Охлаждение элемента пельтье водой

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Выводы и видео на сладкое

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Источник

Простой охладитель для аквариума на элементе Пельтье

Александр Русу — Одесса

Аквариум – это небольшой параллельный мир, в который можно периодически уходить, когда в существующей вселенной становится неуютно. Однако поддержание нормального микроклимата в аквариуме является не самой простой задачей и требует применения специализированного оборудования. Конечно, может показаться, что сейчас на рынке есть все, что для этого необходимо, но, как оказалось на практике, это не совсем так.

Одной из проблем содержания аквариумных рыбок является необходимость охлаждения воды летом, когда температура воздуха перестает опускаться ниже 25 °C. Например, в Одессе этот период начинается с середины июля и может продолжаться до двух месяцев. Если в помещении нет кондиционера, то для многих рыбок наступление этого сезона заканчивается самым печальным образом.

Уменьшить температуру воды намного сложнее, чем увеличить. На рынке присутствует огромный выбор недорогих и надежных аквариумных обогревателей, в том числе и со встроенными терморегуляторами, но стоимость охладителей (чиллеров) в большинстве случаев оказывается заоблачной. Да и рассчитаны они обычно на охлаждение больших объемов воды, поэтому приобретать их, например, для маленького 10-литрового аквариума нет особого смысла. Существует еще несколько проектов чиллеров, которые можно изготовить в домашних условиях, однако они тоже достаточно сложны для повторения.

В этой статье описан простой и недорогой аквариумный охладитель, который можно собрать самостоятельно за несколько часов. Большинство деталей для его изготовления можно найти в «закромах» людей, занимающихся ремонтом компьютеров или увлекающихся электроникой. В самом лучшем случае для повторения этой конструкции потребуется приобрести всего один элемент Пельтье. И хоть данная самоделка может оказаться слишком примитивной и не очень презентабельной, с ее помощью можно охладить воду 20-литрового аквариума почти на 5 °С, что вполне достаточно для спасения обитателей аквариума в летнюю жару.

Методы уменьшения температуры воды в аквариуме

Существует два основных способа охлаждения воды в аквариуме: добавление холодных объектов, например, контейнеров со льдом, и использование тепловых насосов. Добавление льда или холодной воды требует постоянного присутствия человека рядом с аквариумом и холодильником, что не всегда возможно, особенно для людей с напряженным рабочим графиком, поэтому лучше всего использовать для этого автоматизированные устройства.

На сегодняшний день существует два основных вида тепловых насосов: на основе компрессоров и на основе элементов Пельтье. Компрессорные тепловые насосы имеют высокую эффективность и могут создать достаточно большую разницу температур в рабочих контурах. Из-за этого они активно используются в бытовых и промышленных холодильных установках, а также системах отопления и кондиционирования. Однако они имеют достаточно сложную конструкцию, а для того, чтобы изготовить их в домашних условиях, необходимы специальное оборудование, знания и практические навыки, обычно отсутствующие у большинства специалистов в области электроники.

Эффективность элементов Пельтье меньше, чем у компрессорных систем. Однако они компактны, и намного проще в эксплуатации, чем компрессоры. С точки зрения электроники, элемент Пельтье является относительно простым радиоэлементом, не требующим для своей работы сложных алгоритмов запуска или высокостабильных токов. Кроме того, элементы Пельтье доступны для приобретения практически у всех поставщиков электронных компонентов и имеют относительно невысокую стоимость.

Особенности использования элементов Пельтье

Принцип работы элементов Пельтье широко описан в технической литературе, поэтому нет смысла подробно останавливаться на этом вопросе. На сегодняшний день самыми популярными и доступными на рынке являются элементы Пельтье TEC1 с размерами 40 × 40 × 3.8 мм. В охладителе был использован элемент TEC1-12706 (Рисунок 1), содержащий 127 последовательно включенных полупроводниковых элементов, способных работать при токе до 6 А.

Рисунок 1.	Внешний вид элемента Пельтье TEC1 12706.

Элементы TEC1 состоят из двух керамических пластин, обычно белого цвета, между которыми располагаются активные полупроводники. Промежуток между пластинами заливается герметичным компаундом. Электрическая энергия на полупроводниковые компоненты подается с помощью двух проводов, как правило, красного и черного цветов. При подключении красного провода к положительному полюсу источника питания, а черного – к отрицательному сторона, на которой нанесена маркировка, обычно охлаждается, а противоположная сторона, без маркировки, нагревается. Если изменить полярность напряжения, то передача тепла (энергии) будет происходить в обратном направлении.

Срок службы элементов Пельтье во многом зависит от режима их работы. Лучше всего подавать на них постоянное напряжение с коэффициентом пульсаций не более 5%. В процессе работы элемента Пельтье лучше всего стабилизировать уровень потребляемой мощности, а также контролировать температуру горячей пластины, которая не должна превышать 50 °C. Питание элементов Пельтье импульсным напряжением, например, с использованием ШИМ, а также частое включение-выключение, не рекомендуется – материалы этих элементов деградируют при каждом изменении температурного режима, поэтому циклические режимы работы могут быстро разрушить эти приборы.

