Основные способы охлаждения, виды и свойства

В этом обзоре, речь пойдет об основных способах охлаждения, которые зависят от метода теплопереноса (теплообмена). Здесь будут доступны лишь самые общие описания.

Содержание:

• Естественное охлаждение
• Искусственное охлаждение
• Охлаждение химическим способом
• Охлаждение дросселированием
• Термоэлектрический способ охлаждения

Естественное охлаждение

Способы естественного охлаждения отводят теплоту в окружающую среду, затрачивая при этом минимум электрической энергии. Это самый эффективный метод понижения температуры с точки зрения расхода энергии, который имеет одно ограничение, он не способен охладить теплоноситель ниже температуры источника естественного холода. Как только теплофизическое равновесие достигнуто, дальнейшее охлаждение тела невозможно.

Термодинамическое равновесие — это такой термодинамический порядок тел, который при неизменности внешних факторов (давления, температуры, энтропии, объёма) т.е. без внешнего воздействия может сохраняться не ограниченное время.

Количество тепла, которое способно принять тело, применяемое для охлаждения, определяет его холодопроизводительность или холодильный эффект. Поскольку физическая природа процессов одинакова, понятия теплота и холод условны.

Для лучшего понимания картины происходящего давайте вспомним, о чем говорит второй закон термодинамики.

Охлаждение, это необратимый процесс физического переноса тепловой энергии от нагретого (тела) к более холодному, до получения эффекта термодинамического равновесия. Под термином тело, понимают любое агрегатное состояние вещества (кристаллы, жидкость, газ) принимающего участие в теплообмене.

Теплообмен представляет собой разностороннее физическое явление, которое условно можно поделить на цепь простых, но принципиально разных способов теплопереноса.

Эффект термодинамического равновесия достигается путем одного из трёх видов передачи теплоты в пространстве:

1. Излучение (лучистое тепло) — термический перенос между предметами, за счет инфракрасного излучения без нагрева окружающего воздуха или вакуума.
2. Конвекция – перенос тепла в замкнутом объеме, веществом (газом либо жидкостью), путем перемешивания более горячего вещества, с холодным.
3. Теплопроводность – передача тепловой энергии между твердыми предметами при их непосредственном контакте, методом взаимодействия элементарных частиц.

Основными природными агентами для естественного охлаждения тел принято считать лед, воду и воздух.

Вода один из самых универсальный и уникальных химических элементов на земле. В зависимости от окружающей температуры, при стандартном давлении ртутного столба 760 мм или 1,013 бар, её можно встретить в любом агрегатном состоянии:

1. Кристаллическом – лед.
2. Жидком – вода.
3. Газообразном – пар.

Каждое агрегатное изменение состояния воды называется фазовым переходом. Удельная теплоемкость воды равна 1,16 Вт/кг на 1°С, для запуска фазового перехода воды в лед потребуется 7,5 Вт/кг. Т.е. для образования кристаллов льда в объеме, необходимо приложить практически в семь раз больше энергии, чем для обычного охлаждения.

Это свойство веществ широко применяется при получении искусственного холода, когда требуется охладить продукт ниже температуры природного источника низкой температуры.

Искусственное охлаждение (refrigeration)

Искусственные способы охлаждения базируются на следующих физических процессах:

1. Вихревой способ температурного разделения газа при закручивании в камере с условием, что поток в трубке проходит в обоих направлениях. Эффект Жозефа Ранка и Рудольфа Хильша.
2. Дросселирование (торможение, редуцирование). Способ Джоуля — Томпсона, получение эффекта охлаждения путем снижения давления жидкости или газа при прохождении потоком местного сопротивления, ограничивающего проходное сечение.
3. Способ охлаждения Пельтье, в этом случае происходит термоэлектрическое поглощение или выделение теплоты при воздействии электрического тока в месте соединения двух разнородных проводников.
4. Абсорбционный способ охлаждения тел получил свое название от процесса абсорбции. Т.е. поглощения веществом паров хладагента.
5. Фазовое преобразование агрегатного состояния вещества, сопровождающиеся выделением либо поглощением тепла:

• плавление или кристаллизация
• испарение либо конденсация
• сублимация или десублимация

Особенность фазового перехода, заключается в том, что температура тела осуществляющего преобразование, при одинаковом давлении, остается неизменной до полного завершения процесса.

