Электричество прочно вошло в нашу жизнь и приборы, где оно выступает в качестве источника энергии, широко применяются в быту. Это разнообразные нагревательные элементы, насосы или моторы. С его помощью можно понижать температуру. Причём без использования термодинамики и свойства фреона охлаждаться при расширении.
Устройство, которое называется элемент Пельтье успешно справляется с этой задачей.
Принцип работы основан на эффекте изменения температуры у двух разных тесно соприкасающихся проводников. Если через них пропустить электрический ток, то один из них охлаждается, а другой нагревается. При смене полярности нагрев и охлаждение также меняются местами и их интенсивность напрямую зависит от силы тока. Это явление Ж. Пельтье открыл ещё в 1984 г., но только в середине 20 века, после начала широкого применения полупроводников, ему нашли практическое применение.
Принцип работы элемента Пельтье
Термоэлемент состоит из двух пластин, состоящих из разных материалов, проводимость которых отличается друг от друга. Соответственно в них разный уровень энергии электронов при одинаковой силе тока. Если эти пластины соприкасаются, то электрон с более низкой энергией должен увеличить её при переходе на более высокоэнергичную область. И пластина с такими электронами начинает охлаждаться. В другой пластине они тормозятся и излишек выделяемой энергии уходит на нагревание.
Этот эффект становится более выраженным при использовании полупроводников.
Как устроен термоэлемент?
Необходимое количество термопар собирается в термоэлектрический модуль. Каждая термопара состоит из двух разнородных полупроводников P и N, соединённых медной пластиной (на рисунке прямоугольник белого цвета). С двух сторон модуль закрывается керамическими пластинами.
Мощность элемента Пельтье зависит от количества термопар, соединённых последовательно.
Постоянный ток, протекающий через модуль, нагревает одну пластину и охлаждает другую. Если отводить тепло у нагреваемого элемента, то холодная сторона будет интенсивно терять температуру и разница с окружающей средой может достигать десятков градусов.
Достоинства и недостатки
Применение термоэлемента вытекает из его преимуществ:
- Мощность и размеры модуля могут быть любыми.
- Отсутствие шума при работе.
- Чтобы сделать нагревательный элемент охлаждающим, достаточно поменять полярность питания.
- Нет движущихся частей.
- В конструкции отсутствуют газ или жидкость.
Есть и минус в использовании. Он только один – очень низкий КПД. Дело в том, что электроны переносят заряд и тепловую энергию. Поэтому в модуле должны использоваться материалы хорошо проводящие ток и одновременно с низкой теплопроводностью. Эти свойства взаимоисключающиеся. Используемые полупроводники на основе солей теллура, висмута или селена такими параметрами обладают, но в малой степени, а лучше пока ничего не создано.
Где применяются?
Если требуется мобильность или маленькие размеры для холодильника и энергетическая эффективность не так важна, элементы Пельтье – правильный выбор.
Примеры применения:
- автомобильные холодильники,
- кулеры для воды,
- осушители воздуха,
- ресторанные тележки,
- приёмники в инфракрасных сенсорах,
- для уменьшения теплового шума в фотографии,
- охлаждение лазеров.
Маркировка и технические параметры термоэлемента
На каждом изделии присутствует ряд букв и цифр. Они означают:
1. "ТЕ" – перед нами термоэлемент.
2. "С" означает стандартный модуль. Может быть ещё "S" – малый.
3. Далее, идёт количество слоёв. В данном случае один.
4. Следующие 3 цифры указывают число термопар, в нашем примере их 127.
5. И "05" – номинальный ток. Здесь 5 ампер.
Параметры, которые характеризуют работу элемента следующие:
- СОР или КПД. Максимально он достигает 50%.
- RES – электрическое сопротивление.
- Qmax – производительность холода.
- Umax – максимальное напряжение.
Холодильное оборудование широко применяется в повседневной жизни. И если требуется мобильность или стабилизация теплового режима, то в холодильных агрегатах используется элемент Пельтье.
P.S. Еще больше информации про элемент Пельтье вы можете почитать в моей статье: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html