Kälteanlagen und Luftkühlsysteme sind unverzichtbare Elemente des täglichen Lebens. Standardmäßige volumetrische Ausführungen auf Kältemittelbasis sind jedoch nicht für mobile Anwendungen wie Kühltaschen geeignet. In solchen Fällen werden Geräte verwendet, die auf dem Betrieb des Peltier-Effekts basieren, auf die wir in diesem Material ausführlich eingehen werden.
Das Peltier-Element oder thermoelektrischer Kühler basiert auf einem Thermoelement aus zwei Elementen mit p- und n-Leitfähigkeit, die durch eine verbindende Kupferplatte verbunden sind. Details bestehen in den meisten Fällen aus Wismut, Tellur, Antimon und Selen. Solche Geräte werden in häuslichen Kühlsystemen eingesetzt, sie haben auch die Fähigkeit, Energie zu erzeugen.
Inhalt
Was ist das
Das Phänomen und der Begriff Peltier deuten auf eine Entdeckung des französischen Wissenschaftlers Jean-Charles Peltier aus dem Jahr 1834 hin.Der Kern der Entdeckung besteht darin, dass im Kontaktbereich zwischen zwei unterschiedlich gerichteten Leitern, durch die ein elektrischer Strom fließt, ständig Wärme abgegeben oder aufgenommen wird.
Die klassische Theorie erklärt dieses Phänomen so: Mit Hilfe eines elektrischen Stroms werden Elektronen zwischen Metallen übertragen, die sich je nach Kontaktpotentialdifferenz auf Metallleitern mit unterschiedlicher Leitfähigkeit beschleunigen oder verlangsamen. Peltier-Elemente tragen somit zur Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme bei.
Beim zweiten Leiter tritt der gegenteilige Effekt auf, bei dem aufgrund physikalischer Grundgesetze eine Energiezufuhr notwendig ist. Diese Situation entsteht durch den Prozess der thermischen Schwingung, wodurch das Metall des zweiten Leiters gekühlt wird.
Mit Hilfe moderner Technologien ist es möglich, ein Peltier-Modul mit maximaler thermoelektrischer Wirkung herzustellen.
Gerät und Funktionsprinzip
Moderne Peltier-Module sind ein Design, bei dem zwei Isolatorplatten vorhanden sind und Thermoelemente in strenger Reihenfolge zwischen ihnen verbunden sind. Das Standardschema dieses Elements zum besseren Verständnis seiner Funktionsweise ist in der Abbildung dargestellt.
Bezeichnungen von Strukturelementen:
- A - Kontakte, mit deren Hilfe die Verbindung zur Stromquelle hergestellt wird;
- B - heiße Oberfläche;
- C - kalte Seite;
- D - Kupferleiter;
- E ein Halbleiter mit p-Übergang ist;
- F ist ein Halbleiter vom n-Typ.
Das Element ist so hergestellt, dass beide Oberflächen je nach Polarität in Kontakt mit p-n- oder n-p-Übergängen stehen. Die Kontakte p-n erwärmen sich und die Temperatur von n-p sinkt.Als Ergebnis tritt an den Enden des Elements eine Temperaturdifferenz DT auf. Dieser Effekt führt dazu, dass die thermische Energie, die sich zwischen den Elementen des Moduls bewegt, je nach Polarität das Temperaturregime regelt. Zu beachten ist auch, dass sich bei einem Polaritätswechsel die heißen und kalten Oberflächen ändern.
Technische Eigenschaften
Die technischen Parameter des Peltier-Elements nehmen folgende Werte an:
- Kühlleistung (Qmax) - berechnet auf der Grundlage der Stromgrenze und der Temperaturdifferenz zwischen den Enden des Moduls. Maßeinheit - Watt;
- Grenztemperaturdifferenz (DTmax) - gemessen in Grad, diese Eigenschaft wird für optimale Bedingungen angegeben;
- Imax ist der maximale elektrische Strom, der erforderlich ist, um eine größere Temperaturdifferenz bereitzustellen;
- Grenzspannung Umax, die erforderlich ist, damit der elektrische Strom Imax die maximale Temperaturdifferenz DTmax erreicht;
- Widerstand - Innenwiderstand des Geräts, gemessen in Ohm;
- COP ist der Wirkungsgrad oder Wirkungsgrad des Peltier-Moduls, der das Verhältnis von Kühlung und Stromverbrauch widerspiegelt. Je nach Ausstattung des Geräts liegt der Indikator bei preiswerten Geräten im Bereich von 0,3 bis 0,35, bei teureren Modellen variiert er bis zu 0,5.
