Ćwiczenie nr xx - Politechnika Rzeszowska

POLITECHNIKA
RZESZOWSKA
LABORATORIUM
FIZYKI CIAŁA STAŁEGO
Badanie sprawności i charakterystyk
modułu Peltiera
1
Wprowadzenie do problematyki ćwiczenia
Zjawisko Peltiera
Zjawisko Peltiera jest jednym ze zjawisk termoelektrycznych, odwrotnym do zjawiska
Seebecka, a zaobserwowanym w 1834 roku przez Jeana Peltiera. Zjawisko to polega na
powstawaniu różnicy temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze.
Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników
(n i p) połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera). Podczas przepływu prądu jedno
ze złącz ulega ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony
przechodzą z przewodnika o niższym poziomie Fermiego do przewodnika o wyższym.
Odwracając przepływ prądu zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz).
Ilość energii cieplnej pochłanianej przez zimniejsze złącze jest opisywana przez równanie:
dQ
= Π AB I
dt
gdzie: ΠAB – współczynnik Peltiera układu zależny od rodzaju stykających się metali
(lub półprzewodników) oraz temperatury złącza.
Ogniwo Peltiera
Współczesne ogniwo Peltiera, to dwie cienkie płytki z termoprzewodzącego materiału
izolacyjnego (ceramika tlenków glinu), pomiędzy którymi zrealizowano połączenie
elementarnych półprzewodników, naprzemiennie typu "p" i "n". (rys. 1)
Rys. 1. Budowa ogniwa Peltiera
Wykonane z tellurku bizmutu domieszkowanego odpowiednio antymonem i selenem
poszczególne półprzewodniki, pod względem elektrycznym połączone są w układ szeregowy,
dzięki miedzianym ścieżkom na wewnętrznych powierzchniach płytek ceramicznej obudowy.
Połączenie tych półprzewodników pod względem cieplnym jest natomiast równoległe.
W strukturze półprzewodnika "p" brakuje elektronów aby w pełni "obsadzić" górny poziom
energetyczny. Natomiast w półprzewodniku "n" występuje nadmiar elektronów. W momencie
2
przepływu prądu (elektrony płyną od półprzewodnika typu "p" do "n") elektrony stają się
ładunkami nadmiarowymi, więc muszą zwiększyć swoją energię kosztem energii cieplnej z
otoczenia. Kiedy prąd płynie w odwrotnym kierunku elektrony przechodzą na niższy poziom
energetyczny, co powoduje wydzielenie ciepła, wobec czego jedna ze stron modułu działa
jako chłodnica, a druga jako nagrzewnica.
Dla danego modułu ilość transportowanej energii cieplnej wynikająca ze zjawiska Peltiera
zależna jest wprost proporcjonalne do natężenie płynącego prądu. Jednak przepływ prądu
spowoduje wydzielenie się w całej objętości czynnego materiału pewnej ilości ciepła Joule'a
proporcjonalnie do drugiej potęgi prądu (P = I2*R). Ze wzrostem prądu szkodliwe ilości
ciepła Joul'a rosną szybciej niż ilość ciepła "pompowanego" przez moduł wynikająca ze
zjawiska Peltiera.
Ilustruje to wykres z rys. 2:
Rys. 2.
Prosta 1 reprezentuje "możliwości transportu ciepła", a krzywa 2 - ilości ciepła Joule'a,
wydzielane pod wpływem płynącego prądu. Rzeczywiste możliwości transportu ciepła
"użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (moc chłodzenia), będą więc różnicą
"możliwości transportowych" i szkodliwego ciepła Joule'a.
Te rzeczywiste możliwości przedstawia krzywa 3. Krzywa ta udowadnia, że nie możemy
nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyżej wartości Imax rzeczywista skuteczność
chłodzenia zmniejsza się.
Przy wartościach prądu powyżej IY moduł wcale nie będzie chłodził - obie strony będą się
grzać, z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej.
Tak więc dla każdego modułu Peltiera określa się pewien prąd maksymalny Imax - prądu tego
nie należy przekraczać, bo tylko pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu Imax
jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera.
3
Metodologia wykonania pomiarów
Opis układu pomiarowego
Układ pomiarowy przedstawiony został na rys.3. Układ składa się z ogniwa Peltier’a
(1); 2 bloków wodnych używanych w układach chłodzenia wodnego procesorów (2); 2
termosów (3); 2 pomp wodnych napędzających ciecz w układzie (4); węży izolowanych
termicznie służących do transportu cieczy; zasilacza stabilizowanego, służącego do zasilenia
ogniwa; miernika elektronicznego (5) z pomiarem jednoczesnym 2 temperatur za pomocą
termopar (6).
Po włączeniu zasilania dla ogniwa. Ogniwo pracuję, jedną stronę ochładzając a drugą
ogrzewając. Po włączeniu pomp woda odbiera ciepło/zimno z miedzianych bloków wodnych
bezpośrednio zamontowanych na ogniwie. Temperaturę możemy mierzyć w 2 miejscach.
Bezpośrednio na każdym z bloków wodnych jako temperaturę ogniwa lub w termosie
dokonując pomiaru cieczy.
Ogniwo ma moc maksymalną 40W i pracuje na napięciu do 8,5V, co nie pozwala
podawać na nie prądu większego niż 4A (przy tym napięciu). Należy tego przestrzegać, aby
nie dopuścić do uszkodzenia ogniwa.
Rys. 3. Układ pomiarowy
1.ogniwo Peltiera
2.bloki wodne
3.termosy z wodą
4.pompki przepompowujące wodę z bloków wodnych do termosów
5.miernik różnicy temperatur
6.termopary
4
Kolejność wykonywania czynności przy zdejmowaniu charakterystyk.
1. Otworzyć pojemnik termoizolacyjny, w którym znajduje się ogniwo Peltiera i dwie
termopary umieścić w odpowiednich otworach między ogniwem a blokami wodnymi.
2. Wyznaczyć zależność temperatury obydwu stron ogniwa od płynącego prądu/napięcia
zasilania. Po każdej zmianie prądu/napięcia zasilania należy odczekać ok. minuty w
celu ustabilizowania się temperatury. Pomiary wykonywać przy opróżnionych
termosach i blokach wodnych. Wyniki zapisać w tabeli pomiarowej 1.
Uwaga:
Należy pamiętać o nie przekraczaniu maksymalnych dopuszczalnych wartości prądu
płynącego przez ogniwo.
Tabela pomiarowa 1.
Pomiar
IZ
[A]
TCH
[ºC]
TG
[ºC]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3. Przy pomocy naczynia miarowego napełnić oba termosy tą samą ilością wody.
Zamknąć termosy
4. Włączyć pompki przepompowujące wodę z termosów przez bloki wodne
5. Włączyć zasilanie ogniwa Peltiera. Wartość prądu zasilającego poda prowadzący
ćwiczenia.
6. Obserwować zmiany temperatury przez czas podany przez prowadzącego ćwiczenia
Tabela pomiarowa 2.
T0
[ºC]
TG
[ºC]
TCH
[ºC]
t
[s]
UZ
[V]
IZ
[A]
5
Obliczenia
1.Należy wyznaczyć końcową temperaturę średnią w obu termosach.
TŚ =
TG + TCH
2
2.Wszystkie uzyskane temperatury należy przeliczyć na Kelviny za pomocą wzoru:
T [ K ] = T [C ° ] + 273,15
3.Obliczamy moc pobraną przez układ.
Q1 = I Z ⋅ U Z ⋅ t
[W ⋅ s] = [ A] ⋅ [V ] ⋅ [ s]
4.Obliczamy moc jaka byłą potrzebna do podniesienia temperatury do tej którą
uzyskaliśmy.
 J 
c w = 4190 

