Учёные придумали электромагнитный кулер на калорическом эффекте — им можно заменить элементы Пельтье

3DNews Технологии и рынок IT. Новости окружающая среда Учёные придумали электромагнитный кулер … 15.09.2022 [14:26],  Геннадий Детинич Исследователи из Китая создали систему твердотельного охлаждения на необычном принципе. Вместо малоэффективных, но привычных элементов Пельтье они смогли охладить твёрдое тело с помощью приложенного к нему электрического поля. Переход на новый принцип охлаждения поможет сократить гигантские расходы на охлаждение во всём мире, на которые сегодня уходит целых 20 % от вырабатываемой в мире электроэнергии. Источник изображения: Pixabay Строго говоря, метод охлаждения с помощью помещения твёрдого тела в магнитное поле изобретён не сегодня. Учёные давно открыли так называемый калорический эффект, частным случаем которого является снижение температуры определённых материалов при помещении в сильное магнитное поле. Главных проблем в этом случае две: необходимость очень сильных полей от 2 Тл и выше, а также трудность в поиске материалов, которые бы эффективно охлаждались при комнатной температуре. Одним из перспективных материалов с проявлением калорического эффекта считается соединение Mn3SnC, которое, кстати, относится к классу минералов перовскитов. К сожалению, значительный калорический эффект материал проявляет лишь при воздействии магнитного поля с магнитной индукцией более 2 Тл. Технология работает, но с учётом необходимости мощных постоянных магнитов в составе холодильной установки остаётся непрактичной. Китайские исследователи изящно обошли этот момент, обеспечив необходимое давление на структуру Mn 3SnC (деформацию) с помощью электрического, а не магнитного поля и не напрямую, а опосредовано. Команда из Шанхайского технологического университета, Шанхайского института микросистем и информационных технологий, Университета Китайской академии наук и Пекинского университета Цзяотун устранила необходимость в магнитах, объединив слой Mn3SnC с пьезоэлектрическим слоем титаната цирконата свинца (PZT). Пьезоэлектрический компонент легко отзывается на довольно слабые электрические поля, но эффект механически соединённого с ним слоя Mn3SnC оказывается сравним с воздействием на материал магнитного поля с индукцией свыше 3 Тл. Пьезоэлектрический элемент деформируется сам и вызывает деформацию механически связанного с ним слоя Mn 3SnC (в эксперименте он растягивал его), который начинает остывать и охлаждать систему. Слева конструкция установки, по центру изменение температуры тела под воздействием магнитного поля, а справа — изменение температуры при деформации тела (растяжении). Источник изображения: Acta Materialia В перспективе твёрдый хладагент может заменить не только элементы Пельтье, широко применяемые в системах охлаждения электроники в аэрокосмической отрасли и не только, но также может вытеснить традиционное энергоёмкое парокомпрессионное охлаждение в холодильниках и кондиционерах. Учёные пока далеки от практических рекомендаций, но намерены двигаться по пути «озеленения» холодильной отрасли. Данные об исследовании, добавим, опубликованы в журнале Acta Materialia. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL:  https://3dnews.ru/1074254/kitaytsi-pridumali-ohlagdenie-elektricheskim-polem-chto-v-korne-izmenit-sferu-holodilnih-sistem Рубрики: Новости Hardware, на острие науки, окружающая среда, Теги: охлаждение, китайские ученые ← В прошлое В будущее →

Эффект Пельтье

Выполнил студент группы АТ-11

Мухарлямов Ильдар

Эффект Пельтье

Вход: электрический ток.

Выход: количество теплоты, температура.

Сущность

При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.

Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n) (см. рис.). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействие электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-n перехода, с тепловым колебаниями атомов в массив полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев () или охлаждение

(Т_с) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (р-n или n-p переходу).

Математическое описание

,

Где — тепло Пельтье, Дж

П – коэффициент Пельтье;

q – заряд, прошедший через контакт, Кл;

I — Ток в проводнике, А;

t – время, с.

Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменения параметров:

до 1 В – полупроводник;

I –до нескольких ампер;

Q – от 0 до 50 Дж (за 1 сек.)

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:

q T,

Где Томсона;

Т – коэффициент температуры, К.

Применение

Модуль Пельтье Примечателен тем, что при прохождении через него электрического тока представляет собой термонасос, т.е. перекачивает тепло с одной стороны на другую, благодаря чему активно используется в различных системах охлаждения, от холодильников для напитков, до систем охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и различных чипов, особенно там, где нужно ускорить процесс забора тепла от нагревающегося элемента. Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Для увеличения отношения сигнал/ шум фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ (Пат. 3757151 США).

Устройство для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве (Заявка 1297У02 ФРГ).

Изображение устройства

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

• сравнительно небольшие габариты;

• возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;

• отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

• низкий КПД модулей;

• необходимость наличия источника тока для их работы;

• большая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло-выделение;

• ограниченные габариты

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность эффекта Пельтье?

