Cera dell'elemento peltier. Come creare un generatore da elementi di peltier con le tue mani

Qualsiasi oggetto può essere riscaldato. Può essere un saldatore, un bollitore elettrico, un ferro da stiro, un asciugacapelli, vari tipi di riscaldatori, ecc. Ma hai sentito che puoi raffreddare con l'aiuto di una corrente elettrica? "Ma che dire, ad esempio, di un frigorifero domestico" - dici. E sbaglierai. In un frigorifero domestico, la corrente elettrica ha solo una funzione ausiliaria: guida il freon in un cerchio.

Ma ci sono tali radioelementi che, quando viene loro applicata una corrente elettrica, generano freddo? Si scopre che ci sono ;-). Nel 1834, il fisico francese Jean Peltier scoprì l'assorbimento del calore facendo passare una corrente elettrica attraverso il contatto di due conduttori dissimili. O, in altre parole, in questo posto c'era una temperatura bassa... Bene, come dovrebbe essere in fisica, per non trovare un nuovo nome per questo effetto, prende il nome da colui che lo ha scoperto. Hai scoperto qualcosa di nuovo? Essere responsabile del bazar)). Da allora questo effetto è stato chiamato Effetto Peltier.

Ebbene, stranamente anche l'elemento che produce freddo si chiama Elemento Peltier- questo è convertitore termoelettrico, il cui principio si basa sull'effetto Peltier: la comparsa di una differenza di temperatura quando scorre una corrente elettrica. Nella letteratura in lingua inglese, gli elementi di Peltier sono indicati TEC(dall'inglese. T hermo E lectric C più - refrigeratore termoelettrico).

Elemento di Peltier (pratica)

Può sembrare diverso, ma la sua forma principale è una piattaforma rettangolare o quadrata con due cavi. Contrassegnato immediatamente il lato "A" e il lato "B" per ulteriori esperimenti

Perché ho segnato i lati?

Pensi che se applichiamo stupidamente tensione a questo elemento, si raffredderà completamente con noi? Non voglio deludervi, ma non è così... Ancora una volta, leggiamo attentamente la definizione dell'elemento Peltier. Vedi la frase "differenza di temperatura" lì? Questo è tutto. Ciò significa che alcuni lati di noi si riscalderanno e altri si raffredderanno. Non c'è niente di perfetto nel nostro mondo.

Per determinare la temperatura di ciascun lato dell'elemento Peltier, userò quello fornito con la termocoppia

Ora mostra la temperatura ambiente. Sì, ho caldo ;-).

Per determinare quale lato dell'elemento Peltier si riscalda e quale lato si raffredda, per questo attacciamo il cavo rosso al più, quello nero al meno e applichiamo un po' di tensione, due o tre volt. Ho scoperto che il mio lato "A" si sta raffreddando e il lato "B" si sta riscaldando, sentendoli con la mano. Se mescoli la polarità, non accadrà nulla di male. È solo che il lato A si scalderà e il lato B si raffredderà, cioè cambieranno i ruoli.

Quindi, la tensione nominale (normale) per il funzionamento dell'elemento Peltier è di 12 Volt. Dato che ho collegato un più al rosso e un meno al nero, il mio lato B si sta riscaldando. Misuriamo la sua temperatura. Applichiamo una tensione di 12 Volt e osserviamo le letture del multimetro:

77 gradi Celsius non sono uno scherzo. Questo lato è così caldo che quando lo tocchi, ti brucia le dita.

Pertanto, la caratteristica principale dell'utilizzo dell'elemento Peltier nei propri dispositivi elettronici è grande radiatore... È auspicabile che il radiatore venga soffiato da una ventola. Finora ho preso il radiatore dall'amplificatore, che è stato dato in riparazione. Ho spalmato la pasta termica KPT-8 e ho attaccato l'elemento Peltier al radiatore.

Forniamo 12 Volt e misuriamo la temperatura del lato A:

7 gradi Celsius). Quando lo tocchi, le tue dita si bloccano.

Ma c'è anche l'effetto opposto, in cui puoi generare elettricità usando l'elemento Peltier, se un lato è raffreddato e l'altro è riscaldato. Un esempio molto illustrativo è una torcia elettrica a mano.

Potere dell'elemento Peltier

L'elemento Peltier stesso è considerato molto energivoro. La regolazione della temperatura dei suoi lati è ottenuta dalla tensione. Maggiore è la tensione, maggiore è la corrente che consuma. E più corrente consuma, più velocemente aumenta la temperatura. Pertanto, è possibile regolare il freddo modificando stupidamente il valore della tensione).

Ecco alcuni valori per il consumo di corrente elettrica dell'elemento Peltier:

Con una tensione di 1 volt, consuma 0,3 ampere. Non male)

Aumento la tensione a 3 volt

Mangia quasi 1 Ampere.

Aumento a 5 volt

Poco più di un ampere e mezzo.

Do 12 Volt, cioè la sua tensione di esercizio:

Mangia quasi 4 Ampere! Rapina).

Calcoliamo approssimativamente la sua potenza. 4x12 = 48 watt. È anche più della lampadina da 40 watt che appendi nell'armadio.) Se l'elemento Peltier è così goloso, è consigliabile ricavarne frigoriferi domestici e celle frigorifere? Ovviamente no! Un tale frigorifero mangerà almeno 10 Kilowatt! Ma c'è un piccolo vantaggio: sarà assolutamente silenzioso :-). Ma se non c'è possibilità, i frigoriferi sono realizzati anche con elementi Peltier. Questi sono principalmente mini frigoriferi per auto. Inoltre, alcuni usano l'elemento Peltier per raffreddare il processore su un PC. Risulta molto efficiente, ma in termini di consumo energetico è meglio installare un buon vecchio ventilatore.

