Elementi Peltier: raffreddamento e riscaldamento

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I moduli termoelettrici standard hanno un principio di funzionamento inverso. In questo articolo parleremo dell’uso dei moduli Peltier-Seebeck negli scambiatori di calore e forniremo un esempio di assemblaggio di un dispositivo di raffreddamento dell’acqua e di un sistema di raffreddamento di base per l’aria con la possibilità di riavviare (riscaldamento).

Elementi Peltier. Raffreddamento e riscaldamento

Il principio di funzionamento dei moduli termoelettrici (TEM), utilizzati per il raffreddamento, si basa sull’effetto Seebeck, il processo opposto all’effetto Peltier. L’elemento principale è lo stesso TEM descritto nella prima parte. Quando si applica la corrente continua al campo delle termocoppie, si osserva una differenza di temperatura sui piani della piastra in ceramica. Questo è un fatto basato su un processo termodinamico, che non descriveremo (per non stancarci di calcoli scientifici), ma mostreremo come applicarlo nella vita di tutti i giorni..

Nota.Per costruire le unità, le istruzioni per le quali sono fornite di seguito, avrai bisogno di abilità pratiche di base nel montaggio dei circuiti elettrici. I modelli di nodi indicati sono approssimativi e possono essere sostituiti da simili (o più / meno potenti) a discrezione del master.

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Il lettore esigente ha già capito che il “mestolo miracoloso” della prima parte può essere utilizzato per raffreddare il liquido se lo si esegue “nella direzione opposta” collegando una corrente continua.

Le TEM sono utilizzate in tutti i dispositivi di raffreddamento dell’acqua. È del tutto possibile costruire un analogo di questo dispositivo di fabbrica con le proprie mani, mentre non funzionerà peggio. Descriveremo il principio stesso di funzionamento e lo schema di assemblaggio. Le opzioni di layout ed esecuzione possono essere selezionate in base alle proprie esigenze. Ad esempio, renderlo portatile o fisso, integrato nei mobili della cucina o in un sistema di trattamento dell’acqua potabile. Quest’ultima opzione è ottimale, poiché il raffreddamento nel sistema sarà controllato (su alimentazione).

Per questo abbiamo bisogno di:

  1. Contenitore rettangolare in acciaio inossidabile sigillato piatto con dimensioni 100x100x30 (scambiatore a pallone) con uscite filettate su? pollici sui lati corti. Questo è l’unico elemento, la cui produzione è meglio ordinata da un artigiano in fabbrica..
  2. Acqua potabile con raccordo inserito? pollici (da un contenitore o impianto idraulico).
  3. Alimentazione 10-12 volt con amperaggio regolabile.
  4. Moduli termoelettrici TEC1-12705 (40×40) – 2 pezzi.
  5. Sezione del filo 0,2 mm.
  6. Colla a caldo o pasta termica.
  7. Tasto per 2 canali (interruttore a levetta, pulsante).
  8. Rubinetto, saldatore, saldatura.

Elementi Peltier. Raffreddamento e riscaldamento

Usando la colla a caldo, fissare il TEM sul pallone. Colleghiamo i fili nei gruppi appropriati (più e meno). Determiniamo una posizione comoda per la chiave, tenendo conto della possibilità di sostituzione durante la riparazione e dell’accessibilità durante l’uso. Lo includiamo nel diagramma. Colleghiamo i fili all’alimentazione. Eseguiamo test di circuito.

Attenzione! Durante il test, limitati a osservare il fatto stesso del corretto funzionamento, ma non cercare di dare il massimo carico a secco – questo può portare a un guasto del TEM (non può essere riparato).

Quindi colleghiamo il raccordo di ingresso del pallone dello scambiatore di calore con il canale di alimentazione dell’acqua e l’uscita con il tubo (flessibile o rigido) al rubinetto.

Riempiamo il sistema con acqua e impostiamo l’amperaggio ottimale alla pressione del getto richiesta. La testa ottimale è leggermente più forte della gravità. Questo sarà sufficiente per l’assunzione di acqua potabile fresca. Il resto delle sfumature – elementi di fissaggio, lunghezza del filo, posizione – sono puramente individuali in ogni caso.