(При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.)

2. От чего зависит коэффициент Пельтье?

(Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.

)

3. Какие проводники используется в эффекте Пельтье?

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n)

4. Как связан коэффициент Пельтье, с коэффициентом Томсона?

q T,

Где Томсона;

Т – коэффициент температуры, К.

5. Основные применение эффекта?

(Используется в различных системах охлаждения)

Задачи:

1. Найти коэффициент Пельтье, зная что ток равный 10 А прошел за 3 секунды и выделил 50 Дж тепла.

2. Чему будет равен коэффициент Томсона, если заряд равен 70 Кл, а абсолютная температура равна 300 К. Коэффициент Пельтье равен 1,7 В.

Решение:

3. Найти заряд через коэффициент Томсона, если известна абсолютная температура равная 400 К, коэффициент Пельтье равное 4 Дж, где =const (коэффициент Томсона).

4. Сколько выделится тепла в местах контакта разнородных проводников, если коэффициент Пельтье равен 73 мВ, а заряд прошедший через термомодуль равен 40 Кл.

Решение: Qп=П*q=2.92 (Дж).

5. Найти время за которое пройдет ток в проводнике зная, что напряжение 120 В, сопротивление 10 Ом. При этом выделяется 1 Дж тепла, а коэффициент Пельтье равен 60 мВ.

Технология охлаждения Пельтье | Охлаждение электрическим током — Промышленное отопление и охлаждение — DBK Industrial

Что такое Пельтье?

Элемент Пельтье представляет собой электрический компонент, который создает разность температур за счет приложения напряжения — нагревается одна сторона; другая сторона остывает. Так называемый эффект Пельтье был открыт в 1834 году физиком Жаном Пельтье, который первым произвел холод с помощью электрического тока. При подаче постоянного напряжения на полупроводники с различными примесями тепло передается от отрицательно заряженной стороны к положительно заряженной стороне. Элемент Пельтье состоит из множества полупроводниковых элементов, установленных между двумя теплопроводящими керамическими компонентами для усиления эффекта. Просто поменяв текущее направление на обратное, можно поменять местами холодную и теплую стороны.

Структура термоэлектрического охладителя

Термоохладитель состоит из одного или нескольких элементов Пельтье, специально расположенных между двумя ребристыми радиаторами. Для эффективного отвода холода или тепла необходимы редукторы температуры с обеих сторон сэндвич-модуля. В воздушно-воздушном термокулере осевые вентиляторы устанавливаются с обеих сторон, в то время как системы с водяным охлаждением являются еще одной возможностью для индивидуальных решений. Таким образом, больший радиатор отводит тепло в окружающую среду, а меньший радиатор охлаждает внутреннюю часть, например, распределительных шкафов. Чем больше тепла рассеивается с теплой стороны, тем эффективнее охлаждение с холодной стороны и наоборот.

Разница температур

Вольт постоянного тока

Индивидуальные решения

Характеристики Peliter

Мобильное охлаждение

По сравнению с обычными компрессорными и абсорбционными системами охлаждения термоэлектрический охладитель Пельтье не требует хладагента или жидкости. и поэтому не нуждаются в отдыхе перед вводом в эксплуатацию. Они мобильны и могут быть установлены в любом монтажном положении.

Долговечность, низкие эксплуатационные расходы  

Термоэлектрический охладитель Пельтье не имеет механически движущихся частей, что обеспечивает низкий износ и минимальное техническое обслуживание. Прочные модули могут работать в самых неблагоприятных условиях окружающей среды, так как нечувствительны к вибрации, ударам, высоким температурам окружающей среды, загрязненному окружающему воздуху и сильным ускорениям.

Точность управления

Температура термоэлектрического охладителя регулируется электрически и может быть установлена ​​очень точно, что невозможно при компрессорном охлаждении.

Просто реверсивный

Благодаря эффекту Пельтье термоэлектрический охладитель можно использовать как нагреватель или охладитель, просто изменив направление тока на противоположное.

Охлаждение в минимальном пространстве 

Элементы Пельтье могут иметь различные размеры, что делает их универсальным решением для охлаждения даже самых маленьких компонентов. Они подходят для мощности охлаждения до макс. 500 Вт и используются в приложениях с ускорением или ограниченным пространством для установки, где компрессорные системы охлаждения не подходят или выходят из строя.

Работа от постоянного тока

Термоэлектрические охладители Пельтье могут работать только от постоянного тока.

Тестирование при эксплуатации заказчиком

При использовании термоэлектрических охладителей Пельтье мы всегда рекомендуем провести несколько прикладных испытаний, чтобы подтвердить правильную и надежную работу охладителя с помощью соответствующих измерений.

Пельтье Примеры применения

Кондиционер электронных компонентов

Летом естественной конвекции и принудительной вентиляции часто бывает недостаточно для снижения температуры в электрических шкафах. Для защиты установленных электронных компонентов от перегрева и выхода из строя в шкафах управления используются компактные термоэлектрические охладители Пельтье.

