Termoelektrický efekt a chlazení, Peltierův efekt

Ekonomická účinnost používání termoelektrických chladniček ve srovnání s jinými typy chladicích strojů se zvyšuje, čím menší je objem chlazeného objemu. Proto je v současné době nejracionálnější použití termoelektrického chlazení pro domácí chladničky, v chladičích potravinových tekutin, klimatizačních zařízeních, navíc se termoelektrické chlazení úspěšně používá v chemii, biologii a medicíně, metrologii a také v komerčním chladu (udržování teploty v chladničkách) , přeprava chladu (chladničky) a další oblasti

Termoelektrický efekt

Účinek výskytu je v oboru široce známý. thermoEMF v pájených vodičích jsou kontakty (spoje) mezi nimi udržovány při různých teplotách (Seebeckův efekt) V případě, že konstantní proud prochází obvodem dvou odlišných materiálů, začne se jedna z křižovatek zahřívat a druhá se začne chladit. Tento jev se nazývá termoelektrický efekt nebo Peltierův efekt.

Obr. 1. Schéma termočlánku

Na obr. 1 ukazuje schéma termočlánku. Dva polovodiče n a m tvoří obvod, podél kterého prochází stejnosměrný proud ze zdroje energie C, zatímco teplota studených spojů X se snižuje a teplota horkých spojů G je vyšší než okolní teplota, tj. Termočlánek začíná vykonávat funkce chladicího stroje.

Teplota spoje klesá v důsledku skutečnosti, že vlivem elektrického pole elektrony pohybující se z jedné větve termočlánku (m) do druhé (n) přecházejí do nového stavu s vyšší energií. Energie elektronů se zvyšuje v důsledku kinetické energie odebrané z atomů termoelementových větví v místech jejich konjugace, v důsledku čehož se tato křivka (X) ochladí.

Při přechodu z vyšší energetické úrovně (větev n) na nízkou energetickou hladinu (větev t) elektrony dávají část své energie atomům spoje termočlánku, který se začíná zahřívat.

V naší zemi koncem čtyřicátých a začátkem padesátých let Akademik A.F. Ioffe a jeho studenti provedli velmi důležitý výzkum související s vývojem teorie termoelektrického chlazení. Na základě těchto studií byla nejprve navržena a testována řada chladicích zařízení.

Energetická účinnost termoelektrických chladičů výrazně nižší než účinnost jiných typů chilleru, avšak jednoduchost, spolehlivost a nedostatek hluku činí použití termoelektrického chlazení velmi slibným.

Termoelektrická účinnost chlazení

Výběr materiálu pro položky

Účinnost termočlánku, stejně jako maximální pokles teploty na křižovatkách, závisí na účinnosti (faktor kvality) polovodičové látky z, která zahrnuje elektrickou vodivost σ, termoelektrický koeficient α a tepelnou vodivost κ. Tyto hodnoty jsou ve vzájemném vztahu, protože závisí na koncentraci volných elektronů nebo děr. Taková závislost je uvedena na Obr. 2.

Z obrázku je vidět, že elektrická vodivost σ je úměrná počtu nosičů n, termoEMF má sklon k nule se zvyšujícím se n a zvyšuje se snižujícím se n. Tepelná vodivost k se skládá ze dvou částí: tepelné vodivosti krystalové mřížky κp, která je prakticky nezávislá na n, a elektronické tepelné vodivosti κe, úměrné n.

Účinnost kovů a slitin kovů je nízká kvůli nízkému koeficientu termoEMF a v dielektrikách kvůli velmi nízké elektrické vodivosti.Ve srovnání s kovy a dielektriky je účinnost polovodičů mnohem vyšší, což vysvětluje jejich široké použití v současné době v termočláncích. Účinnost materiálů závisí také na teplotě.

Termočlánek se skládá ze dvou větví: negativní (typ n) a pozitivní (typ p). Protože materiál s propustností elektronů má negativní emf a materiál s vodivostí díry má pozitivní znaménko, lze získat vyšší tepelnou energii.

Obr. 2. Kvalitativní závislosti tepelné energie, elektrické vodivosti a tepelné vodivosti na koncentraci nosiče

S nárůstem tepelné energie se z zvyšuje.

Pro termoelementy se v současné době používají termoelektrické materiály o nízké teplotě, jejichž výchozími materiály jsou bizmut, antimon, selen a tellur. Maximální účinnost z pro tyto materiály při pokojové teplotě je: 2,6 · 10-3 ° С-1 pro n-typ, 2,6 · 10-1 ° С-1 pro p-typ.

V současnosti se Bi2Te3 používá jen zřídka, protože pevná řešení Bi2Te3-Be2Se3 a Bi2Te3-Sb2Te3 vytvořená na jeho základě mají vyšší hodnoty z. Tyto materiály byly poprvé získány a studovány v naší zemi a na jejich základě byla zvládnuta výroba slitin TVEH-1 a TVEH-2 pro větve s elektronickou vodivostí a TVDH-1 a TVDH-2 pro větve s vodivostí děr [1].

Tuhé roztoky Bi-Se se používají v teplotním rozmezí pod 250 K. Maximální hodnota z = 6–10-3 ° C-1 dosahuje při T≈80 ÷ 90 K. Je zajímavé, že účinnost této slitiny se výrazně zvyšuje v magnetickém poli.

