ANALIZA PRACY WENTYLATOROWEGO UKŁADU CHŁODZENIA Z OGNIWEM PELTIERA

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 89 Electrical Engineering 2017 DOI /j Wiesław ŁYSKAWIŃSKI* Milena KURZAWA* Wojciech SZELĄG* ANALIZA PRACY WENTYLATOROWEGO UKŁADU CHŁODZENIA Z OGNIWEM PELTIERA W artykule przedstawiono opracowany układ chłodzenia z ogniwem Peltiera. Opisano budowę i zasadę działania modułu Peltiera z uwzględnieniem najistotniejszych zjawisk. Przedstawiono zbudowany prototypowy układ chłodzenia, w którym oddawanie i pobieranie ciepła z modułu jest wymuszone przez wentylatory. Zaprezentowano wybrane wyniki badań eksperymentalnych. SŁOWA KLUCZOWE: moduł Peltiera, układ chłodzenia, zjawiska Seebecka i Peltiera 1. WSTĘP Obecnie, prowadzone są intensywne badania nad materiałami termoelektrycznymi oraz możliwościami ich wykorzystania. Materiały termoelektryczne stosuje się m.in. w ogniwach Peltiera. Ogniwa te wykorzystuje się najczęściej w specjalnych układach chłodzenia, dla których nie jest istotna niska sprawność układu. Zaletą małych przenośnych układów chłodzenia z ogniwami Peltiera jest ich łatwa skalowalność oraz brak wpływu orientacji przestrzennej ogniwa na poprawną pracę systemu. Aktualnie ogniwa Peltiera są często stosowane w lodówkach turystycznych, które umożliwiają schładzanie jej wnętrza o około 18 [ C] poniżej temperatury otoczenia. Chłodziarki termoelektryczne mogą być używane, tam gdzie konstrukcje systemów lub wymagania ekologiczne nie pozwalają na wykorzystanie standardowych technologii chłodzenia. Moduły Peltiera wykorzystywane są również do budowy pomp ciepła i układów chłodzących [2]. Kolejne ważne zastosowania obejmują medycynę, w szczególności kriochirurgię, np. chirurgię gałki ocznej, zamrażanie tkanek, chłodzenie preparatów biologicznych przy ich przechowywaniu i transporcie. Na bazie ogniw Peltiera produkowane są również układy chłodzące używane do stabilizacji temperaturowej komponentów elektronicznych, np. do chłodzenia * Politechnika Poznańska.