Распространенные способы получения искусственного холода на основе изменения агрегатного состояния тел, которые применяют в производстве и хранении продуктов классифицируют на два типа:

• Нециклический способ охлаждения, является кратковременным и достигается, как правило, за счет фазового перехода кристаллизованного вещества путем плавления или сублимации. То есть перехода твердого тела в жидкость (плавление) либо минуя жидкое состояние сразу в газообразное (сублимация). Изменение исходного агрегатного состояния при фазовом преобразовании походят при постоянном давлении и температуре, которые зависят от свойств физического тела и внешних условий перехода. Для примера можно рассмотреть способы охлаждения продуктов в низкотемпературной камере, в которую помимо продуктов помещают заранее заготовленный водяной лёд (Н2О) или сухой лед (диоксид углерода СО2). Температура сублимации кристаллической угольной кислоты при нормальном атмосферном давлении равна -78,9 °C. Водный лед при атмосферном давлении плавится при достижении температуры выше 0 °C.
• Циклический способ, чаще называют машинным охлаждением, он базируется на термодинамических процессах, то есть на обратимых физических циклах, которые в термодинамике называют круговыми. В основе здесь так же лежит фазовый переход, но уже между жидкостью и газом, это так называемые парокомпрессионные холодильные машины. Дросселирование в таких схемах применяют для усиления холодильного эффекта.

Охлаждение химическим способом

Сорбционные или Абсорбционные — пароконденсационные холодильные машины (АБХМ) непрерывного действия, тоже являются циклическими, так как процессы абсорбции хладагента в абсорбере и выпаривания (десорбции) раствора в генераторе протекают непрерывно при постоянном давлении кипения жидкости в испарителе и конденсации паров в конденсаторе.

Абсорбционные процессы охлаждения происходят в среде рабочих веществ (растворов), состоящих, из двух компонентов – хладагента и сорбента. При работе АБХМ, хладагент циклически находится как в жидком, так и в виде пара, а абсорбент только в жидком состоянии.

Абсорбционные холодильные устройства могут быть водно-аммиачными или бромисто-литиевыми LiBr . Ввиду низкой холодопроизводительности такие машины в основном используют в промышленности и производстве электрической энергии.

Вихревой способ охлаждения осуществляется с помощью трубы Ранка.

Воздух, имеющий температуру окружающей среды, под большим давлением поступает в диффузор находящийся под углом к вихревой камере.

В камере кинетическая энергия закручивает воздушный поток. Круговая скорость воздушного вихря распределяется не равномерно, по внешней окружности она значительно уступает скорости струи находящейся ближе к центру. При движении газового потока в направлении дроссельного клапана происходит расслоение температуры (кинетическая энергия внутреннего вихря, через трение передается периферийному вихрю в виде тепловой энергии), в результате чего наружный вихрь нагревается, а внутренний напротив остывает.

Достигая конца трубки с коническим дроссельным клапаном, периферийный вихрь вырывается наружу перегретым, центральный осевой вихрь отражается от дросселя и движется в противоположном направлении, выходя через диафрагму охлажденным.

Вихревая труба Ранка-Хильша позволяет получить значительный перепад температур на разных концах трубы, более 200°С. Ввиду большого потребления энергии, способ применяется для местного (точечного) охлаждения оборудования.

Охлаждение дросселированием

Дросселированием называется преодоление жидкостью либо газом отверстия с малым сечением, которое сопровождается резким снижением давления.

При дросселировании не обязательно происходит охлаждение, иногда температура на выходе растет или остается прежней. Это зависит от исходных данных жидкости или газа перед процессом дросселирования.

На принципе дросселирования был основан простой однократный холодильный цикл Линде, примененный в установке по сжижению воздуха.

В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество в начале цикла сжимается компрессором, затем подвергается охлаждению, а потом через дроссель поступает в испаритель. Чаще всего в бытовых холодильниках в качестве дросселя встречается капиллярная калиброванная трубка.

