do czego naprawdę nadaje się chłodnica termoelektryczna…
- Roger Stout
bajki… Perpetuum motion machines… nie wszystkie bajki są maszynami Perpetuum motion, ale wszystkie maszyny Perpetuum motion są z pewnością bajki. Zanim jednak wejdę w specyfikę chłodnic termoelektrycznych, wydaje się właściwe ustawienie sceny dla tej konkretnej kategorii bajek.
istnieją dwa klasyczne typy „maszyn perpetuum mobile”, nazywane (nie tak twórczo) maszynami „type 1” I „type 2” (lub równie twórczo maszynami „1st kind” I „2nd kind”). Maszyny typu 1 są najpewniej od razu znane. Naruszają one pierwsze prawo termodynamiki, które mówi, że energia nie może być wytworzona lub zniszczona, a jedynie przekształcona z jednej formy w drugą. Zazwyczaj maszyny typu 1 zawierają jakiś rodzaj mechanizmu obrotowego, który dzięki pozornie sprytnej konstrukcji zawsze generuje moment obrotowy w stałym kierunku (lub może zmienia kierunek, ale ze średnią faworyzującą jeden kierunek). W przypadku braku tarcia (lub obciążenia) poruszałyby się w nieskończoność bez dodawania energii. Maszyny typu 1 są tak łatwe do zdobycia, że Urząd Patentowy USA nie przyjmie wniosków na maszyny tego typu bez działającego modelu. W rzadkich przypadkach jeden jest dostarczany,” spryt ” niezmiennie polega na ukryciu gdzieś małego źródła energii, a zadaniem urzędnika patentowego jest być mądrzejszym od wynalazcy i go znaleźć! Najbardziej rażące przykłady maszyn typu 1 są tam, gdzie wynalazca faktycznie twierdzi, że napędza ładunek, mimo że nie ma źródła energii dla maszyny. Sprytniejsze przykłady nie ukrywają faktu, że mają źródło energii, po prostu twierdzą, że dostarczają więcej energii niż przyjmują. Na przykład, kilka lat temu poproszono mnie o ocenę „generatora zerowego z darmową energią”, który twierdził, że dostarcza więcej energii elektrycznej niż napędzająca turbina wiatrowa. (W tym przypadku uważam, że wynalazca nie był celowo zwodniczy, ale był żałośnie nieświadomy, jak zmierzyć moc elektryczną!)
maszyny typu 2 są bardziej subtelne. Naruszają one drugie prawo termodynamiki, które mówi, że entropii nie można zmniejszyć (w układzie zamkniętym). Entropia jest pojęciem nieco trudnym do uchwycenia, nie mówiąc już o kwantyfikacji, ale bardzo często można ją sprowadzić do prostej obserwacji, że ciepło nigdy nie może biernie przepływać z chłodniejszego miejsca do gorętszego. Jeśli wydaje się, że tak się dzieje, albo przegapiłeś coś ważnego, albo masz prawdziwą maszynę perpetuum mobile typu 2. Przypominam sobie (żenująco) egzamin na mój pierwszy licencjacki kurs termodynamiki. Poproszono nas o ocenę ciekawej (i podejrzanie brzmiącej) rzeczy zwanej „rurką wirową.”W rurce wirowej sprężone powietrze jest dostarczane do podstawy rury w kształcie litery T, I, O dziwo, zimne powietrze wychodzi z jednej gałęzi T, A gorące powietrze wychodzi z drugiej gałęzi T. byłem wystarczająco podejrzliwy, aby zdać sobie sprawę, że oznacza to, że w jakiś sposób pewna energia porusza się „pod górę” z temperatury strumienia przychodzącego do gorętszej gałęzi wyjściowej. Stwierdzenie problemu było bardzo specyficzne i obejmowało masowe natężenia przepływu oraz temperatury i ciśnienia, więc przystąpiłem do obliczeń pokazujących, że nawet jeśli nie wytwarzano energii netto, Entropia netto wypływających strumieni powietrza była mniejsza niż Entropia napływającego strumienia powietrza, co dowodzi jej niemożliwości. Okazuje się, że rury wirowe są prawdziwe! Popełniłem błąd w obliczeniach, chociaż profesor był na tyle hojny, że przyznał mi częściowe uznanie za przynajmniej myślenie o poszukiwaniu naruszenia drugiego prawa. Chodzi mi o to, że drugie prawo musi być brane pod uwagę, gdy próbujesz „pompować” energię z zimnego miejsca do gorętszego miejsca.
