов

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком комплексных, более сложных решений в области теплового проектирования. Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения.Это включает в себя моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор соответствующей электроники, раковин и тепловых трубок.

Видео термоэлектрического охлаждения

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных этапов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и нагревание используются для различных применений, даже когда активное охлаждение ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C) требуется. Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустического и электрического шума, вибрации и механических движущихся частей. Переключение с охлаждения на нагревание возможно путем изменения направления тока без каких-либо механических изменений.

Temperature vs. Current Graph

Существуют ограничения по температуре при работе элементов Пельтье. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другим ограничением является максимальная температура между горячей и холодной стороной элемента Пельтье. В общих случаях применения разность около 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура будет снова повышаться при увеличении тока. Это происходит из-за рассеивания мощности (I 2 R) внутри элемента Пельтье, когда ток потребляется больше, чем I макс. .

A Типичная термоэлектрическая система

TEC Peltier Element Controller, Heatsink, Fan

Основные части термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, следующие:

    Контроллер
  • TEC
  • элемент Пельтье
  • Радиатор

Другая важная часть, товарищ по команде радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с температурой, в которой рассеивается тепло.
Помимо ранее упомянутых частей, другие компоненты важны для полного применения. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно, источник питания.

Пожалуйста, посмотрите следующее видео для обзора контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути прохождения тепла от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, где мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например, температура объектов не зависит от конвекции. (Q - теплоемкость каждого куска.)

Thermal Schematic Resistances
Упрощенная схема системы охлаждения


Следующая, еще более упрощенная схема, представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье находится при 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, температура которого составляет 25 ° C.

Thermal Schematic with diagram
Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

Процесс проектирования

Следующие шаги необходимы при разработке приложения термоэлектрического охлаждения:

  1. Расчет тепловой нагрузки охлаждаемого объекта
  2. Определяем температуру рабочего диапазона объекта и радиатора
  3. Выберите элемент Пельтье, который удовлетворяет требованиям
  4. Выберите контроллер TEC с подходящим диапазоном мощности
  5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
  6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (опция)
  7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик мойки
  8. Выберите источник питания для контроллера TEC

Это итеративный процесс.Проверьте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеуказанные шаги.

1. Оценка тепловой нагрузки

Важным параметром является количество тепла, которое поглощается от объекта холодной поверхностью элемента ТЕА или Пельтье. (Q C [Вт])
В зависимости от применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

  • Рассеиваемая мощность
  • Излучение
  • Конвективный
  • Проводящий
  • Динамический (dQ / DT)

Эти нагрузки суммируются в тепловой нагрузке Q C , которая переносится с холодной стороны на горячую сторону, где расположен радиатор.

2. Определить температуру

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до определенной температуры. Если охлаждаемый объект находится в контакте с холодной поверхностью термоэлектрического модуля, температуру объекта можно считать равной температуре холодной стороны элемента Пельтье через определенное время.

При проектировании термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

  • T O температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
  • T HS Температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T amb + ΔT HS
    См. Раздел 5.Теплоотвод для получения дополнительной информации.

Разница между T O и T HS известна как dT (ΔT или deltaT) [K]:
dT = T HS - T O = T amb + ΔT HS - T O

3. Выбор элемента Пельтье / модуля ТЕА

Элемент Пельтье создает разницу температур между обеими сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев является Коэффициент производительности (COP) при выборе элемента Пельтье.Определение COP - это тепло, поглощаемое на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q C / P el
Результатом максимальной COP является минимальная входная мощность Пельтье, то есть минимальная общая тепло рассеивается радиатором. (Q h = Q C + P el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который дает в сочетании с определенным значением dT оптимальное значение COP.

Наконец, мы получаем оценку для Q max , которая позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем маржу дизайна на

  • выбирает элемент Пельтье с большей, чем требуется, мощностью теплового насоса,
  • путем проектирования системы с рабочим током значительно ниже I макс. элемента Пельтье,
  • или как третий вариант, увеличивая радиатор или добавляя к нему вентилятор, чтобы поддерживать температуру горячей стороны на низком уровне.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгону.

Пожалуйста, обратитесь к странице Элементы Пельтье для получения списка Дистрибьюторов.

4. Выбор контроллера TEC

Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с требуемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального КПД. На основании этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не I макс. .

Одноканальные контроллеры TEC:

Двухканальные контроллеры TEC в параллельном режиме:

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку на горячей стороне элемента Пельтье и рассеивает ее в окружающем воздухе.