Dove posso comprare

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Nel 1834, il fisico francese Jean Charles Peltier, studiando l'effetto dell'elettricità sui conduttori, scoprì un effetto molto interessante. Se la corrente viene fatta passare attraverso due conduttori dissimili situati l'uno vicino all'altro, uno di questi conduttori inizia a diventare molto caldo e l'altro, al contrario, diventa molto freddo. La quantità di calore generata e assorbita dipende direttamente dall'intensità e dalla direzione della corrente elettrica. Se cambi la direzione della corrente, cambieranno i lati freddo e caldo. Un po 'più tardi, questo fenomeno fu chiamato effetto Peltier e fu dimenticato in modo sicuro a causa della sua pratica mancanza di domanda in quel momento.

E solo dopo più di cento anni, con il periodo di massimo splendore dell'era dei semiconduttori, c'è un urgente bisogno di refrigeratori compatti, economici ed efficienti. Così, negli anni '60 del XX secolo, apparvero i primi moduli termoelettrici a semiconduttore, che furono chiamati elementi di Peltier.

Qualsiasi modulo termoelettrico si basa sul fatto che diversi conduttori hanno diversi livelli di energia degli elettroni. In altre parole, un conduttore può essere pensato come una regione ad alta energia, il secondo conduttore come una regione a bassa energia. Quando due materiali conduttivi entrano in contatto, mentre una corrente elettrica li attraversa, un elettrone deve spostarsi da una regione a bassa energia a una regione ad alta energia.

Ciò non accadrà se l'elettrone non acquisisce la quantità di energia richiesta. Al momento dell'assorbimento di questa energia da parte dell'elettrone, avviene il raffreddamento del punto di contatto dei due conduttori. Se si cambia la direzione del flusso di corrente, al contrario, si avrà un effetto di riscaldamento del punto di contatto.

È possibile utilizzare qualsiasi conduttore, ma questo effetto diventa fisicamente evidente e significativo solo nel caso di utilizzo di semiconduttori. Ad esempio, quando i metalli sono in contatto, l'effetto Peltier è così insignificante che è praticamente invisibile sullo sfondo del riscaldamento ohmico.

Un modulo termoelettrico (TEM), indipendentemente dalle sue dimensioni e dal luogo di applicazione, è costituito da un diverso numero di cosiddette termocoppie. Una termocoppia è il mattone stesso da cui è costruito qualsiasi TEM. È costituito da due semiconduttori con diversi tipi di conduttività. Come sai, ci sono due tipi di conduttività p e n. Di conseguenza, ci sono due tipi di semiconduttori. Questi due elementi dissimili sono collegati in una termocoppia mediante un ponte di rame. Come semiconduttori vengono utilizzati sali di metalli come bismuto, tellurio, selenio o antimonio.

TEM è un insieme di termocoppie simili collegate in serie tra loro. Tutte le termocoppie sono inserite tra due piastre in ceramica. Piatto Peltier. Le piastre sono in nitruro o ossido di alluminio. Il numero effettivo di termocoppie in un elemento può variare in una gamma molto ampia, da pochi pezzi a diverse centinaia o migliaia.

In altre parole, gli elementi Peltier possono essere di qualsiasi potenza, da centesimi a diverse centinaia o migliaia di watt. La corrente continua passa in sequenza attraverso tutte le termocoppie e, di conseguenza, la piastra in ceramica superiore viene raffreddata e quella inferiore, al contrario, si riscalda. Se cambi la direzione della corrente, le piastre cambieranno posizione, quella superiore inizierà a riscaldarsi e quella inferiore si raffredderà.

C'è una caratteristica nel funzionamento dell'elemento, che viene attivamente utilizzata per migliorare l'efficienza di raffreddamento di questo dispositivo. Come è noto, quando una corrente viene fatta passare attraverso un elemento di Peltier, si crea una differenza di temperatura tra la superficie che si riscalda e la superficie che si raffredda. Quindi, se la superficie che viene riscaldata attivamente è soggetta a raffreddamento forzato. Ad esempio, utilizzando uno speciale dispositivo di raffreddamento, ciò porterà a un raffreddamento ancora più forte della superficie, ovvero quella che viene raffreddata. In questo caso, la differenza di temperatura con l'aria ambiente può raggiungere diverse decine di gradi.

Vantaggi e svantaggi

Come ogni dispositivo tecnico, un modulo termoelettrico ci sono vantaggi e svantaggi:

Il problema di aumentare l'efficienza dei TEM poggia su un puzzle tecnico insolubile. Gli elettroni liberi hanno, infatti, una doppia natura, che si manifesta nella pratica, e sono contemporaneamente portatori sia di corrente elettrica che di energia termica. Di conseguenza, un elemento Peltier ad alte prestazioni deve essere realizzato con un materiale che possieda contemporaneamente due proprietà che si escludono a vicenda. Questo materiale deve condurre bene la corrente elettrica e condurre male il calore. Finora, tale materiale non esiste in natura, ma gli scienziati stanno lavorando attivamente in questa direzione.

Tutti i moduli termoelettrici hanno le opportune caratteristiche tecniche:

Applicazione dei TEM

Nonostante un grave inconveniente inerente a tutti gli elementi Peltier senza eccezioni, ovvero un'efficienza molto bassa, questi dispositivi hanno trovato un'applicazione abbastanza ampia sia nella scienza e nella tecnologia, sia nella vita di tutti i giorni.

