Наверное, когда-то кондиционер в автомобиле станет совершеннейшей нормой, вне зависимости от стоимости и комплектации. Однако по-прежнему миллионы машин, «бегающих» по нашим дорогам, не имеют этой полезной опции, да и новые, также лишенные кондиционера, все еще выпускаются. А, стало быть, каждое лето раскаленные от солнцепека головы водителей машин без «кондея» посещают нервные мысли о способах охлаждения «душегубки» нагретого на солнце салона альтернативными и «асимметричными» методами.
Первое, что страждущий находит в интернете по запросам «охладить салон машины без кондиционера», «спастись от жары без кондиционера» и т.п. – это предложение использовать ПЭТ-бутылки со льдом. Идея сия кочует с сайта на сайт годами и навскидку даже выглядит работоспособной.
Уверенности прибавляют многочисленные описания гаражных конструкций автомобильных суррогатных «кондиционеров», сделанных на коленке и использующих в качестве «хладагента» ту самую замороженную воду в бутылках от газировки или пива. Представляют они собой разнообразные коробки и ящики, оклеенные внутри фольгой во избежание потерь холода, и с установленными вентиляторами для продувки воздуха через лед. В принципе, это логичное направление развития, нацеленное на повышение КПД технологии, хотя за инжинирингом теряется главное – привлекательная простота. В любой конструкции нужно учитывать фактор человеческой лени – какой бы эффективной ни была разработка, она рано или поздно будет закинута на пыльную полку даже самим разработчиком, если потребует сложной последовательности действий или непростой подготовительной работы… Заморозить, а потом прихватить с собой перед поездкой пару бутылок – по силам любому, а вот городить ящики с вентиляторами – это уже, по мнению большинства, перебор…
Так или иначе, идея витает в массах, но тех, кто опробовал-таки технологию на практике, крайне немного. Поэтому наша задача – разрушить или подтвердить миф с термометром в руках. Проверить, получив выводы в сухих цифрах, а не в субъективных ощущениях, простейший базовый вариант – смогут ли «полторашки» со льдом, положенные на торпедо под струю воздуха из вентилятора, сделать пребывание в машине без «кондея» хоть сколько-то более комфортным? И понять тем самым, целесообразно ли в принципе прикладывать дальнейший креатив, руки и силы в этом направлении?
Эксперимент будет выглядеть так. Берем два одинаковых автомобиля одного цвета, ставим их рядом на солнцепек на несколько часов. После прогрева салонов солнечными лучами в одной машине просто включаем салонный вентилятор на продувку наружным воздухом, а в другой – запускаем рециркуляцию и пускаем поток воздуха на стекло, обдувая им несколько литров льда, замороженного в ПЭТ-бутылках, лежащих на торпедо. Через 15 минут смотрим на результат – насколько удастся понизить температуру? Итак, поехали!
Температура в салоне автомобилей после трех часов, проведенных на солнце – 38 градусов Цельсия:
В одну машину кладем ледяные бутылки, включаем в обеих вентиляторы, засекаем время – 15 минут…
Результат – удручающий… В машине, в которой вентилятор работал на продувку салона забортным воздухом, температура понизилась до 33 градусов, а в машине, в которой была включена рециркуляция и воздух гонялся по кругу, обдувая бутылки со льдом – только до 35,5 градусов… Банальная продувка даже без открытых окон оказалась эффективнее обдува льда в замкнутом пространстве!
Миф о бутылочном охлаждении живуч, и хотя результат был предсказуем, проверить все же стоило. При этом все же стоит отметить, что шесть литров льда способны на большее, вот только не в таком виде!