Polovodičové větve se v současné době vyrábějí třemi způsoby: práškovou metalurgií, litím s řízenou krystalizací a tažením z taveniny. Nejběžnější je metoda práškové metalurgie při lisování vzorků za studena nebo za tepla.

V termoelektrických chladicích zařízeních se zpravidla používají termoelementy, ve kterých je záporná větev vytvořena lisováním za tepla a pozitivní větev lisováním za studena.

Obr. 3. Schéma termočlánku

Mechanická pevnost termočlánků je zanedbatelná. Ve vzorcích slitiny Bi2Te3-Sb2Te3 vyráběné lisováním za tepla nebo za studena je pevnost v tlaku 44,6–49,8 MPa.

Pro zvýšení pevnosti termočlánku je mezi přepínací desku 1 (obr. 3) a polovodičovou větve 6 umístěna tlumicí vodicí deska 3; kromě toho se používají pájky 2, 4 a SiSb 5 s nízkou teplotou tání. Zkoušky ukazují, že termoelektrická zařízení mají odolnost proti vibracím a nárazům až 20 g, termoelektrické chladiče s nízkou chladicí kapacitou až 250 g.

Porovnání termoelektrických chladicích zařízení s jinými způsoby chlazení

Termoelektrická chladicí zařízení mají oproti jiným typům chladičů několik výhod. V současné době lodě používají v klimatizačních systémech klimatizaci nebo parní chladiče. V chladném období jsou prostory lodi vyhřívány elektrickými, parními nebo vodními ohřívači, tj. Používají se samostatné zdroje tepla a chladu.

Pomocí termoelektrických zařízení v teplé sezóně je možné prostor ochladit a v chladu - teplo. Otočením elektrického proudu se režim vytápění změní na režim chlazení.

Mezi výhody termoelektrických zařízení navíc patří: úplná absence hluku během provozu, spolehlivost, nepřítomnost pracovní látky a oleje, menší hmotnost a celkové rozměry při stejné chladicí kapacitě.

Srovnávací údaje o chladonových strojích pro zásobování komor na lodích ukazují, že při stejné chladicí kapacitě je hmotnost termoelektrického chladiče 1,7 - 1,8krát nižší.

Termoelektrická chladicí zařízení pro klimatizační systémy mají objem asi čtyř a hmotnost třikrát menší než chladicí chladiče.

Obr. 4. Lorentzův cyklus

Nevýhody tepelných chladicích zařízení zahrnují jejich nízká ziskovost a zvýšené náklady.

Nákladová efektivita termoelektrických chladniček ve srovnání s párou je přibližně o 20–50% nižší [1]. Vysoké náklady na chladicí zařízení jsou spojeny s vysokými cenami za polovodičové materiály.

Existují však oblasti, kde jsou nyní schopny konkurovat jiným typům chladicích jednotek. Například začali používat termoelektrická zařízení pro chlazení plynů a kapalin. Mezi příklady zařízení této třídy patří chladiče pitné vody, klimatizace, chladiče chemických činidel atd.

Pro takové chladiče bude modelovým cyklem trojúhelníkový Lorentzův cyklus (viz obr. 4). Přiblížení k modelovému cyklu je dosaženo jednoduchým způsobem, protože to vyžaduje pouze úpravu spínacích obvodů, což nezpůsobuje strukturální potíže. Díky tomu můžete výrazně, v některých případech více než dvojnásobně, zvýšit účinnost termoelektrických chladicích strojů. K implementaci tohoto principu v parním chladiči by bylo nutné použít komplexní vícestupňový kompresní systém.

Použití termoelektrických zařízení jako „Zesilovač přenosu tepla“. V případech, kdy je nutné odvádět teplo z malého prostoru do okolí a povrch tepelného kontaktu je omezený, mohou termoelektrické baterie umístěné na povrchu výrazně zintenzivnit proces přenosu tepla.

Jak ukazují studie [2], relativně malá spotřeba energie může výrazně zvýšit měrný tok tepla. Přenos tepla lze zintenzivnit i bez spotřeby energie. V takovém případě termopile zavřete.

Přítomnost teplotního rozdílu bude mít za následek Seebeck thermoEMF, který bude dodávat energii termoelektrické baterii. Pomocí termoelektrických zařízení je možné izolovat jedno z teplosměnných médií, tj. Použít ho jako dokonalou tepelnou izolaci.

Důležitá okolnost, která také určuje oblast, ve které jsou termoelektrická chladiče schopna konkurovat ostatním typům chladičů i v energetické účinnosti, je to, že snížení chladicí kapacity například parních chladičů vede ke snížení jejich chladicího koeficientu.

U termoelektrického chladiče toto pravidlo není respektováno a jeho účinnost je prakticky nezávislá na chladicí kapacitě. Již v současné době je energetická účinnost termoelektrického stroje pro teploty Tx = 0 ° C a Tk = 26 ° C a účinnost několika desítek wattů blízká účinnosti parního chladicího stroje.

Rozšířené přijetí termoelektrické chlazení bude záviset na pokroku při vytváření pokročilých polovodičových materiálů a na dávkové výrobě ekonomicky účinných tepelných baterií.

Reference

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Lodní termoelektrická chladicí zařízení. - L.: Stavba lodí, 1972. - 191 s..

2. Martynovsky V. S. Cykly, obvody a vlastnosti tepelných transformátorů - M .: Energy, 1979.— 285 s.

Přečtěte si také toto téma:Peltierův efekt: magický účinek elektrického proudu