При дросселировании жидкого хладагента с низкой температурой кипения, на внешней стороне дросселя (в промышленной холодильной технике ТРВ — терморегулирующий вентиль), вследствие снижения давления происходит закипание жидкости. Жидкий хладагент при этом интенсивно испаряется, значительно увеличиваясь в объеме, в результате чего совершается работа по преодолению взаимного притяжения молекул рабочего вещества. Произведенная работа по разрыву молекулярных связей, сопровождается снижением внутренней энергии кипящего тела. Дросселирование жидкого хладагента, в результате преобразования сил трения в тепло и передачи ее газу, способствует значительному снижению температуры.

Термоэлектрический способ охлаждения Жана-Шарля Пельтье

Эффект был открыт в 1834 году. Испытатель пролил воду на электроды, изготовленные из висмута и сурьмы, которые были подключены к электрической цепи. Вода на одном из контактов, внезапно превратилась в лёд.

Дальнейшее изучение феномена показало, что при прохождении электрического тока между двумя разно заряженными проводниками, на одной стороне происходит нагрев, а на противоположной стороне охлаждение. При смене полярности, горячая и холодная стороны элемента также меняется местами.

По причине низкого КПД, на протяжении следующих 100 лет о термоэлектрическом охлаждении было известно только научному сообществу, прикладного применения он не находил. Только в конце 30х годов прошлого столетия ученый академик А.Ф.Иоффе, предложил использовать для элемента Пельтье полупроводники и доказал достаточную эффективность термоэлектрического охлаждения.

Сегодня машинные способы охлаждения встречаются повсюду, в квартире, автомобиле, офисе, на промышленном и пищевом производстве.

Наука и медицина применяют охлаждение в криогенной технике:

• Криобиология — раздел биологии, который исследует действие низких температур на живые клетки.
• Криотерапия — лечение организма воздействием холода.

Сферы применения того или другого способа охлаждения веществ определяются их свойствами, которые влияют на производственные процессы, а также показателями экономической эффективности.

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.

Отопление на элементах пельтье

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Содержание

• Принцип действия
  • Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:
• Сфера использования
  • Вот их некоторые области использования:
  • Обратный эффект элементов Пельтье
  • Преимущества и недостатки
  • Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:
  • Недостатками можно назвать такие моменты:
  • Как изготовить элементы Пельтье для холодильника
  • Другие применения термоэлектрических модулей
  • Основные места использования модулей:

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Термоэлектрический охладитель l Охладитель Пельтье l Эффект Пельтье

Широкая линейка термоэлектрических охладителей Laird Thermal Systems предлагает инженерам-конструкторам широкий диапазон охлаждающих мощностей, температурных перепадов, форм-факторов, вариантов отделки и термоциклирования. Выберите один из наших стандартных термоэлектрических охладителей или обратитесь к эксперту Laird по тепловым технологиям, чтобы быстро разработать индивидуальное решение для термоэлектрического охлаждения в нашем центре прототипирования для оптимального решения по управлению температурным режимом.

Зачем использовать термоэлектрические охладители

• Твердотельная конструкция для высокой надежности
• Охлаждение или нагрев для точного контроля температуры
• Низкие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание 
   

Поиск термоэлектрических охладителей

Используйте следующие методы для поиска термоэлектрических охладителей для вашего приложения:

• Параметрический поиск
• Thermal Wizard Расширенный поиск

Карта портфеля

Термоэлектрические охладители доступны для определенных диапазонов охлаждения, температурных перепадов и рабочих температур. Просмотрите карту портфолио ниже, чтобы найти интересующую серию продуктов и найти ее с помощью поиска по сайту и меню.

 

Термоэлектрическая технология охлаждения

Твердотельные тепловые насосы существуют с момента открытия эффекта Пельтье в 1834 году. керамические подложки. Термоэлектрические охладители представляют собой твердотельные тепловые насосы, которым требуется теплообменник для рассеивания тепла с использованием эффекта Пельтье. Во время работы постоянный ток протекает через термоэлектрический охладитель, создавая теплопередачу и разницу температур между керамическими подложками, в результате чего одна сторона термоэлектрического охладителя становится холодной, а другая — горячей. Стандартный одноступенчатый термоэлектрический охладитель может достигать перепада температур до 70°C.

