DOI: 10.2429/proc.2018.12(1)024 2018;12(1)
Rafał SMOŁA1, Justyna GOŁĘBIOWSKA1 i Agnieszka ŻELAZNA1
WPŁYW PARAMETRÓW PRĄDU ZASILAJĄCEGO WENTYLATOR NA EFEKTY CHŁODZENIA UKŁADU
Z OGNIWEM PELTIERA
THE INFLUENCE OF THE FAN POWER SUPPLY PARAMETERS ON COOLING EFFECT OF THE SYSTEM WITH PELTIER MODULE
Abstrakt: Ogniwa termoelektryczne, zwane również ogniwami Peltiera, są stosowane głównie do dwóch celów:
generowania prądu elektrycznego i chłodzenia. Spośród tych zastosowań chłodzenie jest tematem wielu badań naukowych już od kilku dekad. Dzieje się tak, ponieważ ogniwa Peltiera mogą być umieszczane w różnych konfiguracjach, w urządzeniach medycznych, przemysłowych, laboratoryjnych i militarnych. Głównymi zaletami technologii termoelektrycznych są: kompaktowy rozmiar, niska awaryjność, niski poziom hałasu i wibracji, proste wykorzystanie, brak szkodliwych czynników chłodniczych i fakt, że są zasilane prądem stałym, czyli mogą być zasilanie bezpośrednio z ogniw PV. Ze względu na niewielką wydajność chłodniczą bardzo ważną kwestią jest zapewnienie odpowiedniego odbioru ciepła po obydwu stronach modułu termoelektrycznego. W niniejszej pracy przedstawiono badania wpływu parametrów prądu zasilającego wentylator na wydajność chłodniczą układu z ogniwem Peltiera, zastosowanego do schłodzenia komory o wymiarach 0,5 m x 0,5 m x 0,5 m o 8 °C. Wyniki pokazały, że najkorzystniejsze efekty chłodzenia uzyskano dla napięcia zasilającego wentylator o wartości 8 V.
Zwiększenie napięcia nie wpłynęło na polepszenie efektów chłodzenia, natomiast zmniejszenie wartości napięcia spowodowało znaczny spadek wydajności chłodniczej układu.
Słowa kluczowe: ogniwo termoelektryczne, ogniwo Peltiera, wydajność chłodnicza
Wprowadzenie
Moduł termoelektryczny (zwany również ogniwem Peltiera) jest elementem termoelektrycznym zbudowany z półprzewodników typu p i n umieszczonych odpowiednio pomiędzy ceramicznymi płytkami (rys. 1). Pod względem elektrycznym złącza p-n połączone są szeregowo za pomocą miedzianych płytek, natomiast pod względem cieplnym połączone są równolegle.
Zgodnie ze zjawiskiem Seebecka ogrzanie jednej strony modułu spowoduje, że w obwodzie popłynie prąd elektryczny. Kierunek przepływu prądu zależy od znaku różnicy temperatur po obu stronach modułu. Dzięki wykorzystaniu zjawiska Seebecka ogniwa termoelektryczne mogą być stosowane w generatorach prądu, zasilanych przykładowo ciepłem odpadowym z procesów produkcyjnych, ze spalania biomasy lub ciepłem uzyskanym z termicznych systemów słonecznych [1-6].
Zgodnie ze zjawiskiem Peltiera, kiedy przez moduł popłynie prąd elektryczny, jedna strona będzie wydzielać ciepło, a druga pochłaniać (w zależności od kierunku przepływu prądu). Ta właściwość ogniw termoelektrycznych jest wykorzystywana w procesie chłodzenia. Urządzenia termoelektryczne stosuje się głównie do chłodzenia małych elementów lub obiektów, takich jak urządzenia elektroniczne (głównie procesory i karty graficzne), diody laserowe, generatory prądu. Są one również wykorzystywane do
1 Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40B, 20-618 Lublin, email: j.golebiowska@pollub.pl
Praca była prezentowana podczas konferencji ECOpole’17, Polanica-Zdrój, 4-7.10.2017
produkcji laboratoryjnych komór chłodzących, lodówek turystycznych oraz precyzyjnych wzorców temperatury odniesienia [7, 8]. Niektóre badania donoszą o wykorzystaniu efektu Peltiera w klimatyzacji samochodów lub wagonów kolejowych [9, 10]. Istnieje również możliwość wykorzystania ogniw termoelektrycznych do kształtowania parametrów powietrza wewnętrznego w budynkach [11-13].