2 302 Wiesław Łyskawiński, Milena Kurzawa, Wojciech Szeląg procesorów, noktowizorów, diod laserowych, a także w wymrażarkach próżniowych i innych miniaturowych urządzeniach wymagających obniżonej temperatury. Często tego typu układy mają za zadanie dostarczenie zimnego koncentratu (płynu) do schładzania elementów generujących ciepło. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność stosowania dodatkowej pompy tłoczącej płyn. Pojawiają się również układy wykorzystujące zjawisko Peltiera w sporcie i rekreacji, np. do chłodzenia kasków. Zjawisko termoelektryczne znajduje też zastosowanie do wytwarzania zmiennego w czasie pola temperaturowego np. w kalorymetrii peltierowskiej. Moduły Peltiera mogą również pracować jako termogeneratory umożliwiające pozyskanie energii elektrycznej z niewykorzystanej energii cieplnej:, np. w pojazdach samochodowych, statkach, z odpadowego ciepła w hutach, rafineriach, cementowniach, spalarniach śmieci oraz konwersji energii z naturalnych źródeł, tj. energii geotermalnej, słonecznej [4, 7]. Budowane są termogeneratory przystosowane do zamieniania ciepła odpadowego na prąd elektryczny w warunkach domowych. Tego typu układ zamontowany jest na piecu grzewczym, ma moc do 45 W przy napięciu 24 V DC. Maksymalna temperatura pracy tego układu to 450 C. Obserwuje się coraz większe zapotrzebowanie na tanie i niezawodne urządzenia do przetwarzania energii nieelektryczną na energię elektryczną w przemyśle, gospodarstwie domowym [1, 3, 5, 8], medycynie, wojsku [4] oraz w badaniach przestrzeni kosmicznej [9]. W niniejszym artykule przedstawiono opracowany przez autorów układ chłodzenia z ogniwem Peltiera. Przewiduje się wykorzystywanie tego typu układów do poprawy komfortu termicznego w otoczeniu użytkownika. 2. OGNIWO PELTIERA BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA Działanie półprzewodnikowych modułów termoelektrycznych, nazywanych ogniwami (modułami) Peltiera wynika z pięciu podstawowych zjawisk fizycznych. Najważniejsze z nich to zjawisko Peltiera, które polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła przez złącze różnych metali lub półprzewodników podczas przepływu przez to złącze prądu elektrycznego. Ilość wydzielanego lub pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu i zależy od zastosowanych materiałów. Jeżeli złącze wykonane jest z dwóch różnych metali, to ta ilość ciepła jest bardzo mała. Z tego względu w praktycznych zastosowaniach wykorzystuje się inne materiały, zazwyczaj półprzewodniki odpowiednio domieszkowane, np. tellurek bizmutu (Bi 2 Te 3 ). Jednak i w tym przypadku ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego na pojedynczym złączu nie jest zbyt duża. Aby zwiększyć moc cieplną należy radykalnie zwiększyć natężenie prądu

3 Analiza pracy wentylatorowego układu chłodzenia z ogniwem Peltiera 303 (możliwe w ograniczonym zakresie), albo zastosować większą liczbę takich ogniw. Ciepło ΔQ P wydzielane lub pochłaniane przez złącze podczas przepływu ładunku elektrycznego q można opisać równaniem: Q P q I t (1) gdzie: Π współczynnik Peltiera zależny od właściwości materiałów tworzących złącze, I natężenie prądu płynącego przez to złącze w czasie Δt. Ze wzoru (1) wynika, że efekt cieplny nie zależy od wymiarów geometrycznych złącza, ale jest proporcjonalny do natężenia prądu. Na rysunku 1 przedstawiono budowę i wyjaśniono zasadę działania modułu Peltiera, który składa się z dwóch płytek ceramicznych, pomiędzy którymi umieszczono wiele półprzewodnikowych kolumienek typu n i p. Pod względem elektrycznym półprzewodniki są połączone szeregowo (za pomocą miedzianych płytek), a pod względem cieplnym równolegle. Płytki ceramiczne zapewniają sztywność mechaniczną oraz są doskonałą izolacją elektryczną i dobrze przewodzą ciepło. Przepływający przez moduł Peltiera prąd wywołuje transport ciepła z jednej jego powierzchni na drugą. Zatem moduł ten jest pewnego rodzaju pompą transportującą ciało w kierunku zależnym od kierunku prądu. Rys. 1. Budowa i zasada działania modułu Peltiera Na parametry modułu Peltiera negatywnie wpływają takie zjawiska jak efekt Joule'a oraz zjawisko przewodzenia ciepła. Efekt Joule'a polega na wydzielaniu się ciepła ΔQ J podczas przepływu I prądu przez przewodnik o niezerowej rezystancji R w czasie Δt: 2 Q J R I t (2) Pod względem elektrycznym moduł Peltiera składa się z wielu szeregowo połączonych złącz p n o niezerowej rezystancji. Wydzielane na tych rezystancjach straty mocy powodują wzrost temperatury modułu.

