Термоелектричен ефект и охлаждане, ефект на Пелтие

Икономическата ефективност от използването на термоелектрически хладилници в сравнение с други видове хладилни машини се увеличава колкото повече, толкова по-малък е обемът на охладения обем. Следователно, най-рационалното в момента е използването на термоелектрическо охлаждане за домашни хладилници, в охладители за течни храни, климатици, в допълнение, термоелектрическото охлаждане успешно се използва в химията, биологията и медицината, метрологията, както и в търговски студ (поддържане на температурата в хладилници) , хладилен транспорт (хладилници) и други области

Термоелектричен ефект

Ефектът от появата е широко известен в областта. thermopower в запоени проводници, контактите (съединенията) между които се поддържат при различни температури (Ефект на Зеебек). В случаите, когато постоянен ток се предава през верига от два различни материала, единият кръстовище започва да се нагрява, а другият започва да се охлажда. Това явление се нарича термоелектричен ефект или Ефект на Пелтие.

Фиг. 1. Диаграма на термодвойка

На фиг. 1 показва диаграма на термодвойка. Два полупроводника n и m образуват верига, по която директният ток преминава от източника на енергия C, докато температурата на студените кръстовища X става по-ниска, а температурата на горещите кръстовища G става по-висока от температурата на околната среда, т.е. термодвойката започва да изпълнява функциите на хладилна машина.

Температурата на съединението намалява поради факта, че под въздействието на електрическо поле електроните, преминаващи от един клон на термодвойката (m) към друг (n), преминават в ново състояние с по-висока енергия. Енергията на електроните се увеличава поради кинетичната енергия, взета от атомите на клоните на термоелемента в местата на тяхното свързване, в резултат на което това съединение (X) се охлажда.

При преминаване от по-високо енергийно ниво (клон n) към ниско енергийно ниво (клон t), електроните дават част от своята енергия на атомите на съединението на термодвойката, която започва да се нагрява.

У нас в края на 40-те и началото на 50-те години Академик А. Ф. Йофе и неговите студенти проведоха много важни изследвания, свързани с развитието на теорията за термоелектрическото охлаждане. Въз основа на тези проучвания първо е проектирана и тествана серия от охлаждащи устройства.

Енергийна ефективност на термоелектрическите охладители значително по-ниска от ефективността на други видове охладители, обаче, простотата, надеждността и липсата на шум правят използването на термоелектрическо охлаждане много обещаващо.

Термоелектрична ефективност на охлаждане

Избор на материал за артикули

Ефективността на термодвойката, както и максималното понижение на температурата в кръстовищата, зависят от ефективността (коефициент на качество) на полупроводниковото вещество z, което включва електрическата проводимост σ, термоелектрически коефициент α и топлопроводимост κ. Тези стойности са взаимно свързани, тъй като зависят от концентрацията на свободни електрони или дупки. Такава зависимост е представена на фиг. 2.

От фигурата може да се види, че електрическата проводимост σ е пропорционална на броя на носителите n, термоемката е с тенденция към нула с увеличаване на n и нараства с намаляването на n. Топлопроводимостта k се състои от две части: топлопроводимостта на кристалната решетка κp, която практически не зависи от n, и електронната топлопроводимост κe, пропорционална на n.

Ефективността на металите и металните сплави е ниска поради ниския коефициент на термоЕМФ, а в диелектриците - поради много ниската електрическа проводимост.В сравнение с металите и диелектриците, ефективността на полупроводниците е много по-висока, което обяснява широкото им използване в момента в термодвойките. Ефективността на материалите също зависи от температурата.

Термодвойката се състои от два клона: отрицателен (n-тип) и положителен (p-тип), Тъй като материал с електронна пропускливост има отрицателен емф и материал с дупкова проводимост има положителен знак, може да се получи по-висока термоенергия.

Фиг. 2. Качествени зависимости на термоелектрическата, електрическата и топлопроводимостта от концентрацията на носителя

С увеличаване на термоенергията z се увеличава.

За термоелементите в момента се използват нискотемпературни термоелектрични материали, чиито изходни материали са бисмут, антимон, селен и телур. Максималната ефективност z за тези материали при стайна температура е: 2.6 · 10-3 ° С-1 за n-тип, 2.6 · 10-1 ° С-1 за p-типа.

Понастоящем Bi2Te3 се използва рядко, тъй като твърдите разтвори Bi2Te3-Be2Se3 и Bi2Te3-Sb2Te3, създадени на неговата основа, имат по-високи z стойности. Тези материали за първи път са получени и изучени у нас и на тяхна основа е овладяно производството на сплави TVEH-1 и TVEH-2 за клонове с електронна проводимост и TVDH-1 и TVDH-2 за клони с дупкова проводимост [1].

Твърдите разтвори на Bi-Se се използват в температурния диапазон под 250 K. Максималната стойност z = 6 · 10-3 ° C-1 достига при T≈80 ÷ 90 K. Интересно е да се отбележи, че ефективността на тази сплав се увеличава значително в магнитно поле.

В момента полупроводниковите клонове се произвеждат по три метода: прахова металургия, леене с насочена кристализация и изтегляне от стопилката. Методът на прахова металургия със студено или горещо пресоване на проби е най-разпространен.

В термоелектрическите охлаждащи устройства като правило се използват термоелементи, при които отрицателният клон се прави чрез горещо пресоване, а положителният - чрез студено пресоване.

Фиг. 3. Диаграма на термодвойка

Механичната якост на термодвойките е незначителна. И така, в проби от сплав Bi2Te3-Sb2Te3, произведена чрез горещо или студено пресоване, якостта на натиск е 44,6–49,8 MPa.

За да се увеличи здравината на термодвойката, между превключващата плоча 1 (фиг. 3) и полупроводниковия клон 6 се поставя амортисьорна оловна плоча 3; в допълнение, се използват нископлавителни припои 2, 4 и припой SiSb 5. Тестовете показват, че термоелектрическите устройства имат устойчивост на вибрации до 20 g, термоелектрически охладители с ниска охлаждаща способност до 250 g.

Сравнение на термоелектрически охлаждащи устройства с други методи за охлаждане

Термоелектрическите охлаждащи устройства имат няколко предимства пред другите видове охладители. В момента корабите използват климатични или парни чилъри в климатичните системи. В студения сезон корабните помещения се отопляват с електрически, парни или водни нагреватели, т.е. се използват отделни източници на топлина и студ.

С помощта на термоелектрически устройства в топлия сезон е възможно да се охлаждат помещенията, а в студения - да се отоплява. Режимът на отопление се променя в режим на охлаждане чрез обръщане на електрическия ток.

В допълнение, предимствата на термоелектрическите устройства включват: пълното отсъствие на шум по време на работа, надеждност, отсъствие на работно вещество и масло, по-малко тегло и общи размери при една и съща охлаждаща способност.

Сравнителните данни за хладоновите машини за осигуряване на камери на кораби показват, че при същия капацитет на охлаждане масата на термоелектрическата хладилна машина е 1,7–1,8 пъти по-малка.

Термоелектрическите охладители за климатични системи имат обем около четири и маса три пъти по-малка от хладоновите охладители.

Фиг. 4. Цикълът на Лоренц

Недостатъците на устройствата за термично охлаждане включват тяхната ниска рентабилност и повишена цена.

Ефективността на термоелектрическите хладилници в сравнение с парата е приблизително с 20-50% по-ниска [1]. Високата цена на термоохлаждащите устройства е свързана с високите цени на полупроводникови материали.

Въпреки това, има области, в които те вече са в състояние да се конкурират с други видове охладители. Например, те започнаха да използват термоелектрически устройства за охлаждане на газове и течности. Примерите на устройства от този клас включват охладители за питейна вода, климатици, охладители на химически реагенти и др.

За такива чилъри цикълът на модела ще бъде триъгълният цикъл на Лоренц (виж фиг. 4). Подходът към цикъла на модела се постига по прост начин, тъй като това изисква само промяна на схемата на превключване, което не причинява структурни трудности. Това ви позволява значително, в някои случаи повече от двойно, да повишите ефективността на термоелектрическите хладилни машини. За да се приложи този принцип в парен охладител, трябва да се приложи сложна многоетапна схема на компресия.

Използването на термоелектрически устройства като „Подобрител на топлопреминаването“, В случаите, когато е необходимо да се отделя топлина от малкото пространство в околната среда, а повърхността на топлинен контакт е ограничена, термоелектрическите батерии, разположени на повърхността, могат значително да засилят процеса на пренос на топлина.

Както показват проучванията [2], сравнително малък разход на енергия може значително да увеличи специфичния топлинен поток. Преносът на топлина може да се засили дори без консумация на енергия. В този случай затворете термопилата.

Наличието на разлика в температурата ще доведе до Seebeck thermoEMF, което ще осигури захранване на термоелектрическата батерия. С помощта на термоелектрически устройства е възможно да се изолира една от топлообменните среди, т.е. да се използва като перфектна топлоизолация.

Важно обстоятелство, което определя и зоната, в която термоелектрическите охладители са в състояние да се конкурират с други видове охладители дори и с енергийна ефективност, е, че намаляването на охлаждащата способност например на парни охладители води до намаляване на техния охлаждащ коефициент.

За термоелектрическия чилър това правило не се спазва и неговата ефективност практически не зависи от капацитета за охлаждане. Вече в момента, при температури Tx = 0 ° C и Tk = 26 ° C и производителност от няколко десетки вата, енергийната ефективност на термоелектрическата машина е близка до ефективността на парна хладилна машина.

Широко осиновяване термоелектрично охлаждане ще зависи от напредъка в създаването на модерни полупроводникови материали, както и от серийното производство на икономически ефективни термични батерии.

Позоваването.

1. Цветков Ю. Н., Аксенов С. С., Шулман В. М. Корабни термоелектрически охлаждащи устройства. - Л .: Корабостроене, 1972.— 191 с.

2. Мартиновски В. С. Цикли, вериги и характеристики на термотрансформаторите. - М .: Енергия, 1979.— 285 с.

Прочетете също по тази тема:Ефект на Пелтие: магическият ефект на електрическия ток