Мобильное отопление и охлаждение в сфере общественного питания

Для раздачи еды в больницах, домах престарелых, столовых или ресторанах продукты и напитки должны храниться при мобильной температуре. Поэтому термоэлектрические охладители используются в тележках для перевозки пищевых продуктов, где они нагревают или охлаждают внутреннее пространство по мере необходимости.

Охлаждение в минимальном пространстве — от медицины до авиации

Элементы Пельтье

используются везде, где обычные системы охлаждения не подходят. Области применения варьируются от охлаждения мельчайших датчиков и переключающих элементов до контроля температуры лабораторного и медицинского оборудования и кондиционирования воздуха космических кораблей и спутников.

Термоэлектрический охладитель Пельтье

FAQ Охладители Пельтье

Узнайте больше о нестандартных решениях

Отопление и охлаждение с контроллером Пельтье

2. Дом
3. Центр обслуживания клиентов
4. Компендиум
5. org/ListItem»> Отопление и охлаждение с контроллером Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными элементами. обогреватели. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока.
В этой статье описывается, как возможны нагрев и охлаждение с помощью контроллеров Пельтье.

—> Купить контроллер TEC здесь

Нагрев и охлаждение с помощью контроллера Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение (TEC) стало предпочтительным методом для быстрого и компактного регулирования температуры. Электрический ток через так называемый элемент Пельтье производит активный перенос тепла. Когда одна сторона прикреплена к радиатору, «объектная» сторона термоэлектрического элемента может охлаждаться или нагреваться по отношению к радиатору. Контроллер Пельтье с биполярным выходом генерирует токи соответственно при достижении заданной температуры. Для этого контроллер Пельтье должен знать температуру объекта, а значит, иметь вход датчика. Основными критериями выбора контроллера Пельтье являются номинальные значения тока и напряжения, точность и стабильность. Другими важными характеристиками контроллера Пельтье могут быть его функции безопасности, простота использования (связь, автонастройка, встроенное программное обеспечение), размер устройства и эффективность. Общий анализ эффективности должен учитывать потери не только в контроллере Пельтье, но и во всем охлаждающем оборудовании, включая элемент Пельтье.

Контроллер Пельтье TEC-1089

—> Купить контроллер TEC здесь

Термоэлектрические (боковые) эффекты с. Под действием электрического тока будет генерироваться желаемый тепловой поток (эффект Пельтье). Однако охлаждающая способность элемента Пельтье не бесконечна: чем больший ток выдает контроллер Пельтье, тем больше джоулевой теплоты выделяется всеми проводниками, включая термоэлектрический элемент.

Это паразитный эффект нагрева, который полностью нейтрализует желаемый эффект охлаждения выше определенного порога. На практике это означает, что термоэлектрический охладитель, работающий вблизи максимального номинального тока, может почти не охлаждаться. Это также влияет на выбор архитектуры контроллера Пельтье. Для питания элемента 10 А / 10 В, скажем, 6 А, недорогой контроллер Пельтье на основе ШИМ, способный переключать 10 А, обеспечит 0 А в течение 40 % времени и 10 А в течение 60 %. Помимо того, что контроллер Пельтье может создавать электронные помехи, он неэффективен в течение 40 % времени, а модуль TEC неэффективен в течение 60 % времени. Однако при выборе более совершенного ТЭО с выходом постоянного тока контроллер Пельтье работает с номинальным КПД (85% и более), а модуль Пельтье работает в оптимальных условиях.

Управление мощностью нагрева и охлаждения

Другая причина, по которой термоэлектрический модуль обладает лишь ограниченной охлаждающей способностью, — это теплопроводность: чем больше разница температур между холодной и горячей сторонами, тем большее количество тепла стремится уравновеситься за счет теплопроводности. через модуль ТЭК. Вспомогательный вход контроллера Пельтье используется для измерения температуры на стороне стока. Хороший контроллер Пельтье учтет это и спрогнозирует тепловой поток. Горячая раковина помогает, когда необходимо повысить температуру целевого объекта, поскольку для нагрева требуется меньший электрический ток. Эффективный контроллер Пельтье будет знать об асимметрии между доступными в настоящее время мощностями нагрева и охлаждения и будет соответствующим образом управлять. (Основной причиной внедрения подпрограмм управления питанием в контроллер Пельтье являются не проблемы энергосбережения, а оптимальная, более стабильная работа).

Контроллер Meerstetter Peltier

Контроллеры Meerstetter Peltier / TEC представляют собой усовершенствованные термоэлектрические регуляторы температуры, доступные с различными номинальными токами в виде компактных одноканальных и универсальных двухканальных моделей. Каждый канал контроллера Пельтье представляет собой источник постоянного тока с выходным сигналом практически без пульсаций, который будет управлять элементом Пельтье в оптимальных условиях.