I moduli termoelettrici sono importanti elementi strutturali di dispositivi quali:

Elemento Peltier nelle mani di un artigiano domestico

È necessario effettuare subito una prenotazione, la produzione indipendente di un elemento termoelettrico è almeno priva di significato e non necessaria per nessuno. A meno che il produttore non sia uno studente di seconda media e quindi rafforzi le conoscenze acquisite nelle lezioni di fisica.

Molto più facile da acquistare nuovo elemento termoelettrico nel rispettivo negozio. Fortunatamente, sono poco costosi e non manca la scelta di un modello specifico. E oltre al fatto che non c'è nulla da rompere o consumare in essi, qualsiasi termoelemento rimosso da un vecchio computer o condizionatore d'aria per auto non differirà nelle sue caratteristiche tecniche da uno nuovo.

Il modello di termoelemento più popolare è TEC1-12706. Le dimensioni di questo dispositivo sono 40 per 40 millimetri. È composto da 127 termocoppie collegate in serie tra loro. Progettato per una corrente di 5 A, con una tensione del circuito di 12 V. Un tale elemento costa in media da 200 a 300 rubli. Ma puoi trovarlo per cento o, in generale, per così, se rimosso da un vecchio computer o da qualche altro dispositivo non necessario.

Usando un tale elemento, puoi realizzare almeno due dispositivi molto interessanti e utili in casa.

Come fare un frigorifero con le tue mani

La produzione di frigoriferi portatili, in particolare per macchine, è interamente basata sull'effetto Peltier. Per realizzare un dispositivo del genere a casa, è necessario:

• Termocoppia marca TEC1-12706. Costa 200 rubli nel negozio più vicino (specializzato).
• Radiatore e ventola. Vengono rimossi dal loro vecchio computer.
• Contenitore. Qualsiasi contenitore non necessario in plastica, metallo o legno. All'esterno e all'interno, tale contenitore viene incollato con piastre a risparmio di calore in polistirene o polistirene espanso.

Il modulo termoelettrico è integrato nel coperchio del contenitore. In questo caso, il flusso di freddo avverrà dall'alto verso il basso, il che porterà a un raffreddamento uniforme del contenitore. Dall'interno del contenitore, un radiatore è fissato al suo coperchio mediante pasta termica e bulloni di fissaggio.

Per aumentare la potenza del futuro dispositivo di refrigerazione, è possibile aumentare il numero di termoelementi, fino a due o tre o più. In questo caso i moduli vengono incollati tra loro, rispettando la polarità. In altre parole, il lato caldo dell'elemento sottostante va a contatto con il lato freddo di quello a monte.

All'esterno, un altro radiatore è attaccato al coperchio insieme a un dispositivo di raffreddamento del computer. Nel luogo in cui vengono fissati i radiatori, deve esserci un buon isolamento termico tra i lati freddo - interno e caldo - esterno. È necessario serrare con molta attenzione i radiatori superiore e inferiore con i bulloni di fissaggio in modo che le piastre in ceramica e i termoelementi situati tra di loro non si rompano.

L'elettricità è collegata utilizzando un alimentatore che può essere preso da un vecchio computer.

Generatore termoelettrico portatile

Una tale mini centrale elettrica può aiutare molto un turista o un cacciatore quando le batterie di tutti i gadget elettronici si esauriscono nella foresta. È molto romantico in questa situazione prendere alcune patatine e coni secchi, accendere un piccolo fuoco e usarlo per caricare le batterie scariche e allo stesso tempo preparare un pasto. Questo è esattamente ciò che permette di fare un termogeneratore portatile costruito su un termoelemento.

Per costruire questo meraviglioso dispositivo, hai bisogno di un fornello da campeggio portatile che funzioni con qualsiasi tipo di combustibile. In casi estremi, andrà bene anche una piccola candela o una tavoletta di alcol secco.

Viene acceso un fuoco nella stufa e un modulo termoelettrico è attaccato all'esterno con l'aiuto della pasta termica. È collegato tramite fili a un convertitore di tensione.

La quantità di corrente ottenuta dipenderà direttamente dalla differenza di temperatura tra i lati freddo e caldo del termoelemento. Per un funzionamento efficiente è necessaria una differenza tra superfici fredde e calde di almeno 100 gradi.

In questo caso, va inteso che la temperatura massima è limitata dal punto di fusione della saldatura utilizzata per fabbricare il modulo stesso. Pertanto, per tali dispositivi vengono utilizzati moduli termici speciali, realizzati utilizzando una speciale saldatura refrattaria. Nei moduli convenzionali, il punto di fusione della saldatura è di 150 gradi. Nei moduli refrattari, la saldatura inizia a fondere a una temperatura di 300 gradi.

