Електроника
Популярни

Елемент на Пелтие

Елементът на Пелтие е наречен на откривателя на ефекта на Пелтие – Жан Шарл Атаназ Пелтие. През 1834г. той открива термоелектрически ефект, при който протичането на постоянен електрически ток през много на брой термодвойки от два различни полупроводникови материала с форма на паралелепипеди и с различна електронна плътност се получава нагряване на едната страна и охлаждане на другата страна на устройството. Единият полупроводник е P-тип, а другия N-тип. Те се поставят електрически последователно и термично паралелно. Елемент на Пелтие се нарича още и ТЕС (Thermoelectric Cooler), защото независимо от това, че може да се използва както за нагряване, така и за охлаждане, той се използва предимно за охлаждане, а на горещата страна се поставя радиатор за разсейване на топлината. Кабелите, с които се захранва елементът са свързани към горещата страна, защото имат топлинен капацитет. Ако бяха свързани към студената, те щяха да намалят охлаждащата способност на елемента, а от там и неговата ефективност.

Материалите, от които се произвежда елементът на Пелтие отговарят на определени изисквания, като например:

  • голяма електрическа проводимост;
  • ниска топлопроводимост;
  • анизотропна структура осигурена от сложни композитни материали.

Материалите, които имат висока електрическа проводимост, обикновено имат и добра топлинна проводимост, като мапример медта, златото, среброто и др., затова създаването на ефективен елемент на Пелтие е сложна задача. Най-често използваните композитни полупроводникови материали са: бисмутов телурид, оловен телурид, силициев германий и бисмут-антимонови сплави.

Елемент на Пелтие 1
Jean Charles Athanase Peltier

Трябва да се отбележи, че в зависимост от посоката на тока, студената и горещата страна могат да се разменят. Също така ако се загрява принудително едната страна, а се охлажда другата, елемента започва да произвежда електрически ток, като големината на генерирания ток е в правопропорционална зависимост от разликата в двете температури. В този режим на работа устройството се нарича елемент на Зеебек, но не намира широко приложение в бита.

Елементът на Пелтие може да се произвежда в следния диапазон от размери: от 1х1mm до 60x60mm. Формата му най-често е квадратна, но може да е тороидална, многостепенна (пирамидална) или персонализирана, спрямо изделието. Максималната температурна разлика между горещата и студената страна може да достигне до 200°C. Максималния капацитет на охлаждане – до 290W. Най-важният показател на елемента на Пелтие е коефициента на ефективност Coefficient of Performance (COP), който всъщност определя ефективността на охлаждане. Той се определя със следната формула COP = QC / Pel. Където QC е разсейваната поплина, в която влиза и погълнатата от студената страна топлина (топлинното натоварване), а Pel е входната мощност.

Вижте всички Елементи на Пелтие във Викиват ТУК

Предимства на Елемент на Пелтие

Едно от основните предимства на елементът на Пелтие е липсата на движещи се части. Повечето охладители са с движещи се части (всички вентилатори и компресори) и при тях имаме механично износване, вибрации, замърсяване и възможност от счупване, както и нужда от поддръжка. При ТЕС системите продължителността на живота може да достигне 100 000 часа при нормална работа.

Второто важно предимство произтича от това, че елементът на Пелтие може да се контролира по ток. Тъй като големината на топлината (респ. студа) е правопропорционална на приложения постоянен ток, можем да осигурим прецизен двупосочен контрол върху потока топлина чрез увеличаване, намаляване или обръщане посоката на тока. Така температурата на системата може да се контролира с точност до части от градуса, а в лабораторни условия и до стотни от градуса.

Елемент на Пелтие 2
Елемент на Пелтие

Трето предимство е малкият размер. Тези устройства са в състояние да охлаждат повърхности с малък размер и при по-тежки външни условия от другите алтернативи за охлаждане, като например един хладилник, фризер или климатик с флуид. Освен това са напълно безшумни.

Четвърто предимство е липсата на охлаждащи агенти. В повечето охлаждащи технологии, действието на охлаждащото устройство се осъществява чрез хладилни агенти. В общия случай това може да е CFC – хлорфлуорвъглеводород, амоняк, серен диоксид, HCFC – хидрохлорфлуорвъглеводород, бромохлорфлуоровъглерод и др., които нанасят голяма вреда на озоновия слой и имат значителен принос за глобалното затопляне, а освен това носят и други рискове за безопасността, като пожари и взривове.

Недостатъци

Един от съществените недостатъци на елементът на Пелтие е ограничената мощност и енергийна ефективност, в сравнение с алтернативни охлаждащи устройства. Това означава, че колкото повече се увеличава температурната разлика между двете повърхности на елемента, толкова той става по-малко ефективен. Стига се дотам, че ако продължим да увеличаваме мощността, елементът започва да започне да загрява студената си страна, вместо да я охлажда.

Друг недостатък е малкото му КПД. Едно такова ТЕС устройство достига едва 15% ефективност при 60% при конвенционалните хладилни системи.

Вижте всички Елементи на Пелтие във Викиват ТУК

Приложение на Елемент на Пелтие

Класическите приложения на елементите на Пелтие са преносимите охладители за храни и напитки, използвани за пикник или къмпинг. Намират масово приложение в диспенсърите за вода. Ще намерите ТЕС устройство и в хотелския минибар, например, както и в други подобни малки хладилни шкафове и витрини. Използват се също и за извличане на влагата от въздуха в съвременните изсушители и влагоабсорбатори. Естествено намират приложение и като охладители на електронни компоненти и микропроцесори.

В науката и индустрията също приложението им е значително. За охлаждане и поддържане на неизменна температура в лазерни устройства се използват елементи на Пелтие. В индустриални електронни системи, военни установки, също. В лабораториите се използват при направата на PCR тестове. Ще намерите елемент на Пелтие на марсохода Curiosity за балансиране на температурата между нагрятата повърхност на марсохода и тази, която е в сянка. Чрез ефекта Зеебек, за който стана дума в началото, в космоса се произвежда ток от загретите и студени повърхности на космическите станции.

текст: инж. Д. Костов

Сходни публикации
Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.

Бутон за връщане нагоре
Затвори