4 304 Wiesław Łyskawiński, Milena Kurzawa, Wojciech Szeląg W module Peltiera dąży się do najskuteczniejszego transportu ciepła pomiędzy stroną chłodną i gorącą modułu. Dla danego modułu "możliwości transportowe" ciepła związane ze zjawiskiem Peltiera są wprost proporcjonalne do natężenie prądu. Jednak przepływ prądu powoduje wydzielenie się w na wspomnianych wyżej rezystancjach pewnej ilości ciepła Joule'a. Zatem, przy danym prądzie moduł transportuje ciepło użyteczne opisane równaniem (1) oraz powstające w module ciepło Joule'a. W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie transport ciepła Peltiera, a proporcjonalnie do kwadratu prądu (P = I 2 R) zwiększa się ilość ciepła Joule'a. Ciągły wzrost natężenia prądu w ogniwie doprowadzi do stanu, w którym ilość transportowanego pożytecznego ciepła Peltiera będzie równa ilości szkodliwego ciepła Joule'a. Przy takim prądzie I g strona zimna ogniwa nie będzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane na wypompowanie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to wykres na rys. 2. Prosta Q P reprezentuje "możliwości transportu ciepła", a krzywa Q J ilości ciepła Joule'a. Rzeczywiste możliwości transportu ciepła "użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (czyli moc chłodzenia Q C ), są więc różnicą "możliwości transportowych" i szkodliwego ciepła Joule'a. Z krzywej Q C wynika, że nie można nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyżej wartości I max rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się, a powyżej prądu granicznego I g moduł wcale nie będzie chłodził obie strony będą się grzać, z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej. Dla każdego modułu Peltiera określa się prąd maksymalny I max, którego nie należy przekraczać, bo pogorsza się uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu I max jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera. Krzywa Q C nie uwzględnia zjawiska polegającego na przewodzeniu ciepła w obszarze modułu. Strumień ciepła przepływający ze strony gorącej na zimną zależy od różnicy temperatur oraz od wartości przewodności cieplnej materiału półprzewodnika. Zjawisko przewodzenia ciepła nie występuje, gdy obie strony modułu mają jednakową temperaturę. Mechanizm przewodzenia ciepła zużywa część "możliwości transportowych" układu na "wypchnięcie" tego ciepła z powrotem na stronę gorącą. Jest to drugie szkodliwe zjawisko wpływające na efektywność zamiany energii elektrycznej na energię cieplną. Przy prądzie I max oraz różnicy temperatur T max suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a będzie równa możliwościom transportu ciepła na stronę gorącą modułu. Zatem cała użyteczna "moc Peltiera" zostanie zużyta wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. Dla takiego stanu pracy uzyskuje się największą różnice temperatur obu stron modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą do uzyskania temperaturę strony zimnej. Przy wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzrastać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur T max jest rzędu C. Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia, temperatura strony

5 Analiza pracy wentylatorowego układu chłodzenia z ogniwem Peltiera 305 zimnej zależy przede wszystkim od temperatury strony gorącej, a ta zależy od skuteczności oddawania ciepła do otoczenia. Rys. 2. Wykresy charakteryzujące pracę modułu Peltiera Kolejnym ważnym parametrem ogniwa jest maksymalna wydajność chłodzenia, czyli maksymalna zdolność odprowadzania ciepła strony zimnej Q Cmax, jaką można uzyskać przy prądzie I max i zerowej różnicy temperatur między powierzchniami modułu. Taka sytuacja ma miejsce w chwili włączenia prądu. Po włączeniu prądu wzrasta różnica temperatur między stronami modułu, a więc moc chodzenia strony zimnej maleje. W celu uzyskania jak najlepszej skuteczności chłodzenia, temperatura strony gorącej powinna być jak najniższa. Kluczową kwestią jest zatem jak najlepsze odbieranie ciepła ze strony gorącej. W tym celu stosuje się efektywne radiatory, najlepiej chłodzone wodą lub z wymuszonym chłodzeniem powietrznym. Nierealne jest osiągnięcie katalogowych wartości Q Cmax odprowadzanego ciepła i temperatury T max. Duże moce chłodzenia, bliskie Q Cmax, uzyskuje się tylko przy niewielkiej różnicy temperatur T. Znaczne różnice temperatur, zbliżone do T max można osiągnąć tylko przy bardzo dobrej izolacji cieplnej obiektu chłodzonego, czyli przy niewielkiej mocy chłodzenia. Pozostałe dwa zjawiska wpływające na sprawność procesu chłodzenia to efekty Seebecka i Thomsona. W układach chłodzenia mają one mniejsze znaczenie. Zjawisko Seebecka polega na generowaniu siły elektromotorycznej między złączami wykonanymi z dwóch różnych materiałów A i B, przewodzącymi prąd elektryczny. Jeżeli te złącza mają różne temperatury, to różnica potencjałów między złączami jest opisana równaniem: VS A B T 1 T 2 (3) gdzie: A i B to współczynniki Seebecka odpowiednio dla materiałów A i B tworzących złącza (dla metali i ich stopów wartości są rzędu dziesiątek mv/k,

