Пельтье элемент кпд: Элементы Пельтье для охлаждения компьютера (часть 1, теория и замеры эффективности) — PC-01 — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры – термостаты. Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц — фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл — это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии. При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье.

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей – это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов – твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию.

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля (термоэлектрического генератора) смотрите на этом видео:

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!

Андрей Повный

Источник: http://electrik.info

Элемента пельтье (охлаждение вк) | MiningClub.info

Nurzhanov.a.b

Свой человек

2 Июл 2017

Всем привет! Я решил ферму включать только по ночам
А то температура за бортом очень высокая ))) Я сам прям как видеокарта нагреваюсь + еще на солнечной стороне. Думал купить огромный вентилятор или кондер но мне кажется я сам себя обманываю ))) В итоге буду на розетку.
И тут я вспомнил о таком элементе под названием ПЕЛЬТЬЕ!
Кто пробовал или кто может попробовать )))
Вот нашел небольшое описание:
https://geektimes.ru/post/257340/
Вот думаю прикупить парочку

Berk
Знающий
2 Июл 2017

Плюс он сам нехило потребляет. Имхо лучше водянка

Nurzhanov.a.b
Свой человек
2 Июл 2017

Похоже на вечный двигатель, даже не вникая надо понимать что энергия никуда не девается просто так, я себе просто сквозняк устроил и хватает вроде до тех пор пока на улице до 30, либо вентилятор на выдув поставить у окна, в идеале подвесить его вверху окна, а внизу холодный воздух заходить будет
Изучите как работает пельтье.И не будете писать всякую чуш.

panteleev
Свой человек
2 Июл 2017

Расходимся, нас нае. ..ли

GoldHands
Свой человек
2 Июл 2017

т.е. просто снизить повер лимит на картах не вариант? да, меньше производительность, но и тепла выделять будут намного меньше.

Nurzhanov.a.b
Свой человек
2 Июл 2017

Катит… но так как тепло приходит обратно, температура постепенно растет )))
Вчера вентилятор сгорел )))

GoldHands
Свой человек
2 Июл 2017

а ферма обдувается хотя бы?

Gib
Бывалый
2 Июл 2017

Обдувалась ))) Теперь думаю как бы все подешевле сделать )))
В общем думаю поставить рядом тазик с льдом и вентилятор небольшой…
Интересно на сколько этот тазик хватит )))

฿itcoin
Свой человек
2 Июл 2017

Всем привет! Я решил ферму включать только по ночам
А то температура за бортом очень высокая ))) Я сам прям как видеокарта нагреваюсь + еще на солнечной стороне. Думал купить огромный вентилятор или кондер но мне кажется я сам себя обманываю ))) В итоге буду на розетку.
И тут я вспомнил о таком элементе под названием ПЕЛЬТЬЕ!
Кто пробовал или кто может попробовать )))
Вот нашел небольшое описание:
https://geektimes.ru/post/257340/
Вот думаю прикупить парочку
Нажмите, чтобы раскрыть…
Элемент конденсирует, спалит всю систему

Aleks03
Бывалый
2 Июл 2017

афтор не надо выдумывать сложные схемы, будь проще и люди потянутся..
в корпусе компьютера во время игр температура сильно выше чем в комнате с 1 фермой, поэтому просто продувай карты, отводи от них тепло и все. ..
снижение частоты ядра и напряжения также благосклонно скажется на температуре, стабильности и долговечности

GoldHands
Свой человек
2 Июл 2017

да, если не правильно рассчитать систему, то конденсат может выпасть и …. вещь хорошая, но сфера применения немного другая.

nskmods
Новичок
2 Июл 2017

Если человек пишет об охлаждении чипов малой площади и тепловыделением в десятки (за сотню) ватт элементами Пельтье, это маркер.
Маркер того, что человек не в теме. Раз.
Что человек не строит простейших логических цепей. Два.
Прежде чем чуть копнуть матчасть пишет в форум. Три.
Уже писали. Элементы Пельтье имеют низкий КПД. Жрать будет много.
Для отвода такого количества тепла (+ икс два от самих Пельтье) с малой площади нужен будет каскад элементов Пельтье. На вскидку штук 15. И то я сомневаюсь, что они вытянут сотню ватт от чипа.
В современных холодильниках используют системы на принципе фазового перехода, а не элементы Пельтье. Это отправная точка для построения простой логической цепи.
Самое простое и дешевое — продувать ферму вентилятором и менять объем воздуха в помещении. Приток отток.

