Kühlgeräte und Kühlanlagen sind aus dem täglichen Leben nicht wegzudenken. Herkömmliche kältemittelbasierte Schüttgutkonstruktionen eignen sich jedoch nicht für den mobilen Einsatz, zum Beispiel in gekühlten Einkaufstaschen. In solchen Fällen werden Geräte verwendet, die auf dem Peltier-Effekt beruhen und auf die wir in diesem Material näher eingehen werden.
Das Peltier-Element oder die thermoelektrische Kühlung basiert auf einem Thermoelement, das aus zwei Elementen mit p- und n-Leitfähigkeit besteht, die durch eine Kupferschaltplatte verbunden sind. Die Teile bestehen in den meisten Fällen aus Bismut, Tellur, Antimon und Selen. Solche Geräte werden in Kühlsystemen für den Hausgebrauch eingesetzt, und sie neigen auch dazu, Energie zu erzeugen.
Inhalt
Was es ist
Das Peltier-Phänomen und der Begriff beziehen sich auf eine Entdeckung des französischen Wissenschaftlers Jean-Charles Peltier aus dem Jahr 1834. Der Kern der Entdeckung besteht darin, dass in dem Bereich, in dem sich zwei unterschiedlich ausgerichtete Leiter berühren und ein elektrischer Strom durch sie fließt, ständig Wärme erzeugt oder absorbiert wird.
Die klassische Theorie erklärt das Phänomen folgendermaßen: Die Elektronen werden zwischen den Metallen durch den elektrischen Strom übertragen, der je nach dem Unterschied des Kontaktpotenzials auf den Metallleitern mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten beschleunigt oder verlangsamt wird. Peltierelemente tragen somit zur Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie bei.
Beim zweiten Leiter tritt der gegenteilige Effekt ein, bei dem aufgrund der physikalischen Grundgesetze Energie nachgefüllt werden muss. Dies ist auf den Prozess der thermischen Oszillation zurückzuführen, der eine Abkühlung des Metalls des zweiten Leiters bewirkt.
Ein Peltier-Modul mit maximalem thermoelektrischen Effekt kann mit moderner Technologie hergestellt werden.
Aufbau und Funktionsweise
Moderne Peltier-Module bestehen aus zwei Isolierplatten, zwischen denen Thermoelemente in einer strengen Reihenfolge angeschlossen sind. Zum besseren Verständnis der Funktion dieses Elements ist in der Abbildung ein Standarddiagramm dargestellt.
Die Bezeichnung der Elemente:
- A - Kontakte, mit denen die Verbindung zur Stromversorgung hergestellt wird;
- B - heiße Seite;
- C - kalte Seite;
- D - Kupferleiter;
- E - Halbleiter mit p-Übergang;
- F - n-Typ-Halbleiter.
Das Element wird so hergestellt, dass beide Oberflächen je nach Polarität mit p-n- oder n-p-Übergängen in Kontakt sind. Die p-n-Kontakte werden erwärmt und die n-p-Temperatur wird gesenkt. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz von DT an den Enden des Elements. Dieser Effekt bedeutet, dass die Wärmeenergie, die sich zwischen den Elementen des Moduls bewegt, das Temperaturregime je nach Polarität reguliert. Zu beachten ist auch, dass sich bei einer Umpolung die heißen und kalten Oberflächen verändern.
Technische Merkmale
Die technischen Parameter des Peltier-Elements nehmen die folgenden Werte an:
- Kühlleistung (Qmax) - berechnet auf der Grundlage der Stromgrenze und der Temperaturdifferenz zwischen den Enden des Moduls. Die Maßeinheit ist Watt;
- Temperaturdifferenzgrenze (DTmax) - gemessen in Grad, dieses Merkmal ist für optimale Bedingungen angegeben;
- Imax - die Grenzkraft des elektrischen Stroms, die erforderlich ist, um eine größere Temperaturdifferenz zu erreichen;
- Umax ist die maximale Spannung Umax, die für den elektrischen Strom Imax erforderlich ist, um die maximale Temperaturdifferenz DTmax zu erreichen;
- Widerstand - Innenwiderstand des Geräts, gemessen in Ohm;
- POR ist der Wirkungsgrad oder die Peltier-Modul-Effizienz, die das Verhältnis von Kühlleistung zu Kühlleistungsverbrauch widerspiegelt. Je nach Geräteausstattung liegt der Wert zwischen 0,3 und 0,35 bei preiswerten Geräten, während er bei teureren Modellen bis zu 0,5 reicht.