Questo sistema di base può essere sviluppato e migliorato. Ad esempio, installare un termostato nello scambiatore di calore e includerlo nel circuito anziché in una chiave (interruttore a levetta) – è adatto dove è costantemente necessaria acqua di una certa temperatura. Il pallone dello scambiatore di calore può essere realizzato in argento per un’ulteriore ionizzazione dell’acqua. Includendo un convertitore step-up di tensione costante EK-1674 nel sistema, è possibile ridurre al minimo il consumo di energia.

Calcolo del costo di costruzione di un dispositivo di raffreddamento:

NomeUnità rev.QuantitàPrezzo unitario / rub.St, strofina.
Scambiatore di calore in acciaio inossidabile (con lavoro)PCS.110001000
TEM TEC1-12705 (40×40), 53 wattPCS.2300600
Alimentazione elettricaPCS.1300300
ChiavePCS.15050
Fili da 0,2 mmmcinque6trenta
Colla a caldo (pasta termica) Radiale 2 mlPCS.1150150
Tubi, raccordi, fodere300300
Totale2430

Questo sistema non utilizza un radiatore alettato, poiché l’obiettivo prefissato – raffreddare (ma non congelare) un piccolo volume di acqua (300 ml) – viene raggiunto senza di esso..

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Un compito più difficile è il raffreddamento ad aria. Se nel caso dell’acqua, l’efficienza del dispositivo di raffreddamento è garantita dalla differenza di densità del fluido (acqua – aria), quindi nel caso di un mezzo omogeneo (aria – aria) la situazione è più complicata. La principale difficoltà è la rimozione della temperatura dal lato caldo della superficie TEM. Più precisamente: rimozione sincrona della temperatura da entrambe le superfici. Se si avvia semplicemente l’elemento Peltier-Seebeck, l’aria riscaldata e raffreddata si mescolerà e la temperatura si uniformerà.

In spazi ristretti di piccolo volume (fino a 0,7 m3) è del tutto applicabile un sistema di raffreddamento basato su un TEM con uscita dell’aria a doppia faccia. Ciò consente di costruire una nuova scatola di raffreddamento o di dare una seconda vita a un vecchio frigorifero (congelatore). Per fare questo, dovrai complicare un po ‘il sistema includendo una coppia di ventole di scarico di potenza reciproca, un relè di temperatura, un radiatore alettato e utilizzare moduli termoelettrici più efficienti..

Elementi Peltier. Raffreddamento e riscaldamento

Abbiamo bisogno (per un punto di raffreddamento base):

  1. TEM TES1-12712 (40Х40), 106 watt – 1 pezzo.
  2. Ventilatore RQA 12025HSL 110VAC (o più potente) – 2 pezzi..
  3. Radiatore HS 036-100 (100x85x25 mm).
  4. Termostato TAM-133-1m (interruttore termico con sensore).
  5. Alimentatore CC 12 Volt, 6 Amp (regolabile).
  6. Foglio di duralluminio.
  7. Fili, grasso termico, elementi di fissaggio

Nella scatola finita, nella parte superiore della zona refrigerata, realizziamo una finestra rettangolare con dimensioni di 100×100 mm. Ritagliamo due lastre di duralluminio con dimensioni di 130×130 mm e 180×180 mm. Fissiamo la ventola al centro della piastra più piccola in modo tale che il flusso d’aria rimanga 1 cm.Installare l’interruttore di temperatura all’interno della scatola. Montiamo la più piccola delle piastre dall’interno della scatola (con una ventola all’interno della scatola) su viti o rivetti attraverso un sigillante. Incolliamo i TEM sulla piastra montata e tiriamo fuori i fili. Ritagliamo e pieghiamo una grande piastra in modo che si adatti al foro di montaggio, ma allo stesso tempo ci sono lati per il fissaggio alla parete della scatola dall’esterno. Attacchiamo un radiatore e un secondo ventilatore. Lubrificare liberamente con pasta termica TEM e montare la piastra sulla parete della scatola attraverso un sigillante.

Attenzione! Deve esserci un contatto massimo tra l’area TEM e la piastra!

Raccogliamo il circuito elettrico. Raccomandiamo di accendere i ventilatori a una potenza massima costante e la corrente per il TEM attraverso il regolatore. Ciò garantirà un’efficace rimozione della temperatura e miscelazione dell’aria quando si opera in diverse modalità (non a piena capacità).