При определении размеров радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы избежать слишком высокой температуры.Следующая диаграмма показывает, что тепло Q h , отводимое элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q макс . Это связано с внутренним выделением тепла в элементе Пельтье во время тепловой откачки. Следовательно, общее тепло, которое должно рассеиваться в радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На приведенном ниже графике показана взаимосвязь между теплом, отводимым элементом Пельтье, и током для разных значений dT.Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, которое будет рассеиваться радиатором.

Normalized heat rejection (heat sink) graph for Peltier element

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, так как размер радиатора зависит от него. В зависимости от ваших требований решение может быть выполнено на заказ радиатора или тепловой трубки.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R thHS = ΔT HS / Q ч [К / Вт]
ΔT HS = Разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q h = общая тепловая нагрузка (объект + потери элемента Пельтье) [Вт]

Для оценки ΔT HS учитывайте максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы в этом случае выполнялись ваши расчеты.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q h и Q C для разных значений dT. Отношение растет экспоненциально при каждом увеличении dT. Это означает, что при больших значениях dT теплоотвод рассеивает большое количество тепла для сравнительно небольшого количества тепла, поглощаемого на холодной стороне элемента Пельтье.

Heat rejected/transported vs. current

Мы также можем использовать этот график для оценки результирующего теплоотвода на основе количества переносимого тепла Q C , даже до выбора элемента Пельтье.

Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реалистическое значение для dT HS . Поскольку мы еще не знаем реальный Q h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найти отношение Q h / Q C при заданном токе и dT.

Выберите требуемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R thHS Q h на наше соотношение Q h / Q C .

R thHS = ΔT HS / (отношение * Q C )

Конечно, размерность сохраняется, только если мы позже оперируем элементом Пельтье в выбранной рабочей точке (то есть в выбранном токе).

При выборе теплового сопротивления радиатора можно повлиять на dT = T и + T , HS - T , O .
(ΔT HS = Q ч / R thHS )

Дистрибьюторы / Производители

6.Вентилятор

Вентилятор охлаждения радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора к окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловые характеристики. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

  • ШИМ вход управляющего сигнала для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует сигнал ШИМ 1 кГц или 25 кГц от 0 до 100%.
  • Выходной сигнал генератора частоты, который представляет скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с тем же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации поклонников

Для получения подробной информации о предложениях вентиляторов и их оптимальных настройках см. Главу 6.3 руководства пользователя семейства TEC (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру TEC

Обратитесь к странице «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Пример расчетов

Рассчитаем в качестве примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Существует два тепловых параметров, которые необходимы для выбора элемента Пельтье.

  • Максимальная холодопроизводительность Q макс.
  • Разница температур дТ
Оценить тепловые нагрузки и определить температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q C = 10 Вт будет охлажден до нуля градусов Цельсия.(T O = 0 ° C) Предположим, что комнатная температура составляет 25 ° C, а температура радиатора T S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разность температур между холодной стороной и горячей стороной элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно вычислять dT как разницу между температурой окружающего воздуха и требуемой температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕА

Наша цель - найти Q макс. , достаточно большой, чтобы покрыть необходимый Q C и дать наилучшее КПД.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I макс. = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно превышать 0,7.

Performance vs. current with marking

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике с тепловой накачкой и током значение Q C / Q max = 0,25 для данной разности температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Heat pumped vs. current with marking

Теперь мы можем вычислить Q max для элемента Пельтье. Q макс. = Q C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике производительности против тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I макс . Это позволяет рассчитать P el = Q C / COP = 10 Вт / 0.6 = 16,7 Вт .

Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов.В их линейке продуктов мы ищем элемент с Q max 40 Вт. Поскольку у нас разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.

В качестве примера мы выбираем элемент Пельтье с Q макс. = 41 Вт, dT макс. = 68 К, I макс. = 5 А и V макс. = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I макс. * (I / I макс. ) = 5 А * 0.45 = 2,25 A
В = P el / I = 16,7 Вт / 3,83A = 7,42 В

Выбор контроллера TEC

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем контроллер TEC TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо бы добавить некоторый запас конструкции, выбрав контроллер ТЕС с выходным током, превышающим требуемый. Позже, когда производительность системы хорошо известна, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать требуемое тепловое сопротивление радиатора. На графике отвод тепла от тока мы находим Q ч / Q макс = 0,6 для выбранного нами тока и dT. Таким образом, Q ч = Q макс * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Heat rejected vs. current with marking

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R thHS = T HS / Q h = 5 K / 24.6 Вт = 0,2 К / Вт
Нам необходим радиатор с тепловым сопротивлением менее 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения. Тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования необходимо для определения оптимальных параметров системы.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером TEC для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, вы должны установить температурный датчик (датчик) на объекте. Обратите внимание, что важно размещать датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна желаемая температура.

Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы рекомендуем использовать датчики Pt100. Для измерения температуры намного ниже 0 ° C необходимы датчики Pt100 / 1000.Это потому, что если температура становится слишком низкой, датчики NTC не могут использоваться, так как значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в регуляторе ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода четырехконтактного считывания (четырехпроводного считывания) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях. Для измерения NTC используется 2-проводная техника.

Термин 4-х проводный не означает, что нужен датчик с четырьмя контактами.Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных к напряжению электродов. (Подробнее о четырехконтактном зондировании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующей таблице для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

Обратитесь к странице «Примечания к контроллеру TEC», чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9.Требования к источнику питания

Источник питания является источником питания для контроллера TEC.

В зависимости от выбранного контроллера TEC вы должны выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания способен обеспечить питание, необходимое для управления контроллером TEC с помощью элемента Пельтье. (Как правило, вы можете добавить резерв 10%. Умножьте необходимые значения выходной мощности ТЕС на 1.1.) См. Таблицу данных контроллера для получения информации о соотношении входного и выходного напряжения.

Рекомендации по электроснабжению

10. Проверьте настройки

Теперь, когда вы выбрали системные компоненты, вы настроили приложение и начали тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с помощью нашего сервисного программного обеспечения, см. Наше пошаговое руководство по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и протестировать бесплатно.

11. Термоэлектрические холодильные агрегаты

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие сборки, если вы не хотите создавать систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок интересно на этапе создания прототипа для первых экспериментов.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, теплового режима и типа питания контроллера TEC. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье - это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой, в зависимости от направления электрического тока.

TEC Controller Обзор продукта

Коэффициент производительности (КС)

Эффективность самого элемента Пельтье определяется COP = Q C / P el . Подробнее об определении КС читайте здесь.

Peltier performance vs current
КС в зависимости от текущей зависимости элемента Пельтье для разных значений dT.

Оптимальная рабочая точка элемента Пельтье - это когда максимальное значение COP. Максимум COP сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной стороной.Как видно, максимум COP смещается в сторону больших токов при увеличении dT. Ток не должен быть больше 0,7 раз I макс. , потому что тогда COP становится слишком маленьким - элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловой Дизайн

Thermal Design имеет решающее значение, поскольку позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

  1. Reducing dT - оптимизировать радиатор и вентилятор
  2. Минимизируйте потери мощности - изолируйте охлажденную зону
  3. Optimize COP - выберите элемент Пельтье с достаточной мощностью

1.Разница температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть минимизирована. Небольшое значение dT приведет к максимуму COP, как это видно на диаграмме 5, смещению вправо, что означает, что необходим меньший ток. Тепло, которое должно рассеиваться на теплой стороне, составляется следующим образом: Q h = Q C + P el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую диаграмму температуры справа. Объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье находится при 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, температура которого составляет 25 ° C. Радиатор, таким образом, рассеивает 10 ° C, поэтому новый dT составляет 30 К.

Thermal Schematic with diagram
Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма

2. Часто выгодно изолировать охлаждаемый объект и все остальные охлаждаемые поверхности. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла окружающей среды.Это уменьшает общее рассеивание мощности, что приводит к меньшей импульсной мощности элемента Пельтье и, следовательно, к лучшему КПД.

3. КС следует оптимизировать, используя достаточную мощность элемента Пельтье. Это необходимо, потому что максимум COP находится при низком токе, и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно, создан нагреватель.

В качестве примера: если dT составляет 30 K, вы можете увидеть на диаграмме COP относительно текущего отношения максимум COP при I = 0.3 * я макс . На диаграмме Vs Current с тепловой накачкой получаем значения dT = 30 K и I = 0,3 * I макс. , Q c / Q макс. , равные 20%. Если требуется охлаждение 10 Вт, элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт.

DC по сравнению с ШИМ (Тип поставки TEC)

В следующей главе обсуждаются преимущества постоянного тока (постоянного тока) и недостатки ШИМ в качестве режимов питания для управления элементами Пельтье с помощью контроллеров TEC. Термоэлектрические холодильники работают за счет эффекта Пельтье и перекачивают тепло с одной стороны на другую.Для поддержания направления теплового потока необходим постоянный ток.

