XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Чиллер Пельтье «Термоэлектрический охладитель своими руками».

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Степнова Е.А. 1Павлов Д.И. 1

---

1ТПУ

Филимонова В.С. 1

---

1ТПУ

Работа в формате PDF

914.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях возрастает потребность в компактных, энергоэффективных и бесшумных системах охлаждения малых объемов. Традиционные компрессорные охладители, обладая высокой производительностью, часто избыточны для локальных задач, таких как быстрое охлаждение отдельных порций напитков, и имеют ряд недостатков: наличие движущихся частей, шум при работе, чувствительность к положению. В этом контексте термоэлектрические охладители на элементах Пельтье представляют собой перспективную альтернативу.

Принцип действия этих устройств основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Хотя коэффициент полезного действия (КПД) таких систем уступает компрессорным, они обладают неоспоримыми преимуществами: полное отсутствие рабочих жидкостей и газов, долгий срок службы, компактность, возможность точного контроля температуры и работа в любом пространственном положении.

Разработка действующего прототипа охладителя напитков на элементе Пельтье является комплексной инженерной задачей, лежащей на стыке термодинамики, электротехники и конструирования. Такой проект позволяет на практике изучить ключевые аспекты теплопередачи, проектирования систем теплоотвода и управления электронными компонентами.

Целью данной работы является теоретическое обоснование, практическая разработка и испытание прототипа автономного охладителя напитков на основе термоэлектрического модуля Пельтье, а заодно и изучить подробно тему физики Электричество, изучаемую в школьной физики и на первом курсе вузов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать физические принципы работы термоэлектрических модулей и эффекта Пельтье.

2. Рассчитать основные параметры системы (холодопроизводительность, необходимую мощность, тепловой баланс) и на их основе осуществить выбор ключевых компонентов (элемент Пельтье, система теплоотвода, блок питания).

3. Разработать конструкцию и собрать действующий прототип устройства, обеспечив эффективную тепловую изоляцию рабочей камеры и оптимальный тепловой контакт.

4. Провести экспериментальные испытания прототипа: оценить скорость охлаждения, минимальную достигаемую температуру и энергоэффективность системы.

5. Предложить пути оптимизации и развития проекта, такие как внедрение системы автоматического поддержания заданной температуры на базе микроконтроллера.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Теоретическая часть разработки охладителя напитков на элементе Пельтье

1. Физические основы термоэлектрического охлаждения

1.1. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье — это термоэлектрическое явление, открытое французским физиком Жаном Пельтье в 1834 году. Оно заключается в выделении или поглощении тепла на границе соединения двух разнородных проводников при прохождении через них электрического тока. В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату тока и выделяется во всем объеме проводника, тепло Пельтье линейно зависит от силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

В полупроводниковых элементах, используемых в современных модулях, эффект значительно усилен благодаря использованию материалов с высокой подвижностью носителей заряда. При переходе электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа они переходят на более высокий энергетический уровень, поглощая тепловую энергию из окружающей среды (охлаждение). При обратном переходе энергия выделяется (нагревание) [1].

1.2. Конструкция термоэлектрического модуля

Современный модуль Пельтье представляет собой совокупность десятков или сотен термопар, соединенных последовательно электрически и параллельно термически [2]. Основные компоненты:

· Полупроводниковые элементы: из теллурида висмута (Bi₂Te₃), легированного для создания материалов n-типа и p-типа.

· Керамические пластины: из оксида алюминия (Al₂O₃) или нитрида алюминия (AlN), обеспечивающие электрическую изоляцию, механическую прочность и хорошую теплопроводность.

· Медные контактные дорожки: соединяют полупроводниковые элементы последовательно.

· Припой: обеспечивает надежное соединение элементов с контактными дорожками.

2. Ключевые параметры и характеристики термоэлектрических модулей

2.1. Основные рабочие параметры

Для выбора модуля необходимо учитывать следующие характеристики:

Холодопроизводительность (Qₓ) — количество тепла, которое модуль способен поглотить с холодной стороны при заданной силе тока и разности температур. Измеряется в ваттах (Вт). Зависит от разности температур между сторонами модуля (ΔT).

