Wat een thermo-elektrische Koeler is ECHT Goed Voor…
- Roger Stout
sprookjes… perpetual motion machines… Niet alle sprookjes zijn de eeuwigdurende beweging van machines, maar alle beweging machines zijn zeker sprookjes. Voordat ik in de details van thermo-elektrische koelers, echter, lijkt het passend om het podium voor deze specifieke categorie van sprookjes te stellen.
Er zijn twee klassieke typen Perpetuum motion “machines”, die (niet zo creatief)” type 1 “en” type 2 “machines worden genoemd (of even creatief, machines van de” 1e soort “en”2e soort”). Type 1 machines zijn het meest waarschijnlijk direct bekend bij u. Ze schenden de eerste wet van de thermodynamica, die stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, alleen getransformeerd van de ene vorm naar de andere. Typisch, type 1 machines betrekken een soort van roterend mechanisme dat door ogenschijnlijk slim ontwerp erin slaagt om altijd koppel gegenereerd in een constante richting (of misschien alterneert richting, maar met een gemiddelde voorkeur voor een richting). In de afwezigheid van wrijving (of een belasting), zouden ze voor altijd bewegen zonder enige toevoeging van energie. Type 1 machines zijn zo gemakkelijk te verkrijgen dat het Amerikaanse Octrooibureau geen aanvragen voor machines van dit type accepteert zonder een werkend model. In de zeldzame gevallen waarin een wordt verstrekt, de “slimheid” steevast ligt in het verbergen van een kleine energiebron ergens, en de taak van de patent officer is om slimmer dan de uitvinder en vind het! De meest flagrante voorbeelden van type 1 machines zijn waar de uitvinder eigenlijk beweert te rijden een lading, hoewel er geen energiebron voor de machine. Sneakier voorbeelden verbergen niet het feit dat ze een energiebron hebben, ze beweren alleen dat ze meer energie leveren dan ze opnemen. Bijvoorbeeld, een paar jaar terug werd ik gevraagd om de evaluatie van de “free-energy zero-cogging generator” die beweerde meer elektrische stroom uit te leveren, dan de drijvende windturbine gezet in. (In dit geval, ik geloof dat de uitvinder was niet opzettelijk misleidend, maar hij was jammerlijk onwetend van hoe om elektrische energie te meten!)
type 2 machines zijn subtieler. Ze overtreden de Tweede Wet van de thermodynamica, die stelt dat entropie niet kan worden verminderd (in een gesloten systeem). Entropie is een concept dat een beetje moeilijk te begrijpen is, laat staan kwantificeren, maar heel vaak kan het worden samengevat in de simpele observatie dat warmte nooit passief van een koudere plaats naar een hetere plaats kan stromen. Als dat lijkt te gebeuren, heb je ofwel iets belangrijks gemist, of anders heb je een bonafide type 2 Perpetuum motion machine. Ik herinner me (beschamend) een examen op mijn eerste undergraduate thermodynamica cursus. We werden gevraagd om een nieuwsgierig (en visachtig klinkende) ding genaamd Een evalueren ” vortex buis.”In een vortex buis, perslucht wordt geleverd in de basis van een T-vormige buis, en, verbazingwekkend, koude lucht komt uit een tak van de T, en hete lucht komt uit de andere tak van de T. Ik was achterdochtig genoeg om te beseffen dat dit impliceerde dat een of andere manier wat energie werd verplaatst” bergop ” van de temperatuur van de inkomende stroom naar de hetere output tak. De probleemstelling was zeer specifiek, en omvatte massastromen en temperaturen en drukken, dus ging ik door met de berekeningen die aantoonden dat, hoewel er geen netto energie werd gecreëerd, de netto entropie van de uitgaande luchtstromen minder was dan de entropie van de inkomende luchtstroom, waardoor de onmogelijkheid ervan werd aangetoond. Het blijkt dat vortexbuizen echt zijn. Ik had een rekenfout gemaakt, maar de professor was genereus genoeg om me gedeeltelijk krediet te geven voor tenminste denken aan het zoeken naar een schending van de 2e wet. Mijn punt hier is dat de 2e wet moet worden overwogen wanneer je probeert om “pomp” energie van een koude plaats naar een warmere plaats.