6 306 Wiesław Łyskawiński, Milena Kurzawa, Wojciech Szeląg a dla półprzewodników są one o rząd, a nawet dwa większe), a T 1 i T 2 temperatury złączy. Zjawisko Seebecka powoduje zmianę wartość prądu w funkcji napięcia w zależność od różnicy temperatur obydwu stron modułu. Przy rosnącej różnicy temperatur i zadanym napięciu zasilania następuje wartość tego prądu maleje. Zjawisko Thomsona polega na generowaniu lub pochłanianiu ciepła Q T podczas przepływu prądu przez przewodnik, w którym występuje gradient temperatury dt/dx. dqt dt T I (4) dt dx gdzie: T współczynnik Thomsona, który powiązany jest ze współczynnikiem Seebecka [6] zależnością: d T T (5) dt To pożyteczne zjawisko ma niewielki wpływ na pracę modułu Peltiera. Z przeprowadzonych rozważań wynika, iż materiał użyty do budowy ogniw powinien mieć jak najmniejsze wartości rezystywności i przewodności cieplnej oraz jak najlepsze właściwości związane ze zjawiskiem Peltiera. Wymagania te są wzajemne sprzeczne, gdyż dla uzyskania jak najmniejszej rezystancji modułu, kolumienki z półprzewodników powinny mieć jak największy przekrój i być jak najniższe. Takie proporcje prowadzą jednak do ułatwienia przewodzenia ciepła ze strony gorącej na zimną. Dla zmniejszenia skutków tego przewodnictwa należałoby zastosować kolumny wysokie i cienkie. Konstruktorzy modułów Peltiera stosują rozwiązanie kompromisowe. Przydatność materiału do budowy ogniw Peltiera określa współczynnik 2 a Z k (5) R gdzie a współczynnik związany z transportem ciepła, R rezystancja, k przewodność cieplna kolumienek. Stała Z charakteryzuje globalną jakość modułu czym wartość tego współczynnika jest większa, tym lepsze są właściwości termoelektryczne materiału. Wartość tego parametru jest wykorzystywana do porównania jakości modułów różnych producentów. 3. STANOWISKO BADAWCZE Głównym elementem opracowanego układu chłodzenia jest moduł Peltiera. Do obydwu jego stron przymocowane są radiatory poprzez pastę termoprzewodzącą oraz kostki miedziane (rys. 3). Radiatory zapewniają dobre przekazywanie ciepła z obu powierzchni ogniwa Peltiera do strumienia powietrza wydmuchiwanego przez wentylatory (rys. 4).