Конструкция и сборка охладителя

Размеры элемента TEC1 12706 равны 40 × 40 мм, что соизмеримо с размерами процессоров компьютеров. Поэтому в качестве теплообменников удобнее всего использовать готовые радиаторы от старых компьютеров – элементы TEC1 12706 на них устанавливаются без какой-либо доработки (Рисунок 2). Кроме того, практически всегда можно найти готовый комплект радиатор + вентилятор, который вряд ли уже когда-нибудь будет использоваться по своему прямому назначению.

Рисунок 2.	Элементы охладителя аквариума.

Размеры радиатора, предназначенного для охлаждения воды, должны быть максимально большими. При этом желательно выбирать радиатор с длинными ребрами, чтобы не утратить контакт с водой при возможном ее испарении. Поскольку вода имеет достаточно высокую теплопроводность, то вентилятор для этого радиатора не нужен.

Из-за низкой теплопроводности воздуха радиатор с горячей стороны элемента Пельтье должен или иметь большие размеры или обдуваться вентилятором. Если использовать радиаторы, предназначенные для охлаждения процессоров, то вентилятор нужен обязательно, хотя бы потому, что воздушные радиаторы, рассчитанные на работу при принудительном охлаждении, плохо работают при естественном обдуве. Без вентилятора температура горячего радиатора очень быстро достигает 50 °C и ток, потребляемый элементом Пельтье, катастрофически падает. В таком режиме уменьшение температуры воды не превышает 1 °C (проверено).

Единственным элементом, который придется изготовить самостоятельно, является основание, предназначенное для сборки конструкции целиком. Основание должно быть изготовлено из материала с невысокой теплопроводностью, поскольку оно контактирует и с горячим, и с холодным радиаторами, и если сделать его, например, из металла, то произойдет тепловое короткое замыкание и эффективность работы охладителя уменьшится до нуля. Геометрические размеры основания во многом зависят от размеров и способа крепления радиаторов. Желательно делать его максимально большим, поскольку оно еще и выполняет функцию теплового экрана, препятствуя смешиванию вентилятором холодного воздуха у поверхности воды с горячим воздухом, выдуваемым с радиатора.

Для изготовления основания лучше всего использовать материал такой же толщины, как и элемент Пельтье – приблизительно 4 мм. Это позволит хорошо прижать радиаторы друг к другу, не создавая при этом значительных механических усилий на сам элемент. В данном случае, самым доступным материалом для основания оказалась трехслойная 4-миллиметровая фанера, хотя можно использовать и другие листовые материалы подходящей толщины, например, акрил или поликарбонат.

Для установки элемента Пельтье в центре освнования лобзиком выпиливается прямоугольное отверстие с размерами 50 × 50 мм (Рисунок 3). При необходимости с одной из сторон этого квадрата делаются два пропила для проводов. Форма и размеры остальных отверстий зависят от имеющихся радиаторов, поэтому на чертеже указаны лишь общие цифры – при использовании других радиаторов отверстия будут другими.

Рисунок 3.	Чертеж и пример основания.

Способ объединения всех элементов конструкции, опять же, зависит от имеющихся радиаторов. В данном случае горячий радиатор изначально был рассчитан на установку с помощью пружины. Эта пружина и была использована для соединения всей конструкции в единое целое. Для этого пришлось немного изменить ее форму, разогнув один конец с помощью плоскогубцев, а в холодном радиаторе просверлить два отверстия и нарезать в них резьбу (Рисунок 4). После этого, сделав в основании необходимые прорези, всю конструкцию можно собрать в единое целое с помощью двух винтов М3 или М4. Винты для соединения радиаторов лучше использовать с низкой теплопроводностью, например, изготовленные из пластика или капрона, поскольку через металл замыкается часть теплового потока. Перед сборкой обе стороны элемента Пельтье нужно смазать термопастой, например, КПТ-8 для лучшего теплового контакта с радиаторами.

Рисунок 4.	Крепление радиаторов.

Для установки охладителя в аквариуме были использованы четыре металлические полосы из мягкого металла (Рисунок 5). В данном случае они были сделаны из оставшихся после ремонта прямых подвесов для стоечного профиля, используемых при монтаже гипсокартоновых стен. Металл полос должен быть мягким, чтобы можно было легко регулировать положение охладителя в аквариуме. Соединить полосы с основанием можно любым способом, например, с помощью шурупов или винтов М3 или М4. Длина полос зависит от размера аквариума и должна быть достаточна для того, чтобы охладитель случайно не упал в воду.

Рисунок 5.	Охладитель в сборе.

Последний этап сборки заключается в установке клеммной колодки и электрического соединения всех элементов охладителя в единое целое (Рисунок 6). Поскольку и для элемента Пельтье, и для вентилятора необходимо постоянное напряжение величиной 12 В, то никаких проблем на этом этапе возникнуть не должно. Если вентилятор имеет встроенный датчик оборотов, то его выход также лучше подключить на отдельную клемму, хотя это совершенно необязательно. Закрепить клеммную колодку на основании можно любым способом, например, с помощью шурупов или винтов М3/М4.

