Introduzione al modulo di raffreddamento termoelettrico
La tecnologia termoelettrica è una tecnica di gestione termica attiva basata sull'effetto Peltier. Scoperto da J.C.A. Peltier nel 1834, questo fenomeno prevede il riscaldamento o il raffreddamento della giunzione di due materiali termoelettrici (bismuto e tellururo) mediante il passaggio di corrente elettrica attraverso la giunzione. Durante il funzionamento, una corrente continua scorre attraverso il modulo termoelettrico, provocando il trasferimento di calore da un lato all'altro e creando un lato caldo e uno freddo. Invertendo la direzione della corrente, si invertono i lati caldo e freddo. La potenza di raffreddamento può essere regolata variando la corrente di esercizio. Un tipico refrigeratore a singolo stadio (Figura 1) è costituito da due piastre ceramiche con materiale semiconduttore di tipo p e n (bismuto e tellururo) interposto tra di esse. Gli elementi del materiale semiconduttore sono collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo.
I moduli di raffreddamento termoelettrico, i dispositivi Peltier e i moduli TEC possono essere considerati come una sorta di pompa termica a stato solido e, grazie al loro peso, alle dimensioni e alla velocità di reazione, sono particolarmente adatti per essere integrati nei sistemi di raffreddamento (a causa delle limitazioni di spazio). Grazie a vantaggi quali silenziosità, resistenza agli urti e agli impatti, lunga durata e facilità di manutenzione, i moderni moduli di raffreddamento termoelettrico, i dispositivi Peltier e i moduli TEC trovano ampia applicazione in diversi settori, tra cui equipaggiamento militare, aviazione, aerospaziale, trattamento medico, prevenzione delle epidemie, apparecchiature sperimentali e prodotti di consumo (refrigeratori d'acqua, refrigeratori per auto, frigoriferi per hotel, cantinette per vini, mini refrigeratori personali, materassini termici, ecc.).
Oggi, grazie al suo peso ridotto, alle dimensioni contenute e al basso costo, il raffreddamento termoelettrico è ampiamente utilizzato in apparecchiature mediche e farmaceutiche, nell'aviazione, nell'industria aerospaziale, in ambito militare, nei sistemi di spettroscopia e in prodotti commerciali (come distributori di acqua calda e fredda, frigoriferi portatili, refrigeratori per auto e così via).
| Parametri | |
| I | Corrente di funzionamento del modulo TEC (in Ampere) |
| Imassimo | Corrente operativa che determina la massima differenza di temperatura △Tmassimo(in Ampere) |
| Qc | Quantità di calore assorbibile sulla superficie fredda del TEC (in Watt) |
| Qmassimo | Quantità massima di calore che può essere assorbita sul lato freddo. Ciò si verifica quando I = Imassimoe quando Delta T = 0 (in Watt) |
| Tcaldo | Temperatura della superficie calda durante il funzionamento del modulo TEC (in °C) |
| TFreddo | Temperatura della superficie fredda durante il funzionamento del modulo TEC (in °C) |
| △T | Differenza di temperatura tra il lato caldo (Th) e il lato freddo (Tc). Delta T = Th-Tc(in °C) |
| △Tmassimo | Differenza massima di temperatura che un modulo TEC può raggiungere tra il lato caldo (Th) e il lato freddo (Tc). Ciò si verifica (capacità di raffreddamento massima) a I = Imassimoe Qc= 0. (in °C) |
| Umassimo | Alimentazione di tensione a I = Imassimo(in Volt) |
| ε | Efficienza di raffreddamento del modulo TEC (%) |
| α | Coefficiente di Seebeck del materiale termoelettrico (V/°C) |
| σ | Coefficiente elettrico del materiale termoelettrico (1/cm·ohm) |
| κ | Conduttività termica del materiale termoelettrico (W/cm·°C) |
| N | Numero di elementi termoelettrici |
| Iεmassimo | Corrente applicata quando la temperatura del lato caldo e del lato vecchio del modulo TEC è un valore specificato e si richiede di ottenere la massima efficienza (in Ampere) |
Introduzione delle formule applicative al modulo TEC
Qc= 2N[α(Tc+273)-LI²/2σS-κs/Lx(TH- TC) ]
△T= [ Iα(Tc+273)-LI/²2σS] / (κS/L + I α]
U = 2 N [ IL /σS +α(TH- TC)]
ε = Qc/UI
QH= Qc + IU
△Tmassimo= TH+ 273 + κ/σα² x [ 1-√2σα²/κx (Th+273) + 1]
Imassimo =κS/ Lαx [√2σα²/κx (Th+273) + 1-1]
Iεmassimo =ασS (TH- TC) / L (√1+0.5σα²(546+ TH- TC)/ κ-1)
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