Tôi muốn chế tạo một khẩu súng băng nhỏ sử dụng khí điều áp (thông qua máy nén khí hoặc hộp mực CO ₂ ) để bắn những viên đá nhỏ vào đồng nghiệp của mình. Tôi dự định sử dụng một bộ làm mát nhiệt điện để đóng băng nước nhưng tôi không hiểu làm thế nào để xác định nó.

Ví dụ, các thông số chính của sản phẩm này sẽ cho tôi biết liệu máy làm mát có đạt được những gì tôi hy vọng không?

Máy làm mát nhiệt điện - 40x40mm

COM-10080 trong thư viện Fritzing

Mô tả: Bộ làm mát nhiệt điện (TEC hoặc Peltier) tạo ra chênh lệch nhiệt độ ở mỗi bên. Một bên bị nóng và một bên trở nên mát mẻ. Do đó, chúng có thể được sử dụng để làm ấm thứ gì đó hoặc làm mát thứ gì đó, tùy thuộc vào phía bạn sử dụng. Bạn cũng có thể tận dụng chênh lệch nhiệt độ để tạo ra điện. Các băng nhiệt được liệt kê dưới đây hoạt động rất tốt để gắn tản nhiệt với mặt nóng.

Peltier này hoạt động rất tốt miễn là bạn loại bỏ nhiệt từ phía nóng. Sau khi bật thiết bị, mặt nóng sẽ nóng nhanh, mặt lạnh sẽ nguội nhanh. Nếu bạn không loại bỏ nhiệt từ phía nóng (với tản nhiệt hoặc thiết bị khác), Peltier sẽ nhanh chóng bị ứ và không làm gì cả. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng tản nhiệt CPU máy tính cũ hoặc khối kim loại khác để kéo nhiệt từ phía nóng. Chúng tôi đã có thể sử dụng nguồn điện máy tính và tản nhiệt CPU để làm cho mặt lạnh trở nên khó chịu đến nỗi chúng tôi không thể giữ ngón tay của mình với nó.

Tính năng, đặc điểm:

• 40 x 40 x 3,6mm
• tối đa - 7
• Umax - 15,4V
• Qcmax - 62,2W
• Tmax - 69C
• Kháng cự 1,7 Ohm
• 127 cặp nhiệt điện
• Nhiệt độ hoạt động tối đa: 180 ° C
• Nhiệt độ hoạt động tối thiểu: -50 ° C

Nếu tôi muốn đóng băng 10 mL nước từ nhiệt độ phòng trong một khoảng thời gian nhất định, tôi sẽ làm thế nào để làm mát? Các phương trình cơ bản chi phối thời gian để đóng băng nước là bao lâu?

Dường như có hai câu hỏi ở đây, làm thế nào để đánh giá nhiệt độ và mức độ làm mát cần thiết để đóng băng nước. Tôi sẽ hướng dẫn một số hướng dẫn về truyền nhiệt và nhiệt điện và sau đó thảo luận về câu hỏi thiết kế của bạn.

Truyền nhiệt, thực sự nhanh chóng

Khi nhiệt dẫn qua chất rắn, dòng nhiệt tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ sao cho , trong đó là tốc độ nhiệt (thường tính bằng Watts, năng lượng di chuyển trên một đơn vị thời gian); là độ dẫn điện, tính chất của vật rắn; và là chênh lệch nhiệt độ$q = K \Delta T$$q$$K$$\Delta T$

• Các nhà sản xuất tản nhiệt sẽ chỉ định độ dẫn hiệu quả của các tản nhiệt của họ, thường là ở ° C / W
• "Giá trị R" của vật liệu cách nhiệt là nghịch đảo của độ dẫn trong các đơn vị thực sự kỳ lạ

Nhiệt điện

Bảng dữ liệu nhiệt điện chứa các giá trị dễ đo lường (đối với các nhà sản xuất) nhưng không dễ đưa vào các mô hình hệ thống (đối với bạn). Bước đầu tiên là lấy hệ số Seebeck, và độ dẫn nhiệt, , từ dữ liệu được cung cấp. Các tính chất này rất quan trọng vì chúng đưa vào mô hình chuẩn của nhiệt điện ¹ :$\alpha$$K$

Trong đó là tốc độ nhiệt (nhiều hơn trong phần thiết kế), là dòng điện, là điện trở, và là nhiệt độ phía lạnh và nóng tương ứng và là điện áp đặt vào.$q$$I$$R$$T_h$$T_c$$V$

$K$Có thể tìm thấy dễ dàng bằng cách chia Qcmax cho Tmax (nên được gọi đúng là ). Tmax là chênh lệch nhiệt độ tối đa mà mô-đun có thể duy trì khi mặt nóng được giữ ở nhiệt độ tham chiếu. Tại thời điểm này, tất cả các đầu vào năng lượng điện đang được sử dụng để bơm nhiệt dẫn qua thiết bị, tức là$\Delta T_{max}$$q_{c,max} = K \Delta T_{max}$

Hệ số seebeck có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng Qcmax. Khi bơm nhiệt tối đa, chênh lệch nhiệt độ phải bằng 0 (từ phương trình đầu tiên), vì vậy $$\alpha I_{max} T_c = q_{c,max} + \frac{1}{2} I_{max}^2 R$

Thiết kế hệ thống

Hệ thống của bạn, tôi tưởng tượng, sẽ trông giống như thế này. Nhiệt điện của bạn sẽ cần có khả năng bơm ra cả nhiệt lượng tỏa ra từ bên ngoài (bao nhiêu sẽ phụ thuộc vào mức độ bạn cách nhiệt ngăn chứa của bạn) và bất kỳ nhiệt nào được thoát ra bởi nước trong quá trình đóng băng.

