Effet thermoélectrique et refroidissement, effet Peltier

L'efficacité économique de l'utilisation de réfrigérateurs thermoélectriques par rapport à d'autres types de machines frigorifiques augmente d'autant plus que le volume du volume refroidi est petit. Par conséquent, le plus rationnel à l'heure actuelle est l'utilisation du refroidissement thermoélectrique pour les réfrigérateurs ménagers, dans les refroidisseurs de liquides alimentaires, les climatiseurs, en outre, le refroidissement thermoélectrique est utilisé avec succès en chimie, biologie et médecine, métrologie, ainsi que dans le froid commercial (maintien de la température dans les réfrigérateurs) , transport par réfrigération (réfrigérateurs) et autres domaines

Effet thermoélectrique

L'effet d'apparition est largement connu dans l'art. thermoEMF dans les conducteurs soudés, les contacts (jonctions) entre eux sont maintenus à différentes températures (Effet Seebeck) Dans le cas où un courant constant traverse un circuit de deux matériaux différents, l'une des jonctions commence à chauffer et l'autre commence à refroidir. Ce phénomène est appelé effet thermoélectrique ou Effet Peltier.

Fig. 1. Diagramme du thermocouple

Dans la fig. 1 montre un schéma d'un thermocouple. Deux semi-conducteurs n et m forment un circuit le long duquel le courant continu passe de la source d'alimentation C, tandis que la température des jonctions froides X devient plus basse et la température des jonctions chaudes G devient supérieure à la température ambiante, c'est-à-dire que le thermocouple commence à remplir les fonctions d'une machine frigorifique.

La température de jonction diminue du fait que, sous l'influence d'un champ électrique, les électrons se déplaçant d'une branche du thermocouple (m) à une autre (n) passent dans un nouvel état avec une énergie plus élevée. L'énergie des électrons augmente en raison de l'énergie cinétique prélevée sur les atomes des branches des thermoéléments aux endroits de leur conjugaison, grâce à quoi cette jonction (X) est refroidie.

Lors du passage d'un niveau d'énergie supérieur (branche n) à un niveau d'énergie faible (branche t), les électrons donnent une partie de leur énergie aux atomes de la jonction du thermocouple, qui commence à chauffer.

Dans notre pays à la fin des années 40 et au début des années 50 Académicien A.F. Ioffe et ses étudiants ont mené des recherches très importantes liées au développement de la théorie du refroidissement thermoélectrique. Sur la base de ces études, une série de dispositifs de refroidissement a d'abord été conçue et testée.

Efficacité énergétique des refroidisseurs thermoélectriques nettement inférieur à l'efficacité des autres types de refroidisseurs, mais la simplicité, la fiabilité et l'absence de bruit rendent l'utilisation du refroidissement thermoélectrique très prometteuse.

Efficacité de refroidissement thermoélectrique

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L'efficacité du thermocouple, ainsi que la diminution maximale de la température aux jonctions, dépendent de l'efficacité (facteur de qualité) de la substance semi-conductrice z, qui comprend la conductivité électrique σ, le coefficient thermoélectrique α et la conductivité thermique κ. Ces valeurs sont interdépendantes, car elles dépendent de la concentration d'électrons libres ou de trous. Une telle dépendance est présentée sur la Fig. 2.

On peut voir sur la figure que la conductivité électrique σ est proportionnelle au nombre de porteurs n, le thermoEMF tend vers zéro avec n croissant et augmente avec n décroissant. La conductivité thermique k se compose de deux parties: la conductivité thermique du réseau cristallin κp, qui est pratiquement indépendante de n, et la conductivité thermique électronique κe, proportionnelle à n.

L'efficacité des métaux et alliages métalliques est faible en raison du faible coefficient de thermoEMF, et dans les diélectriques en raison de la très faible conductivité électrique.Par rapport aux métaux et diélectriques, l'efficacité des semi-conducteurs est beaucoup plus élevée, ce qui explique leur utilisation répandue actuellement dans les thermoéléments. L'efficacité des matériaux dépend également de la température.