voer Thermo-elektrische koelers (of TEC ‘ s) in. Dit zijn slimme kleine gadgets die gebruik maken van het gevestigde Peltier effect. Het zijn net omgekeerde thermokoppels. Je hebt ze waarschijnlijk zelf ergens gezien in de vorm van een bierkoeler of iets dergelijks. Ze werken duidelijk (en zijn gepatenteerd). Een van de handigste dingen aan hen is dat ze geen bewegende delen hebben en totaal stil kunnen zijn. Je brengt elektriciteit aan op de terminals van het apparaat, en een “kant” van de gadget wordt koud (de “binnenkant” in het geval van een RV koelkast), terwijl tegelijkertijd de andere kant (of buiten) warm wordt. Uiteraard, als de temperatuur van uw omgeving ergens tussen die twee temperatuur extremen ligt, zal warmte noodzakelijkerwijs uit de warme kant naar de omgeving stromen, en warmte zal vanuit de omgeving naar de koude kant van het apparaat stromen (of wat het ook raakt, bijvoorbeeld uw bier). Als je oplet, concludeer je twee dingen.: 1) Dit kan een echt slimme manier van het koelen van elektronica zonder gebruik te maken van ventilatoren of vloeibare koelmiddelen; en 2) als dit niet in strijd is met de 2e wet, er is een aantal kritische item dat we nog niet de moeite genomen om te overwegen (en het kan bijten ons op het einde).
Hier is dit ding: het heet de Carnot efficiëntie van een warmtemotor. In toepassing, geeft het je een snelle beoordeling, op basis van de betrokken temperaturen, van de hoeveelheid extra warmte die je moet toevoegen aan een koelsysteem om een deel van die warmte te verplaatsen van een koudere plaats naar een hetere plaats. (In feite, het is wat u toelaat om te voorkomen dat het overtreden van de 2e wet). Voor de argumentatie zou het kunnen dat om 1W uit een kruising te verplaatsen, je een extra 1 W moet toevoegen, wat betekent dat je uiteindelijke koellichaam 2 W in de omgeving moet afstoten in plaats van de oorspronkelijke 1 W. vanwaar komt de extra energie? Door die mooie, rustige, elektrische aansluitingen. Volt toegepast keer ampère geleverd is gelijk aan extra energie die er voorheen niet was.
Aye, daar wringt de schoen! Zeker, je kunt een miniatuur Peltier koeler maken en de kruistemperatuur (Tj, de “binnenkant” van een elektronische component) verlagen tot iets koeler dan de omgeving, of zelfs – laten we niet hebberig zijn – gewoon lager maken dan het was zonder de koeler! Het probleem is dat als je de koeler aanzet, je energie toevoegt aan het systeem om die lagere Tj te krijgen. Vanuit het perspectief van een thermische analist op macro-schaal is dit meestal het verkeerde om te doen, omdat je vaak al moeite had om alle warmte uit je systeem te krijgen. (Inderdaad, dat probleem is waarom je Tj heter was dan je wilde beginnen.) Bijvoorbeeld, de weerstand van uw pc board zou 2x lager kunnen zijn dan voorheen (Grotere warmteverspreider, grotere ventilator, enz.), om de door de koeler toegevoegde warmte af te wijzen om de onderste Tj te krijgen. Maar als je dat kon doen, dan had je dat gewoon moeten doen – met andere woorden, zonder de koeler toe te voegen – en je zou je Tj toch een bos hebben verlaagd!
nu kan ik een paar situaties bedenken waar een TEC een uitstekende keuze zou kunnen zijn, maar je moet heel zeker zijn van je berekeningen. De eerste is, als je een zeer kleine, gelokaliseerde warmteconcentratie hebt en je het je kunt veroorloven om de temperatuur van die plek te verlagen ten koste van alles eromheen een beetje op te warmen. De tweede is, wanneer je eigenlijk de temperatuur van een bepaald apparaat binnen een elektronisch systeem moet regelen, bijvoorbeeld een beeldsensor (waar de zogenaamde “donkere stroom” een ernstig probleem is en snel stijgt met de temperatuur). In dit laatste geval moet je enige marge hebben in het “thermische budget” van je systeem, omdat je vanuit een systeemperspectief van wat extra warmte moet afkomen.
mijn advies is om heel goed na te denken over de vraag of een TEC echt het juiste ding is voor uw elektronica koeling probleem. En het gebruik ervan om je bier af te koelen is misschien ook niet de beste keuze, als je gaat proberen om goed na te denken over het koelen van je elektronica! Jij bent de rechter!