Максимальная разность температур (ΔTₘₐₓ) — максимальная разность температур между сторонами модуля при нулевой тепловой нагрузке (Qₓ = 0). Для большинства модулей составляет 65-75°C.

Рабочее напряжение (U) и рабочий ток (I) — электрические параметры, при которых модуль обеспечивает заявленные характеристики. Превышение тока сверх максимального приводит к перегреву и разрушению модуля.

Термическое сопротивление (Rₜₕ) — характеристика, определяющая способность модуля передавать тепло. Рассчитывается по формуле: Rₜₕ = (Tₕ - Tₓ) / Q, где Tₕ и Tₓ — температуры горячей и холодной сторон соответственно.

2.2. Коэффициент эффективности (COP)

Коэффициент эффективности (COP — Coefficient of Performance) — основной показатель энергоэффективности термоэлектрического охладителя, определяемый как отношение отводимой тепловой мощности к потребляемой электрической:

где — холодопроизводительность, — потребляемая электрическая мощность.

COP термоэлектрических модулей существенно зависит от:

· Разности температур между сторонами модуля (ΔT)

· Температуры горячей стороны (Tₕ)

· Физических свойств материалов

Для стандартных модулей при ΔT = 0°C COP составляет 0.6-1.2, при ΔT = 40°C снижается до 0.2-0.4. Это существенно ниже COP компрессорных систем (обычно 1.5-4.0), что объясняет более высокое энергопотребление термоэлектрических охладителей [3].

3. Теплообмен в системе термоэлектрического охлаждения

3.1. Тепловой баланс системы

В установившемся режиме тепловой поток в системе описывается уравнением:

где — тепло, отводимое с холодной стороны (полезный эффект), — электрическая мощность, подводимая к модулю — тепло, выделяемое на горячей стороне, которое необходимо эффективно отводить.

Критически важно: Недостаточный теплоотвод с горячей стороны приводит к росту Tₕ, уменьшению ΔT и, как следствие, резкому снижению холодопроизводительности системы [1].

3.2. Система теплоотвода

Для эффективной работы термоэлектрического охладителя необходимо обеспечить:

· Минимизацию термического сопротивления на пути от горячей стороны модуля к окружающей среде

· Достаточную рассеивающую поверхность радиатора

· Принудительную конвекцию с помощью вентилятора при мощности более 20 Вт

Сопротивление системы теплоотвода определяется как сумма:

где и — термические сопротивления контактов (уменьшаются использованием термопасты), — сопротивление радиатора, — сопротивление теплоотдаче в окружающую среду.

4. Сравнение с другими типами охлаждающих систем

5. Область применения и ограничения термоэлектрического охлаждения

Термоэлектрические охладители наиболее эффективны в следующих случаях [4]:

· Охлаждение малых объемов (до 5-10 литров)

· Требования к бесшумности работы

· Необходимость работы в любом пространственном положении

· Требования к точному поддержанию температуры (±0.1°C)

· Условия, исключающие использование компрессоров (вибрации, ударные нагрузки)

Основные ограничения:

Низкая энергоэффективность при больших перепадах температур

Зависимость производительности от температуры окружающей среды

Необходимость эффективного теплоотвода с горячей стороны

6. Перспективные направления развития

Современные исследования в области термоэлектрического охлаждения направлены на:

Разработку новых материалов с повышенным термоэлектрическим добротностью (ZT)

Создание многоступенчатых каскадных систем для достижения больших перепадов температур

Интеграцию систем управления с алгоритмами адаптивного регулирования

Использование гибридных систем, сочетающих преимущества термоэлектрического и компрессорного охлаждения [5].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПО СБОРКЕ ОХЛАДИТЕЛЯ

Мы собрали несколько охладителей, разных форм на рисунках представлены фотографии, изготовленных охладители напитков на элементе Пельтье:

Рисунок 1. охладитель напитков, вместиместью одна бутылка.