I vantaggi di questo design:

  • funzionamento silenzioso rispetto ai frigoriferi a compressore;
  • mancanza di meccanismi e parti in movimento, forze di attrito (niente da rompere);
  • i portatori di calore liquido (freon) non vengono utilizzati;
  • consumo energetico totale di circa 200 watt;
  • è possibile aggiornare il design, variare le prestazioni;
  • disponibilità e manutenibilità delle singole unità.

svantaggi:

  • la condensa può apparire sulle piastre di duralluminio;
  • unità di controllo esterna;
  • molti fattori e sfumature di lavoro vengono rivelati empiricamente durante l’uso;
  • piccola area di applicazione.

Elementi Peltier. Raffreddamento e riscaldamento

Calcolo del costo di costruzione di un sistema di raffreddamento di base per un frigorifero e un condizionatore d’aria:

NomeUnità rev.QuantitàPrezzo unitario / rub.St, strofina.
TEM TES1-12712 (40X40), 106 wattPCS.1600600
Ventilatore RQA 12025HSL 110VACPCS.2150300
Duralluminio 3 mmPCS.1300300
Alimentazione DCPCS.1300300
Termostato TAM-133-1mPCS.1250250
Radiatore HS 036-100PCS.1220220
Fili, grasso termico, elementi di fissaggio, saldatura300300
Totale2270

In linea di principio, questo design è un condizionatore d’aria già pronto che può essere installato nella cabina di un’auto, di un trattore, in una voliera chiusa o in una cabina di sicurezza. Devi solo pensare alla protezione costruttiva contro le precipitazioni atmosferiche.

La riserva di carica del modulo TEC1-12712 è piuttosto grande. L’ampiezza della temperatura ai lati dell’elemento può raggiungere i 50 gradi. A una temperatura dell’aria nella stanza di +27 ° C e l’uso di un sistema di raffreddamento a liquido (radiatore + ventola), è possibile estrarre un impressionante meno 25 ° C all’uscita! Ciò consente di creare congelatori senza compressore e silenziosi anche a casa.

Dove altro vengono utilizzati i moduli termoelettrici?

L’effetto Peltier-Seebeck è noto fin dal 1840. È attivamente utilizzato fino ad oggi, grazie alla stabilità delle leggi della fisica. Il modulo termoelettrico troverà sempre un posto dove c’è energia in eccesso o è necessario per trasferire il calore rapidamente e silenziosamente.

Le principali applicazioni dei moduli termoelettrici:

  1. Raffreddamento di microcircuiti. I fan appartengono al passato come principale scambiatore di calore. Sono sostituiti da TEM compatto, silenzioso e quasi eterno.
  2. Ingegnere meccanico. Anche il più moderno ICE genera gas di scarico dalla camera di combustione. Gli ingegneri usano il loro calore per generare energia aggiuntiva utilizzando elementi Peltier. L’energia raccolta viene restituita ai sistemi del motore, ma sotto forma di corrente continua, che consente di risparmiare carburante.
  3. Elettrodomestici. Tutto quanto sopra descritto, oltre alla maggior parte degli elettrodomestici che funzionano per il raffreddamento o il riscaldamento (ad eccezione dei frigoriferi a compressore).

Elementi Peltier. Raffreddamento e riscaldamento

E un ultimo piccolo segreto. Il nostro modulo ha una proprietà quasi meravigliosa: la reversibilità. Ciò significa che quando la polarità CC viene invertita sui fili del modulo (utilizzando un interruttore), le superfici calde e fredde vengono invertite. Il dispositivo di raffreddamento si trasforma in un riscaldatore, il frigorifero in una camera termica (incubatore) e il condizionatore d’aria si trasforma in un termoventilatore a bassa potenza. Non è necessario modificare lo schema del dispositivo per questo. Basta cambiare la polarità.

Questo principio viene utilizzato in un dispositivo chiamato recuperatore. È una scatola composta da due camere isolate, che comunicano tra loro usando i fan. Con l’aiuto dei moduli Peltier, l’aria fredda dall’esterno viene riscaldata dall’energia estratta dall’aria riscaldata che viene rimossa dalla stanza. Il dispositivo consente di risparmiare sul riscaldamento della casa.

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