vad en termoelektrisk kylare är riktigt bra för…
- Roger Stout
sagor… evighetsmaskiner… inte alla sagor är evighetsmaskiner, men alla evighetsmaskiner är säkert sagor. Innan jag kommer in i specifikationerna för termoelektriska kylare verkar det dock lämpligt att sätta scenen för denna speciella kategori av sagor.
det finns två klassiska typer av evig rörelse ”maskiner”, kallade (inte så kreativt)” typ 1 ”och” typ 2 ”maskiner (eller lika kreativt, maskiner av” 1: A sorten ”och”2: a sorten”). Typ 1 maskiner är de mest sannolikt omedelbart bekant för dig. De bryter mot termodynamikens första lag, som säger att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas från en form till en annan. Typiskt involverar typ 1-maskiner någon form av roterande mekanism som genom uppenbarligen smart design lyckas alltid ha vridmoment genererat i en konstant riktning (eller kanske alternerar riktning, men med en genomsnittlig gynnar en riktning). I avsaknad av friktion (eller en belastning) skulle de röra sig för alltid utan tillsats av energi. Typ 1-maskiner är så lätta att komma med att det amerikanska patentverket inte accepterar ansökningar om maskiner av denna typ utan en arbetsmodell. I de sällsynta fall man tillhandahålls ligger” smartheten ” alltid i att gömma en liten energikälla någonstans, och patentofficerens jobb är att vara smartare än uppfinnaren och hitta den! De mest uppenbara exemplen på typ 1-maskiner är där uppfinnaren faktiskt hävdar att han kör en last trots att det inte finns någon energikälla för maskinen. Sneakier exempel döljer inte det faktum att de har en energikälla, de hävdar bara att de levererar mer energi än de tar in. Till exempel, för några år tillbaka blev jag ombedd att utvärdera ”free-energy zero-cogging generator” som hävdade att leverera mer elektrisk ström än den drivande vindturbinen satt in. (I det här fallet tror jag att uppfinnaren inte var avsiktligt vilseledande, men han var bedrövligt okunnig om hur man mäter elkraft!)
typ 2-maskiner är mer subtila. De bryter mot termodynamikens andra lag, som säger att entropi inte kan minskas (i ett slutet system). Entropi är ett koncept som är lite svårt att förstå, än mindre kvantifiera, men ofta kan det kokas ner i den enkla observationen att värme aldrig passivt kan strömma från en kallare plats till en varmare plats. Om det verkar hända, har du antingen missat något avgörande, annars har du en bona fide typ 2 perpetual motion machine. Jag minns (pinsamt) en tentamen på min första termodynamikkurs. Vi blev ombedda att utvärdera en nyfiken (och fiskig) sak som kallas ett ”virvelrör.”I ett virvelrör tillförs tryckluft i basen av ett T-format rör, och otroligt kommer kall luft ut en gren av T och varm luft kommer ut i den andra grenen av T. jag var misstänksam nog för att inse att detta innebar att på något sätt rörde sig lite energi ”uppför” från temperaturen på den inkommande strömmen till den varmare utgångsgrenen. Problemförklaringen var mycket specifik och inkluderade massflödeshastigheter och temperaturer och tryck, så jag fortsatte att göra beräkningarna som visade att även om ingen nettoenergi skapades var netto entropin för de utgående luftströmmarna mindre än entropin för den inkommande luftströmmen, vilket visade att det var omöjligt. Visas, vortexrör är en riktig sak! Jag hade gjort ett beräkningsfel, även om professorn var generös nog att ge mig delvis kredit för att åtminstone tänka på att leta efter ett brott mot 2: a Lagen. Min poäng här är att 2: A lagen måste beaktas när du försöker ”pumpa” energi från en kall plats till en varmare plats.
Ange termoelektriska kylare (eller TEC). Dessa är smarta små prylar som använder den väletablerade Peltier-effekten. De är ungefär som omvända termoelement. Du har nog sett dem någonstans själv i form av en ölkylare eller något liknande. De fungerar uppenbarligen (och har patenterats). En av de finaste sakerna med dem är att de inte har några rörliga delar och kan vara helt tysta. Du applicerar El vid enhetens terminaler, och en” sida ”av gadgeten blir kall (”insidan” i fallet med ett RV-kylskåp), samtidigt som den andra sidan (eller utsidan) blir varm. Självklart, om din omgivande miljö temperatur är någonstans mellan dessa två extrema temperaturer, kommer värmen nödvändigtvis att strömma ut ur den heta sidan till miljön, och värmen kommer att strömma in i den kalla sidan av enheten från miljön (eller vad det än rör, t.ex. din öl). Om du är uppmärksam kommer du att avsluta två saker: 1) Detta kan vara ett riktigt smart sätt att kyla elektronik utan att behöva använda fläktar eller flytande kylmedel; och 2) om detta inte bryter mot 2: a lagen, finns det något kritiskt objekt som vi ännu inte har stört att överväga (och det kan bita oss i slutet).
Här är den här saken: det kallas Carnot-effektiviteten hos en värmemotor. I ansökan ger det dig en snabb bedömning, baserat på temperaturerna, av mängden extra värme du måste lägga till ett kylsystem för att flytta en del av den värmen från en kallare plats till en varmare plats. (Det är faktiskt det som låter dig undvika att bryta mot 2: A lagen). För argumentets skull kan det visa sig att för att flytta 1W ur en korsning måste du lägga till ytterligare 1 W, vilket innebär att din slutliga kylfläns måste avvisa 2 W till miljön istället för den ursprungliga 1 W. Varifrån kommer den extra energin? Genom de trevliga, tysta, elektriska terminalerna. Volt applicerade tider ampere levereras lika med extra energi som inte var där förut.
Aye, det är gnidningen! Visst kan du skapa en miniatyr Peltier-kylare och sänka korsningstemperaturen (Tj, ”insidan” av en elektronisk komponent) till något svalare än omgivningen, eller till och med – låt oss inte vara giriga – gör det bara lägre än det var utan kylaren! Problemet är att när du slår på kylaren lägger du till energi i det övergripande systemet för att få den lägre Tj. Ur en Makro skala termisk analytiker perspektiv, detta är oftast fel sak att göra, eftersom oftare än inte, du redan har problem med att få all värme ur ditt system i första hand. (Faktum är att problemet är varför din Tj var hetare än du ville börja med.) Till exempel kan ditt PC-kortmotstånd vara 2x lägre än tidigare (större värmespridare, större fläkt etc.), för att avvisa värmen tillsatt av kylaren för att få den lägre Tj. Men om du kunde göra det, borde du bara ha gjort det – med andra ord utan att lägga till kylaren – och du skulle ha sänkt din Tj en massa ändå!
Nu kan jag tänka på ett par situationer där en TEC kan vara ett utmärkt val, men du måste vara mycket säker på dina beräkningar. Den första är när du har en mycket liten, lokaliserad värmekoncentration och du har råd att sänka temperaturen på den platsen på bekostnad av att värma upp allt annat runt det bara lite. Den andra är, när du faktiskt behöver kontrollera temperaturen på en viss enhet inom ett elektroniksystem, till exempel en bildsensor (där så kallad ”mörk ström” är ett allvarligt problem och går snabbt upp med temperaturen). I det senare fallet måste du ha en viss marginal i systemets ”termiska budget”, för ur ett systemperspektiv måste du bli av med lite extra värme.
mitt råd är att tänka mycket noga på om en TEC verkligen är rätt sak för ditt elektronikkylproblem. Och att använda den för att kyla din öl kanske inte är det bästa valet, om du ska försöka tänka noga på att kyla din elektronik! Du är domaren!