Ο εξοπλισμός ψύξης και οι μονάδες ψύξης είναι απαραίτητες στην καθημερινή ζωή. Ωστόσο, τα τυποποιημένα σχέδια χύδην με βάση το ψυκτικό μέσο δεν είναι κατάλληλα για κινητή χρήση, για παράδειγμα σε ψυχόμενες σακούλες για ψώνια. Σε τέτοιες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται συσκευές που βασίζονται στο φαινόμενο Peltier, το οποίο θα αναλύσουμε λεπτομερώς σε αυτό το υλικό.
Το στοιχείο Peltier ή ο θερμοηλεκτρικός ψύκτης βασίζεται σε ένα θερμοστοιχείο που αποτελείται από δύο στοιχεία με αγωγιμότητα τύπου p και n, τα οποία συνδέονται με μια χάλκινη πλάκα μεταγωγής. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα εξαρτήματα είναι κατασκευασμένα από βισμούθιο, τελλούριο, αντιμόνιο και σελήνιο. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται σε συστήματα ψύξης για οικιακές εφαρμογές και έχουν επίσης την τάση να παράγουν ενέργεια.
Περιεχόμενα
Τι είναι
Το φαινόμενο και ο όρος Peltier αναφέρεται σε μια ανακάλυψη που έγινε το 1834 από τον Γάλλο επιστήμονα Jean-Charles Peltier. Η ουσία της ανακάλυψης είναι ότι η θερμότητα παράγεται ή απορροφάται συνεχώς στην περιοχή όπου δύο αγωγοί διαφορετικού προσανατολισμού βρίσκονται σε επαφή και διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Η κλασική θεωρία εξηγεί το φαινόμενο ως εξής: τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ των μετάλλων μέσω του ηλεκτρικού ρεύματος, το οποίο επιταχύνεται ή επιβραδύνεται ανάλογα με τη διαφορά δυναμικού επαφής στους μεταλλικούς αγωγούς με διαφορετικά επίπεδα αγωγιμότητας. Τα στοιχεία Peltier συμβάλλουν έτσι στη μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια.
Στον δεύτερο αγωγό, εμφανίζεται το αντίθετο αποτέλεσμα, όπου απαιτείται αναπλήρωση ενέργειας βάσει του θεμελιώδους νόμου της φυσικής. Αυτό οφείλεται στη διαδικασία της θερμικής ταλάντωσης, η οποία προκαλεί την ψύξη του μετάλλου του δεύτερου αγωγού.
Μια μονάδα Peltier με το μέγιστο θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα μπορεί να κατασκευαστεί με τη χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας.
Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας
Οι σύγχρονες μονάδες Peltier είναι μια δομή στην οποία υπάρχουν δύο μονωτικές πλάκες, με θερμοζεύγη συνδεδεμένα με αυστηρή σειρά μεταξύ τους. Για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας αυτού του στοιχείου, στο σχήμα παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραμμα.
Η ονομασία των στοιχείων:
- A - επαφές με τις οποίες γίνεται η σύνδεση με την παροχή ρεύματος,
- B - θερμή πλευρά,
- C - ψυχρή πλευρά,
- D - χάλκινοι αγωγοί,
- E - ημιαγωγός p-διάβασης,
- F - ημιαγωγός τύπου n.
Το στοιχείο κατασκευάζεται έτσι ώστε και οι δύο επιφάνειες να έρχονται σε επαφή με επαφές p-n ή n-p, ανάλογα με την πολικότητα. Οι επαφές p-n θερμαίνονται και η θερμοκρασία n-p μειώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορά θερμοκρασίας DT στα άκρα του στοιχείου. Αυτό το φαινόμενο σημαίνει ότι η θερμική ενέργεια που κινείται μεταξύ των στοιχείων της μονάδας ρυθμίζει το καθεστώς θερμοκρασίας ανάλογα με την πολικότητα. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι αν η πολικότητα αντιστραφεί, οι θερμές και οι ψυχρές επιφάνειες αλλάζουν.
Τεχνικά χαρακτηριστικά
Οι τεχνικές παράμετροι του στοιχείου Peltier λαμβάνουν τις ακόλουθες τιμές:
- Ικανότητα ψύξης (Qmax) - υπολογίζεται με βάση το όριο ρεύματος και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των άκρων της μονάδας. Η μονάδα μέτρησης είναι τα βατ,
- όριο διαφοράς θερμοκρασίας (DTmax) - μετρούμενο σε βαθμούς, το χαρακτηριστικό αυτό δίνεται για βέλτιστες συνθήκες,
- Imax - η οριακή δύναμη του ηλεκτρικού ρεύματος που απαιτείται για την επίτευξη μεγαλύτερης διαφοράς θερμοκρασίας,
- Umax είναι η μέγιστη τάση Umax που απαιτείται για το ηλεκτρικό ρεύμα Imax ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας DTmax,
- Αντίσταση - εσωτερική αντίσταση της συσκευής, μετρούμενη σε Ω,
- Το POR είναι ο συντελεστής απόδοσης ή η απόδοση της μονάδας Peltier, ο οποίος αντικατοπτρίζει τον λόγο της ισχύος ψύξης προς την κατανάλωση ισχύος ψύξης. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της συσκευής, το ποσοστό αυτό κυμαίνεται μεταξύ 0,3 και 0,35 για τις φθηνές συσκευές, ενώ για τα ακριβότερα μοντέλα φτάνει έως και το 0,5.