На рисунке 1, представлен охладитель напитков, вместимостью одной бутылки. В качестве контейнера выбран гипсокартон, внутри контейнера вставлен радиатор с вентилятором, для отвода тепла, к наружной части прикреплен элемент Пельтье и вентилятор для рассеивания теплоты и все это подсоединяется к источнику питания 12 В. Охлаждение в первые 10 минут происходит на три градуса от окружающей среды. На рисунке 2, показана фотография компактного охладителя напитков, внутри которого, помещен элемент Пельтье и подключен снаружи вентилятор, питание осуществляется с помощью батарейки крона. Охлаждение происходит в течении 10 минут, на 2 градуса от откружающей среды. В качестве контейнера выбрана ткань, внутренняя ткань соткана с добавлением теплоизоляционного материала и вшит элемент Пельтье.

Рисунок 2. Компактный охладитель напитков, виде сумочки.

На рисунке три показана фотография охладителя напитков, который может вместить до 5 бутылок объемом 1.5 литра. Изготовленный из пенопласта, так же оснащен вентилятором и подключен с источнику питания 12 В. Охлаждение происходит в течении 6 минут , разница с окружающей температурой составляла 5 градусов.

Рисунок 3. Охладитель напитков, объемом до 7 литров.

1. Выбор и подготовка компонентов

Базовый набор комплектующих включает:

• Элемент Пельтье: Наиболее распространенная и доступная модель для любительских проектов — TEC1-12706. Его ключевые параметры:

  • Рабочее напряжение: 12 В.

  • Потребляемый ток: до 6 А.

  • Потребляемая мощность: около 77 Вт.

  • Холодопроизводительность (Qmax): ~50 Вт (при разнице температур 0°C).

  • Габариты: 40×40×3.82 мм.

• Блок питания: Мощный источник постоянного тока 12 В. Ток должен с запасом превышать потребляемый элементом (например, 5–8 А). Нестабильное питание с пульсациями более 5% снижает эффективность модуля на 30-40% [6].

• Система теплоотвода: Критически важный узел. Для горячей стороны обязателен радиатор с вентилятором. Чем лучше отвод, тем ниже будет температура холодной стороны. Для холодной стороны внутри контейнера также желателен радиатор (без вентилятора или с ним) для эффективного отбора тепла от напитков [7].

• Корпус и теплоизоляция: В качестве камеры охлаждения можно использовать пластиковый контейнер (например, из-под сока). Для повышения эффективности внутренние стенки стоит оклеить теплоизоляционным материалом (например, вспененным полиэтиленом с фольгированным слоем).

• Крепеж и термоинтерфейс: Для эффективной передачи тепла необходима термопаста (например, КПТ-8) между поверхностью элемента Пельтье и радиаторами.

2. Электрическая схема и подключение

Важное предупреждение: Не подключайте элемент Пельтье напрямую к выходам микроконтроллера — требуемый ток слишком велик. Также категорически не рекомендуется использовать для управления релейные регуляторы или ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) с частыми включениями/выключениями. Это приводит к механическим напряжениям из-за перепадов температур и быстрой деградации модуля (срок службы сокращается до 1-2 месяцев).

Правильная схема подключения:

1. Соедините провода: Все красные провода (+12В) от элемента Пельтье и вентиляторов подключите к плюсовой клемме блока питания, черные — к минусовой.

2. Если требуется управление от микроконтроллера, используйте силовой ключ на полевом транзисторе (MOSFET), например, FQP30N06L или IRL540N. Микроконтроллер будет подавать слабый сигнал на затвор транзистора, который, в свою очередь, будет коммутировать мощную цепь элемента Пельтье.

3. Сборка конструкции

Основные шаги сборки:

1. Подготовьте контейнер: вырежьте в стенке отверстие под размер холодной стороны элемента Пельтье или охлаждающего узла.

2. Нанесите тонкий слой термопасты на обе стороны элемента Пельтье.