 kg ⋅ K 
Q2 = m ⋅ c w ⋅ ∆ T
∆ T = TŚ − T0
 J 
[ J ] = [kg ] ⋅ 
 ⋅ [K ]
 kg ⋅ K 
„m” jest to masa cieczy w tym przypadku wody
„cw” jest to stała dla wody
5.Obliczamy sprawność układu, która w dużym stopniu w zależności od skuteczności
izolacji cieplnej jest zbliżona do sprawności samego ogniwa.
η =
Q2
Q1
6
Niepewność pomiaru.
Należy wyznaczyć niepewność pomiaru za pomocą podanych wzorów:
m ⋅ cw ⋅ ∆ T
Q
η = 2 =
=
Q1
I ⋅U ⋅ t
m ⋅ cw ⋅
1
( TG + TCH − 2T0 )
2
I ⋅U ⋅ t
TG + TCH − 2T0 = TD
1
m ⋅ c w ⋅ TD
2
η =
I ⋅U ⋅ t
η = f ( m, c w , TD , I .U , t )
∆ m = ± 0,0001[kg ]
 J 
∆ c w = ± 1

 kg ⋅ K 
∆ I = ± 0,1[ A]
∆ U = ± 0,1[V ]
∆ TG = ± 0,1[° C ]
∆ TCH = ± 0,1[° C ]
∆ T0 = ± 0,1[° C ]
⇒
∆ TD = ± 0,3[° C ]
∆ t = ± 0,5[ s ]
∆η =
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
⋅∆m+
⋅ ∆ cw +
⋅∆m+
⋅ ∆ TD +
⋅∆I +
⋅∆U +
⋅∆t
∂m
∂ cw
∂m
∂ TD
∂I
∂U
∂t
7
∂η
⋅∆m =
∂m
1
⋅ TD
2
⋅∆m =
I ⋅U ⋅ t
cw ⋅
1
⋅ TD
2
⋅ ∆ cw =
I ⋅U ⋅ t
m⋅
∂η
⋅ ∆ cw =
∂ cw
1
2⋅∆T =
D
I ⋅U ⋅ t
m ⋅ cw ⋅
∂η
⋅ ∆ TD =
∂ TD
∂η
⋅∆I = −
∂I
1
⋅ TD
2
⋅∆I =
I2 ⋅U ⋅ t
m ⋅ cw ⋅
∂η
⋅∆U = −
∂U
∂η
⋅∆t = −
∂t
∆η =
1
⋅ TD
2
⋅∆U =
I ⋅U2 ⋅ t
m ⋅ cw ⋅
1
⋅ TD
2
⋅∆t =
I ⋅U ⋅ t2
m ⋅ cw ⋅
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
∂η
⋅∆m +
⋅ ∆ cw +
⋅∆m +
⋅ ∆ TD +
⋅∆I +
⋅∆U +
⋅∆t =
∂m
∂ cw
∂m
∂ TD
∂I
∂U
∂t
Wnioski
Należy zamieścić wnioski uzyskane na podstawie doświadczenia. Należy również
wykreślić charakterystyki zmierzone w punkcie pierwszym instrukcji. Należy
odpowiedzieć na pytanie co wprowadza błędy i ewentualne przekłamania w
zastosowanym układzie i zaproponować możliwe inne metody sprawdzania sprawności
takiego ogniwa.
8