Termoelektrický efekt a chladenie, Peltierov efekt

Ekonomická efektívnosť používania termoelektrických chladničiek v porovnaní s inými typmi chladiacich strojov sa zvyšuje, čím je objem chladeného objemu menší. Preto je v súčasnosti najracionálnejšie použitie termoelektrického chladenia v chladničkách pre domácnosť, v chladničkách potravinárskych tekutín, klimatizačných zariadeniach, ďalej sa termoelektrické chladenie úspešne používa v chémii, biológii a medicíne, metrológii, ako aj v komerčnej chlade (udržiavanie teploty v chladničkách). , preprava chladničiek (chladničky) a ďalšie oblasti

Termoelektrický efekt

Účinok výskytu je v odbore všeobecne známy thermopower v spájkovaných vodičoch, kontakty (spojenia), medzi ktorými sú udržiavané pri rôznych teplotách (Seebeckov efekt). V prípade, že konštantný prúd prechádza obvodom dvoch odlišných materiálov, jeden z uzlov sa začne zahrievať a druhý sa začne ochladzovať. Tento jav sa nazýva termoelektrický efekt alebo Peltierov efekt.

Obr. 1. Diagram termočlánkov

Na obr. 1 znázorňuje schému termočlánku. Dva polovodiče n a m tvoria obvod, pozdĺž ktorého prechádza jednosmerný prúd zo zdroja energie C, zatiaľ čo teplota studených spojov X sa znižuje a teplota horúcich spojov G sa zvyšuje ako okolitá teplota, t. J. Termočlánok začína vykonávať funkcie chladiaceho stroja.

Teplota spoja klesá v dôsledku skutočnosti, že elektróny pohybujúce sa z jednej vetvy termočlánku (m) do inej (n) prechádzajú vplyvom elektrického poľa do nového stavu s vyššou energiou. Energia elektrónov sa zvyšuje v dôsledku kinetickej energie získanej z atómov termoelementových vetiev v miestach ich konjugácie, v dôsledku čoho sa táto spojka (X) ochladí.

Pri prechode z vyššej úrovne energie (vetva n) na nízku hladinu energie (vetva t) elektróny odovzdávajú časť svojej energie atómom spoja termočlánku, ktorý sa začína zahrievať.

V našej krajine koncom štyridsiatych a začiatkom päťdesiatych rokov Akademik A.F. Ioffe a jeho študenti vykonali veľmi dôležitý výskum súvisiaci s vývojom teórie termoelektrického chladenia. Na základe týchto štúdií bola najprv navrhnutá a testovaná séria chladiacich zariadení.

Energetická účinnosť termoelektrických chladičov podstatne nižšia ako účinnosť iných typov chladičov, avšak jednoduchosť, spoľahlivosť a nedostatok hluku robí použitie termoelektrického chladenia veľmi sľubným.

Termoelektrická účinnosť chladenia

Výber materiálu pre položky

Účinnosť termočlánku, ako aj maximálny pokles teploty v miestach spojenia, závisia od účinnosti (faktor kvality) polovodičovej látky z, ktorá obsahuje elektrickú vodivosť σ, termoelektrický koeficient α a tepelnú vodivosť κ. Tieto hodnoty sú vzájomne prepojené, pretože závisia od koncentrácie voľných elektrónov alebo dier. Takáto závislosť je znázornená na obr. 2.

Z obrázku je zrejmé, že elektrická vodivosť σ je úmerná počtu nosičov n, termoEMF má sklon k nule so zvyšujúcim sa n a zvyšuje sa so znižujúcim sa n. Tepelná vodivosť k pozostáva z dvoch častí: tepelnej vodivosti kryštalickej mriežky κp, ktorá je prakticky nezávislá od n, a elektronickej tepelnej vodivosti κe, úmernej n.