Геометрический размер стандартного термоэлектрического охладителя может варьироваться от 2 x 2 мм до 62 x 62 мм. Небольшой размер в сочетании с легким весом делает термоэлектрики идеальными для приложений с ограниченным геометрическим пространством и низкими требованиями к весу. Традиционные технологии охлаждения, такие как обычные системы на основе компрессоров, обычно намного крупнее и тяжелее по сравнению с термоэлектрическими технологиями.

Термоэлектрические охладители также можно использовать в качестве генератора электроэнергии путем преобразования отработанного тепла в полезную выходную мощность постоянного тока. Термоэлектрики идеально подходят для приложений, требующих активного охлаждения ниже температуры окружающей среды и требующих мощности охлаждения <600 Вт. Инженер-конструктор должен рассматривать термоэлектрические охладители, когда критерии проектирования системы включают такие факторы, как точный контроль температуры, высокая надежность, ограничения по компактной геометрии, малый вес и требования по защите окружающей среды.

Преимущества термоэлектрического охлаждения

Термоэлектрические охладители имеют ряд преимуществ по сравнению с альтернативными технологиями охлаждения:

• Твердотельная конструкция не имеет движущихся частей, что повышает надежность.
Блоки
• можно устанавливать в любом положении.
• Термоэлектрические охладители могут охлаждать устройства до температуры значительно ниже температуры окружающей среды. Более низкие температуры, вплоть до минус 100°C, могут быть достигнуты за счет использования многоступенчатого термоэлектрического охладителя в вакуумной среде.
• Термоэлектрики могут нагревать и охлаждать, просто меняя полярность, что меняет направление теплопередачи. Это позволяет очень точно контролировать температуру, при этом в установившихся условиях можно поддерживать до ±0,01°C.
• В режиме нагрева термоэлектрические охладители намного эффективнее обычных резистивных нагревателей, поскольку они генерируют тепло за счет подводимой мощности плюс дополнительное тепло, генерируемое за счет действия теплового насоса.
Устройства
• безопасны для окружающей среды, поскольку в них не используются фреоны, а электрические помехи минимальны.
Термоэлектрические охладители
• можно использовать в качестве накопителей энергии, превращая отработанное тепло в полезную выходную мощность постоянного тока.

Ассортимент термоэлектрических охладителей

Компания Laird Thermal Systems разрабатывает и производит термоэлектрические охладители, которые соответствуют строгим стандартам управления процессом и критериям «годен/не годен», гарантируя нашим клиентам получение наилучшей продукции. Наш обширный портфель стандартных продуктов охватывает широкий диапазон холодопроизводительности, температурных перепадов, требований к потребляемой мощности и геометрических размеров. Имеются стандартные варианты отделки для различных длин выводов, допусков на толщину нахлеста и влагозащитных герметиков. Имеются стандартные конструкции с предварительным лужением и пайкой для монтажа термоэлектрического охладителя на теплообменнике с возможностью пайки или обработки термоэлектрического охладителя в печи оплавления для припайки к оптоэлектронному корпусу.

Компания Laird Thermal Systems предлагает несколько семейств термоэлектрических охладителей, которые можно классифицировать по холодопроизводительности, перепаду температур, форм-фактору или способности термоциклирования. Ссылайтесь на карту восприятия в качестве общего руководства относительно того, какое место занимает каждое семейство продуктов в отношении этих атрибутов.

Серия SH представляет собой термоэлектрический охладитель кольцевого типа. Керамика с горячей и холодной стороны имеет круглое отверстие в центре для размещения легкого выступа для оптики, механического крепления или датчика температуры. Серия RH представляет собой кольцевой термоэлектрический охладитель круглой формы. Керамика с горячей и холодной стороны имеет круглое отверстие в центре для размещения легкого выступа для оптики, механического крепления или датчика температуры.

Эта линейка продуктов доступна в различных конфигурациях и геометрических формах. Серия SH, изготовленная из полупроводникового материала на основе теллурида висмута и теплопроводной керамики на основе оксида алюминия, предназначена для работы с более высокими токами и большими тепловыми насосами. Для всех термоэлектрических охладителей серий SH и RH используется многожильный провод длиной 114 мм (4,5 дюйма) с изоляцией из ПВХ.

