Le apparecchiature di refrigerazione e le unità di raffreddamento sono indispensabili nella vita quotidiana. Tuttavia, i design standard basati sul refrigerante alla rinfusa non sono adatti all'uso mobile, per esempio nelle borse della spesa refrigerate. In questi casi, si usano dispositivi basati sull'effetto Peltier, che discuteremo in dettaglio in questo materiale.
L'elemento Peltier o raffreddatore termoelettrico si basa su una termocoppia composta da due elementi con conducibilità di tipo p e n, che sono collegati da una piastra di commutazione in rame. Le parti sono nella maggior parte dei casi fatte di bismuto, tellurio, antimonio e selenio. Tali dispositivi sono utilizzati in sistemi di raffreddamento per applicazioni domestiche, e hanno anche la tendenza a generare energia.
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Che cos'è
Il fenomeno e il termine Peltier si riferiscono a una scoperta fatta nel 1834 dallo scienziato francese Jean-Charles Peltier. L'essenza della scoperta è che il calore viene costantemente generato o assorbito nella zona in cui due conduttori diversamente orientati sono in contatto e una corrente elettrica scorre attraverso di loro.
La teoria classica spiega il fenomeno in questo modo: gli elettroni si trasferiscono tra i metalli per mezzo della corrente elettrica, accelerata o decelerata a seconda della differenza di potenziale di contatto sui conduttori metallici con diversi livelli di conducibilità. Gli elementi di Peltier contribuiscono così alla conversione dell'energia cinetica in energia termica.
Sul secondo conduttore, si verifica l'effetto opposto, dove il rifornimento di energia è richiesto in base alla legge fondamentale della fisica. Ciò è dovuto al processo di oscillazione termica, che provoca il raffreddamento del metallo del secondo conduttore.
Un modulo Peltier con il massimo effetto termoelettrico può essere prodotto con la tecnologia moderna.
Design e principio di funzionamento
I moderni moduli Peltier sono una struttura in cui sono presenti due piastre isolanti, con termocoppie collegate in stretta sequenza tra loro. Per una migliore comprensione della funzione di questo elemento, un diagramma standard è mostrato in figura.
La designazione degli elementi:
- A - contatti con cui si effettua il collegamento all'alimentazione;
- B - lato caldo;
- C - lato freddo;
- D - conduttori di rame;
- E - semiconduttore p-junction;
- F - semiconduttore di tipo n.
L'elemento è fatto in modo che entrambe le superfici siano in contatto con giunzioni p-n o n-p, in base alla polarità. I contatti p-n vengono riscaldati e la temperatura n-p si riduce. Questo si traduce in una differenza di temperatura di DT alle estremità dell'elemento. Questo effetto significa che l'energia termica che si muove tra gli elementi del modulo regola il regime di temperatura a seconda della polarità. Bisogna anche notare che se la polarità è invertita, le superfici calde e fredde cambiano.
Caratteristiche tecniche
I parametri tecnici dell'elemento Peltier assumono i seguenti valori:
- Capacità di raffreddamento (Qmax) - calcolata sulla base del limite di corrente e della differenza di temperatura tra le estremità del modulo. L'unità di misura è il watt;
- limite differenziale di temperatura (DTmax) - misurato in gradi, questa caratteristica è data per condizioni ottimali;
- Imax - la forza limite della corrente elettrica necessaria per ottenere una maggiore differenza di temperatura;
- Umax è la tensione massima Umax richiesta dalla corrente elettrica Imax per raggiungere la massima differenza di temperatura DTmax;
- Resistenza - resistenza interna del dispositivo, misurata in ohm;
- POR è il fattore di efficienza o l'efficienza del modulo Peltier, che riflette il rapporto tra potenza di raffreddamento e consumo di potenza di raffreddamento. A seconda delle caratteristiche del dispositivo, la cifra è tra 0,3 e 0,35 per i dispositivi economici, mentre va fino a 0,5 per i modelli più costosi.
I vantaggi dell'elemento Peltier mobile sono le sue piccole dimensioni, la reversibilità del processo e la possibilità di utilizzarlo come generatore di energia portatile o come frigorifero.
Gli svantaggi del modulo sono i costi elevati, una bassa efficienza di circa il 3%, alti costi energetici e la necessità di mantenere costantemente il differenziale di temperatura.
Applicazione
Anche considerando il basso fattore di efficienza, le piastre del modulo Peltier sono ampiamente utilizzate nei dispositivi di misurazione e di calcolo e negli elettrodomestici portatili. Ecco una lista di dispositivi in cui i modelli sono parte integrante:
- unità di refrigerazione portatili;
- piccoli generatori di energia;
- unità di raffreddamento in PC e computer portatili;
- refrigeratori per il riscaldamento e il raffreddamento dell'acqua potabile;
- deumidificatori.
Come connettersi
Il modulo Peltier può essere collegato da soli e non richiede molto tempo e sforzo. La tensione continua deve essere applicata ai contatti di uscita come specificato nelle istruzioni operative dell'unità. Il filo rosso è collegato al più e il filo nero al meno. Si noti che invertendo la polarità si invertono le superfici riscaldate e raffreddate.
Si consiglia di controllare il funzionamento dell'elemento prima di collegarlo. Un modo semplice e affidabile per testare l'unità è il metodo tattile: collegare l'unità a una fonte di corrente elettrica e toccare i diversi contatti. In un'unità correttamente funzionante, alcuni dei contatti saranno caldi e altri saranno freddi.
È anche possibile controllare con un multimetro e un accendino. Per fare questo, collegare le sonde ai contatti dell'unità, tenere l'accendino da un lato e osservare la lettura del multimetro. Se l'elemento Peltier funziona in modalità standard, il processo di riscaldamento produrrà una corrente elettrica su un lato e la lettura della tensione sarà visualizzata sullo schermo del multimetro.
Come fare un elemento di Peltier con le proprie mani
L'elemento Peltier non è fattibile da fare in casa a causa del suo basso costo e la necessità di conoscenze speciali per creare un elemento funzionante. Tuttavia, è possibile costruire con le proprie mani un efficiente generatore termoelettrico mobile, che tornerà utile nella casa di campagna o in un campeggio.
Per stabilizzare la tensione elettrica, è necessario costruire il proprio convertitore standard sul circuito integrato L6920. La tensione di ingresso di 0.8-5.5V deve essere applicata e la tensione di uscita sarà di 5V, che è sufficiente per caricare la batteria dei dispositivi mobili in modalità standard. Se viene usato un dispositivo Peltier elettronico standard, allora è necessario un limite di temperatura superficiale di 150 gradi. Per facilitare il controllo della temperatura, si consiglia di utilizzare una pentola di acqua bollente, poi il modello non si riscalderà oltre i 100 gradi.
Le piastre di Peltier sono ampiamente utilizzate per il raffreddamento dei moderni elettrodomestici, nei condizionatori d'aria, l'efficacia del dispositivo è stata dimostrata in particolare per stabilizzare il regime termico e raffreddare un potente processore. Gli elementi di Peltier sono spesso usati per fare efficienti frigoriferi mobili per cottage estivi o automobili, o per alimentare un radiatore a casa. A causa della reversibilità del processo, gli elementi fatti in casa sono usati come piccole centrali elettriche mobili in aree senza una fonte di elettricità.
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