Efekt termoelektryczny i chłodzenie, efekt Peltiera

Efektywność ekonomiczna stosowania lodówek termoelektrycznych w porównaniu z innymi rodzajami urządzeń chłodniczych wzrasta, im bardziej im mniejsza jest objętość chłodzonej objętości. Dlatego najbardziej racjonalne w chwili obecnej jest zastosowanie chłodzenia termoelektrycznego w lodówkach domowych, w chłodziarkach do płynów spożywczych, klimatyzatorach, a ponadto chłodzenie termoelektryczne jest z powodzeniem stosowane w chemii, biologii i medycynie, metrologii, a także w chłodnictwie komercyjnym (utrzymywanie temperatury w lodówkach) , transport chłodniczy (lodówki) i inne obszary

Efekt termoelektryczny

Efekt występowania jest powszechnie znany w dziedzinie. thermoEMF w przewodach lutowanych styki (połączenia) są utrzymywane w różnych temperaturach (Efekt Seebecka) W przypadku, gdy prąd stały przepływa przez obwód dwóch różnych materiałów, jeden z połączeń zaczyna się nagrzewać, a drugi zaczyna się ochładzać. Zjawisko to nazywa się efekt termoelektryczny lub Efekt Peltiera.

Ryc. 1. Schemat termopary

Na ryc. 1 przedstawia schemat termopary. Dwa półprzewodniki n i m tworzą obwód, wzdłuż którego prąd stały przepływa ze źródła zasilania C, podczas gdy temperatura zimnych połączeń X staje się niższa, a temperatura gorących połączeń G staje się wyższa niż temperatura otoczenia, tj. Termopara zaczyna pełnić funkcje maszyny chłodniczej.

Temperatura złącza maleje z powodu faktu, że pod wpływem pola elektrycznego elektrony przemieszczające się z jednej gałęzi termopary (m) do innej (n) przechodzą w nowy stan z wyższą energią. Energia elektronów wzrasta z powodu energii kinetycznej pobranej z atomów gałęzi termoelementu w miejscach ich sprzęgania, w wyniku czego to połączenie (X) jest chłodzone.

W przejściu z wyższego poziomu energii (gałąź n) do niskiego poziomu energii (gałąź t) elektrony oddają część swojej energii atomom złącza termopary, która zaczyna się nagrzewać.

W naszym kraju na przełomie lat 40. i 50. XX wieku Academician A.F. Ioffe a jego uczniowie przeprowadzili bardzo ważne badania związane z opracowaniem teorii chłodzenia termoelektrycznego. Na podstawie tych badań najpierw zaprojektowano i przetestowano serię urządzeń chłodzących.

Efektywność energetyczna agregatów termoelektrycznych znacznie niższa niż skuteczność innych rodzajów agregatów chłodniczych, jednak prostota, niezawodność i brak hałasu sprawiają, że zastosowanie chłodzenia termoelektrycznego jest bardzo obiecujące.

Wydajność chłodzenia termoelektrycznego

Wybór materiału dla przedmiotów

Wydajność termopary, a także maksymalny spadek temperatury na skrzyżowaniach, zależą od wydajności (współczynnika jakości) substancji półprzewodnikowej z, która obejmuje przewodność elektryczną σ, współczynnik termoelektryczny α i przewodność cieplną κ. Wartości te są ze sobą powiązane, ponieważ zależą od stężenia wolnych elektronów lub dziur. Zależność taką przedstawiono na ryc. 2)

Z figury można zobaczyć, że przewodnictwo elektryczne σ jest proporcjonalne do liczby nośników n, termoEMF dąży do zera ze wzrostem n i rośnie ze spadkiem n. Przewodność cieplna k składa się z dwóch części: przewodności cieplnej sieci krystalicznej κp, która jest praktycznie niezależna od n, oraz elektronicznej przewodności cieplnej κe, proporcjonalnej do n.

Skuteczność metali i stopów metali jest niska ze względu na niski współczynnik thermoEMF, aw dielektrykach z powodu bardzo niskiej przewodności elektrycznej.W porównaniu z metalami i dielektrykami sprawność półprzewodników jest znacznie wyższa, co tłumaczy ich powszechne zastosowanie w termoelementach. Skuteczność materiałów zależy również od temperatury.

Termopara składa się z dwóch gałęzi: ujemnej (typ n) i dodatniej (typ p). Ponieważ materiał z przepuszczalnością elektronów ma ujemną emf, a materiał z przewodnością otworu ma znak dodatni, można uzyskać wyższą moc cieplną.

Ryc. 2. Jakościowe zależności mocy cieplnej, przewodności elektrycznej i przewodności cieplnej od stężenia nośnika

Wraz ze wzrostem mocy termicznej wzrasta wartość z.

W przypadku termoelementów stosuje się obecnie niskotemperaturowe materiały termoelektryczne, których materiałami wyjściowymi są bizmut, antymon, selen i tellur. Maksymalna wydajność z dla tych materiałów w temperaturze pokojowej wynosi: 2,6 · 10-3 ° С-1 dla typu n, 2,6 · 10-1 ° С-1 dla typu p.