У любого устройства, работающего на теплоотдачу, будь то кондиционер или обогреватель, важнейшая характеристика – площадь рабочей поверхности. У бутылок на торпедо она крайне мала, плюс обдув их организован неэффективно. Если бы мы поместили те же шесть литров льда в плоскую ребристую емкость, подобную автомобильному радиатору, расположили её в салоне машины и начали продувать через неё воздух – эффект был бы в разы заметнее. Вот только сопутствующие сложности делают подобное мероприятие бессмысленным чуть более, чем полностью…
Прочие тупиковые идеи «альтернативных кондиционеров»
Какие еще идеи посещают не имеющих кондиционера автовладельцев с завидной регулярностью с наступлением лета? Можно, конечно, установить нештатный универсальный кондиционер – он, в принципе, ничем не будет отличаться от штатного – разве что органы управления на панели будут немножко выделяться в общей стилистике интерьера. Но стоимость установки «кондея» на бюджетный легковой авто с компонентами и работой «под ключ» сегодня составляет приблизительно 60 000 рублей. Дороговато, в общем…
Поэтому такое решение быстро отбрасывается и начинается «креативное кроилово». И тут, конечно же, на втором месте после замороженных ПЭТ-бутылок приходит мысль об использовании в машине мобильного или оконного кондиционера, стоимость которых стартует от более-менее доступных 10 000 рублей даже сейчас, в горячий сезон.
Многим кажется, что если поставить бытовой кондиционер-моноблок на заднее сиденье, запитать через инвертор 12-220 вольт и высунуть шланг горячего воздуха в окно, то можно наслаждаться прохладой! Однако реальных успехов никто из таких мечтателей пока не добился… Почему идея нежизнеспособна?
Дело в том, что даже самый слабосильный оконный кондиционер потребляет в режиме охлаждения от сети 220 вольт мощность около полутора киловатт. КПД инвертора 12/220 – явно не 100%, но для простоты демонстрации на пальцах примем её за сто. Соответственно, от бортовой сети 14 вольт такой кондиционер через инвертор будет потреблять 1 500 ватт/14 вольт = 107 ампер. Ток – сумасшедший, проводка будет с палец толщиной + у многих генераторов даже максимальный предел токоотдачи меньше. Мы уж не говорим о том, что инвертор должен быть рассчитан на долговременную работу с мощностью как минимум пару киловатт – такие инверторы, как правило, относятся к дорогущей и специфической профессиональной технике, встречаются в продаже крайне редко и стоят сумасшедших денег…
Идея, стоящая на третьем месте – использование элементов Пельтье. Полупроводниковая пластина при подаче на неё тока нагревается с одной стороны и охлаждается с другой. Купить элементы несложно, стоят они не так уж дорого. На таких пластинах неплохо работают автомобильные переносные холодильники-ящики, и многим кажется, что по такому же принципу можно создать и кондиционер – недорогой, бесшумный, без компрессора, хладагента, трубок и испарителей.
Увы, ни одной реально работающей конструкции «автокондея» на модулях Пельтье найти вам не удастся, хотя проектов на разных автомобильных блогах и форумах – масса, многие даже с промежуточными отчетами об этапах работы, демонстрирующими изрядные усилия энтузиастов-самодельщиков. Почему? Да потому же, почему не работают и бутылки со льдом… Слишком малая поверхность «холодоотдачи» холодной стороны и трудность организации эффективного отвода тепла от горячей стороны. Чтобы обеспечить худо-бедное охлаждение салона, из модулей Пельтье в легковом автомобиле должна быть крыша…
***
Так что, как ни крути, но альтернативы традиционному автомобильному компрессорному кондиционеру пока нет и в ближайшее время не предвидится. Ведь даже в стоящих на острие прогресса гибридах и электромобилях он имеет классическую конструкцию, не изменившуюся принципиально со времен первых кондиционированных автомобилей – Паккардов и Каддилаков начала 40-х годов ХХ века.
А в вашей машине есть кондиционер?
Элемент Пельтье – преобразователь термоэлектрического типа. В нем использован эффект Пельтье, заключающийся в том, что проходящий ток приводит к разным температурам с разных сторон элемента.