Во многих контроллерах TEC ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В общем, это означает упрощенное аппаратное и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток того же значения амплитуды. Однако модули TEC, приводимые в действие ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения TEC, управляемые постоянным током. Управление ТЕС с помощью ШИМ напрямую делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективно.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (EMI) в проводке к устройству TEC. Этот эффект может мешать измерительным системам или камерам, например, когда используется для охлаждения датчиков CCD.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и пульсацию ограничивающего тока для регулирования выходного тока. Они явно не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

  • Ferrotec: «Тем не менее, мы рекомендуем ограничить пульсации источника питания максимум до 10 процентов с предпочтительным значением <5%."
  • RMT: «TEC [элементы Пельтье], управляемые PWM, работают менее эффективно, чем при постоянном токе. Управление PWM всегда менее эффективно, чем работа TEC при одинаковом среднем значении постоянного тока и потребляемой мощности».
  • Marlow: «Для оптимальной работы термоэлектрическим холодильникам требуется плавный постоянный ток. Коэффициент пульсации менее 10% приведет к ухудшению ∆T менее чем на 1%. [...] Marlow не рекомендует включать / выключать управление».

Сравнение двух контроллеров TEC

Мы сравнили контроллер Meerstetter Engineering TEC с постоянным током (случай 1) с контроллером PWM TEC (случай 2) от другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу между термоэлектрическими системами охлаждения, работающими от постоянного тока, и системами, использующими ШИМ.Цель состоит в том, чтобы сравнить общую эффективность использования энергии.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма значительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

  • Блок питания для контроллера TEC
  • TEC контроллер
  • Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
  • элемент Пельтье
  • Радиатор
  • Вентилятор для охлаждения радиатора

В качестве целевой температуры для нагрузки 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 ° C при температуре окружающей среды 24.5 ° С

Результаты представлены на следующей иллюстрации и обсуждаются ниже.

DC TEC Controller vs. PWM TEC Controller with losses
Сравнение двух контроллеров TEC

Замечательные отличия и наблюдения:

  • Мощность, необходимая для охлаждения объекта до 10 ° C, была в случае 2 более чем в шесть раз больше (56 Вт против 9 Вт)
  • Температура радиатора в случае 2 была на 5 ° C выше. Это может привести к более высокой температуре в термоэлектрической системе охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.
  • Более высокая температура радиатора на 5 К также приводит к увеличению dT элемента Пельтье:
    dT = T HS - T O = T amb + ΔT HS - T O
  • Другими словами, общее количество тепла, которое будет рассеиваться системой с помощью ШИМ-контроллера, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости гораздо большего радиатора для случая 2.
  • Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как источник питания или радиатор и т. Д.
Контроллеры

линейных и SMPS TEC

Существует два способа генерации постоянного тока для управления ТЕС. Одним из способов является использование линейного источника питания, в то время как другой является SMPS.

Линейные контроллеры TEC обеспечивают постоянный ток с оптимальной работой TEC. Однако они сами по себе очень неэффективны и генерируют высокие тепловые потери.

Контроллеры SMPS TEC также управляют ТЕС постоянным током, но они гораздо более эффективны, что приводит к существенно меньшим потерям тепла.

Контроллеры

SMPS TEC имеют высокую эффективность, (> 90%) электроника генерирует мало потерь.

.

Инструментарий для теории эффекта Пельтье

В 1821 году немецкий ученый Томас Сибек провел несколько экспериментов по электричеству. Он обнаружил, что электрический ток будет течь через цепь, состоящую из двух разнородных проводников, при условии, что соединения, в которых эти проводники соединяются, поддерживаются при разных температурах. Тем не менее, Seeback не смог объяснить фактическую научную причину этого явления и ошибочно пришел к выводу, что текущее тепло производит тот же эффект, что и текущее электричество.

Peltier Effect Working Peltier Effect Working

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье, французский часовщик и физик, работающий неполный рабочий день, анализируя эффект Зеебека, отметил, что тепло может поглощаться на одном соединении разнородных металлов и отводиться на другом соединении в та же схема. Спустя двадцать лет после этого Уильям Томсон (лорд Кельвин) смог научно объяснить оба эффекта - Сибак и Пельтье - и доказать связь между ними.

Однако, как ни странно, в то время это явление считалось не более чем лабораторным экспериментом.Затем, в 1930 году, когда российские ученые начали заново исследовать более ранние работы по термоэлектрическому эффекту, мировой интерес к этому явлению снова был вызван, что привело к разработке практических термоэлектрических устройств.