wprowadź chłodnice termoelektryczne (lub TEC). Są to sprytne małe gadżety, które wykorzystują ugruntowany efekt Peltiera. Są jak odwrotne termopary. Prawdopodobnie widziałeś je gdzieś w formie chłodziarki do piwa lub czegoś podobnego. Oczywiście działają (i zostały opatentowane). Jedną z najładniejszych rzeczy w nich jest to, że nie mają ruchomych części i mogą być całkowicie ciche. Można zastosować energię elektryczną na zaciskach urządzenia, a jedna „strona” gadżetu staje się zimna („wewnątrz” w przypadku lodówki RV), podczas gdy druga strona (lub na zewnątrz) staje się gorąca. Oczywiście, jeśli temperatura otoczenia znajduje się gdzieś pomiędzy tymi dwoma skrajnymi temperaturami, ciepło będzie koniecznie wypływać z gorącej strony do otoczenia, a ciepło będzie wypływać z otoczenia na zimną stronę urządzenia (lub cokolwiek, czego dotyka, np. piwo). Jeśli zwracasz uwagę, wnioskujesz dwie rzeczy: 1) może to być naprawdę sprytny sposób chłodzenia elektroniki bez konieczności używania wentylatorów lub płynnych chłodziw; i 2) jeśli nie narusza to drugiego prawa, jest jakiś krytyczny element, którego jeszcze nie rozważyliśmy (i może nas to w końcu ugryźć).
oto coś: nazywa się sprawność Carnota silnika cieplnego. W aplikacji daje szybką ocenę, w oparciu o związane z tym temperatury, ilości dodatkowego ciepła, które musisz dodać do układu chłodzenia, aby przenieść część tego ciepła z chłodniejszego miejsca do gorętszego miejsca. (W rzeczywistości, to, co pozwala uniknąć naruszenia 2nd prawa). Dla dobra argumentacji, może się okazać, że aby przenieść 1W ze złącza, trzeba dodać dodatkowe 1 W, co oznacza, że końcowy radiator musi odrzucić 2 W do otoczenia zamiast oryginalnego 1 W. skąd pochodzi dodatkowa energia? Przez te ładne, ciche, elektryczne zaciski. Przyłożone wolty razy dostarczone ampery oznaczają dodatkową energię, której wcześniej nie było.
No właśnie! Oczywiście, można stworzyć miniaturową chłodnicę Peltiera i obniżyć temperaturę złącza (Tj, „wnętrze” komponentu elektronicznego) do czegoś chłodniejszego niż otaczające środowisko, a nawet – nie bądźmy chciwi – po prostu obniżyć ją niż było bez chłodnicy! Problem w tym, że po włączeniu chłodnicy będziesz dodawać energię do całego systemu, aby uzyskać niższą Tj. Z perspektywy analityka termicznego w skali makro zwykle jest to złe rozwiązanie, ponieważ często już wcześniej miałeś problemy z odprowadzeniem całego ciepła z systemu. (Rzeczywiście, ten problem jest Dlaczego Twój Tj był gorętszy niż chciałeś zacząć.) Na przykład opór płytki PC może być 2x niższy niż wcześniej (większy rozpraszacz ciepła, większy wentylator itp.), aby odrzucić ciepło dodawane przez chłodnicę w celu uzyskania niższego Tj. Ale gdybyś mógł to zrobić, to powinieneś po prostu to zrobić-innymi słowy, bez dodawania chłodnicy – a i tak obniżyłbyś swoje TJ o kilka!
teraz mogę pomyśleć o kilku sytuacjach, w których TEC może być doskonałym wyborem, ale musisz być bardzo pewny swoich obliczeń. Po pierwsze, gdy mamy bardzo małe, zlokalizowane stężenie ciepła i możemy sobie pozwolić na obniżenie temperatury tego miejsca kosztem podgrzania wszystkiego wokół. Po drugie, kiedy rzeczywiście trzeba kontrolować temperaturę konkretnego urządzenia w systemie elektronicznym, na przykład czujnika obrazu (gdzie tak zwany „ciemny prąd” jest poważnym problemem i szybko rośnie wraz z temperaturą). W tym drugim przypadku musisz mieć pewien margines w „budżecie termicznym” systemu, ponieważ z punktu widzenia systemu będziesz musiał pozbyć się dodatkowego ciepła.
radzę bardzo dokładnie przemyśleć, czy TEC jest naprawdę właściwym rozwiązaniem dla Twojego problemu z chłodzeniem elektroniki. A używanie go do chłodzenia piwa może nie być najlepszym wyborem, jeśli chcesz dokładnie przemyśleć chłodzenie elektroniki! Ty będziesz sędzią!