В элементе Пельтье использованы две пластины из полупроводниковых материалов, различие которых в уровнях энергии электронов. Прохождение тока приводит к тому, что одна из них становится холоднее, а вторая нагревается.
Среди достоинств элементов Пельтье выделяют бесшумность работы (в них движущихся частей), отсутствие в конструкции жидкостей, газов. Но они имеют низкий КПД, что ограничивает их применение.
На базе элементов Пельтье изготавливают мини-холодильники для, например, автомобилей, в которых мало места для размещения обычных приборов. Они есть в конструкциях цифровых фотоаппаратов, инфракрасных спектров, диодных лазеров.
Используя элементы Пельтье, легко сделать самостоятельно кондиционер. Правда, применение их для этих целей довольно спорно из-за их большого энергопотребления, которое несопоставимо с количеством холода, которое при этом вырабатывается.
Но если вопрос не в энергосбережении, а в желании познакомиться с конструкцией и принципом работы элемента, возможности сделать полезную поделку, то можно приступать. Отправляются в радиомагазин и покупают элементы Пельтье в количестве 4…8 штук.
Возвратившись домой, определяют их «горячие» стороны и ими крепят на радиатор, который будет отводить тепло. Лучше если он алюминиевый и имеет большое количество ребер, которые увеличивают теплоотдачу. Посадку делают на термоклей, что улучшает теплопередачу.
Размещают полученное устройство в форточке окна установленным радиатором наружу. В таком положении он будет охлаждаться более холодным уличным воздухом.
«Холодную» сторону элементов Пельтье располагают в сторону комнаты, воздух в которой хотят охлаждать. Крепят к ней вентилятор, например, взятый из компьютера, где он охлаждает процессор. Размещают его так, чтобы комнатный воздух компрессором направлялся на пластину преобразователя.
Элементами Пельтье можно охладить воздух в помещении, но при этом будет расходоваться много электроэнергии. Дело в том, что в приборах почти половину ее расходуется впустую, преобразуясь в тепло, рассеивающееся в атмосфере.
В этой инструкции мы разберем, как сделать простой кондиционер из подручных материалов. В этом кондиционере нет никаких компрессоров и прочих подобных деталей, холод мы будем получать из электроэнергии, а точнее – используя . Стоят они нынче не особо дорого, да и найти их не должно составить большого труда.
Что касается прочих узлов, то нам понадобятся вентиляторы и кулеры от компьютера, они будут служить для охлаждения одной стороны элементов и для нагрева другой. То есть одни вентиляторы будут гнать нам холодный воздух, а другие будут охлаждать элементы, чтобы они не перегревались.
Конечно, если поставить такой кондиционер просто в помещении, толку от него будет мало, так как сильнее нагревают воздух, чем охлаждают. Но если вынести горячую сторону на улицу, а холодную развернуть внутрь помещения, в итоге получим вполне себе неплохой кондиционер, но его эффективность будет сильно зависеть от теплоизоляции помещения. Так или иначе, возле такого кондиционера вам будет приятно находиться при жаркой погоде, так как от него будет исходить поток холодного воздуха. Собирается устройство довольно просто. Итак, рассмотрим более подробно, как же собрать такой кондиционер!
Материалы и инструменты, которые использовал
Список материалов:
- элементы Пельтье ();
- 4 кулера от компьютера (вентиляторы с радиаторами);
- 4 вентилятора от компьютера;
- блок питания на 12В/30А;
- провода;
- термопаста;
- выключатель;
- большой алюминиевый радиатор;
- фанера, листовой пластик или что-то подобное для корпуса.
Список инструментов:
- канцелярский нож;
- клеевой пистолет;
- дрель;
- паяльник;
- отвертка.
Процесс изготовления кондиционера:
Шаг первый. Подготавливаем основу
Нам понадобится основа, на которой мы закрепим все важные органы кондиционера. Можно использовать пластик, фанеру или другой подобный материал. Для начала делаем замеры и вырезаем четыре окна под элементы Пельтье. Не забываем проделать канавки под провода. Автор вырезает эти окна канцелярским ножом, поскольку материал используется мягкий.
