hvad en termoelektrisk køler er virkelig god til…
- Roger Stout
eventyr… evige bevægelsesmaskiner… ikke alle eventyr er evige bevægelsesmaskiner, men alle evige bevægelsesmaskiner er bestemt eventyr. Før jeg kommer ind i detaljerne i termoelektriske kølere, synes det imidlertid hensigtsmæssigt at sætte scenen for denne særlige kategori af eventyr.
der er to klassiske typer evigvarende “maskiner”, kaldet (ikke så kreativt) “type 1” og “type 2” maskiner (eller lige så kreativt, maskiner af “1.slags” og “2. slags”). Type 1-maskiner er dem, der sandsynligvis umiddelbart kender dig. De overtræder den første lov om termodynamik, der siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges, kun omdannes fra en form til en anden. Typisk involverer type 1-maskiner en slags roterende mekanisme, der gennem tilsyneladende smart design formår altid at have drejningsmoment genereret i en konstant retning (eller måske skifter retning, men med et gennemsnit, der favoriserer en retning). I mangel af friktion (eller en belastning) ville de bevæge sig for evigt uden tilsætning af energi. Type 1-maskiner er så lette at komme forbi, at US Patent Office ikke accepterer ansøgninger om maskiner af denne type uden en arbejdsmodel. I de sjældne tilfælde, man leveres, ligger” klogheden ” altid i at skjule en lille energikilde et eller andet sted, og patentofficerens job er at være smartere end opfinderen og finde den! De mest åbenlyse eksempler på type 1-maskiner er, hvor opfinderen faktisk hævder at køre en belastning, selvom der ikke er nogen energikilde til maskinen. Sneakier eksempler skjuler ikke det faktum, at de har en energikilde, de hævder blot at levere mere energi ud, end de tager ind. For eksempel, et par år tilbage blev jeg bedt om at evaluere “fri-energi nul-cogging generator”, som hævdede at levere mere elektrisk strøm ud, end den drivende vindmølle sat i. (I dette tilfælde tror jeg, at opfinderen ikke var bevidst vildledende, men han var sørgeligt uvidende om, hvordan man måler elektrisk strøm!)
type 2 maskiner er mere subtile. De overtræder termodynamikens anden lov, hvori det hedder, at entropi ikke kan reduceres (i et lukket system). Entropi er et koncept, der er lidt vanskeligt at forstå, endsige kvantificere, men meget ofte kan det koges ned i den enkle observation, at varme aldrig passivt kan strømme fra et koldere sted til et varmere sted. Hvis det ser ud til at ske, har du enten savnet noget afgørende, ellers har du en bona fide type 2 perpetual motion machine. Jeg husker (pinligt) en eksamen på mit første Bachelor termodynamik kursus. Vi blev bedt om at evaluere en nysgerrig (og fishy-lydende) ting kaldet et “hvirvelrør.”I et hvirvelrør tilføres trykluft i bunden af et T-formet rør, og forbløffende kommer kold luft ud af en gren af T, og varm luft kommer ud af den anden gren af T. Jeg var mistænksom nok til at indse, at dette antydede, at en eller anden måde noget energi bevægede sig “op ad bakke” fra temperaturen på den indkommende strøm til den varmere udgangsgren. Problemstillingen var meget specifik og omfattede massestrømningshastigheder og temperaturer og tryk, så jeg fortsatte med at lave beregningerne, der viste, at selvom der ikke blev skabt nogen nettoenergi, var nettoentropien af de udstrømmende luftstrømme mindre end entropien af den indkommende luftstrøm, hvilket viste, at det var umuligt. Viser sig, hvirvelrør er en rigtig ting! Jeg havde lavet en beregningsfejl, selvom professoren var generøs nok til at give mig delvis kredit for i det mindste at tænke på at lede efter en overtrædelse af 2.Lov. Mit punkt her er, at 2.Lov skal overvejes, når du forsøger at “pumpe” energi fra et koldt sted til et varmere sted.