Rys. 1. Budowa modułu Peltiera [2]
Fig. 1. Construction of the Peltier module [2]
Na funkcjonowanie ogniwa mają wpływ również inne zjawiska termoelektryczne (tj. zjawisko Joule’a, zjawisko Thomsona), a także przewodnictwo cieplne, na temat których więcej informacji można znaleźć w publikacjach [14-17].
Pomimo niskiej wydajności chłodniczej moduły termoelektryczne znajdują zastosowanie w praktyce dzięki takim zaletom, jak: małe rozmiary i masa, brak płynu roboczego, brak części ruchomych, możliwość pracy w różnych pozycjach, duża żywotność, prosta kontrola, cicha praca.
W celu stworzenia optymalnych warunków pracy ogniwa konieczne jest zapewnienie odpowiedniego odbioru ciepła po obu stronach modułu. Wymiennik po stronie gorącej ogniwa Peltiera stosuje się w celu odebrania generowanego ciepła i przekazania go do otoczenia. Dzięki temu można zmniejszyć temperaturę po stronie gorącej (Th). Z kolei zastosowanie wymiennika po stronie zimnej zwiększa sprawność odbioru ciepła z otoczenia, powodując zwiększenie temperatury na stronie zimnej (Tc). Zredukowanie różnicy temperatur po stronach gorącej i zimnej wpływa na podwyższenie wartości COP układu [18].
Metodyka badań i zakres analizy
Komora badawcza zbudowana jest z płyt styropianowych o grubości 5 cm. Wymiary w świetle komory wynoszą 0,5 m x 0,5 m x 0,5 m, dając tym samym kubaturę 0,125 m3. Płyty styropianowe zapewniają izolację termiczną wnętrza komory, minimalizując straty ciepła pomiędzy komorą a otoczeniem. Łączenia ścian komory zaizolowane są dodatkowo pianką poliuretanową. W badaniach wykorzystany został moduł termoelektryczny QC-127-1.4-8.5MD o maksymalnych parametrach: mocy 72 W, prądzie zasilającym 8,5 A
i napięciu 15,5 V. Wymiary modułu to 40 mm szerokości, 40 mm długości i 3,5 mm grubości. W celu zapewnienia odpowiedniej wymiany ciepła po obu stronach modułu zastosowano radiatory aluminiowe z wentylatorami, dostosowane do wymiarów modułu.
Wentylator charakteryzuje się prędkością obrotową w zakresie od 500 do 2000 obr./min i maksymalnym przepływem powietrza 127 m3/h. Regulacja prędkości obrotowej radiatora realizowana jest w sposób automatyczny, w zależności od obciążenia zasilacza. Do połączenia urządzeń wykorzystano pastę termoprzewodzącą o przewodności 5,6 W/(m·K). Ogniowo razem z modułami zamontowano w pokrywie komory badawczej, w sposób przedstawiony na rysunku 2. Całość układu badawczego pokazano na rysunku 3.
Rys. 2. Schemat budowy komory pomiarowej Fig. 2. Schematic diagram of the experimental room
Rys. 3. Stanowisko badawcze Fig. 3. The research setup
W celu pomiaru temperatury w komorze badawczej na stronach zimnej i gorącej modułu zastopowano skalibrowany układ pomiarowo-rejestrujący składający się z:
− 2 czujników Pt 500 typu Pt 41L30D3.3 ze stali nierdzewnej, o dokładności pomiaru
± 0,1 K, do pomiaru temperatury we wnętrzu komory,
− 4 czujników temperatury Pt 500 typu KT41Cu z płytką miedzianą, o dokładności pomiaru ± 0,1 K, do pomiaru temperatur po stronach gorącej i zimnej modułu termoelektrycznego,
− rejestratora AL. 154 do odczytu danych z czujników temperatury.