Шаг второй. Установка элементов Пельтье
Теперь можно устанавливать элементы Пельтье. Для этого сначала прикрутим радиатор, который будет в процессе охлаждаться. Автор просто прикручивает его саморезами. Ну а далее можно устанавливать элементы Пельтье, для этого нам понадобится термопаста. Благодаря этой пасте будет хорошая тепловая связь между радиаторами. Все элементы устанавливаем холодной стороной к большому радиатору, у автора это стороны с надписями.
Шаг третий. Кулеры
Чтобы элементы Пельтье работали эффективно, от них нужно отводить тепло. Для этого нам понадобится четыре кулера от компьютера. Снова хорошенько смазываем элементы термопастой и прикручиваем кулеры. В завершении вам останется соединить все кулеры параллельно и можно попробовать включить.
Шаг четвертый. Собираем корпус
Для изготовления корпуса из аналогичного материала вырезаются стенки. Далее крепим эти стенки, используя уголки и заклепочный пистолет. Все стыки хорошенько герметизируем при помощи клеевого пистолета. Помимо герметизации клей еще и укрепит конструкцию.
Шаг пятый. Крышка с вентиляторами
Над большим радиатором устанавливается крышка, в которой установлены 4 вентилятора. Они предназначены для обдувания радиатора и как следствие у нас будет на выходе холодный воздух. Вентиляторы ставятся на выдув. Сверлим битой под вентиляторы отверстия и прикручиваем их на свои места. В корпусе с обеих сторон автор сверлит ряды отверстий, через них будет входить воздух из помещения. Вклеиваем на горячий клей упоры и прикручиваем крышку винтиками.
Шаг шестой. Завершающий этап сборки
В качестве завершения припаиваем все необходимые провода и устанавливаем выключатель. Блок питания автор использует довольно мощный, на целых 30А при напряжении 12В. Что касается другой, горячей стороны, тот тут также рекомендуется установить защитную сетку. Вот и все, наш кондиционер готов, можно испытывать! К сожалению, автор не представил обзор тестов своего устройства.
Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.
Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.
Что это такое?
Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.
В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.
На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.
Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.
Устройство и принцип работы
Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.
Обозначения:
- А – контакты для подключения к источнику питания;
- B – горячая поверхность элемента;
- С – холодная сторона;
- D – медные проводники;
- E – полупроводник на основе р-перехода;
- F – полупроводник n-типа.
Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.
Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная
Технические характеристики
Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:
- холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
- максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
- допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
- максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
- внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
- коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.
Маркировка
Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.
Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706
Маркировка разбивается на три значащих группы:
- Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
- Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
- Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.
Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.
Применение
Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:
- мобильных холодильных установок;
- небольших генераторов для выработки электричества;
- систем охлаждения в персональных компьютерах;
- кулеры для охлаждения и нагрева воды;
- осушители воздуха и т.д.
Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.
Холодильник на элементах Пельтье
Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:
- простота конструкции;
- устойчивость к вибрации;
- отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
- низкий уровень шума;
- небольшие габариты;
- возможность работы в любом положении;
- длительный срок службы;
- небольшое потребление энергии.
Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.
Элемент Пельтье как генератор электроэнергии
Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.
Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.
Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.
Для охлаждения процессора
Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.
Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.
Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.
Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.
Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.
Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.
Кондиционер на элементах Пельтье
Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.
Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.
В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.
Для охлаждения воды
Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:
- вода не охлаждается ниже 10-12°С;
- на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
- устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
- не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.
Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье
Осушитель воздуха на элементах Пельтье
В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.
Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.
Как подключить?
С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.
Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?
Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.
Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:
- подключаем щупы к выводам модуля;
- подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
- наблюдаем за показаниями прибора.
В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.
Как сделать элемент Пельтье своими руками?
Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.
Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.
На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.