indtast termoelektriske kølere (eller TEC ‘ er). Disse er kloge små gadgets, der bruger den veletablerede Peltier-effekt. De er ligesom omvendte termoelementer. Du har sikkert set dem et eller andet sted selv i form af en ølkøler eller noget lignende. De arbejder selvfølgelig (og er blevet patenteret). En af de smukkeste ting ved dem er, at de ikke har bevægelige dele og kan være helt tavse. Du anvender elektricitet ved terminalerne på enheden, og den ene “side” af gadgeten bliver kold (“indersiden” i tilfælde af et RV-køleskab), mens den anden side (eller udenfor) samtidig bliver varm. Selvfølgelig, hvis dit omgivende miljøs temperatur er et sted imellem disse to temperatur ekstremer, vil varme nødvendigvis strømme ud af den varme side til miljøet, og varme vil strømme ind i den kolde side af enheden fra miljøet (eller hvad det rører, f.eks. Hvis du er opmærksom, konkluderer du to ting: 1) Dette kan være en rigtig smart måde at køle elektronik på uden at skulle bruge fans eller flydende kølemidler; og 2) Hvis dette ikke overtræder 2.Lov, er der noget kritisk element, vi endnu ikke har gidet at overveje (og det kan bide os i sidste ende).
Her er denne ting: det kaldes Carnot-effektiviteten af en varmemotor. I applikationen giver det dig en hurtig vurdering baseret på de involverede temperaturer af mængden af ekstra varme, du bliver nødt til at tilføje til et kølesystem for at flytte noget af den varme fra et koldere sted til et varmere sted. (Faktisk er det det, der giver dig mulighed for at undgå at overtræde 2.Lov). Af hensyn til argumentet, det kan vise sig, at for at flytte 1V ud af et kryds, du er nødt til at tilføje en ekstra 1 V, hvilket betyder, at din endelige køleplade skal afvise 2 V til miljøet i stedet for originalen 1 V. Hvorfra kommer den ekstra energi? Gennem de pæne, rolige, elektriske terminaler. Volt anvendt gange ampere leveret lig ekstra energi, der ikke var der før.
Ja, Der er gnidningen! Sikker på, du kan oprette en miniature Peltier-køler og sænke krydstemperaturen (Tj, “indersiden” af en elektronisk komponent) til noget køligere end det omgivende miljø, eller endda – lad os ikke være grådige – bare gøre det lavere end det var uden køleren! Problemet er, når du tænder køleren, tilføjer du energi til det samlede system for at få den lavere Tj. Fra en makroskala termisk analytikers perspektiv er dette normalt den forkerte ting at gøre, for oftere end ikke havde du allerede problemer med at få al varmen ud af dit system i første omgang. (Faktisk er det problem, hvorfor din Tj var varmere end du ønskede at begynde med.) For eksempel skal din pc-kortmodstand muligvis være 2 gange lavere end den var før (større varmespreder, større ventilator osv.), for at afvise den varme, der tilsættes af køleren for at få den nedre Tj. Men hvis du kunne gøre det, så skulle du lige have gjort det – med andre ord uden at tilføje køleren – og du ville alligevel have sænket din Tj en flok!
nu Kan jeg tænke på et par situationer, hvor en TEC kan være et glimrende valg, men du skal være meget sikker på dine beregninger. Den første er, når du har en meget lille, lokaliseret koncentration af varme, og du har råd til at køre ned temperaturen på det sted på bekostning af at opvarme alt andet omkring det bare lidt. Det andet er, når du faktisk har brug for at kontrollere temperaturen på en bestemt enhed i et elektroniksystem, for eksempel en billedsensor (hvor såkaldt “mørk strøm” er et alvorligt problem og går hurtigt op med temperaturen). I sidstnævnte tilfælde skal du have en vis margen i dit systems “termiske budget”, fordi du fra et systemperspektiv bliver nødt til at slippe af med lidt ekstra varme.
mit råd er at tænke meget nøje over, om en TEC virkelig er den rigtige ting til dit elektronikkøleproblem. Og at bruge det til at afkøle din øl er muligvis ikke det bedste valg, enten, hvis du vil prøve at tænke nøje over køling af din elektronik! Du er dommeren!