Le apparecchiature di refrigerazione e i sistemi di raffreddamento ad aria sono elementi essenziali della vita di tutti i giorni. Tuttavia, i modelli volumetrici standard basati sul refrigerante non sono adatti per applicazioni mobili come le borse termiche. In questi casi vengono utilizzati dispositivi basati sul funzionamento dell'effetto Peltier, di cui parleremo in dettaglio in questo materiale.
L'elemento Peltier o refrigeratore termoelettrico si basa su una termocoppia di due elementi con conduttività di tipo p e n, collegati da una piastra di rame di collegamento. I dettagli nella maggior parte dei casi sono fatti di bismuto, tellurio, antimonio e selenio. Tali dispositivi sono utilizzati nei sistemi di raffreddamento domestici, hanno anche la capacità di generare energia.
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Cos'è
Il fenomeno e il termine Peltier suggeriscono una scoperta fatta nel 1834 dallo scienziato francese Jean-Charles Peltier.L'essenza della scoperta è che il calore viene costantemente rilasciato o assorbito nell'area in cui c'è un contatto tra due conduttori diversamente diretti attraverso i quali scorre una corrente elettrica.
La teoria classica spiega questo fenomeno in questo modo: con l'aiuto di una corrente elettrica, gli elettroni vengono trasferiti tra i metalli, accelerando o rallentando, a seconda della differenza di potenziale di contatto su conduttori metallici con diversi livelli di conducibilità. Gli elementi di Peltier contribuiscono così alla conversione dell'energia cinetica in calore.
Sul secondo conduttore si verifica l'effetto opposto, dove è necessario il reintegro di energia in base alla legge fondamentale della fisica. Questa situazione si verifica a causa del processo di oscillazione termica, a seguito del quale il metallo del secondo conduttore viene raffreddato.
Con l'ausilio delle moderne tecnologie è possibile realizzare un modulo Peltier con il massimo effetto termoelettrico.
Dispositivo e principio di funzionamento
I moderni moduli Peltier sono un design in cui sono presenti due piastre isolanti e le termocoppie sono collegate tra loro in stretta sequenza. Lo schema standard di questo elemento per una migliore comprensione del suo funzionamento è mostrato in figura.
Designazioni degli elementi strutturali:
- A - contatti, con l'aiuto dei quali viene effettuata la connessione alla fonte di alimentazione;
- B - superficie calda;
- C - lato freddo;
- D - conduttori in rame;
- E è un semiconduttore con giunzione p;
- F è un semiconduttore di tipo n.
L'elemento è realizzato in modo che entrambe le superfici siano in contatto con giunzioni p-n o n-p, in base alla polarità. I contatti p-n si riscaldano e la temperatura n-p diminuisce.Di conseguenza, alle estremità dell'elemento compare una differenza di temperatura DT. Questo effetto significa che l'energia termica che si muove tra gli elementi del modulo regola il regime di temperatura in funzione della polarità. Si noti inoltre che in caso di cambio di polarità cambiano le superfici calde e fredde.
Specifiche
I parametri tecnici dell'elemento Peltier assumono i seguenti valori:
- potenza frigorifera (Qmax) - calcolata in base al limite di corrente e alla differenza di temperatura tra le estremità del modulo. Unità di misura - Watt;
- differenza di temperatura limite (DTmax) - misurata in gradi, questa caratteristica è data per condizioni ottimali;
- Imax è la massima corrente elettrica richiesta per fornire una maggiore differenza di temperatura;
- tensione limite Umax, necessaria affinché la corrente elettrica Imax raggiunga la massima differenza di temperatura DTmax;
- Resistenza - resistenza interna del dispositivo, misurata in Ohm;
- COP è il coefficiente di efficienza o efficienza del modulo Peltier, che riflette il rapporto tra raffreddamento e consumo energetico. A seconda delle caratteristiche del dispositivo, per i dispositivi economici, l'indicatore è compreso tra 0,3 e 0,35, per i modelli più costosi varia fino a 0,5.
I vantaggi dell'elemento Peltier mobile sono le ridotte dimensioni, la reversibilità del processo, nonché la possibilità di utilizzarlo come generatore elettrico portatile o frigorifero.
Gli svantaggi del modulo sono il costo elevato, la bassa efficienza entro il 3%, i costi energetici elevati e la necessità di mantenere costantemente la differenza di temperatura.
Applicazione
Anche tenendo conto del basso coefficiente di efficienza, le piastre del modulo Peltier sono ampiamente utilizzate nei dispositivi di misurazione, informatici e negli elettrodomestici portatili. Ecco un elenco di dispositivi di cui i modelli sono parte integrante:
- dispositivi di refrigerazione portatili;
- piccoli generatori di energia elettrica;
- complessi di raffreddamento in PC e laptop;
- refrigeratori per il riscaldamento e il raffreddamento dell'acqua potabile;
- essiccatori d'aria.
Come connettere
Puoi collegare tu stesso il modulo Peltier, non richiede molto tempo e fatica. I contatti di uscita devono essere alimentati con una tensione costante, indicata nelle istruzioni per l'uso del dispositivo. Il filo rosso è collegato al positivo e il filo nero è collegato al negativo. Si noti che quando la polarità viene invertita, le superfici riscaldate e raffreddate si scambiano di posto.
Prima del collegamento, si consiglia di verificare l'operabilità dell'elemento. Uno dei modi semplici e affidabili per controllare il dispositivo è il metodo tattile: per questo è necessario collegare il dispositivo a una fonte di corrente elettrica e toccare diversi contatti. In un dispositivo normalmente funzionante, alcuni contatti saranno caldi, mentre altri saranno freddi.
Puoi anche controllare con un multimetro e un accendino. Per fare ciò, è necessario collegare le sonde ai contatti del dispositivo, portare l'accendino da parte e osservare le letture del multimetro. Se l'elemento Peltier funziona in modalità standard, durante il processo di riscaldamento verrà generata una corrente elettrica su un lato e sullo schermo del multimetro verranno visualizzati i dati di tensione.
Come realizzare un elemento peltier fai-da-te
L'elemento Peltier è poco pratico da produrre in casa a causa del basso costo e della necessità di conoscenze speciali per creare un elemento lavorabile. Tuttavia, puoi assemblare con le tue mani un efficiente generatore termoelettrico mobile, che tornerà utile in campagna o in campeggio.
Per stabilizzare la tensione elettrica, dovrai assemblare tu stesso un convertitore standard sul chip IC L6920. All'ingresso del dispositivo deve essere applicata una tensione di 0,8-5,5 V e all'uscita produrrà 5 V, questo valore è sufficiente per caricare la batteria dei dispositivi mobili in modalità standard. Se viene utilizzato un dispositivo elettronico Peltier standard, sarà necessario limitare il limite di temperatura della superficie riscaldata a 150 gradi. Per facilitare il controllo della temperatura, si consiglia di utilizzare un bollitore con acqua bollente, quindi il modello non si riscalderà oltre i 100 gradi.
Le piastre Peltier sono ampiamente utilizzate per raffreddare i moderni elettrodomestici, nei condizionatori d'aria è stata dimostrata l'efficacia del dispositivo, in particolare, per stabilizzare il regime termico e raffreddare un potente processore. Sulla base dell'elemento Peltier, vengono spesso realizzati efficaci frigoriferi mobili in casa per villette estive o automobili, alimentando il radiatore. A causa della reversibilità del processo, gli elementi autocostruiti vengono utilizzati come piccole centrali elettriche mobili in aree prive di una fonte di elettricità.
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