Podczas przeprowadzonych badań sprawdzono wpływ napięcia zadanego na wentylatorach na efekty chłodzenia komory. Zakres przyjmowanego napięcia ustalono na podstawie badań wstępnych od 5 do 10 V, co 1 V. Istotą każdego pomiaru było schłodzenie komory o 8 °C od wstępnej wartości temperatury wewnątrz pomieszczenia badawczego.
Wartość natężenia prądu oraz napięcia dla modułów Peltiera była stała w każdym pomiarze i wynosiła odpowiednio 4 A i 9,3 V. Badania przeprowadzono w kilku seriach pomiarowych, które potwierdziły ich powtarzalność.
Wyniki badań
W tabeli 1 przedstawiono czas schładzania komory badawczej w zależności od napięcia na wentylatorach. Czas schłodzenia powietrza w komorze dla wartości napięcia 10, 9 oraz 8 V był bardzo podobny w każdej serii pomiarowej.
Tabela 1 Czas schładzania komory o 8 °C w zależności od parametrów pracy wentylatora
Table 1 Cooling time of experimental room by 8 °C, depending on fan operating parameters
I seria pomiarowa II seria pomiarowa
Zadane napięcie na wentylatorze [V]
Czas schładzania komory o 8 °C [min]
Zadane napięcie na wentylatorze [V]
Czas schładzania komory o 8 °C [min]
5 32 5 33
6 25 6 25
7 24 7 23
8 22 8 21
9 22 9 21
10 22 10 21
Rys. 4. Zmiana temperatury w czasie dla napięcia na wentylatorze 8 V Fig. 4. Temperature change in time, for voltage 8 V on fan
temperatura po stronie gorącej ogniwa Peltiera
temperatura po stronie zimnej ogniwa Peltiera
temperatura wewnątrz komory temperatura otoczenia
Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy przebieg procesu chłodzenia przy napięciu zadanym na wentylatorach 8 V. Wykres obrazuje, jak w czasie zmienia się temperatura wewnątrz komory (zastosowano 2 czujniki) oraz na stronie zimnej (2 czujniki) i gorącej (2 czujniki) ogniwa Peltiera.
Biorąc pod uwagę identyczny czas schłodzenia komory o założoną wartość 8 °C, bardzo zbliżony przebieg procesu chłodzenia w całej rozciągłości pomiaru, a także uwzględniając fakt poboru energii przez wentylator i emitowanego dźwięku, najkorzystniejszym wariantem jest chłodzenie komory przy napięciu równym 8 V. Dla tej wartości napięcia na wentylatorach zapotrzebowanie na energię potrzebną do schłodzenia komory o 8 °C wyniesie 0,145 kWh. Stosowanie wyższych parametrów prądu zasilającego wentylatory nie jest konieczne, gdyż nie zwiększa efektywności chłodzenia. Powoduje również szybszą eksploatację urządzenia oraz większy pobór energii elektrycznej.
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonej analizy nasuwają się następujące wnioski:
• istnieje optymalna wartość napięcia zasilającego wentylatory, powyżej której wydajność chłodnicza nie zwiększa się,
• wydajność chłodnicza zależy od różnicy temperatur między stroną gorącą a zimną modułu Peltiera,
• aby poprawić wydajność chłodniczą, należy skupić się na jak najefektywniejszym odprowadzaniu ciepła ze strony gorącej modułu Peltiera oraz jak najlepszej izolacji termicznej komory chłodniczej.
Podziękowania
Badania były finansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu UMO-2015/17/N/ST8/02824.