Рисунок 6.	Электрическая схема охладителя.

При использовании элемента TEC1 12706 для питания охладителя необходим источник постоянного напряжения с максимальным выходным током не менее 5 A. Для этого можно использовать любые выпрямительные устройства общего назначения, например, используемые для питания светодиодных лент (Рисунок 7). Соединить блок питания с охладителем можно любым проводом необходимой длины, рассчитанным на работу при длительном токе не менее 3 А, то есть имеющим сечение не менее 0.75 мм 2 .

Рисунок 7.	Блок питания 12 В, 5 А.

После этого охладитель готов к работе. В аквариуме его желательно установить в центре так, чтобы нижний радиатор имел хорошее соприкосновение с водой, при этом основание должно находиться выше уровня воды (Рисунок 8). Не лишним будет напомнить, что блок питания нужно устанавливать таким образом, чтобы исключить даже малейшую возможность как попадания его в воду, так и попадания воды на него, а включать систему в электрическую сеть можно только после завершения всех монтажных работ.

Рисунок 8.	Установка охладителя в аквариуме.

Результаты тестирования охладителя

Испытание охладителя было произведено в тестовом аквариуме емкостью 20 литров. Измерения температуры проводились с помощью четырех аквариумных термометров (Рисунок 9), три из которых были установлены на передней стенке и измеряли температуру в верхней, средней и нижней частях аквариума (Рисунок 8). Четвертый термометр располагался недалеко от аквариума и измерял температуру воздуха в помещении. При приобретении термометров особое внимание было уделено совпадению результатов измерений, чем были немало озадачены продавцы на одесском Староконном рынке. В конечном итоге удалось найти четыре прибора, дававших одинаковые результаты в диапазоне температур 10…25 °C.

Рисунок 9.	Аквариумный термометр.

Аквариум был установлен на ровном деревянном основании в сухом неотапливаемом помещении без постоянных воздушных потоков. Мощность, потребляемая из сети, контролировалась энергометром Intertek Power Meter PP-3460, напряжение и ток элемента Пельтье – стендовым вольтамперметром DC0-100V/10A.

В момент включения, когда температура охладителя не отличалась от температуры окружающей среды, ток, потребляемый элементом Пельтье, был равен 3.1 А при выходном напряжении источника питания, равном 12 В. После этого ток достаточно быстро – за несколько минут – уменьшился до величины 2.85 А. Таким образом, в установившемся режиме элемент Пельтье потреблял мощность, равную 34 Вт. Энергометр, подключенный к сети, при этом, показывал потребление мощности на уровне 41 Вт, что позволило определить КПД блока питания – приблизительно 83%.

В начале эксперимента температура воды и воздуха были приблизительно одинаковы – перед этим помещение несколько дней стояло закрытым, что исключало поступление внутрь воздуха с иной температурой. Кроме того, перед началом эксперимента в течение нескольких дней стояла пасмурная погода, что значительно уменьшало дневной нагрев помещения солнечными лучами, проникающими через окно.

Спустя сутки непрерывной работы разница температур воды и воздуха составила 4.3 °C. При этом в верхней части аквариума температура воды была на 1 °С меньше, чем в нижней и средней части. В конечном итоге, эксперимент был прекращен после 24 часов непрерывной работы охладителя при показаниях термометров: воздух – 21 °С, верхняя часть аквариума – 16 °С, средняя – 17 °С, нижняя – 17 °С.

Результаты измерения теплового сопротивления аквариума показали, что оно приблизительно равно 0.263 °С/Вт. При разнице температур 4.3 °С (определяется как средняя температура воды) мощность теплового потока, проходящего через поверхности аквариума, равна 4.3/0.263 = 16.35 Вт, что позволяет определить КПД охладителя на уровне 16.35/34 = 48%. Общий КПД системы при этом составил 0.48∙0.83 = 40%.

Выводы

Данное решение оказалось далеко не самым эффективным – больше половины затраченной энергии теряется впустую. Однако и никаких действий по оптимизации этого охладителя еще не выполнялось. Весь этот проект от начала и до конца был придуман и реализован за несколько часов из того, что было под руками.

В конечном итоге, в прошлом году он свою функцию выполнил – все обитатели моего аквариума благополучно пережили летнюю жару, потому что при температуре воздуха в помещении 29…30 °С температура воды в нем не поднималась выше 25 °С. И с большой вероятностью они переживут и следующий жаркий сезон, поскольку разбирать эту систему я пока не собираюсь.

И я бы мог стыдливо умолчать о результатах измерений, ограничившись простым фактом – «Оно работает!», но это было бы нечестно по отношению к читателям. Поэтому пусть этот проект станет отправной точкой для последующих экспериментов и, может, кто-то из читателей однажды создаст лучшую систему, или, наоборот, докажет, что существует некий предел, преодолеть который не позволяют законы физики.

Источник