Серия термоэлектрических охладителей Ceramic Plate CP считается «стандартом» в термоэлектрической промышленности. Эта широкая линейка высокопроизводительных и высоконадежных термоэлектрических охладителей доступна с различными мощностями теплового насоса, геометрическими формами и диапазонами входной мощности. Собранные из полупроводникового материала на основе теллурида висмута и теплопроводной керамики на основе оксида алюминия, серия CP предназначена для работы с большими токами и большими тепловыми насосами. Для всех термоэлектрических охладителей серии CP используется многожильный провод длиной 114 мм (4,5 дюйма) с изоляцией из ПВХ.

Новая серия HiTemp ETX обеспечивает более высокую эффективность и на 10 % больше производительности теплового насоса по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями. Термоэлектрический охладитель отличается более высоким теплоизоляционным барьером по сравнению со стандартными материалами, что обеспечивает максимальный перепад температур (ΔT) 83°C. В этой серии продуктов используется усовершенствованная конструкция термоэлектрического модуля, которая предотвращает снижение производительности в условиях высокой температуры, что делает ее идеальной для охлаждения автономных систем, систем машинного зрения и процессоров цифрового освещения. Серия HiTemp ETX доступна в нескольких конфигурациях, охватывающих широкий диапазон размеров, мощностей охлаждения и диапазонов напряжения.

Многоступенчатые термоэлектрические охладители серии MS могут достигать более низких температур, чем одноступенчатые термоэлектрические охладители. Он обеспечивает самый высокий перепад температур (ΔT) до 131°C. Эта линейка продуктов доступна с многочисленными перепадами температур, производительностью теплового насоса и геометрическими формами. Многоступенчатая серия MS разработана для приложений с более высоким током и меньшим тепловым насосом. Он идеально подходит для приложений, работающих в условиях комнатной температуры. Индивидуальные проекты доступны по запросу, однако применяется MOQ.

Серия OptoTEC™ представляет собой высокопроизводительный миниатюрный термоэлектрический охладитель, в котором используются передовые термоэлектрические материалы для повышения эффективности охлаждения по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями. Управление технологическим процессом было улучшено, чтобы обеспечить повторяемость и длительный срок службы для стабилизации температуры в телекоммуникационных, промышленных, автономных и фотонных приложениях. Серия OptoTEC доступна в двух форматах; ОТХ и ХТХ. Термоэлектрический охладитель OptoTEC OTX имеет максимальную рабочую температуру 120°C, а термоэлектрический охладитель OptoTEC HTX предназначен для работы при экстремальных температурах до 150°C.

Серия PowerCycling PCX представляет собой высокопроизводительный термоэлектрический охладитель с уникальной прочной конструкцией, обеспечивающей долгий срок службы в условиях термоциклирования. Эта серия идеально подходит для молекулярной диагностики, где требуется высокая скорость изменения температуры при поддержании точной температуры с минимальным градиентом. Термоэлектрические охладители PowerCycling PCX проходят строгие циклические испытания в соответствии с последними квалификационными стандартами PCR без снижения производительности. Термоэлектрические охладители PCX, изготовленные из передовых термоэлектрических материалов, обеспечивают более высокую скорость изменения температуры по сравнению со стандартными продуктами.

Серия PolarTEC™ PT представляет собой термоэлектрический холодильник в стиле крыльца. Керамика с горячей стороны имеет расширенный край, который позволяет прочно закрепить выводы для подключения нескольких термоэлектрических охладителей в массив. Эта линейка продуктов доступна в конфигурациях на 4, 6 и 8 ампер и идеально подходит для крупносерийного производства. Собранные из полупроводникового материала на основе теллурида висмута и теплопроводной керамики на основе оксида алюминия, серия PolarTEC PT предназначена для применения с более высокими токами и большими тепловыми насосами. Для всех термоэлектрических охладителей PolarTEC серии PT используется многожильный провод длиной 152 мм (6,0 дюймов) с изоляцией из ПВХ.
 