Literatura
[1] Rowe DM, Min G. J. Power Sources. 1998;73(2):193-198. DOI: 10.1016/S0378-7753(97)02801-2 [2] He W, Zhou J, Hou J, Chen C, Ji J. Appl Energy. 2013;107: 89-97. DOI: 10.1016/j.apenergy.2013.01.055.
[3] O’Shaughnessy SM, Deasy MJ, Kinsella CE, Doyle JV. Appl Energy. 2013;102:374-385. DOI:
10.1016/j.apenergy.2012.07.032.
[4] Liu C, Chen P, Li K. Int J Hydrogen Energy. 2014;39(28):15497-15505. DOI:
10.1016/j.ijhydene.2014.07.163.
[5] Zhang Z, Li W, Kan J. Energy Conv Manage. 2015;97:178-187. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.03.060.
[6] Champier D. Energy Conv Manage. 2017;140:167-181. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.02.070.
[7] Longman J, Pedryc N, Łapczyńska-Kordon B. Zastosowanie modułu Peltiera w inżynierii rolniczej. Inż Rolnicza. 2006;10:295-302.
[8] Su S, Chen X, Wang J, Chen J. Int J Refrigeration. 2015;60:62-69. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.07.035.
[9] Astrain D, Vián JG, Albizua J. Appl Thermal Eng. 2005;25(17):3149-3162.
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2005.04.003.
[10] Choi HS, Yun S, Whang KI. Appl Thermal Eng. 2007;27(17):2841-2849. DOI:
10.1016/j.applthermaleng.2006.09.004.
[11] Xu X, Van Dessel S, Messac A. Building Environ. 2007;42(3):1489-1502. DOI:
10.1016/j.buildenv.2005.12.021.
[12] Cosnier M, Fraisse G, Luo L. Int J Refrig. 2008;31(6):1051-1062. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2007.12.009.
[13] Liu ZB, Zhang L, Gong G, Luo Y, Meng F. Energy Buildings. 2015;86:619-625. DOI:
10.1016/j.enbuild.2014.10.053.
[14] Huang MJ, Yen RH, Wang AB. Int J Heat Mass Transfer. 2005;48(2):413-418. DOI:
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.05.040.
[15] Kim HS, Liu W, Ren Z. J Appl Phys. 2015;118(11):115103. DOI: 10.1063/1.4930869.
[16] Mitrani D, Salazar J, Turó A, García MJ, Chávez JA. Microelectronics J. 2009;40(9):1398-1405. DOI:
10.1016/j.mejo.2008.04.001.
[17] Wang XD, Huang YX, Cheng CH, Lin, DT W, Kang CH. Energy. 2012;47(1):488-497. DOI:
10.1016/j.energy.2012.09.019.
[18] Riffat SB, Ma X. Int J Energy Res. 2004;28(9):753-768. DOI: 10.1002/er.991.
THE INFLUENCE OF THE FAN POWER SUPPLY PARAMETERS ON COOLING EFFECT OF THE SYSTEM WITH PELTIER MODULE
Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, Lublin
Abstract: Thermoelectric modules, also called Peltier modules, are used mainly for two purposes: electricity generation and cooling. Among that, cooling has been a subject of research for several decades. This is because Peltier modules can be used in different configurations in medical, industrial, laboratory or military devices. The main advantages of thermoelectric technologies are: compact size, low failure rate, low levels of noise and vibration, simple use, lack of harmful refrigerant, and the fact that they can be powered by direct current, thus modules can be powered directly by PV. Due to the low cooling capacity, it is very important to ensure proper heat transfer on both sides of the thermoelectric module. This paper presents the study of the influence of fan power supply parameters on the cooling capacity of designed system with Peltier module used to cool down an experimental room of dimensions 0.5 m x 0.5 m x 0.5 m by 8 °C. The results showed that the most favorable cooling effects were obtained for a fun supplying voltage of 8 V. Increasing the voltage did not improve the cooling effect, while reducing the voltage caused a significant decrease in cooling capacity.
Keywords: thermoelectric module, Peltier module, cooling capacity