3. Зажмите элемент между двумя радиаторами: внутренним (холодная сторона) и внешним с вентилятором (горячая сторона). Узел должен быть плотно закреплен на стенке контейнера.

4. Надежно подключите провода к блоку питания, соблюдая полярность. Ошибка приведет к обратному эффекту: нагрев внутри контейнера.

5. Проверьте работу: при подаче питания вентилятор должен включиться, а внутренняя часть контейнера быстро начать охлаждаться.

Пути усовершенствования проекта

Базовый охладитель постоянно работает на максимальной мощности. Для создания более интеллектуальной и энергоэффективной системы можно добавить систему автоматического регулирования температуры [8].

Схема проекта с термостатом на Arduino:

• Датчик температуры: Например, водонепроницаемый DS18B20, размещенный внутри контейнера.

• Микроконтроллер: Arduino Uno/Nano для обработки данных и управления.

• Задающий элемент: Потенциометр, с помощью которого выставляется желаемая температура.

• Силовой ключ: Полевой транзистор (MOSFET) для коммутации элемента Пельтье по сигналу от Arduino.

• Алгоритм управления: ПИД-регулятор, плавно изменяющий мощность, подаваемую на элемент Пельтье, для поддержания заданной температуры без скачков.

Такая система не только экономит энергию, но и значительно продлевает срок службы элемента Пельтье, исключая вредные циклы частых включений/выключения.

ВЫВОД

Разработка охладителя на элементе Пельтье — это комплексный проект, который дает глубокое понимание принципов термоэлектричества, теплопередачи и схемотехники. Несмотря на относительно низкий КПД, эта технология предлагает незаменимые преимущества для компактных, бесшумных и надежных систем охлаждения малых объемов. Начав с простой конструкции, проект можно развивать в сторону полной автоматизации и оптимизации, что делает его отличной темой для курсовой или дипломной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гольдсмид Г. Дж. Применение термоэлектричества / Г. Дж. Гольдсмид. – Москва : Иностранная литература, 1963. – 238 с. – Классическая монография, объясняющая физические основы эффектов Пельтье и Зеебека.

2. Анатычук Л. И. Термоэлектрические преобразователи энергии: Справочник / Л. И. Анатычук. – Киев : Наукова думка, 1979. – 768 с. – Фундаментальный справочник с теорией, расчетами и данными по материалам.

3. Слободянюк П. В. Охладитель напитков на основе элемента Пельтье: учебно-исследовательский проект по физике // Инфоурок. – 2021. – URL: https://infourok.ru/proekt-po-fizike-ohladitel-napitkov-na-osnove-elementa-pelte-4848020.html (дата обращения: 20.01.2025). – Практический пример проекта с пошаговым описанием сборки и испытаний.

4. Ильин А. С. Исследование характеристик термоэлектрического модуля в режиме охлаждения // Физика в школе. – 2019. – № S2. – С. 48-54. – Научная статья с методикой эксперимента и анализом эффективности элемента Пельтье.

5. Даташит на термоэлектрический модуль TEC1-12706. – Hebei I.T. (Shanghai) Co., Ltd. – 2020. – URL: https://www.hebeiltd.com.cn/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf (дата обращения: 20.01.2025). – Официальная техническая документация с электрическими и тепловыми параметрами.

6. Петров А. И. Элемент Пельтье и его применение в системах охлаждения // Молодой ученый. – 2018. – № 20 (206). – С. 12-15. – URL: https://moluch.ru/archive/206/50438/ (дата обращения: 20.01.2025). – Статья, рассматривающая принцип работы и практические применения модулей.

7. Создание термоэлектрического кулера своими руками // Habr. – 2020. – URL: https://habr.com/ru/post/485296/ (дата обращения: 20.01.2025). – Подробное онлайн-руководство по выбору компонентов и сборке системы охлаждения.

8. Калачев А. В. Автоматизация процесса термостатирования на базе модуля Пельтье с использованием микроконтроллера Arduino // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 5. – С. 64-68. – Статья о создании системы с автоматическим поддержанием температуры, что полезно для усложнения проекта.