7 Analiza pracy wentylatorowego układu chłodzenia z ogniwem Peltiera 307 Rys. 3. Elementy połączone z ogniwem Peltiera pastą termoprzewodzącą Rys. 4. Elementy odprowadzające energię cieplną z obu stron ogniwa Peltiera Elementy składowe zaprojektowanego układu chłodzenia pokazano na rys. 5. Element styropianowy, w którym umieszczono moduł Peltiera i kostki wykonane z miedzi, izoluje ciepłe powietrze od zimnego. Rys. 5. Widok podzespołów układu chłodzenia

8 308 Wiesław Łyskawiński, Milena Kurzawa, Wojciech Szeląg Powietrze zasysane jest przez otwory wycięte na wysokości radiatorów. Intensywność przepływu chłodzącego powietrza można regulować poprzez zmianę napięcia zasilającego wentylator po zimnej stronie. Zbudowany układ chłodzenia przedstawiono na rys. 6. Powietrze wydmuchiwane z lewej strony układu może chłodzić, a z prawej nagrzewać otoczenie użytkownika. Zwiększenie napięcia zasilania wentylatora po ciepłej stronie ogniwa Peltiera powoduje zwiększenie intensywności oddawania ciepła do otoczenia. Rys. 6. Zbudowany wentylatorowy układ chłodzenia 4. WYNIKI BADAŃ Opracowany i zbudowany układ chłodzenia został przebadany. Zarówno wentylatory jak i moduł Peltiera zasilano z zasilaczy prądu stałego o regulowanym napięciu. Dla wybranych napięć zasilających moduł rejestrowano zmiany temperatury na radiatorach. Uzyskane przebiegi temperatury strony zimnej i ciepłej układu dla zadanych napięć zasilania modułu Peltiera przy stałych wartościach prędkości obrotowej wentylatorów pokazano na rys. 7. Na podstawie zarejestrowanych w stanie ustalonym temperatur po ciepłej (T c ) i zimnej stronie (T z ) układu wyznaczono - zależność temperatur od napięcia zasilania, prądu i mocy elektrycznej pobieranej przez moduł Peltiera (rys. 8). a) b) Rys. 7. Przebiegi zmian temperatury po (a) zimnej stronie Tz i (b) ciepłej stronie Tc modułu Peltiera

9 Analiza pracy wentylatorowego układu chłodzenia z ogniwem Peltiera 309 Na podstawie charakterystyk pokazanych na rys. 7 można stwierdzić, że w opracowanym układzie chłodzenia stabilizacja temperatury na obu powierzchniach modułu Peltiera następuje po upływie ok. 2 min. Dalsze wydłużenie czasu pracy modułu powoduje nieznaczne zmiany temperatury. a) b) c) Rys. 8. Zmiany temperatura Tc po ciepłej i Tz po zimnej stronie modułu Peltira w funkcji (a) napięcia, (b) prądu, (c) mocy Wykonane badania potwierdziły skuteczność działania zbudowanego układu chłodzenia. Temperatura na wylocie układu spadła o ponad 5 o C w odniesieniu do temperatury otoczenia. Wyraźne zmniejszenie temperatury można zaobserwować na rozkładach temperatury zarejestrowanych kamerą termowizyjną (rys. 9) jak również na przebiegach temperatury (rys. 7). Rys. 9. Rozkład temperatury po zimnej stronie wentylatora