Účinnosť kovov a kovových zliatin je nízka kvôli nízkemu koeficientu termoEMF a v dielektrike kvôli veľmi nízkej elektrickej vodivosti.V porovnaní s kovmi a dielektrikami je účinnosť polovodičov oveľa vyššia, čo vysvetľuje ich široké použitie v súčasnosti v termočlánkoch. Účinnosť materiálov tiež závisí od teploty.

Termočlánok sa skladá z dvoch vetiev: negatívny (typ n) a pozitívny (typ p), Pretože materiál s priepustnosťou elektrónov má negatívny emf a materiál s vodivosťou dier má kladné znamenie, je možné získať vyššiu tepelnú silu.

Obr. 2. Kvalitatívne závislosti tepelnej sily, elektrickej vodivosti a tepelnej vodivosti od koncentrácie nosiča

So zvýšením tepelnej sily sa z zvyšuje.

Pre termoelementy sa v súčasnosti používajú nízkoteplotné termoelektrické materiály, ktorých východiskové materiály sú bizmut, antimón, selén a telúr. Maximálna účinnosť z pre tieto materiály pri izbovej teplote je: 2,6 · 10-3 ° С-1 pre n-typ, 2,6 · 10-1 ° С-1 pre p-typ.

V súčasnosti sa Bi2Te3 používa zriedka, pretože tuhé roztoky Bi2Te3-Be2Se3 a Bi2Te3-Sb2Te3 vytvorené na jeho základe majú vyššie hodnoty z. Tieto materiály boli prvýkrát získané a študované v našej krajine a na ich základe bola zvládnutá výroba zliatin TVEH-1 a TVEH-2 pre vetvy s elektronickou vodivosťou a TVDH-1 a TVDH-2 pre vetvy s vodivosťou dier [1].

Tuhé roztoky Bi-Se sa používajú v teplotnom rozmedzí pod 250 K. Maximálna hodnota z = 6,10-3 ° C-1 dosahuje pri T≈80 ≈ 90 K. Je zaujímavé, že účinnosť tejto zliatiny sa výrazne zvyšuje v magnetickom poli.

Polovodičové vetvy sa v súčasnosti vyrábajú tromi spôsobmi: prášková metalurgia, odlievanie s riadenou kryštalizáciou a ťahanie z taveniny. Najbežnejšou metódou je prášková metalurgia s lisovaním vzoriek za studena alebo za tepla.

V termoelektrických chladiacich zariadeniach sa spravidla používajú termoelementy, pri ktorých je negatívna vetva vyrobená lisovaním za horúca a pozitívna vetva lisovaním za studena.

Obr. 3. Diagram termočlánkov

Mechanická pevnosť termočlánkov je zanedbateľná. Takže vo vzorkách zliatiny Bi2Te3-Sb2Te3 vyrobenej lisovaním za tepla alebo za studena je pevnosť v tlaku 44,6–49,8 MPa.

Na zvýšenie pevnosti termočlánku sa medzi prepínaciu dosku 1 (obr. 3) a polovodičovú vetvu 6 umiestni tlmiaca vodiaca doska 3; okrem toho sa používajú spájky 2, 4 a SiSb 5 s nízkou teplotou topenia. Testy ukazujú, že termoelektrické zariadenia majú odolnosť proti vibráciám až 20 g, termoelektrické chladiče s nízkou chladiacou kapacitou až 250 g.

Porovnanie termoelektrických chladiacich zariadení s inými metódami chladenia

Termoelektrické chladiace zariadenia majú oproti iným typom chladičov niekoľko výhod. V súčasnosti lode používajú v klimatizačných systémoch klimatizáciu alebo parné chladiče. V chladnom období sú priestory lode vyhrievané elektrickými, parnými alebo vodnými ohrievačmi, t. J. Používajú sa oddelené zdroje tepla a chladu.

Pomocou termoelektrických zariadení v teplom období je možné priestor chladiť a v chlade - teplo. Otočením elektrického prúdu sa režim vykurovania zmení na režim chladenia.

Medzi výhody termoelektrických zariadení okrem toho patrí: úplná absencia hluku počas prevádzky, spoľahlivosť, neprítomnosť pracovnej látky a oleja, menšia hmotnosť a celkové rozmery pri rovnakej chladiacej kapacite.