Новая серия UltraTEC™ UTX обеспечивает 10-процентное повышение производительности теплового насоса, большую разницу температур и более высокую эффективность по сравнению со стандартными термоэлектрическими охладителями. Он собран из передовых термоэлектрических материалов и обладает более высоким теплоизоляционным барьером по сравнению со стандартными материалами, создавая максимальный перепад температур (ΔT) 72°C. Термоэлектрический охладитель UltraTEC UTX идеально подходит для точечного охлаждения промышленных лазеров, лазерных проекторов, медицинских диагностических систем и аналитических приборов. Серия предлагается в нескольких конфигурациях, включая различную мощность теплового насоса, геометрические формы и варианты напряжения.

 

 

Найдите оптимальное решение для термоэлектрического охладителя с помощью Thermal Wizard.

Нагрев и охлаждение с регулятором Пельтье

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

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. 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 можно здесь. 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.

Тепловая и охлаждающая способность Бытовое хозяйство

Другая причина, по которой термоэлектрический модуль обладает лишь ограниченной охлаждающей способностью, заключается в теплопроводности: 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 домом. (Основной причиной внедрения в контроллер Пельтье функций энергосбережения являются не соображения энергосбережения, а оптимальная и 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. Каждый канал контроллера Пельтье оснащен входом для точного измерения температуры объекта (Pt100, Pt1000, NTC), а также дополнительным входом для измерения температуры стока (NTC). Контроллер Пельтье будет использовать оптимальное энергопотребление (см. выше) для наиболее эффективного нагрева и охлаждения. Доступна автоматическая настройка и настраиваемая индикация стабильности температуры, а удобный программный пакет позволяет пользователям отслеживать и настраивать все параметры контроллера Пельтье (такие как текущие значения, параметры модели и пределы безопасности).

—> Купить контроллер TEC здесь

Знакомство с термоэлектрическим охлаждением — термоэлектрический

1.0 Введение в термоэлектрическое охлаждение

1.1 Термоэлектрический (ТЭ) охладитель, иногда называемый термоэлектрическим модулем или охладителем Пельтье, представляет собой полупроводниковый электронный компонент, который работает как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на модуль TE тепло будет перемещаться через модуль с одной стороны на другую. Таким образом, одна сторона модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная сторона одновременно нагревается. Важно отметить, что это явление можно обратить вспять, при этом изменение полярности (плюс и минус) приложенного постоянного напряжения приведет к перемещению тепла в противоположном направлении. Следовательно, термоэлектрический модуль можно использовать как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений с точным регулированием температуры.

1.1.1 Чтобы дать новому пользователю общее представление о возможностях термоэлектрического охладителя, может быть полезно предложить этот пример. Если типичный однокаскадный термоэлектрический модуль поместить на радиатор, температура которого поддерживается при комнатной температуре, а затем подключить модуль к подходящей батарее или другому источнику постоянного тока, «холодная» сторона модуля охладится примерно до — 40°С. В этот момент модуль почти не будет качать тепло и достигнет своего максимального номинального значения «DeltaT (DT)». Если бы тепло постепенно добавлялось к холодной стороне модуля, температура холодной стороны постепенно увеличивалась бы, пока в конечном итоге не сравнялась с температурой радиатора. В этот момент охладитель TE достиг своей максимальной номинальной «производительности теплового насоса» (Qmax).

1.2 Как термоэлектрические охладители, так и механические холодильники подчиняются одним и тем же фундаментальным законам термодинамики, и обе холодильные системы, хотя и существенно различаются по форме, функционируют по одним и тем же принципам.

В механической холодильной установке компрессор повышает давление жидкости и обеспечивает циркуляцию хладагента по системе. В области испарителя или «морозильной камеры» хладагент кипит, и в процессе превращения в пар хладагент поглощает тепло, в результате чего морозильная камера становится холодной. Тепло, поглощаемое в морозильной камере, перемещается в конденсатор, где оно передается в окружающую среду от конденсирующегося хладагента. В термоэлектрической системе охлаждения место жидкого хладагента по существу заменяет легированный полупроводник, конденсатор заменяется оребренным радиатором, а компрессор заменяется источником питания постоянного тока. Приложение постоянного тока к термоэлектрическому модулю заставляет электроны двигаться через полупроводниковый материал. На холодном конце (или «морозильной стороне») полупроводникового материала тепло поглощается движением электронов, перемещается через материал и выбрасывается на горячем конце. Поскольку горячий конец материала физически прикреплен к радиатору, тепло передается от материала к радиатору, а затем, в свою очередь, передается в окружающую среду.