Bene, tutti i grafici sono disegnati, tutte le tabelle sono riempite, ora puoi anche sognare. In generale, se stimi il consumo energetico in un'escursione al massimo, ottieni quanto segue:
Navigatore GPS - 0,3 W x 10 h = 3 W * h al giorno;
fotocamera (Canon DSLR) - batteria 8 W * h per 4 giorni = 2 W * h al giorno;
videocamera (videoregistratore per catturare momenti interessanti del viaggio, circa 1 ora di video al giorno) - 1,6 W * h al giorno;
telefono cellulare - circa 0,2 W * h al giorno;
Torcia a LED per l'illuminazione serale del parcheggio - 2 W*h al giorno.
Totale che otteniamo: 3 + 2 + 1,6 + 0,2 + 2 = 8,8 W * h al giorno. Tenendo conto delle perdite durante la ricarica delle batterie di questi dispositivi e delle spese impreviste, è possibile arrotondare facilmente questa cifra a 10 W * h al giorno, che è approssimativamente uguale a tre batterie AA NiMH (3,2 W * h ciascuna). Supponiamo che sia questa quantità di elettricità che ti consente di viaggiare comodamente lungo il percorso precedentemente pianificato senza limitare i tuoi impulsi creativi. Questo calcolo è più o meno vero per una singola sortita o un gruppo di due. Se ci sono più persone, viene aggiunto un ulteriore consumatore per tutti, che si tratti di un telefono cellulare o di un'altra fotocamera. Penso che per ogni partecipante "extra", puoi tranquillamente aggiungere 1 W * h, cioè per un gruppo di 6 persone, un livello confortevole di consumo energetico sarà di 14 W * h o circa 4,5 batterie AA. Supponiamo che l'escursione duri 10 giorni, quindi un gruppo di 2 persone avrà bisogno di 100 W * h di energia, si tratta di 31 batterie NiMH con una massa totale di 31 x 31,5 = 976,5 g, ovvero quasi 1 kg di batterie. Se prendi batterie alcaline, le migliori danno 2,2 W * h e sono necessarie 45 di esse. Non conosco il loro peso, ma anche se sono 25 g ciascuno, in totale si guadagna più di un chilogrammo. Per un gruppo di 6 persone, la quantità totale di elettricità è di 140 W * h, ovvero quasi 44 batterie del peso di 1386 g o 64 batterie di peso ancora maggiore. Se porti con te le batterie LiPo, che vengono utilizzate dai modellisti, allora per due persone sarà una batteria con una massa di 100 W * h ÷ 160 W * h / kg = 0,625 kg o 625 g Per un gruppo di 6 persone, la massa di una batteria LiPo sarà di 875 g ...
Ora stimiamo come stanno le cose con il termogeneratore. Supponiamo di avere un modulo (o moduli) TES1-12709, riscaldarlo non più di 150 ° C, raffreddarlo in un flusso con una temperatura di 15 ° C, cioè sul lato freddo sarà di 20 ° C, il la differenza di temperatura è 150 - 20 = 130 ° C. Per un tale valore della differenza di temperatura, non ho un indicatore di efficienza, devo contare. Prendiamo due valori massimi sul grafico dell'efficienza rispetto alla corrente per TEC1-12709, ad esempio 13,6 mW / ° per una differenza di temperatura media di 71 ° С e 15,7 mW / ° С per 87 ° e calcoliamo in base a quanto valore l'efficienza aumenta con un aumento della differenza di temperatura di 87 - 71 = 16 ° C. Risulta essere 2,1 mW / ° С. E ulteriormente in proporzione: se un aumento della differenza di 16 ° C ha portato ad un aumento dell'efficienza di 2,1 mW / ° C, un aumento della differenza di 130 - 87 = 43 ° C porterà ad un aumento dell'efficienza di (43 x 2,1) ÷ 16 = 5,6 mW/°C. Ciò significa che l'efficienza con una differenza di temperatura di 130 ° С sarà pari a 15,7 + 5,6 = 21,3 mW / ° С. Di conseguenza, otteniamo 21,3 x 130 = 2769 mW o 2,8 W. Questo valore è abbastanza vicino alla realtà, a giudicare dal fatto che in alcuni esperimenti video, due moduli hanno prodotto 4 ... 6 watt. Per ottenere 10 W * h di energia con l'aiuto di un modulo, è necessario che il generatore funzioni per 10 ÷ 2,8 = 3,57 ore e per 14 W * h - 5 ore. Cioè, se usi un termogeneratore composto da 2 elementi Peltier, la generazione di elettricità, anche per un gruppo numeroso, non richiede molto tempo.
L'unico grosso problema con la generazione di elettricità durante un'escursione con questo metodo è la dissipazione del calore sul lato freddo. Il migliore e il più ottimale è il raffreddamento ad acqua, poiché l'acqua ha una grande capacità termica. A questo proposito i turisti dell'acqua sono più fortunati dei ciclisti: il loro modo di muoversi è legato proprio all'acqua, e se si pensa al design del generatore (è molto strano perché non sia stato ancora pensato e non implementato in ambito industriale volumi), quindi possono generare elettricità durante la guida. Il generatore è parzialmente immerso nell'acqua, parzialmente galleggia in superficie. Il combustibile viene caricato nella fornace man mano che viene consumato; dall'esterno, tutto viene raffreddato con acqua. Il carburante viene raccolto e preparato a una sosta.
Se non vuoi preoccuparti di raccogliere legna da ardere e pigne, puoi pensare al design di un forno a gas. Vale la pena contare un po' qui. Quindi, abbiamo:
bombola di gas liquefatto per bruciatori a gas con combustibile del peso di 450 g;
composizione: isobutano - 72%, propano - 22%, butano - 6%, in termini di peso è rispettivamente di 324 g, 99 ge 27 g;
i calori di combustione per questi gas sono, rispettivamente, 49,22 MJ/kg, 48,34 MJ/kg e 49,34 MJ/kg.
Dopo aver moltiplicato e sommato, abbiamo 22,07 MJ in una bottiglia di gas liquefatto. Prendiamo l'efficienza del nostro generatore pari all'1%, quindi otteniamo 220 kJ come elettricità, che è 61,3 W * h. Con cosa puoi confrontare? Bene, ad esempio, con 19 batterie NiMH AA. Non molto e abbastanza costoso, il gas non è economico.
Poiché il gas è costoso, puoi pensare a qualcosa che utilizza combustibili liquidi come la benzina. Ho rovistato un po' su Internet alla ricerca di un catalizzatore economico per bruciatori catalitici, ma a parte l'ossido di cromo (VI), ottenuto dal bicromato di ammonio, non ho trovato nulla. Sì, e non tutto è così liscio con lui, ma se lo desideri, attraverso un certo numero di esperimenti, puoi ottenere risultati positivi stabili qui. I cuscinetti riscaldanti catalitici di fabbricazione cinese molto probabilmente utilizzano elementi del gruppo del platino in tracce. Sarebbe un catalizzatore come in questo termoforo, ma più grande per gli elementi Peltier. Il risultato sarebbe un generatore compatto e leggero. Il calore di combustione della benzina è 44,5 MJ/kg, la densità è 0,74 kg/l, da un litro di benzina abbiamo 33 MJ di energia, all'1% di efficienza questo è 330 kJ o 91,6 W*h di elettricità (28 AA batterie). Un'opzione più economica, ma raccogli e raccogli comunque ciò che è disponibile in natura gratuito il carburante è naturalmente più redditizio e non ha una caratteristica molto spiacevole inerente a quelle azioni che vengono acquistate nel negozio: non si esaurisce nel momento più inopportuno.