Le thermocouple se compose de deux branches: négative (type n) et positive (type p). Puisqu'un matériau à perméabilité aux électrons a une emf négative et un matériau à conductivité de trou a un signe positif, une puissance thermique plus élevée peut être obtenue.

Fig. 2. Dépendances qualitatives de la thermopuissance, de la conductivité électrique et de la conductivité thermique sur la concentration des porteurs

Avec une augmentation de la puissance thermique, z augmente.

Pour les thermoéléments, des matériaux thermoélectriques à basse température sont actuellement utilisés, dont les matériaux de départ sont le bismuth, l'antimoine, le sélénium et le tellure. L'efficacité maximale z de ces matériaux à température ambiante est de: 2,6 · 10-3 ° С-1 pour le type n, 2,6 · 10-1 ° С-1 pour le type p.

Actuellement, le Bi2Te3 est rarement utilisé, car les solutions solides Bi2Te3-Be2Se3 et Bi2Te3-Sb2Te3 créées sur cette base ont des valeurs z plus élevées. Ces matériaux ont d'abord été obtenus et étudiés dans notre pays, et sur leur base, la production d'alliages TVEH-1 et TVEH-2 pour les branches à conductivité électronique et TVDH-1 et TVDH-2 pour les branches à conductivité des trous a été maîtrisée [1].

Les solutions solides Bi-Se sont utilisées dans la plage de température inférieure à 250 K.La valeur maximale z = 6 · 10-3 ° C-1 atteint à T≈80 ÷ 90 K.Il est intéressant de noter que l'efficacité de cet alliage augmente considérablement dans un champ magnétique.

Les branches semi-conductrices sont actuellement fabriquées selon trois méthodes: la métallurgie des poudres, la coulée avec cristallisation dirigée et l'étirage de la matière fondue. La méthode de métallurgie des poudres avec pressage à froid ou à chaud des échantillons est la plus courante.

Les dispositifs de refroidissement thermoélectriques utilisent, en règle générale, des thermoéléments dans lesquels la branche négative est réalisée par pressage à chaud et la branche positive par pression à froid.

Fig. 3. Diagramme du thermocouple

La résistance mécanique des thermocouples est négligeable. Ainsi, pour les échantillons de l'alliage Bi2Te3-Sb2Te3 fabriqué par pressage à chaud ou à froid, la résistance à la compression est de 44,6–49,8 MPa.

Pour augmenter la résistance du thermocouple, une plaque de connexion d'amortissement 3 est placée entre la plaque de commutation 1 (figure 3) et la branche semi-conductrice 6; en outre, on utilise des soudures à bas point de fusion 2, 4 et SiSb 5. Les tests montrent que les dispositifs thermoélectriques ont une résistance aux chocs et aux vibrations jusqu'à 20 g, les refroidisseurs thermoélectriques avec une faible capacité de refroidissement jusqu'à 250 g.

Comparaison des dispositifs de refroidissement thermoélectriques avec d'autres méthodes de refroidissement

Les dispositifs de refroidissement thermoélectriques présentent plusieurs avantages par rapport à d'autres types de refroidisseurs. Actuellement, les navires utilisent la climatisation ou des refroidisseurs à vapeur dans les systèmes de climatisation. Pendant la saison froide, les locaux des navires sont chauffés avec des chauffe-eau électriques, à vapeur ou à eau, c'est-à-dire que des sources de chaleur et de froid distinctes sont utilisées.

En utilisant des appareils thermoélectriques pendant la saison chaude, il est possible de refroidir les locaux, et par le froid - de chauffer. Le mode de chauffage passe au mode de refroidissement en inversant le courant électrique.

En outre, les avantages des dispositifs thermoélectriques comprennent: l'absence totale de bruit pendant le fonctionnement, la fiabilité, l'absence de substance de travail et d'huile, un poids et des dimensions hors tout plus petits à la même capacité de refroidissement.