Τα πλεονεκτήματα του κινητού στοιχείου Peltier είναι το μικρό του μέγεθος, η αντιστρεψιμότητα της διαδικασίας και η δυνατότητα χρήσης του ως φορητή γεννήτρια ενέργειας ή ψυγείο.
Τα μειονεκτήματα της μονάδας είναι το υψηλό κόστος, η χαμηλή απόδοση περίπου 3%, το υψηλό ενεργειακό κόστος και η ανάγκη συνεχούς διατήρησης της διαφοράς θερμοκρασίας.
Εφαρμογή
Ακόμη και αν ληφθεί υπόψη ο χαμηλός συντελεστής απόδοσης, οι πλάκες μονάδας Peltier χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές μέτρησης, υπολογιστές καθώς και σε φορητές οικιακές συσκευές. Ακολουθεί ένας κατάλογος συσκευών στις οποίες τα μοντέλα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος:
- φορητές μονάδες ψύξης,
- μικρές γεννήτριες ενέργειας,
- μονάδες ψύξης σε υπολογιστές και φορητούς υπολογιστές,
- ψύκτες για θέρμανση και ψύξη πόσιμου νερού,
- αφυγραντήρες.
Πώς να συνδεθείτε
Η μονάδα Peltier μπορεί να συνδεθεί μόνη της και είναι μια γρήγορη και εύκολη διαδικασία. Η τάση συνεχούς ρεύματος πρέπει να εφαρμόζεται στις επαφές εξόδου όπως ορίζεται στις οδηγίες λειτουργίας της μονάδας. Το κόκκινο καλώδιο συνδέεται στο συν και το μαύρο καλώδιο στο μείον. Σημειώστε ότι η αντιστροφή της πολικότητας αντιστρέφει τις θερμαινόμενες και τις ψυχόμενες επιφάνειες.
Συνιστάται να ελέγχετε τη λειτουργία του στοιχείου πριν το συνδέσετε. Ένας απλός και αξιόπιστος τρόπος δοκιμής της μονάδας είναι η μέθοδος αφής: συνδέστε τη μονάδα σε μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος και αγγίξτε τις διάφορες επαφές. Σε μια σωστά λειτουργούσα μονάδα, ορισμένες από τις επαφές θα είναι θερμές και άλλες θα είναι ψυχρές.
Μπορείτε επίσης να ελέγξετε με ένα πολύμετρο και έναν αναπτήρα. Για να το κάνετε αυτό, συνδέστε τους ανιχνευτές στις επαφές της μονάδας, κρατήστε τον αναπτήρα στη μία πλευρά και παρατηρήστε την ένδειξη του πολυμέτρου. Εάν το στοιχείο Peltier λειτουργεί σε κανονική λειτουργία, η διαδικασία θέρμανσης θα παράγει ηλεκτρικό ρεύμα στη μία πλευρά και η ένδειξη τάσης θα εμφανιστεί στην οθόνη του πολυμέτρου.
Πώς να φτιάξετε ένα στοιχείο Peltier με τα χέρια σας
Το στοιχείο Peltier δεν είναι κατάλληλο για οικιακή κατασκευή λόγω του χαμηλού του κόστους και της ανάγκης εξειδικευμένων γνώσεων για την κατασκευή ενός λειτουργικού στοιχείου. Ωστόσο, είναι δυνατόν να κατασκευάσετε μια αποτελεσματική κινητή θερμοηλεκτρική γεννήτρια με τα χέρια σας, η οποία θα σας φανεί χρήσιμη στο εξοχικό σπίτι ή σε ένα ταξίδι για κάμπινγκ.
Για να σταθεροποιήσετε την ηλεκτρική τάση, θα πρέπει να κατασκευάσετε τον δικό σας τυπικό μετατροπέα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα L6920. Πρέπει να εφαρμοστεί τάση εισόδου 0,8-5,5V και η τάση εξόδου θα είναι 5V, η οποία είναι αρκετή για να φορτίσει την μπαταρία των κινητών συσκευών σε τυπική λειτουργία. Εάν χρησιμοποιείται μια τυπική ηλεκτρονική συσκευή Peltier, τότε απαιτείται όριο επιφανειακής θερμοκρασίας 150 βαθμών. Για εύκολο έλεγχο της θερμοκρασίας, συνιστάται να χρησιμοποιείτε μια κατσαρόλα με βραστό νερό, τότε το μοντέλο δεν θα θερμανθεί πάνω από τους 100 βαθμούς.
Οι πλάκες Peltier χρησιμοποιούνται ευρέως για την ψύξη των σύγχρονων οικιακών συσκευών, στα κλιματιστικά, η αποτελεσματικότητα της συσκευής έχει αποδειχθεί ιδίως για τη σταθεροποίηση του θερμικού καθεστώτος και την ψύξη ενός ισχυρού επεξεργαστή. Τα στοιχεία Peltier χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή αποδοτικών κινητών ψυγείων για εξοχικές κατοικίες ή αυτοκίνητα ή για την τροφοδοσία ενός καλοριφέρ στο σπίτι. Λόγω της αντιστρεψιμότητας της διαδικασίας, τα αυτοσχέδια στοιχεία χρησιμοποιούνται ως κινητές μικρές μονάδες παραγωγής ενέργειας σε περιοχές χωρίς πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Σχετικά άρθρα:
