Termoelektriskais efekts un dzesēšana, Peltiera efekts

Termoelektrisko ledusskapju izmantošanas ekonomiskā efektivitāte salīdzinājumā ar cita veida saldēšanas mašīnām palielinās, jo mazāks ir atdzesētā tilpuma tilpums. Tāpēc šobrīd racionālākais ir termoelektriskās dzesēšanas izmantošana mājsaimniecības ledusskapjos, pārtikas šķidrumu dzesētājos, gaisa kondicionieros, turklāt termoelektrisko dzesēšanu veiksmīgi izmanto ķīmijā, bioloģijā un medicīnā, metroloģijā, kā arī komerciālā aukstumā (saglabājot temperatūru ledusskapjos). , saldēšanas transports (ledusskapji) un citas zonas

Termoelektriskais efekts

Notikuma ietekme ir plaši zināma mākslā. termoEMF lodētos vadītājos, kontakti (savienojumi), starp kuriem tiek uzturēta atšķirīga temperatūra (Seebeka efekts) Gadījumā, ja caur divu atšķirīgu materiālu ķēdi tiek izvadīta pastāvīga strāva, viens no krustojumiem sāk sakarst, bet otrs sāk atdzist. Šī parādība tiek saukta termoelektriskais efekts vai Peltiera efekts.

Att. 1. Termopāra diagramma

Att. 1 ir parādīta termopāra diagramma. Divi pusvadītāji n un m veido ķēdi, pa kuru tiešā strāva pāriet no enerģijas avota C, savukārt auksto savienojumu temperatūra X kļūst zemāka, un karsto savienojumu temperatūra G kļūst augstāka par apkārtējās vides temperatūru, t.i., termoelements sāk pildīt saldēšanas iekārtas funkcijas.

Krustojuma temperatūra pazeminās tāpēc, ka elektriskā lauka ietekmē elektroni, kas pārvietojas no viena termopāra atzarojuma (m) uz otru (n), nonāk jaunā stāvoklī ar lielāku enerģiju. Elektronu enerģija palielinās kinētiskās enerģijas dēļ, kas tiek ņemta no termoelementu filiāļu atomiem to konjugācijas vietās, kā rezultātā šis krustojums (X) tiek atdzisis.

Pārejā no augstāka enerģijas līmeņa (filiāle n) uz zemu enerģijas līmeni (filiāle t), elektroni daļu savas enerģijas piešķir termopāra savienojuma atomiem, kuri sāk sakarst.

Mūsu valstī 1940. gadu beigās un 50. gadu sākumā Akadēmiķis A. F. Ioffe un viņa studenti veica ļoti svarīgus pētījumus, kas saistīti ar termoelektriskās dzesēšanas teorijas attīstību. Balstoties uz šiem pētījumiem, vispirms tika izstrādāta un pārbaudīta dzesēšanas ierīču sērija.

Termoelektrisko dzesētāju energoefektivitāte ievērojami zemāka nekā cita veida dzesētāju efektivitāte, taču vienkāršība, uzticamība un trokšņa trūkums padara termoelektriskās dzesēšanas izmantošanu ļoti perspektīvu.

Termoelektriskās dzesēšanas efektivitāte

Materiālu izvēle priekšmetiem

Termopāra efektivitāte, kā arī maksimālā temperatūras pazemināšanās krustojumos ir atkarīga no pusvadītāju vielas z efektivitātes (kvalitātes koeficienta), kas ietver elektrisko vadītspēju σ, termoelektrisko koeficientu α un siltumvadītspēju κ. Šīs vērtības ir savstarpēji saistītas, jo tās ir atkarīgas no brīvo elektronu vai caurumu koncentrācijas. Šāda atkarība ir parādīta att. 2.

No attēla redzams, ka elektriskā vadītspēja σ ir proporcionāla nesēju skaitam n, termoEMF ir tendence uz nulli, palielinoties n, un palielinās, samazinoties n. Siltumvadītspēja k sastāv no divām daļām: kristāla režģa κp siltumvadītspējas, kas praktiski nav atkarīga no n, un elektroniskās siltumvadītspējas κe, kas ir proporcionāla n.

Metālu un metālu sakausējumu efektivitāte ir zema zemā termoEMF koeficienta dēļ, bet dielektriķos - ļoti zemās elektriskās vadītspējas dēļ.Salīdzinot ar metāliem un dielektrikām, pusvadītāju efektivitāte ir daudz augstāka, kas izskaidro to plašo izmantošanu termoelementos. Materiālu efektivitāte ir atkarīga arī no temperatūras.

Termopāri sastāv no divām atzarām: negatīvas (n-veida) un pozitīvas (p-veida). Tā kā materiālam ar elektronu caurlaidību ir negatīvs emf un materiālam ar caurumu vadītspēju ir pozitīva zīme, var iegūt lielāku termopower.

Att. 2. Siltuma spēka, elektriskās un siltumvadītspējas kvalitatīvās atkarības no nesēja koncentrācijas

Palielinoties termopower, z palielinās.

Termoelementiem pašlaik tiek izmantoti zemas temperatūras termoelektriski materiāli, kuru izejmateriāli ir bismuts, antimons, selēns un telūrs. Šiem materiāliem maksimālā efektivitāte z istabas temperatūrā ir: 2,6 · 10–3 ° С – 1 n veidam, 2,6 · 10–1 ° С – 1 p tipam.

Pašlaik Bi2Te3 tiek reti izmantots, jo uz tā pamata izveidotajiem cietajiem Bi2Te3-Be2Se3 un Bi2Te3-Sb2Te3 risinājumiem ir augstākas z vērtības. Šie materiāli vispirms tika iegūti un pētīti mūsu valstī, un, pamatojoties uz tiem, tika apgūta sakausējumu TVEH-1 un TVEH-2 ražošana filiālēm ar elektronisko vadītspēju un TVDH-1 un TVDH-2 filiālēm ar caurumu vadītspēju [1].

Bi-Se cietie šķīdumi tiek izmantoti temperatūras diapazonā zem 250 K. Maksimālā vērtība z = 6 · 10–3 ° C-1 sasniedz pie T≈80 ÷ 90 K. Interesanti atzīmēt, ka šī sakausējuma efektivitāte magnētiskajā laukā ievērojami palielinās.

Pusvadītāju filiāles pašlaik ražo ar trim metodēm: pulvera metalurģijā, liešanā ar virzītu kristalizāciju un iegūšanā no kausējuma. Izplatītākā ir pulvera metalurģijas metode ar paraugu aukstu vai karstu presēšanu.

Termoelektriskās dzesēšanas ierīcēs parasti tiek izmantoti termoelementi, kuros negatīvo atzaru veido karstā presēšana, bet pozitīvo atzaru - ar aukstu presēšanu.

Att. 3. Termopāra diagramma

Termopāru mehāniskā izturība ir niecīga. Tātad sakausējuma Bi2Te3-Sb2Te3 paraugiem, kas ražoti ar karstu vai aukstu presēšanu, spiedes stiprība ir 44,6–49,8 MPa.

Lai palielinātu termopāra izturību, starp komutācijas plāksni 1 (3. att.) Un pusvadītāja atzaru 6 tiek novietota slāpējoša svina plāksne 3; papildus tiek izmantoti lodmetāli ar zemu kušanas temperatūru 2, 4 un SiSb 5. Pārbaudes rāda, ka termoelektriskām ierīcēm ir vibrācijas triecienizturība līdz 20g, termoelektriskiem dzesētājiem ar mazu dzesēšanas jaudu līdz 250g.

Termoelektrisko dzesēšanas ierīču salīdzinājums ar citām dzesēšanas metodēm

Termoelektriskām dzesēšanas ierīcēm ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar cita veida dzesētājiem. Pašlaik kuģi gaisa kondicionēšanas sistēmās izmanto gaisa kondicionēšanu vai tvaika dzesētājus. Aukstā sezonā kuģu telpas silda ar elektriskiem, tvaika vai ūdens sildītājiem, t.i., tiek izmantoti atsevišķi siltuma un aukstuma avoti.

Izmantojot termoelektriskās ierīces siltajā sezonā, ir iespējams atdzesēt telpas, bet aukstumā - sildīt. Apkures režīms tiek mainīts uz dzesēšanas režīmu, mainot elektrisko strāvu.

Turklāt termoelektrisko ierīču priekšrocībās ietilpst: pilnīga trokšņa neesamība ekspluatācijas laikā, uzticamība, darba vielas un eļļas neesamība, mazāks svars un vispārējie izmēri ar tādu pašu dzesēšanas jaudu.

Salīdzinošie dati par hladona mašīnām, kas paredzētas kuģu apgādāšanai ar kuģiem, liecina, ka ar tādu pašu dzesēšanas jaudu termoelektriskās saldēšanas iekārtas masa ir 1,7–1,8 reizes mazāka.

Gaisa kondicionēšanas sistēmu termoelektrisko dzesētāju tilpums ir aptuveni četri un masa trīs reizes mazāka nekā hladona dzesētāji.

Att. 4. Lorenca cikls

Termiskās dzesēšanas ierīču trūkumi ietver to zemā rentabilitāte un paaugstinātās izmaksas.

Termoelektrisko ledusskapju rentabilitāte salīdzinājumā ar tvaiku ir par aptuveni 20-50% zemāka [1]. Termo dzesēšanas ierīču augstās izmaksas ir saistītas ar augstām pusvadītāju materiālu cenām.

Tomēr ir jomas, kurās viņi tagad var konkurēt ar cita veida dzesētājiem. Piemēram, viņi sāka izmantot termoelektriskas ierīces gāzu un šķidrumu dzesēšanai. Šīs klases ierīču piemēri ir dzeramā ūdens dzesētāji, gaisa kondicionētāji, ķīmisko reaģentu dzesētāji utt.

Šādiem dzesētājiem modeļa cikls būs trīsstūrveida Lorenca cikls (sk. 4. att.). Tuvošanās modeļa ciklam tiek panākta vienkāršā veidā, jo tas prasa tikai mainīt komutācijas shēmu, kas nerada strukturālas grūtības. Tas ļauj ievērojami, dažos gadījumos vairāk nekā divas reizes, palielināt termoelektrisko saldēšanas iekārtu efektivitāti. Lai ieviestu šo principu tvaika dzesētājā, būtu jāpiemēro sarežģīta daudzpakāpju saspiešanas shēma.

Termoelektrisko ierīču izmantošana kā “Siltuma pārneses pastiprinātājs”. Tajos gadījumos, kad no mazās telpas ir nepieciešams siltumu izvadīt vidē, un termiskā kontakta virsma ir ierobežota, termoelektriskās baterijas, kas atrodas uz virsmas, var ievērojami pastiprināt siltuma pārneses procesu.

Kā rāda pētījumi [2], salīdzinoši neliels enerģijas patēriņš var ievērojami palielināt īpatnējo siltuma plūsmu. Siltuma pārnesi var pastiprināt pat bez enerģijas patēriņa. Šajā gadījumā aizveriet termopilu.

Temperatūras starpības klātbūtne radīs Seebeck termoEMF, kas nodrošinās enerģiju termoelektriskajam akumulatoram. Izmantojot termoelektriskās ierīces, ir iespējams izolēt kādu no siltummaiņas apmaiņas līdzekļiem, t.i., izmantot to kā perfektu siltumizolāciju.

Svarīgs apstāklis, kas arī nosaka teritoriju, kurā termoelektriskie dzesētāji pat energoefektivitātes ziņā var konkurēt ar cita veida dzesētājiem, ir tas, ka, piemēram, tvaika dzesētāju dzesēšanas jaudas samazināšanās noved pie to dzesēšanas koeficienta samazināšanās.

Termoelektriskajam dzesētājam šis noteikums netiek ievērots, un tā efektivitāte praktiski nav atkarīga no dzesēšanas jaudas. Jau šobrīd temperatūrām Tx = 0 ° C un Tk = 26 ° C un vairāku desmitu vatu veiktspējai termoelektriskās mašīnas energoefektivitāte ir tuvu tvaika saldēšanas iekārtas efektivitātei.

Plaša adopcija termoelektriskā dzesēšana būs atkarīgs no progresīvu progresīvu pusvadītāju materiālu izveidē, kā arī no ekonomiski efektīvu termisko akumulatoru sērijveida ražošanas.

Atsauces

1. Tsvetkov Y. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Kuģu termoelektriskās dzesēšanas ierīces - L .: Shipbuilding, 1972.— 191 lpp.

2. Martynovsky V. S. Termisko transformatoru cikli, shēmas un raksturlielumi - M .: Energy, 1979. - 285 lpp.

Lasiet arī par šo tēmu:Peltjē efekts: elektriskās strāvas maģiskais efekts