Una termocoppia è chiamata elemento Peltier, in altre parole, un dispositivo che cambia la temperatura e funziona secondo l'omonimo principio di Peltier, ovvero dimostrando la differenza di temperatura che si verifica dal momento in cui viene fornita l'elettricità. Nelle fonti in lingua inglese appare come un refrigeratore termoelettrico. L'opposto di questo effetto è chiamato effetto Seebeck.

Come funziona il dispositivo

L'elemento di Peltier funziona a causa dell'interazione di un materiale conduttivo con un altro, diverso nel livello di energia degli elettroni nella regione conduttiva. Il passaggio attraverso un tale canale di comunicazione conferisce all'elettrone una grande riserva di energia, che gli consente quindi di spostarsi in una regione conduttiva con un livello di energia più elevato. L'assorbimento di questa energia porta ad una diminuzione della temperatura nel punto di connessione dei conduttori. Quando si verifica il movimento inverso della corrente, il contatto si riscalda, il che si esprime sotto forma di un effetto termico standard.

A condizione che da un lato sia collegato un dissipatore di calore, al momento del funzionamento del sistema di radiatori, l'altro lato fornisce un forte raffreddamento (fino a decine di gradi al di sotto del livello di temperatura ambiente). Si osserva una relazione diretta tra l'entità della corrente e il grado di raffreddamento. Quando si inverte la polarità, si invertono anche le posizioni dei lati riscaldamento e raffreddamento.

Quando l'elemento Peltier interagisce con parti in metallo, l'effetto che esercita si riduce molte volte e il contrasto di temperatura diventa appena percettibile sotto l'influenza di vari fenomeni associati alla conducibilità termica del circuito. Per questo motivo, l'applicazione pratica prevede l'uso di due semiconduttori contemporaneamente.

È possibile combinare termocoppie in qualsiasi quantità entro un centinaio, il che consente di creare un elemento Peltier di qualsiasi capacità frigorifera.

Modulo termoelettrico

L'effetto Peltier può essere osservato particolarmente chiaramente quando si utilizzano semiconduttori p e n. In accordo con la direzione della corrente elettrica, quando passa attraverso le giunzioni p-n, l'energia viene assorbita o rilasciata.

È questo design che viene utilizzato in TEM (modulo termoelettrico). Un elemento unitario di un modulo termoelettrico è uno il cui design è una combinazione di p e n conduttori. Se diversi elementi simili sono collegati in serie, l'assorbimento di calore avverrà al contatto n-p e il rilascio al contatto p-n. Di conseguenza, si verifica la situazione precedentemente descritta con la differenza di temperatura. Secondo il principio generalmente accettato, il lato caldo è il lato a cui sono collegati i fili e nello schema si trova sempre in basso.

Fig. 1: Modulo Peltier termoelettrico

In TEM, le termocoppie sono fissate tra una coppia di piastre in ceramica. Ciascuno dei rami è saldato a piazzole conduttive di rame (sbarre), che a loro volta sono legate a un materiale termoconduttore come l'ossido di alluminio.

Il livello della tensione di esercizio del modulo deve essere determinato in base al numero di componenti. L'opzione più comune sono i design modulari a 127 coppie con il livello di tensione più alto di 16 volt. Ma per il loro lavoro, di solito è sufficiente il 75% di questo valore. Inoltre, è questa figura la più adatta, poiché soddisfa i requisiti per le condizioni di lavoro ed è abbastanza economica. Quando la tensione aumenta, la potenza difficilmente aumenterà, ma il consumo di energia aumenterà in modo significativo.

Applicazione in pratica

Oggi, l'uso dell'elemento Pelte è particolarmente importante nei dispositivi dei seguenti tipi:

• Frigoriferi;
• Condizionatori;
• Raffreddatori per auto;
• Refrigeratori d'acqua;
• Schede video per personal computer.

In generale, si può dire che l'elemento Peltier è diventato parte integrante di una varietà di sistemi di refrigerazione e condizionamento. L'utilizzo di questo dispositivo è un ottimo approccio per risolvere il problema del surriscaldamento delle apparecchiature. Al giorno d'oggi, l'elemento Peltier può essere utilizzato anche per il raffreddamento di sistemi acustici e sonori, poiché il suo funzionamento è completamente silenzioso ed è ideale per tali scopi.