Эффект Пельтье называется обратным эффекту Зеебека. Поэтому, чтобы понять, как работает эффект Пельтье, давайте сначала рассмотрим эффект Seeback.

Эффект обратного хода

Эффект обратного хода представляет собой явление, при котором градиент температуры, возникающий между двумя соединениями, образованными двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками, вызывает возникновение разности потенциалов между ними.Эта разность потенциалов позволяет электрическому току течь через цепь. Таким образом, эффект Seeback утверждает, что градиент температуры будет вызывать протекание электрического тока через цепь.

Математически, если (T1 - T2) - это разность температур между двумя соединениями разнородных металлов, то в соответствии с эффектом Зеебека он создаст электродвижущую силу (напряжение), определяемую следующим образом:

E = α ( T1 - T2)

Примечание: α - это дифференциальный коэффициент Зеебека или (коэффициент термоэлектрической мощности) между двумя проводниками / полупроводниками.Это положительно, когда направление электрического тока совпадает с направлением теплового тока.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье гласит, что при прохождении электрического тока через цепь, содержащую разнородные проводники, тепловая энергия поглощается из одного соединения и разряжается в другом, делая первый охлаждающий и последний более горячим. Таким образом, из-за протекающего тока возникает тепловой градиент, что делает эффект Пельтье обратным эффекту Зеебека.

Если QC - это скорость охлаждения в ваттах, а QH - это скорость нагрева в ваттах, I - ток, протекающий по замкнутой цепи.

QC или QC = β x I

Примечание: β - дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами A и B в вольтах.

Эффект Пельтье можно проверить экспериментально, используя следующую настройку:

Peltier Effect Peltier Effect

Как показано, два куска медного провода подключены к двум клеммам батареи. Эти две части затем соединяются с помощью висмутовой проволоки, которая завершает настройку.

Наблюдается, что когда цепь замкнута, как описано выше, возникает температурный градиент, как предсказано эффектом Пельтье. В месте соединения, где ток переходит от меди к висмуту, температура повышается, а в месте соединения, где ток переходит от висмута к меди, температура падает.

Как работает эффект Пельтье?

Эффект Пельтье возникает из-за того, что средняя энергия электронов, участвующих в передаче электрического тока, различна для разных проводников.Это зависит от нескольких факторов, включая энергетический спектр электронов, их концентрацию в проводнике и их рассеяние под воздействием приложенного напряжения.

При соединении двух разнородных проводников электроны переходят от одного проводника к другому. В зависимости от направления потока электрического заряда эти электроны будут либо передавать свою избыточную энергию окружающим атомам, либо поглощать энергию от них. Таким образом, в первом случае тепло рассеивается, а во втором - поглощается.

Преимущества эффекта Пельтье

1) Основное преимущество эффекта Пельтье состоит в том, что он позволяет нам создавать устройства охлаждения / нагрева, которые не имеют движущихся частей, и, следовательно, с гораздо меньшей вероятностью выходят из строя, так как по сравнению с обычными кулерами и обогревателями. Они также почти не требуют обслуживания.

2) Устройства Пельтье работают бесшумно и теоретически могут достигать температур до -80ºC (-176ºF).

3) Эффект Пельтье можно эффективно использовать на микроскопическом уровне, где обычные методы охлаждения не будут работать.

Недостатки эффекта Пельтье

1) Главный недостаток эффекта Пельтье в том, что он неэффективен. Сам протекающий ток имеет тенденцию генерировать значительное количество тепла, которое добавляется к общему рассеиванию тепла. В больших применениях это приводит к чрезмерному количеству тепла, о котором необходимо заботиться. Обычно для решения этой проблемы требуются дополнительные вентиляторы.

2) Этот эффект также использует много электричества, что может сделать его использование для крупномасштабных приложений очень дорогим.

3) Если компоненты устройств Пельтье слишком сильно охлаждаются, это может привести к конденсации, что может вызвать короткое замыкание.

Применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье используется для построения устройств Пельтье. Это твердотельные устройства, которые используют этот эффект для охлаждения или нагрева. Обычно используемые устройства включают нагреватель Пельтье, тепловой насос, охладитель и твердотельный холодильник.

Когда постоянный ток протекает через устройство Пельтье, тепло передается с одной стороны устройства на другую, позволяя ему действовать как нагреватель или охладитель.Все устройства Пельтье функционируют таким образом, передавая тепло с одной стороны устройства на другую против градиента температуры с помощью электрического тока.

Ниже приведены несколько применений устройств Пельтье:

1) Экстракция воды: Эффект Пельтье используется в осушителях для процесса извлечения воды из воздуха.