термодинамика — Почему эффективность эффекта Пельтье / Зеебека в практических устройствах так низка?
Чтобы достичь эффективности Карно, материалы, из которых состоит ТЭГ, должны иметь бесконечное значение ZT. Это так, потому что эффективность ТЭГ может быть выражена как эффективность Карно, умноженная на член, равный 1, когда $ZT$ бесконечно. 2T}{\kappa}$, где $\kappa$ — теплопроводность , $\sigma$ — электропроводность, $S$ — коэффициент Зеебека, $T$ — абсолютная температура.
Это значение не может достигать бесконечности.
Поэтому хороший материал-кандидат должен обладать хорошей электропроводностью, низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом Зеебека. На практике металлы выбрасываются, потому что они каким-то образом подчиняются закону Видемана-Франца, который гласит, что хороший электрический проводник является также хорошим проводником тепла, и это справедливо для большинства металлов. У изолятора высокие значения $S$, но чрезвычайно низкие значения $\sigma$, поэтому они также не являются хорошими кандидатами. Лучшими кандидатами являются сильно легированные полупроводники, которые занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами (обратите внимание, что существует теоретическое оптимальное значение концентрации легирования). Для полупроводников можно разделить теплопроводность на решеточный вклад и на электронный вклад: $\kappa = \kappa_l + \kappa_e$. Хотя $\kappa_e$ достаточно хорошо удовлетворяет закону Видемана-Франца, часть $\kappa_l$ от него не зависит. Это означает, что если уменьшить вклад решетки в теплопроводность, то увеличивается коэффициент ZT. На практике такое уменьшение достигается различными способами, такими как создание очень сложных материалов (с очень большими химическими формулами) со сложной геометрией кристаллической структуры, влияющих на распространение фононов. В настоящее время многие исследователи работают над конструкционными материалами с очень низким значением $\kappa_l$.
Если мы обратимся к сверхпроводникам, то у них, к сожалению, исчезающий коэффициент Зеебека, поэтому они совершенно не способны генерировать энергию из разницы температур посредством эффекта Зеебека. т.е. их нельзя использовать в качестве материалов для выработки энергии в ТЭГ или для охлаждения в модуле Пельтье.
Обратите внимание, что существует теоретическое минимальное значение $\kappa$, которое может быть достигнуто, примерно такое же, как у стакана. Так как $S$ также ограничено (не может быть сколь угодно большим), что часто связано с электропроводностью через формулу Мотта, и поскольку мы уже видели, что сверхпроводники (где можно было бы подумать, что $\sigma$ равно бесконечности хотя правильнее было бы сказать, что $\rho$ обращается в нуль), у $ZT$ не осталось никакой надежды достичь бесконечности.
Это только объясняет, почему термоэлектрические материалы приводят к тепловым двигателям, эффективность которых не соответствует эффективности Карно.
Теперь самое печальное: значение ZT коммерческих ТЭГ составляет около 0,7 при комнатной температуре (материал Bi2Te3, который используется с 1970-х годов, несмотря на многие десятилетия улучшений!). В лаборатории нашли материал с ZT выше 2, но такой материал настолько химически нестабилен и хрупок, что его нельзя использовать для изготовления модулей ТЭГ или Пельтье. Это настоящая причина, почему термоэлектрические двигатели имеют такой низкий КПД. До сих пор нет материала с высоким ZT, несмотря на безумные усилия десятилетий. Даже DFT (теория функционала плотности), примененная ко всем элементам периодической таблицы, использовалась для предсказания хороших кандидатов, и лучшие кандидаты имели жалкие значения ZT по сравнению с эффективностью, получаемой от солнечных батарей и многих тепловых двигателей.
термодинамика — Существует ли теоретический предел эффективности термоэлектрических генераторов?
спросил 1 год, 8 месяцев назад
Изменено 3 месяца назад
Просмотрено 344 раза
$\begingroup$
Типичные термоэлектрические генераторы Зеебека работают с КПД 5-8%.
Существует ли верхний предел преобразования теплового потока (разности температур) непосредственно в электрическую энергию?
термодинамика
энергия
электричество
термоэлектричество
$\endgroup$
1
$\begingroup$
да, это предел Карно. 2 \sigma}{\kappa}$
S Коэффициент Seebeck
$ \ Sigma $ Electrical Forurance
$ \ Kappa $ Теплопроводность
для z, называемой термоэлектрической цифрой заслуги. НЕТ лимита, хотя практически мы имеем около 1-1,5
Справочник по схемам (извините, на немецком, но я уверен, что есть много других хороших статей на английском):
Термоэлектрические генераторы
$\endgroup$
$\begingroup$
Я думаю, что неэффективность ограничения в основном связана с обычной теплопроводностью, то есть большая часть тепловой энергии теряется таким образом. Как насчет того, чтобы изолировать два электрода от теплопроводности и вместо этого полагаться на тепловое излучение и использовать фотогальванику для преобразования излучения в электричество? Пусть тепловая сторона использует материал, который передает свою энергию в форме, наиболее приемлемой для принимающей фотогальванической стороны. Строго говоря, это не прибор Зеебека, а термоэлектрический генератор.