Ci sono diverse qualità dell'elemento Peltier che sono molto richieste:

• Forniscono una dissipazione del calore abbastanza potente;
• Hanno una dimensione molto modesta, che consente loro di essere utilizzati in quasi tutti i dispositivi;
• Capace di mantenere a lungo lo stesso regime di temperatura (grazie ai radiatori);
• Si contraddistinguono per una discreta durata nel tempo, in quanto sono completati da una serie di componenti monopezzo non removibili.

Il componente più semplice di un elemento sembra una coppia di conduttori di rame a cui sono collegati i contatti, collegando i fili dotati di un elemento isolante (per la sua fabbricazione vengono utilizzati acciaio inossidabile o ceramica).

Come creare da soli un elemento Peltier

La semplicità del design di questo dispositivo favorisce la realizzazione da soli. Inoltre, l'ambito della sua applicazione pratica è praticamente illimitato: frigoriferi, condizionatori d'aria e altre apparecchiature.

Dovresti prima preparare un paio di piastre metalliche e avrai anche bisogno di cablaggio con contatti. Prima di tutto, fai scorta di conduttori che verranno installati vicino alla base del dispositivo. I conduttori in PP sono i più adatti per questi scopi.

Inoltre, non dimenticare che i semiconduttori devono essere installati all'uscita, che forniranno calore alla piastra superiore. Per montare l'elemento è necessario un saldatore. Nella fase finale, dovrai collegare un paio di fili. Uno è localizzato vicino alla base ed è fissato saldamente vicino al conduttore esterno. È importante che non ci siano contatti con la piastra.

Il punto di attacco del secondo conduttore si trova vicino alla parte superiore ed è fissato allo stesso modo - sul conduttore più esterno.

Per verificare le prestazioni dell'articolo, sarà necessario utilizzare un tester. Il dispositivo viene collegato ai fili e viene misurata la tensione. La deviazione standard della tensione è di circa 23 volt.

La potenza dell'elemento Pelte è direttamente proporzionale alle sue dimensioni, questo dovrebbe essere preso in considerazione durante l'autoassemblaggio o l'installazione. L'installazione di un elemento insufficientemente potente non impedirà il guasto dell'attrezzatura, ma lo ritarderà solo. Allo stesso tempo, l'eccesso di potenza fa scendere il livello di temperatura a un livello critico, quando l'umidità nell'aria può iniziare a condensarsi e depositarsi sulla superficie dei dispositivi, il che è particolarmente pericoloso per i dispositivi elettronici.

Inoltre, l'altro lato del modulo è una fonte di molto calore, quindi è necessaria una ventola abbastanza grande per garantire il suo funzionamento sicuro.

Come realizzare un generatore basato su un elemento Peltier?

I generatori basati sull'elemento Peltier sono di particolare interesse per le persone che, a causa di un periodo di isolamento abbastanza lungo dalla civiltà, hanno bisogno di una fonte di energia semplice ed economica. Sono anche ampiamente utilizzati per il surriscaldamento critico di parti di personal computer.

Fig. 2: Generatore basato sull'elemento Peltier.

Gli elementi Peltier hanno un principio di funzionamento piuttosto interessante, ma oltre a questo hanno una caratteristica curiosa: se viene loro applicata una differenza di temperatura, producono elettricità. Una delle opzioni del generatore basate su questo dispositivo presuppone il seguente design:

Il vapore si muove attraverso due tubi (uno per l'ingresso e uno per l'uscita), che viene convogliato nella cavità dello scambiatore di calore, costituita da una piastra (materiale: alluminio) avente uno spessore di 1 cm.

Ciascun foro nello scambiatore di calore è collegato a un canale. Le dimensioni dello scambiatore di calore duplicano esattamente le dimensioni degli elementi Peltier. I due elementi sono fissati su entrambi i lati dello scambiatore di calore con quattro viti (2 per lato). Di conseguenza, grazie ai fori e ai canali dello scambiatore di calore, si forma un sistema completo di sezioni comunicanti attraverso le quali passa il vapore. Andando avanti, il vapore entra nella camera attraverso un tubo ed esce dall'altro, passando alla camera successiva. Il calore trasmesso dal vapore viene ceduto agli elementi Peltier quando il vapore è a diretto contatto con la loro superficie, oltre che con il materiale dello scambiatore di calore.

Per premere strettamente gli elementi sul corpo dello scambiatore di calore, nonché per organizzare la rimozione di energia termica sul lato "freddo", vengono utilizzate lastre di alluminio di 0,5 cm di spessore. Nell'ultima fase, l'intera struttura è sigillata con sigillanti siliconici.

Successivamente, il vapore viene fatto passare attraverso i tubi e la struttura viene immersa in acqua fredda. L'intero sistema inizia a funzionare. Verrà generata corrente elettrica fino a ridurre al minimo la differenza tra la temperatura dei lati "caldo" e "freddo".

C'è anche un metodo più elementare.

L'elemento Peltier con i cavi collegati al cavo telefonico di ricarica è fissato al radiatore in alluminio (che andrà a contatto con il lato "freddo") con l'aiuto di un sigillante. Qualsiasi oggetto caldo, come una tazza di tè caldo, viene posizionato sopra il dispositivo. Dopo un paio di secondi, il telefono può essere caricato. La carica continuerà finché il tè non si sarà raffreddato.

Scrivi commenti, integrazioni all'articolo, forse mi sono perso qualcosa. Dai un'occhiata, sarò felice se trovi qualcos'altro di utile sul mio.

I moduli termoelettrici standard hanno un principio di funzionamento inverso. In questo articolo parleremo dell'uso dei moduli Peltier-Seebeck nei dispositivi di scambio termico e forniremo un esempio di assemblaggio di un refrigeratore d'acqua e un sistema di raffreddamento di base per l'aria con possibilità di riavvio (riscaldamento).