2) Синтез ДНК: термоциклер использует этот эффект для процесса синтеза ДНК.

3) Космические корабли: Эффект Пельтье используется в космических кораблях, чтобы уравновесить воздействие солнечного света с обеих сторон корабля.Это помогает в рассеивании тепла из-за прямого солнечного света с одной стороны космического корабля на другую сторону, которая не получает солнечного света, и поэтому намного холоднее.

Также читайте: Введение в RTD's

.Принцип действия прибора термопары

ТЕРМОКУПАЛЫ

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, которые создают напряжение (выраженное в милливольтах) с изменением температуры. Соединение двух металлов, называемое чувствительным соединением, соединено с удлинителями. Любые два разнородных металла могут быть использованы для изготовления термопары.

P Принцип работы

  • Когда два разнородных металла соединены вместе, на соединении генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термоперехода .Это называется эффектом Пельтье .
  • Если температура соединения изменяется, это также вызывает изменение напряжения, которое может быть измерено входными цепями электронного контроллера. Выходное напряжение пропорционально разнице температур между соединением и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона .
  • Оба эти эффекта можно комбинировать для измерения температуры. Держа один переход при известной температуре (спая) и измерения напряжения, температура на стыке зондирования может быть выведена.Генерируемое напряжение прямо пропорционально разности температур. Комбинированный эффект известен как эффект термоперехода или эффект Зеебека .

На рисунке справа показана простая схема термопары. Thermocouple Effect Thermocouple Effect

Напряжение измеряется для определения температуры. В практической работе провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), цифровой системе сбора данных или другому устройству измерения напряжения.Если измерительное устройство имеет очень высокое входное сопротивление, напряжение, создаваемое термопереходом, может быть точно измерено.

Однако основная проблема при измерении температуры термопары заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди. Если ни провод A, ни провод B не являются медными, подключение к DVM создает еще два термоперехода ! (Металлы термопар, как правило, не совпадают с металлами выводов DVM.) Эти дополнительные термопереходы также генерируют термопереходное напряжение, которое может привести к ошибке при попытке измерить напряжение от чувствительного перехода.

Thermocouple Diagram Thermocouple Diagram

Как решить эту проблему?

Одним из простых решений является добавление четвертого термоперехода, называемого эталонным спайком , путем введения в цепь дополнительной длины металлического провода А, как показано ниже. Эталонный переход состоит из металлов A и B, как указано на эскизе.

Thermocouple Reference Junction Thermocouple Reference Junction

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

При таком расположении все еще образуются два дополнительных соединения термопары, в которых компенсированная термопара подключена к вольтметру (DVM). Два перехода к DVM теперь находятся между металлом А и медью. Эти два соединения размещены близко друг к другу и при одинаковой температуре с температурой , так что их напряжения термоперехода идентичны и взаимно компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный переход помещен в место, где эталонная температура T R точно известна, обычно в ванне с ледяной водой с фиксированной температурой T R = 0 ° C. Если чувствительный контакт также находится при 0 ° C (T с = 0 o C), напряжение, генерируемое чувствительным контактом, будет равно и противоположно напряжению, генерируемому эталонным контактом. Следовательно, V o = 0, когда T с = 0 ° C. Однако если температура чувствительного перехода не равна T R , V o будет отличным от нуля.

Итак, В o является уникальной функцией температуры датчика T с и двух металлов, используемых для термопары . Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов для термопарных проводов для измерения температуры может использоваться выходное напряжение V o . Это фундаментальная концепция использования термопары.

Материалы термопары

Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов.Рабочие характеристики материала термопары обычно определяются с использованием этого материала с платиной. Наиболее важным фактором, который следует учитывать при выборе пары материалов, является «термоэлектрическая разница» между этими двумя материалами. Значительная разница между этими двумя материалами приведет к лучшей производительности термопары.

На рисунке ниже показаны характеристики наиболее часто используемых материалов при использовании с платиной. Например: Chromel-Constantan отлично подходит для температур до 2000 ° F; Никель / Никель-Молибден иногда заменяет Хромель-Алюмель; и вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F.Некоторыми комбинациями, используемыми для специализированных применений, являются хромель-белое золото, молибден-вольфрам, вольфрам-иридий и иридий / иридий-родий.

На рисунке ниже показаны характеристики материала термопары при использовании с платиной.