Die Vorteile des mobilen Peltier-Elements sind kleine Abmessungen, Reversibilität des Prozesses sowie die Möglichkeit, es als tragbaren Stromgenerator oder Kühlschrank zu verwenden.
Die Nachteile des Moduls sind hohe Kosten, niedriger Wirkungsgrad innerhalb von 3%, hohe Energiekosten und die Notwendigkeit, die Temperaturdifferenz konstant zu halten.
Anwendung
Selbst unter Berücksichtigung des niedrigen Wirkungsgrads werden die Platten im Peltier-Modul häufig in Mess- und Rechengeräten sowie in tragbaren Haushaltsgeräten eingesetzt. Hier ist eine Liste von Geräten, in denen Modelle fester Bestandteil sind:
- Tragbare Kühlgeräte;
- kleine Stromgeneratoren;
- Kühlkomplexe in PCs und Laptops;
- Kühler zum Erhitzen und Kühlen von Trinkwasser;
- Lufttrockner.
So verbinden Sie sich
Sie können das Peltier-Modul selbst anschließen, es erfordert nicht viel Zeit und Mühe. Die Ausgangskontakte müssen mit einer konstanten Spannung versorgt werden, die in der Bedienungsanleitung des Gerätes angegeben ist. Das rote Kabel wird mit Plus und das schwarze Kabel mit Minus verbunden. Beachten Sie, dass bei einer Umkehrung der Polarität die beheizten und gekühlten Oberflächen die Plätze tauschen.
Vor dem Anschließen wird empfohlen, die Funktionsfähigkeit des Elements zu überprüfen. Eine der einfachen und zuverlässigen Möglichkeiten, das Gerät zu überprüfen, ist die taktile Methode: Dazu müssen Sie das Gerät an eine elektrische Stromquelle anschließen und verschiedene Kontakte berühren. Bei einem normal funktionierenden Gerät sind einige Kontakte warm, während andere kühl sind.
Sie können auch mit einem Multimeter und einem Feuerzeug prüfen. Dazu müssen Sie die Sonden an die Kontakte des Geräts anschließen, das Feuerzeug zur Seite bringen und die Messwerte des Multimeters beobachten. Wenn das Peltier-Element im Standardmodus arbeitet, wird während des Heizvorgangs auf einer Seite ein elektrischer Strom erzeugt und die Spannungsdaten werden auf dem Multimeter-Bildschirm angezeigt.
Wie man ein Peltier-Element zum Selbermachen herstellt
Das Peltier-Element ist aufgrund der geringen Kosten und des Bedarfs an Spezialkenntnissen zur Herstellung eines funktionsfähigen Elements zu Hause unpraktisch herzustellen. Sie können jedoch mit Ihren eigenen Händen einen effizienten mobilen thermoelektrischen Generator zusammenbauen, der sich auf dem Land oder auf einem Campingausflug als nützlich erweisen wird.
Um die elektrische Spannung zu stabilisieren, müssen Sie selbst einen handelsüblichen Konverter auf dem IC-Chip L6920 montieren. Am Eingang des Geräts muss eine Spannung von 0,8-5,5 V angelegt werden, und am Ausgang werden 5 V erzeugt. Dieser Wert reicht aus, um den Akku mobiler Geräte im Standardmodus aufzuladen. Wenn ein standardmäßiges elektronisches Peltier-Gerät verwendet wird, muss die Temperaturgrenze der beheizten Oberfläche auf 150 Grad begrenzt werden. Zur einfachen Temperaturkontrolle empfiehlt es sich, einen Wasserkocher mit kochendem Wasser zu verwenden, dann erwärmt sich das Modell nicht über 100 Grad.
Peltierplatten werden häufig zur Kühlung moderner Haushaltsgeräte verwendet, in Klimaanlagen hat sich die Wirksamkeit des Geräts insbesondere zur Stabilisierung des Wärmeregimes und zur Kühlung eines leistungsstarken Prozessors bewährt. Auf der Basis des Peltier-Elements werden zu Hause oft effektive mobile Kühlschränke für Sommerhäuser oder Autos hergestellt, die den Heizkörper mit Strom versorgen. Aufgrund der Reversibilität des Prozesses werden selbstgebaute Elemente als mobile Kleinkraftwerke in Gebieten ohne Stromquelle eingesetzt.
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