Il principio di funzionamento dei moduli termoelettrici (TEM) utilizzati per il raffreddamento si basa sull'effetto Seebeck, il processo opposto all'effetto Peltier. L'elemento principale è lo stesso TEM descritto nella prima parte. Quando viene applicata corrente continua al campo delle termocoppie, si osserva una differenza di temperatura sui piani della piastra in ceramica. Questo è un fatto basato su un processo termodinamico, che non descriveremo (per non stancarci di calcoli scientifici), ma mostreremo come applicarlo nella vita di tutti i giorni.

Nota. Per costruire le unità, le cui istruzioni sono fornite di seguito, sono necessarie competenze pratiche di base nell'assemblaggio di circuiti elettrici. I modelli di nodi forniti sono approssimativi e possono essere sostituiti da simili (o più/meno potenti) a discrezione del master.

Come fare il tuo refrigeratore d'acqua?

Il lettore più attento ha già capito che il "secchio miracoloso" della prima parte può essere utilizzato per raffreddare il liquido, se lo si esegue "nella direzione opposta" collegando una corrente continua.

I TEM sono utilizzati in ogni refrigeratore d'acqua. È del tutto possibile costruire un analogo di questo dispositivo di fabbrica con le tue mani, mentre non funzionerà peggio. Descriveremo il principio stesso di funzionamento e lo schema di assemblaggio. Le opzioni di layout ed esecuzione possono essere selezionate in base alle proprie esigenze. Ad esempio, rendilo portatile o fisso, integrato nei mobili della cucina o in un sistema di trattamento dell'acqua potabile. Quest'ultima opzione è ottimale, poiché il raffreddamento nel sistema sarà controllato (all'alimentazione).

Per questo abbiamo bisogno di:

1. Contenitore rettangolare piatto ermetico in acciaio inox di dimensioni 100x100x30 (boccetta scambiatore di calore) con uscite filettate da 1/2" sui lati corti. Questo è l'unico elemento, la cui fabbricazione è meglio ordinata da un artigiano in fabbrica.
2. Alimentazione acqua potabile con raccordo da ½” (da cisterna o rete idrica).
3. Alimentatore per 10-12 volt con regolazione di corrente.
4. Moduli termoelettrici TEC1-12705 (40x40) - 2 pz.
5. Fili con una sezione trasversale di 0,2 mm.
6. Colla a caldo o pasta termica.
7. Chiave per 2 canali (interruttore a levetta, pulsante).
8. Rubinetto, saldatore, saldatura.

Usando la colla a caldo, fissiamo il TEM sul pallone. Colleghiamo i fili nei gruppi appropriati (più e meno). Determiniamo una posizione comoda per la chiave, tenendo conto della possibilità di sostituzione durante la riparazione e dell'accessibilità durante l'uso. Lo includiamo nel diagramma. Colleghiamo i fili all'alimentazione. Eseguiamo test di circuito.

Attenzione! Durante il test, limitarsi a osservare il fatto stesso del corretto funzionamento, ma non cercare di dare il carico massimo a secco: questo può portare al guasto del TEM (non può essere riparato).

Quindi colleghiamo il raccordo di ingresso del pallone dello scambiatore di calore con il canale di alimentazione dell'acqua e l'uscita con il tubo (flessibile o rigido) al rubinetto.

Riempiamo il sistema con acqua e impostiamo l'amperaggio ottimale alla pressione del getto richiesta. La testa ottimale è leggermente più forte della gravità. Questo sarà sufficiente per l'assunzione di acqua potabile fresca. Il resto delle sfumature - elementi di fissaggio, lunghezza del filo, posizione - sono puramente individuali in ogni caso.

Questo sistema di base può essere sviluppato e migliorato. Ad esempio, installa un termostato nello scambiatore di calore e includilo nel circuito invece di una chiave (interruttore a levetta) - è adatto dove è costantemente necessaria acqua di una certa temperatura. Il pallone dello scambiatore di calore può essere realizzato in argento per un'ulteriore ionizzazione dell'acqua. Includendo un convertitore step-up di tensione costante EK-1674 nel sistema, è possibile ridurre al minimo il consumo di energia.

Calcolo dei costi di costruzione di un refrigeratore:

In questo sistema, un radiatore alettato non è coinvolto, poiché l'obiettivo prefissato - raffreddare (ma non congelare) un piccolo volume d'acqua (300 ml) - viene raggiunto senza di esso.

Come realizzare da soli un minifrigo, un refrigeratore o un condizionatore su moduli termoelettrici

Raffreddare l'aria è un compito più difficile. Se nel caso dell'acqua l'efficienza del refrigeratore è garantita dalla differenza di densità del mezzo (acqua - aria), allora nel caso di un mezzo omogeneo (aria - aria) la situazione è più complicata. La principale difficoltà è la rimozione della temperatura dal lato caldo della superficie TEM. Più precisamente - rimozione sincrona della temperatura da entrambe le superfici. Se si avvia semplicemente l'elemento Peltier-Seebeck, l'aria riscaldata e quella raffreddata si mescoleranno e la temperatura si equalizzerà.

In spazi ristretti con un volume ridotto (fino a 0,7 m 3), è abbastanza applicabile un sistema di raffreddamento basato su un TEM con uscita dell'aria a doppia faccia. Ciò consente di costruire un nuovo frigorifero o di dare una seconda vita a un vecchio frigorifero (congelatore). Per fare ciò, dovrai complicare un po' il sistema includendo una coppia di aspiratori di potenza reciproca, un relè di temperatura, un radiatore alettato e utilizzare moduli termoelettrici più efficienti.