Thermoelectric Thermoelectric

Характеристики типов термопар

Из бесконечного числа комбинаций термопар Американское приборное общество (ISA) признает 12. Большинство из этих типов термопар известны по однобуквенному обозначению; наиболее распространенными являются J, K, T и E.Композиции термопар являются международными стандартами, но цветовые коды их проводов различны. Например, в США отрицательный отвод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный для обозначения положительного отведения. Часто стандартные типы термопар упоминаются по их торговым наименованиям. Например,

  • Термопара типа типа K имеет цвет желтый и использует хромель - алюмель, , которые являются торговыми названиями сплавов Ni-Cr и Ni-Al.
  • Термопара типа типа J имеет цвет черный и использует в качестве компонентов металлы железа и константана . (Constantan представляет собой сплав никеля и меди.)
  • Термопара типа типа T имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве компонентов металлов.
  • В термопаре типа S используется Pt / Rh-Pt
  • В термопаре типа E используется Ni / Cr-Con
  • В термопаре типа N используется Ni / Cr / Si- Ni / Si

Каждая калибровка имеет различный температурный диапазон и среду, хотя максимальная температура изменяется в зависимости от диаметра провода, используемого в термопаре Temperature Vs Voltage Reference Table for Type J Temperature Vs Voltage Reference Table for Type J.Различия в составе сплава и состоянии соединения между проводами являются источниками погрешности при измерении температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства применений общего назначения. Он предлагает широкий температурный диапазон, низкую стандартную погрешность и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру, подключая термопару типа K со стандартными соединениями.

Напряжение, создаваемое термопарой, изменяется почти на , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, не существует простых уравнений, которые бы связывали напряжение термопары с температурой. Напротив, напряжение табулируется как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания в милливольтах в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенным ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопары, и в них перечислены конкретные температуры, соответствующие серии показаний в милливольтах. По условию эталонная температура для термопар в таблицах составляет 0ºC.

Выбор типа термопары

Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, они очень часто используются в промышленности.

При выборе термопары используются следующие критерии:

  1. Температурный диапазон.
  2. Химическая стойкость материала термопары или оболочки.
  3. Устойчивость к истиранию и вибрации.
  4. Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; существующие отверстия могут определять диаметр зонда).

Стандартные спецификации

Диаметры: Стандартные диаметры: 0,010 ″, 0,020 ″, 0,032 ″, 0,040 ″, 1/16 ″, 1/8 ″, 3/16 ″ и 1/4 ″ и два провода.

Длина: Стандартные термопары имеют длину погружения 12 дюймов. Другие длины на заказ.

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и Inconel являются стандартными.

Изоляция: Оксид магния является стандартным. Минимальное сопротивление изоляции провода к проводу или провода к оболочке составляет 1,5 МОм при 500 В постоянного тока для всех диаметров.

Калибровка: Iron-Constantan (J), Chromel - Alumel (K), Copper-Constantan (T) и Chromel-Constantan (E) являются стандартными калибровками.

Изгиб: Легко сгибается и формируется. Радиус изгиба должен быть не менее чем в два раза больше диаметра оболочки.

Полярность: В промышленности термопар стандартная практика - окрашивать отрицательный свинцовый красный.

Соединения термопары:

Зонды с термопарой в оболочке доступны с одним из трех типов соединений: заземленные, незаземленные или открытые.

Заземленный контакт - В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей теплопередаче снаружи через стенку зонда к переходу термопары. Заземленный переход рекомендуется для измерения статической или текущей температуры агрессивных газов и жидкостей, а также для приложений с высоким давлением.Соединение заземленной термопары приварено к защитной оболочке, обеспечивая более быструю реакцию, чем незаземленное соединение.

Незаземленное соединение - В подземном датчике соединение термопары отсоединено от стенки зонда. Время отклика замедляется по сравнению с заземленным, но незаземленное обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 М1 / 2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный переход рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно, чтобы термопара была электронно изолирована и экранирована оболочкой.Сваренная проволочная термопара физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягким).

Открытое соединение - В стиле открытого соединения термопара выступает из кончика оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип предлагает лучшее время отклика, но ограничен в использовании для некоррозионных и не находящихся под давлением приложений. Соединение простирается за защитную металлическую оболочку, чтобы дать точный быстрый ответ.Изоляция оболочки герметизируется в местах, где проходит переход, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, что может привести к ошибкам.

Types of Thermocouple Junctions Types of Thermocouple Junctions

Таким образом, открытый контакт обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный контакт. Решения по измерению температуры могут сделать или сломать ожидаемые результаты процесса. Выбор правильного датчика для приложения может быть сложной задачей, но обработка этого измеренного сигнала также очень важна.

