Физика / Электричество

Холодопроизводительность модуля Пельтье при заданном токе

Холодопроизводительность одноступенчатого модуля равна мощности переноса Пельтье за вычетом доли джоулева нагрева и теплопритока с горячей грани.

Опубликовано: Обновлено:

Формула

$$\dot Q_c=ST_c I-\frac{I^2R}{2}-K(T_h-T_c)$$
Схема Мощность отвода тепла в зависимости от тока
0246810-100102030Q̇c, ВтI, АМощность отвода

Вершина находится при 5,8 А. За ней рост нагрева снижает холодопроизводительность.

Обозначения

$Q̇_c$
мощность отвода тепла с холодной грани, Вт
$S$
коэффициент Зеебека модуля, В/К
$T_c, T_h$
температуры холодной и горячей граней, К
$I$
ток в направлении охлаждения при S>0, А
$R$
электрическое сопротивление, Ом
$K$
тепловая проводимость модуля, Вт/К

Условия применения

Параметры S, R и K одноступенчатого модуля постоянны на рассматриваемом интервале. Половина стационарного джоулева тепла уходит к каждой грани. Направление тока выбрано так, чтобы ST_cI было положительной мощностью переноса с холодной грани.

Ограничения

Распределение джоулева тепла может измениться при неоднородности элемента. У реального модуля температура горячей грани зависит от радиатора и тока. Для определения температуры нагрузки требуется отдельно учесть тепловые сопротивления контактов и теплоприток от окружающей среды.

Подробное объяснение

Слагаемое ST_cI описывает перенос тепла с холодной грани током. При фиксированной температуре он растёт линейно с током. По соотношению Кельвина коэффициент Пельтье для холодной стороны равен ST_c, поэтому T_c подставляют в кельвинах.

Джоулево тепло I²R выделяется по объёму. В однородной постоянной модели половина тепла уходит к холодной грани. Теплопроводность создаёт ещё один теплоприток K(T_h−T_c), который сохраняется при выключенном токе. Оба вклада уменьшают полезный отвод тепла.

При фиксированных температурах зависимость от I представляет параболу с вершиной при I=ST_c/R. Правее вершины дополнительный нагрев превышает выигрыш от переноса Пельтье. Ток реального модуля дополнительно ограничивают паспортные параметры и нагрев горячей стороны.

При Q̇_c>0 холодная грань способна отводить соответствующую внешнюю тепловую нагрузку. Горячая грань должна рассеять и это тепло, и электрическую мощность питания. При подборе модуля вместе с Q̇_c проверяют тепловой режим радиатора.

Как пользоваться формулой

  1. Переведите температуру холодной грани в кельвины и вычислите разность температур горячей и холодной граней.
  2. Возьмите S и R всего модуля и задайте положительный ток в направлении охлаждения выбранной холодной грани.
  3. Посчитайте ST_cI, половину джоулева нагрева I²R и проводимый тепловой поток K(T_h−T_c) отдельно.
  4. Вычтите оба теплопритока из мощности Пельтье и сравните результат с теплом от нагрузки и окружающей среды.

Историческая справка

В 1834 году Жан Пельтье наблюдал изменение температуры в области контакта разнородных проводников при прохождении тока. Со сменой направления тока менялся знак обратимого вклада. Впоследствии в термоэлектрических холодильниках стали применять пары полупроводниковых ножек для переноса тепла между общими гранями модуля.

В статье 2012 года Джеффри Снайдер и соавторы сравнили охлаждение при постоянных свойствах с моделью, учитывающей эффект Томсона. В руководстве Ferrotec для одноступенчатого модуля баланс холодной грани записан через перенос Пельтье, джоулев нагрев и теплопроводность. Эти мощности можно рассчитать отдельно и проследить их вклад.

Историческая линия формулы

Имя Пельтье относится к обратимому теплообмену при токе через контакт. Формула холодопроизводительности представляет баланс всего модуля, куда дополнительно входят необратимые тепловые вклады. Она записана для постоянных параметров, как в базовой модели Ferrotec.

Пример

Холодная грань работает при 290 К, горячая при 310 К. Для модели модуля S=0,04 В/К, R=2 Ом и K=0,5 Вт/К. Найдём холодопроизводительность при токе 2 А. Перенос Пельтье равен 0,04·290·2=23,2 Вт. На холодную грань приходится 2²·2/2=4 Вт джоулева нагрева. Теплоприток из-за проводимости составляет 0,5·(310−290)=10 Вт. Итог: Q̇_c=23,2−4−10=9,2 Вт. Все слагаемые измеряются в ваттах. При отключении тока первые два члена обращаются в ноль и Q̇_c становится равной −10 Вт. Если температуры граней остаются заданными, тепло идёт с горячей грани на холодную.

Частая ошибка

Удельная теплопроводность в Вт/(м·К) и проводимость всего модуля в Вт/К имеют разные единицы. При смене полярности ST_cI меняет знак, а I²R сохраняется. Паспортная мощность при нулевом перепаде не подходит для ненулевого. Отрицательный результат показывает теплоприток к холодной грани.

Практика

Задачи с решением

Малый ток и теплоприток

Условие. Возьмите параметры примера и уменьшите ток до 0,5 А. Хватит ли этого для отвода тепла?

Решение. Перенос равен 5,8 Вт, джоулева доля 0,25 Вт. После вычитания 10 Вт теплопритока остаётся −4,45 Вт.

Ответ. Нет, расчётная мощность отвода −4,45 Вт.

Два тока при одном перепаде

Условие. Сравните 4 А и 8 А при тех же температурах и параметрах.

Решение. При 4 А получаем 46,4−16−10=20,4 Вт. При 8 А получаем 92,8−64−10=18,8 Вт. Добавочный нагрев перекрыл выигрыш от роста переноса.

Ответ. 20,4 Вт при 4 А и 18,8 Вт при 8 А.

Дополнительные источники

  • https://thermal.ferrotec.com/technology/thermoelectric-reference-guide/thermalref11/
  • https://link.aps.org/accepted/10.1103/PhysRevB.86.045202
  • https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7517375/

Связанные формулы

Физика

Эффект Пельтье: обратимая теплота на контакте

$\dot Q_{\mathrm P}=\Pi_{AB}I,\qquad Q_{\mathrm P}=\Pi_{AB}It$

На контакте разных проводников ток вызывает обратимое поглощение или выделение теплоты. Мощность Пельтье пропорциональна току и меняет знак при изменении его направления.

Физика

Закон Джоуля-Ленца

$Q = I^2Rt$

Закон Джоуля — Ленца определяет теплоту, выделенную током в резисторе: Q = I²Rt. При постоянных сопротивлении и времени удвоение тока увеличивает выделенную теплоту в четыре раза.

Физика

Максимальный КПД термоэлектрического генератора

$\eta_{\max}=\frac{T_h-T_c}{T_h}\,\frac{\sqrt{1+Z\bar T}-1}{\sqrt{1+Z\bar T}+T_c/T_h}$

Формула даёт максимальную долю тепловой мощности, которую термоэлектрический модуль с постоянными свойствами передаёт в электрическую нагрузку при заданных температурах граней.