Như bạn đã lưu ý, phải mất 88 J / g nước để đóng băng nước. Nếu bạn nhân 88J / g nước với 10g (ở mức 1g / mL) và chia cho số giây bạn muốn, bạn sẽ có yêu cầu về tốc độ nhiệt để đóng băng nước. Như Olin đã nói, thêm một lượng nhiệt sẽ truyền qua các bức tường và bạn có ước tính , lượng nhiệt mà nhiệt điện cần để di chuyển.$q$$q_c$

Cuối cùng, tản nhiệt mà bạn mua sẽ có một số xếp hạng độ dẫn ở ° C / W, chúng tôi biết rằng mặt nóng của nhiệt điện sẽ bằng .$C$$T_h$$C q_h + T_{ambient}$

Bây giờ chúng tôi có đủ thông tin để giải quyết vấn đề. Thực tế, điều chúng ta cần hỏi là liệu có một hiện tại sẽ thỏa mãn ba phương trình dưới đây cho , , , và .$I$$q_c$$T_c$$\alpha$$R$$K$

Mặc dù bạn có thể giải các phương trình đó bằng tay, tôi chỉ cần cắm chúng vào Excel và sử dụng chức năng của bộ giải để xem có khả thi hay không. Nếu không thể, hãy thử điều chỉnh yêu cầu của bạn , ví dụ: bằng cách đóng băng băng chậm hơn hoặc thêm mô-đun nhiệt điện thứ hai (sẽ cắt giảm một nửa trên mỗi mô-đun.$q_c$$q_c$

Cuối cùng, bạn cần phải biết tổng số điện tích cần thiết để đi vào ngăn mát trên mỗi viên đá. Tuy nhiên, ngay cả khi không tính toán điều này, có vẻ như khá rõ ràng rằng sẽ cần quá nhiều năng lượng cho hoạt động pin hợp lý.

Để tính năng lượng, hãy làm theo các bước sau:

1. Giả sử nhiệt độ bắt đầu cho nước, như 20 ° C. Sử dụng nhiệt dung riêng của nước lỏng, tính năng lượng cần thiết để làm mát xuống 0 ° C.

2. Bây giờ hãy xem nhiệt lượng được giải phóng bằng cách thay đổi pha từ lỏng sang rắn cho khối lượng nước của bạn và thêm nó vào tổng số.

3. Nhìn lên hoặc đoán hiệu quả của bộ làm mát Peltier của bạn tại, giả sử, 25 ° C trong và 0 ° C ra. Chia tổng năng lượng theo giá trị này để có được năng lượng đầu vào điện. Lưu ý rằng bộ làm mát Peltier là thiết bị rất kém hiệu quả, rất có thể dưới 10% trong ứng dụng này.

Điều này cung cấp cho bạn đầu vào năng lượng điện tối thiểu theo lý thuyết. Sẽ có những tổn thất khác nhau trong hệ thống và sự thiếu hiệu quả khác. Ví dụ, máy làm mát sẽ không làm mát chỉ băng và không có gì xung quanh nó. Và, không có lớp cách nhiệt nào là hoàn hảo nên sẽ có một lượng nhiệt đến từ môi trường xung quanh cần được loại bỏ, ngoài việc loại bỏ nhiệt từ nước làm mát và hóa rắn. Nhìn chung, như một SWAG thô sơ, tôi có thể tính toán ít nhất gấp 4 lần năng lượng cần thiết so với mức tối thiểu từ vật lý cơ bản là làm mát nước thông qua thiết bị Peltier. Cuối cùng, chỉ các phép đo thực sự sẽ giúp bạn có được những con số tốt vì có quá nhiều biến số quá khó để định lượng.

Bây giờ hãy xem Peltier cần lớn đến mức nào, bạn cần làm gì để loại bỏ nhiệt từ mặt nóng của nó, kích thước của pin bạn cần để hỗ trợ điều này và nhận ra lý do tại sao đây là một ý tưởng hoàn toàn phi thực tế. Có thể hình dung được với một thiết bị đặt trên bàn và cắm vào tường. Nhưng, bắn những viên đạn cứng, như băng, xung quanh một văn phòng nghe có vẻ như là một ý tưởng cơ bản ngu ngốc và vô trách nhiệm ngay từ đầu.

Tính nhiệt ẩn Q = ML, sử dụng lượng nước bạn muốn đóng băng. Chia theo thời gian bạn muốn muốn pháo được chế tạo. Bạn có được khả năng làm mát. Thêm tổn thất cho điều này.

Thực hiện thử nghiệm của TEC từ máy tính dưới đây. https://viveksilwal.wordpress.com/2015/04/15/28/

Một khi điều này được thực hiện, Cài đặt một phần mềm Ansys Icepak, bạn có thể tìm hiểu nó trong một tuần, ở đó bạn có thể mô phỏng TEC dễ dàng. Phân tích hệ thống của bạn ở đó.

Mặc dù nhiệt điện rất kém hiệu quả, nhưng tôi nghĩ rằng một bộ tản nhiệt tốt và sự kết hợp tec có thể làm cho bạn đóng băng.