Die Vorteile eines mobilen Peltier-Elements sind seine geringe Größe, die Reversibilität des Prozesses und die Möglichkeit, es als tragbaren Stromgenerator oder Kühlschrank zu verwenden.
Die Nachteile des Moduls sind hohe Kosten, ein geringer Wirkungsgrad von etwa 3 %, hohe Energiekosten und die Notwendigkeit, die Temperaturdifferenz ständig aufrechtzuerhalten.
Anmeldung
Trotz des geringen Wirkungsgrads werden Peltier-Modulplatten häufig in Mess- und Rechengeräten sowie in tragbaren Haushaltsgeräten eingesetzt. Hier finden Sie eine Liste von Geräten, in denen Modelle ein fester Bestandteil sind:
- tragbare Kühlgeräte;
- kleine Stromerzeuger;
- Kühlgeräte in PCs und Laptops;
- Kühler zur Erwärmung und Kühlung von Trinkwasser;
- Luftentfeuchter.
Wie man verbindet
Das Peltier-Modul kann selbst angeschlossen werden, was schnell und einfach geht. Die Gleichspannung muss an den Ausgangskontakten wie in der Bedienungsanleitung des Geräts angegeben angelegt werden. Das rote Kabel wird mit dem Pluspol und das schwarze Kabel mit dem Minuspol verbunden. Beachten Sie, dass die Umkehrung der Polarität die beheizten und gekühlten Oberflächen umkehrt.
Es ist ratsam, die Funktion des Elements zu überprüfen, bevor es angeschlossen wird. Eine einfache und zuverlässige Methode zum Testen des Geräts ist die Tastmethode: Schließen Sie das Gerät an eine Stromquelle an und berühren Sie die verschiedenen Kontakte. Bei einem ordnungsgemäß funktionierenden Gerät sind einige der Kontakte warm und andere kühl.
Es ist auch möglich, mit einem Multimeter und einem Feuerzeug zu prüfen. Schließen Sie dazu die Messfühler an die Kontakte des Geräts an, halten Sie das Feuerzeug zur Seite und beobachten Sie die Anzeige des Multimeters. Wenn das Peltier-Element im Standardmodus arbeitet, wird durch den Heizvorgang auf einer Seite ein elektrischer Strom erzeugt, und der Spannungswert wird auf dem Bildschirm des Multimeters angezeigt.
Wie man ein Peltier-Element mit den eigenen Händen herstellt
Das Peltier-Element lässt sich aufgrund seiner geringen Kosten und der erforderlichen Spezialkenntnisse zur Herstellung eines funktionsfähigen Elements nicht zu Hause herstellen. Es ist jedoch möglich, mit eigenen Händen einen effizienten mobilen thermoelektrischen Generator zu bauen, der im Landhaus oder auf einem Campingausflug nützlich sein wird.
Um die elektrische Spannung zu stabilisieren, müssen Sie einen eigenen Standardwandler auf dem L6920 IC aufbauen. Es muss eine Eingangsspannung von 0,8-5,5 V angelegt werden, und die Ausgangsspannung beträgt 5 V, was ausreicht, um die Batterie von Mobilgeräten im Standardmodus zu laden. Wird ein standardmäßiges elektronisches Peltier-Gerät verwendet, so ist eine Oberflächentemperatur von 150 Grad erforderlich. Um die Temperaturkontrolle zu erleichtern, ist es ratsam, einen Topf mit kochendem Wasser zu verwenden, denn dann wird das Modell nicht über 100 Grad heiß.
Peltier-Platten werden in großem Umfang zur Kühlung moderner Haushaltsgeräte und in Klimaanlagen eingesetzt. Die Wirksamkeit des Geräts hat sich insbesondere bei der Stabilisierung des Wärmeregimes und der Kühlung eines leistungsstarken Prozessors erwiesen. Peltier-Elemente werden häufig verwendet, um effiziente mobile Kühlschränke für Ferienhäuser oder Autos zu bauen oder um einen Heizkörper zu Hause zu betreiben. Aufgrund der Reversibilität des Prozesses werden die selbstgebauten Elemente als mobile Kleinkraftwerke in Gebieten ohne Stromanschluss eingesetzt.
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