T Hermopoup Законы

Сначала несколько нотация :

Пусть T 1 - температура ванны 1, а T 2 - температура ванны 2.

Пусть V 1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T 1 , когда используется надлежащий эталонный спай при температуре T R (T R = эталонная температура = 0 o С). V 1-R - это напряжение, указанное в таблицах термопар при температуре Т 1 .

Пусть V 1-2 определяется как разность напряжений между V 1-R и V 2-R ,

V1-2 = V1-R - V2-R

Условное обозначение :

Ошибки отрицательного знака могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если они не согласованы.

Как правило, таблицы термопар сконструированы таким образом, что при более высоких температурах получается при более высоких напряжениях термоперехода.

Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их проводом A и проводом B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение равно положительных , когда измеряемая температура на больше , чем эталонная температура. Аналогично, напряжение составляет , отрицательное значение , когда измеряемая температура на меньше, чем , чем контрольная температура.

Поскольку стандартная эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные значения напряжения термопереходов, а отрицательные температуры в единицах o C дают отрицательные значения напряжения термоперехода.

Обратите внимание, что если провода подключены к вольтметру в противоположно , то, конечно, напряжения будут иметь противоположный знак.

Существуют три закона или правила, которые применяются к термопарам:

  • Закон промежуточных металлов

«Третий (промежуточный) металлический провод можно вводить последовательно с одним из проводов без изменения показания напряжения (при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру) ».

Рассмотрим схему ниже, где прямоугольник вокруг термоперехода обозначает ванну с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или баню с ледяной водой). Law of intermediate metals Law of intermediate metals

Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения, V 1-2 , не изменяется, если добавить третий (промежуточный) провод в соответствии с любым из проводов в цепи, как показано ниже: Thermocouple Junctions Thermocouple Junctions

На приведенной выше диаграмме предполагается, что оба новых соединения (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е.е. температура окружающей среды, Т а .

Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое в одном из новых соединений, точно отменяется равным и противоположным напряжением, генерируемым в другом новом соединении.

Аналогично, металл С может быть вставлен в любое место схемы без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

Law of intermediate metals Modified Law of intermediate metals Modified

Опять же, если два новых перехода (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, нет никакого чистого влияния на выходное напряжение.

  • Закон промежуточных температур

«Если идентичные термопары измеряют разницу температур между T 1 и T 2 , и разницу температур между T 2 и Т 3 , то сумма соответствующих напряжений V 1-2 + V 2-3 должна равняться напряжению V 1-3 генерируется идентичной термопарой, измеряющей разницу температур между T 1 и T 3 ”.

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

В 1-3 = В 1-2 + В 2-3 для любых трех температур, Т 1 , Т 2 и Т 3 .

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термопереходов, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание. Во избежание беспорядка на схеме медные выводы DVM больше не отображаются. Также, для краткости, буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов термопары.law of intermediate temperatures law of intermediate temperatures

В соответствии с принятой здесь системой обозначений

V1-3 = V1-R - V3-R,

, которая может быть записана как

V1-3 = (V1-R - V2-R) + (V2 -R - V3-R)

Но поскольку (также по определению)

V1-2 = V1-R - V2-R, а

V2-3 = V2-R - V3-R,

, это следует непосредственно что

V1-3 = V1-2 + V2-3.

“Для заданного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все из которых имеют одинаковую разность температур T 1 - T 2 , напряжение, измеренное проводами A и C должен равняться сумме напряжения, измеренного проводами A и B, и напряжения, измеренного проводами B и C ”.

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термопереходов, три в ванне с постоянной температурой T 1 и три в ванне с постоянной температурой T 2 . Как и выше, буквы A, B и C обозначают разные типы проводов термопар.

Law of additive voltages Law of additive voltages

Закон аддитивных напряжений можно математически сформулировать следующим образом:

V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)

Или, переставив по напряжению разности ,

V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) - V1-2 (провода B и C).

Термобатарея

Термобатарея определяется как несколько последовательно соединенных термопар. Например, ниже показана термобатарея с тремя чувствительными контактами:

Thermopile Thermopile

При увеличении T 2 выходное напряжение значительно возрастает. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным контактом) заключается в повышенной чувствительности и .

Здесь выходное напряжение в три раза больше, чем генерируется только одной термопарой при прочих идентичных условиях, как показано ниже:

Thermopile construction Thermopile construction

При достаточном количестве чувствительных контактов термобатарея может фактически генерировать полезное напряжение.Например, термоэлектрических часто используются для управления запорными вентилями в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о