Porovnávacie údaje o chladiacich zariadeniach na zásobovanie komôr na lodiach ukazujú, že pri rovnakej chladiacej kapacite je hmotnosť termoelektrického chladiaceho zariadenia 1,7 - 1,8 krát menšia.

Termoelektrické chladiče pre klimatizačné systémy majú objem približne štyrikrát a hmotnosť trikrát menšiu ako chladiče chladenia.

Obr. 4. Lorentzov cyklus

Nevýhody tepelných chladiacich zariadení zahŕňajú ich nízka ziskovosť a zvýšené náklady.

Nákladová efektívnosť termoelektrických chladničiek v porovnaní s parou je približne o 20 - 50% nižšia [1]. Vysoké náklady na chladiace zariadenia sú spojené s vysokými cenami za polovodičové materiály.

Existujú však oblasti, v ktorých sú teraz schopní konkurovať iným typom chladičov. Napríklad začali používať termoelektrické zariadenia na chladenie plynov a kvapalín. Medzi príklady zariadení tejto triedy patria chladiče pitnej vody, klimatizácia, chladiče reagencií v chemickej výrobe atď.

Pre takéto chladiče bude modelovým cyklom trojuholníkový Lorentzov cyklus (pozri obrázok 4). Priblíženie sa k modelovému cyklu sa dosiahne jednoduchým spôsobom, pretože to vyžaduje iba úpravu spínacích obvodov, čo nespôsobuje štrukturálne ťažkosti. To vám umožňuje výrazne, v niektorých prípadoch viac ako dvojnásobne, zvýšiť účinnosť termoelektrických chladiacich strojov. Na implementáciu tohto princípu v parnom chladiči by sa musela uplatniť zložitá viacstupňová kompresná schéma.

Používanie termoelektrických zariadení ako „Zosilňovač prenosu tepla“, V prípadoch, keď je potrebné odvádzať teplo z malého priestoru do životného prostredia a povrch tepelného kontaktu je obmedzený, môžu termoelektrické batérie umiestnené na povrchu výrazne zosilniť proces prenosu tepla.

Ako ukazujú štúdie [2], relatívne nízka spotreba energie môže významne zvýšiť špecifický tok tepla. Prenos tepla je možné zintenzívniť aj bez spotreby energie. V takom prípade zatvorte termopól.

Dôsledkom bude teplotný rozdiel Seebeck thermoEMF, ktorý dodá energiu termoelektrickej batérii. Použitím termoelektrických zariadení je možné izolovať jedno z tepelne výmenných médií, t. J. Použiť ho ako perfektnú tepelnú izoláciu.

Dôležitou okolnosťou, ktorá tiež určuje oblasť, v ktorej sú termoelektrické chladiče schopné konkurovať iným typom chladičov aj v energetickej účinnosti, je to, že zníženie chladiacej kapacity napríklad parných chladičov vedie k zníženiu ich chladiaceho koeficientu.

V prípade termoelektrického chladiča sa toto pravidlo nerešpektuje a jeho účinnosť je prakticky nezávislá od chladiacej kapacity. Už v súčasnosti je energetická účinnosť termoelektrického stroja pri teplotách Tx = 0 ° C a Tk = 26 ° C a účinnosti niekoľko desiatok wattov blízka účinnosti parného chladiaceho zariadenia.

Rozšírené prijatie termoelektrické chladenie bude závisieť od pokroku pri vývoji pokrokových polovodičových materiálov, ako aj od sériovej výroby ekonomicky účinných tepelných batérií.

Referencie.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Lode termoelektrické chladiace zariadenia - L.: Stavba lodí, 1972. - 191 s.

2. Martynovsky V. S. Cykly, obvody a charakteristiky termotransformátorov - M .: Energia, 1979.— 285 s.

Prečítajte si tiež túto tému:Peltierov efekt: magický účinok elektrického prúdu