Abbiamo bisogno (per un punto di raffreddamento di base):

1. TEM TES1-12712 (40X40), 106 watt - 1 pz.
2. Ventola RQA 12025HSL 110VAC (o più potente) - 2 pz.
3. Radiatore HS 036-100 (100x85x25 mm).
4. Termostato TAM-133-1m (interruttore di temperatura con sensore).
5. Alimentazione DC 12 volt, 6 ampere (regolabile).
6. Lastra in duralluminio.
7. Fili, grasso termico, elementi di fissaggio

A scatola finita, nella parte superiore della zona refrigerata, realizziamo una finestra rettangolare di dimensioni 100x100 mm. Ritagliamo due lastre in duralluminio con dimensioni 130x130 mm e 180x180 mm. Fissiamo la ventola al centro della piastra più piccola in modo tale che il flusso d'aria rimanga di 1 cm Installare l'interruttore della temperatura all'interno della scatola. Montiamo la più piccola delle piastre dall'interno della scatola (con una ventola all'interno della scatola) su viti o rivetti attraverso un sigillante. Incolliamo i TEM sulla piastra montata e tiriamo fuori i fili. Ritagliamo e pieghiamo una grande piastra in modo che si adatti al foro di montaggio, ma allo stesso tempo ci sono dei lati per fissarla alla parete della scatola dall'esterno. Attacciamo un radiatore e una seconda ventola. Lubrificare abbondantemente con pasta termica TEM e montare la piastra alla parete della scatola tramite un sigillante.

Attenzione! Ci deve essere un contatto massimo tra l'area TEM e la piastra!

Raccogliamo il circuito elettrico. Si consiglia di accendere le ventole a potenza massima costante e la corrente per il TEM tramite il regolatore. Ciò garantirà un'efficace rimozione della temperatura e la miscelazione dell'aria quando si opera in modalità diverse (non a piena potenza).

I vantaggi di questo design:

• funzionamento silenzioso rispetto ai frigoriferi a compressore;
• mancanza di meccanismi e parti mobili, forze di attrito (niente da rompere);
• non vengono utilizzati portatori di calore liquido (freon);
• consumo energetico totale di circa 200 watt;
• puoi aggiornare il design, variare le prestazioni;
• disponibilità e manutenibilità delle singole unità.

Svantaggi:

• è possibile la comparsa di condensa sulle lastre di duralluminio;
• unità di controllo esterna;
• molti fattori e sfumature di lavoro vengono rivelati empiricamente durante l'uso;
• piccola area di applicazione.

Calcolo del costo di costruzione di un sistema di refrigerazione di base per un frigorifero e un condizionatore d'aria:

In linea di principio, questo design è un condizionatore d'aria integrato pronto all'uso che può essere installato nella cabina di un'auto, un trattore, in una voliera chiusa o in una cabina di sicurezza. È solo necessario pensare alla protezione costruttiva contro le precipitazioni atmosferiche.

La riserva di carica del modulo TEC1-12712 è piuttosto ampia. L'ampiezza della temperatura ai lati dell'elemento può raggiungere i 50 gradi. Con una temperatura dell'aria nella stanza di +27 ° C e l'uso di un sistema di raffreddamento a liquido (radiatore + ventola), puoi estrarre un impressionante meno 25 ° C all'uscita! Questo permette di realizzare congelatori silenziosi e senza compressore, anche in casa.

Dove altro vengono utilizzati i moduli termoelettrici?

L'effetto Peltier-Seebeck è noto fin dal 1840. È utilizzato attivamente fino ad oggi, grazie alla stabilità delle leggi della fisica. Il modulo termoelettrico troverà sempre un posto dove c'è energia in eccesso o è necessario effettuare uno scambio termico rapido e silenzioso.

Le principali applicazioni dei moduli termoelettrici:

1. Raffreddamento di microcircuiti. I ventilatori, in quanto scambiatore di calore principale, appartengono al passato. Vengono sostituiti da TEM compatti, silenziosi e quasi eterni.
2. Industria meccanica. Anche il più moderno ICE genera gas di scarico dalla camera di combustione. Gli ingegneri usano il loro calore per generare energia aggiuntiva utilizzando elementi Peltier. L'energia raccolta viene restituita ai sistemi motore, ma sotto forma di corrente continua, che consente di risparmiare carburante.
3. Elettrodomestici. Tutto ciò che è descritto sopra, oltre alla maggior parte degli elettrodomestici che funzionano per il raffreddamento o il riscaldamento (ad eccezione dei frigoriferi a compressore).

E infine un piccolo segreto. Il nostro modulo ha una proprietà quasi meravigliosa: la reversibilità. Ciò significa che quando la polarità CC viene invertita sui fili del modulo (usando un interruttore), le superfici calde e fredde vengono invertite. Il refrigeratore si trasforma in un riscaldatore, il frigorifero si trasforma in una camera termica (incubatrice) e il condizionatore si trasforma in un termoventilatore a bassa potenza. Per fare ciò, non è necessario modificare lo schema del dispositivo. Basta cambiare la polarità.

Questo principio è utilizzato in un dispositivo chiamato recuperatore. È una scatola composta da due camere isolate, che comunicano tra loro tramite ventilatori. Con l'aiuto dei moduli Peltier, l'aria fredda esterna viene riscaldata dall'energia estratta dall'aria riscaldata che viene rimossa dalla stanza. Il dispositivo consente di risparmiare sul riscaldamento della casa.

Vitaly Dolbinov, rmnt.ru