1.3 Физические принципы, на которых основаны современные термоэлектрические охладители, на самом деле восходят к началу 1800-х годов, хотя коммерческие термоэлектрические модули не были доступны почти до 1960 года. Первое важное открытие, относящееся к термоэлектричеству, было сделано в 1821 году, когда немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет непрерывно течь в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, при условии, что соединения металлов поддерживаются при двух разных температурах. Однако Зеебек на самом деле не понял научной основы своего открытия и ошибочно предположил, что протекающее тепло производит тот же эффект, что и протекающий электрический ток. В 1834 году французский часовщик и физик по совместительству Жан Пельтье, исследуя «эффект Зеебека», обнаружил, что существует противоположное явление, при котором тепловая энергия может поглощаться в одном соединении из разнородного металла и разряжаться в другом соединении, когда электрический ток протекал по замкнутому контуру. Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии известный как лорд Кельвин) дал исчерпывающее объяснение эффектов Зеебека и Пельтье и описал их взаимосвязь. Однако в то время эти явления еще считались простыми лабораторными диковинками и не имели практического применения.

В 1930-х годах русские ученые начали изучать некоторые из более ранних термоэлектрических работ, пытаясь построить генераторы энергии для использования в отдаленных местах по всей стране. Этот российский интерес к термоэлектричеству в конечном итоге привлек внимание остального мира и вдохновил на разработку практических термоэлектрических модулей. В современных термоэлектрических охладителях используется современная полупроводниковая технология, в соответствии с которой легированный полупроводниковый материал заменяет разнородные металлы, использовавшиеся в ранних термоэлектрических экспериментах.

1.4 Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона вместе с некоторыми другими явлениями составляют основу функциональных термоэлектрических модулей. Не вдаваясь в подробности, мы рассмотрим некоторые из этих фундаментальных термоэлектрических эффектов.

1.4.1 ЭФФЕКТ Зеебека: Чтобы проиллюстрировать эффект Зеебека, давайте рассмотрим простую схему термопары, как показано на рисунке (1.1). Проводники термопары представляют собой два разнородных металла, обозначенных как Материал x и Материал y.

В типичном приложении для измерения температуры термопара A используется в качестве «эталона» и поддерживается при относительно низкой температуре Tc. Термопара B используется для измерения интересующей температуры (Th), которая в данном примере выше, чем температура Tc. При подаче тепла на термопару В на клеммах Т1 и Т2 появится напряжение. Это напряжение (Vo), известное как ЭДС Зеебека, может быть выражено как:

Vo = axy x (Th – Tc)

где:

Vo = выходное напряжение в вольтах
axy = дифференциальный коэффициент Зеебека между двумя материалами, x и y, в вольт/°K
Th и Tc = горячий и холодный температуры термопары, соответственно, в °K

1. 4.2 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ: Если мы изменим нашу схему термопары, чтобы получить конфигурацию, показанную на рисунке (1.2), можно будет наблюдать противоположное явление, известное как эффект Пельтье.

Если напряжение (Vin) подается на клеммы Tl и T2, в цепи будет протекать электрический ток (I). В результате протекания тока будет наблюдаться небольшой охлаждающий эффект (Qc) в месте соединения термопары A, где поглощается тепло, и эффект нагревания (Qh) будет возникать в месте соединения B, где выделяется тепло. Обратите внимание, что этот эффект можно обратить вспять, в результате чего изменение направления электрического тока изменит направление теплового потока. Эффект Пельтье может быть выражен математически как:

Qc или Qh=pxy x I

где:

pxy — дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами, x и y, в вольтах I — протекающий электрический ток в амперах Qc, Qh — скорость охлаждения и нагрев, соответственно, в ваттах.

Джоулев нагрев, имеющий величину I x R (где R — электрическое сопротивление), также происходит в проводниках в результате прохождения тока.