Les données comparatives sur les machines à chladon pour l'approvisionnement des chambres à bord des navires montrent qu'avec la même capacité de refroidissement, la masse d'une machine de réfrigération thermoélectrique est de 1,7 à 1,8 fois inférieure.

Les refroidisseurs thermoélectriques pour les systèmes de climatisation ont un volume d'environ quatre et une masse de trois fois moins que les refroidisseurs à chladone.

Fig. 4. Le cycle de Lorentz

Les inconvénients des dispositifs de refroidissement thermique comprennent leur faible rentabilité et leur coût accru.

La rentabilité des réfrigérateurs thermoélectriques par rapport à la vapeur est d'environ 20 à 50% inférieure [1]. Le coût élevé des dispositifs de refroidissement thermique est associé à des prix élevés pour les matériaux semi-conducteurs.

Cependant, il existe des domaines dans lesquels ils peuvent désormais rivaliser avec d'autres types de refroidisseurs. Par exemple, ils ont commencé à utiliser des appareils thermoélectriques pour refroidir les gaz et les liquides. Des exemples d'appareils de cette classe comprennent les refroidisseurs d'eau potable, les climatiseurs, les refroidisseurs de réactifs chimiques, etc.

Pour de tels refroidisseurs, le cycle du modèle sera le cycle de Lorentz triangulaire (voir Fig. 4). L'approche du cycle du modèle est réalisée de manière simple, car cela ne nécessite que la modification des circuits de commutation, ce qui ne provoque pas de difficultés structurelles. Cela vous permet d'augmenter considérablement, dans certains cas plus du double, l'efficacité des réfrigérateurs thermoélectriques. Pour mettre en œuvre ce principe dans un refroidisseur à vapeur, un schéma de compression complexe à plusieurs étages devrait être appliqué.

L'utilisation de dispositifs thermoélectriques comme "Renforceur de transfert de chaleur". Dans les cas où il est nécessaire d'évacuer la chaleur du petit espace dans l'environnement et où la surface de contact thermique est limitée, les batteries thermoélectriques situées à la surface peuvent intensifier considérablement le processus de transfert de chaleur.

Comme le montrent des études [2], une consommation d'énergie relativement faible peut augmenter considérablement le flux thermique spécifique. Le transfert de chaleur peut être intensifié même sans consommation d'énergie. Dans ce cas, fermez la thermopile.

La présence d'une différence de température entraînera Seebeck thermoEMF, qui alimentera la batterie thermoélectrique. En utilisant des dispositifs thermoélectriques, il est possible d'isoler l'un des milieux échangeurs de chaleur, c'est-à-dire de l'utiliser comme une parfaite isolation thermique.

Une circonstance importante, qui détermine également la zone dans laquelle les refroidisseurs thermoélectriques sont en mesure de concurrencer d'autres types de refroidisseurs, même en termes d'efficacité énergétique, est qu'une diminution de la capacité de refroidissement, par exemple, des refroidisseurs à vapeur entraîne une diminution de leur coefficient de réfrigération.

Pour un refroidisseur thermoélectrique, cette règle n'est pas respectée et son efficacité est pratiquement indépendante de la capacité de refroidissement. Déjà à l'heure actuelle, pour des températures Tx = 0 ° C et Tk = 26 ° C et une performance de plusieurs dizaines de watts, l'efficacité énergétique d'une machine thermoélectrique est proche de l'efficacité d'une machine de réfrigération à vapeur.

Adoption généralisée refroidissement thermoélectrique dépendra des progrès réalisés dans la création de matériaux semi-conducteurs avancés, ainsi que de la production par lots de batteries thermiques économiquement efficaces.

Les références

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Dispositifs de refroidissement thermoélectriques pour navires. - L.: Construction navale, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Cycles, circuits et caractéristiques des transformateurs thermiques - M .: Energy, 1979.— 285 p.

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