10 310 Wiesław Łyskawiński, Milena Kurzawa, Wojciech Szeląg 5. WNIOSKI Analizowano pracę układu, w którym do schładzania powietrza wykorzystano moduł Peltiera. Do odprowadzania ciepła z gorącej i zimnej strony modułu Peltiera wykorzystano radiatory i wentylatory stosowane w sprzęcie komputerowym. Takie rozwiązanie obniżyło koszty wykonania układu poprzez wykorzystanie podzespołów komputerów złomowanych. Przeprowadzone badania wskazują na wyraźne obniżenie temperatury na wylocie układu chłodzenia dochodzące do 7 o C. Wzrost mocy dostarczanej do modułu Peltiera w zakresie od 0 do ok. 20 W powodował zmniejszanie temperatury powietrza wylotowego. Dalszy wzrost tej mocy prowadził tylko do intensywniejszego nagrzania się strony ciepłej ogniwa Peltiera. Dalsze obniżenie temperatury strony zimnej jest możliwie po zastosowaniu intensywniejszego odprowadzania ciepła ze strony gorącej ogniwa. Prowadzi to do zmniejszenia różnicy temperatur pomiędzy powierzchniami modułu Peltiera i lepszego wykorzystania doprowadzonej do niego mocy elektrycznej. Stwierdzono, że opracowany układ chłodzenia spełnia stawiane przed nim wymagania. Daje poczucie komfortu termicznego poprzez lokalne obniżenie temperatury. Przepływ powietrza zimnego można kontrolować przez regulację prędkość wentylatora. Temperatura powietrza wylotowego może być dodatkowo obniżona poprzez zastosowanie kaskady złożonej z kilku ogniw Peltiera i poprawę systemu wymiany ciepła z otoczeniem. Zaproponowany system jest uniwersalny. Można go stosować zarówno do chłodzenia jak i lokalnego ogrzewania otoczenia użytkownika. Zastosowane wentylatory zapewniają szybki transport energii cieplnej do zadanej przestrzeni. Urządzenie jest ciche i ekologiczne brak jest sprężarki i szkodliwego dla środowiska czynnika chłodzącego. Należy jednak pamiętać, że nie w każdych warunkach temperaturowych układ będzie pracował poprawnie. Materiały termoelektryczne mają temperaturę krytyczną, po przekroczeniu której stają się bezużyteczne. Maksymalną efektywność cieplną układu uzyskuje się w stosunkowo wąskim zakresie temperatur. Szacuje się, że w tego typu układach, przy wykorzystaniu typowych ogniw Peltiera możliwe jest uzyskanie temperatur z przedziału od 0 do 70 C. LITERATURA [1] Andrew V. Wagner, Ronald J. Foreman, Leslie J. Summers, Troy W. Barbee Jr., Joseph C., Farmer Fabrication and testing of thermoelectric thin film devices, Proc. 15th Int. Conf. on Thermoelectrics, 1996, p [2] Jaworski M., Bednarczyk M., Czachor M., Experimental investigation of thermoelectric generator (TEG) with PCM module. Applied Thermal Engineering 96, 2016, p

11 Analiza pracy wentylatorowego układu chłodzenia z ogniwem Peltiera 311 [3] Manikadan S., Kaushik S.C., Thermodynamic studies and maximum power point tracking in thermoelectric generator thermoelectric cooler combined system, Cryogenics Elsevier 04/2015, Vol. 67, p [4] Markowski P., Właściwości termoelektryczne kompozytów grubowarstwowych, Politechnika Wrocławska, [5] Min G., Rowe D.M., A novel principle allowing rapid and accurate measurement ofa dimensionless thermoelectric figure of merit, Measurement Science and Technology 8/2001, Vol. 12, No 8, p [6] Rowe D.M., Thermoelectrics Handbook Macro to Nano, Taylor and Francis, CRC Press [7] Twaha S., Zhu J., Yan Y., Li B., A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement, Renewable and Sustainable Energy Reviews Elsevier, Vol. 65, November 2016, p [8] Wijngaards D., Kong S., Bartek M., Wolffenbuttel R., Design and fabrication of on chip integrated poly SiGe and polysi Peltier devices, Sensors and Actuators Elsevier, Vol. 85, Issues 1 3, August 2000, p [9] Yang J., Caillat T., Thermoelectric Materials for Space and Automotive Power Generation, MRS Bulletin (Harvesting Energy through Thermoelectrics: Power Generation and Cooling), Vol. 31, March 2006, p ANALYSIS OF OPERATION OF FAN S COOLING SYSTEM WITH PELTIER MODULE The paper presents the developed cooling system with the Peltier module. The structure and the operation principle of the Peltier module have been described. In the description of the module the most important phenomena have been taken into account. A prototype of the cooling system has been built. In the considered system, the emission and absorption of heat from the module surfaces are forced by the fans. Selected results of experimental research were presented. (Received: , revised: )