Obecnie rzadko stosuje się Bi2Te3, ponieważ stałe roztwory Bi2Te3-Be2Se3 i Bi2Te3-Sb2Te3 mają wyższe wartości Z. Materiały te zostały po raz pierwszy pozyskane i zbadane w naszym kraju, a na ich podstawie opanowano produkcję stopów TVEH-1 i TVEH-2 dla gałęzi o przewodności elektronicznej oraz TVDH-1 i TVDH-2 dla gałęzi o przewodności otworu [1].

Stałe roztwory Bi-Se stosuje się w zakresie temperatur poniżej 250 K. Maksymalna wartość z = 6 · 10-3 ° C-1 osiąga przy T≈80 ÷ 90 K. Warto zauważyć, że wydajność tego stopu znacznie wzrasta w polu magnetycznym.

Gałęzie półprzewodnikowe są obecnie wytwarzane trzema metodami: metalurgia proszków, odlewanie z ukierunkowaną krystalizacją i wyciąganie ze stopu. Najbardziej popularna jest metoda metalurgii proszków z tłoczeniem próbek na zimno lub na gorąco.

W termoelektrycznych urządzeniach chłodzących z reguły stosuje się termoelementy, w których rozgałęzienie ujemne wytwarza się przez prasowanie na gorąco, a odgałęzienie dodatnie przez prasowanie na zimno.

Ryc. 3. Schemat termopary

Wytrzymałość mechaniczna termopar jest znikoma. Tak więc w próbkach stopu Bi2Te3-Sb2Te3 wytwarzanego przez prasowanie na gorąco lub na zimno wytrzymałość na ściskanie wynosi 44,6–49,8 MPa.

Aby zwiększyć wytrzymałość termopary, między płytką przełączającą 1 (ryc. 3) a półprzewodnikową gałęzią 6 umieszcza się tłumiącą płytkę ołowiową 3; ponadto stosuje się lutowie niskotopliwe 2, 4 i lutowie SiSb 5. Testy wykazują, że urządzenia termoelektryczne mają odporność na wstrząsy wibracyjne do 20 g, chłodnice termoelektryczne o niskiej wydajności chłodzenia do 250 g.

Porównanie termoelektrycznych urządzeń chłodzących z innymi metodami chłodzenia

Termoelektryczne urządzenia chłodzące mają kilka zalet w porównaniu z innymi rodzajami agregatów chłodniczych. Obecnie statki stosują klimatyzatory lub parowe agregaty chłodnicze w systemach klimatyzacyjnych. W zimnych porach statki są ogrzewane za pomocą grzejników elektrycznych, parowych lub wodnych, tzn. Stosuje się osobne źródła ciepła i zimna.

Za pomocą urządzeń termoelektrycznych w ciepłym sezonie można schłodzić pomieszczenie, a na zimno - ogrzać. Tryb ogrzewania zmienia się na tryb chłodzenia poprzez odwrócenie prądu elektrycznego.

Ponadto zalety urządzeń termoelektrycznych obejmują: całkowity brak hałasu podczas pracy, niezawodność, brak substancji roboczej i oleju, mniejszą masę i ogólne wymiary przy tej samej wydajności chłodzenia.

Dane porównawcze na maszynach chladon do zasilania komór na statkach pokazują, że przy tej samej wydajności chłodzenia masa termoelektrycznej maszyny chłodniczej jest 1,7–1,8 razy mniejsza.

Agregaty termoelektryczne do systemów klimatyzacyjnych mają objętość około czterech i masę trzy razy mniejszą niż agregaty chladone.

Ryc. 4. Cykl Lorentza

Wady termicznych urządzeń chłodzących obejmują ich niska rentowność i zwiększone koszty.

Opłacalność lodówek termoelektrycznych w porównaniu z parą jest o około 20-50% niższa [1]. Wysoki koszt urządzeń termo-chłodzących wiąże się z wysokimi cenami materiałów półprzewodnikowych.

Są jednak obszary, w których mogą teraz konkurować z innymi rodzajami agregatów chłodniczych. Na przykład zaczęli używać urządzeń termoelektrycznych do chłodzenia gazów i cieczy. Przykłady urządzeń tej klasy obejmują agregaty wody lodowej, klimatyzatory, chłodnice odczynników chemicznych itp.

W przypadku takich agregatów modelowym cyklem będzie trójkątny cykl Lorentza (patrz ryc. 4). Zbliżanie się do cyklu modelu osiąga się w prosty sposób, ponieważ wymaga to jedynie modyfikacji obwodu przełączającego, co nie powoduje trudności strukturalnych. Pozwala to znacznie, w niektórych przypadkach ponad dwukrotnie, zwiększyć wydajność termoelektrycznych urządzeń chłodniczych. Aby wdrożyć tę zasadę w chłodziarce parowej, należałoby zastosować złożony wieloetapowy schemat sprężania.

Zastosowanie urządzeń termoelektrycznych jako „Wzmacniacz przenoszenia ciepła”. W przypadkach, w których konieczne jest usunięcie ciepła z małej przestrzeni do otoczenia, a powierzchnia kontaktu termicznego jest ograniczona, baterie termoelektryczne znajdujące się na powierzchni mogą znacznie zintensyfikować proces wymiany ciepła.

Jak pokazują badania [2], stosunkowo niewielkie zużycie energii może znacznie zwiększyć właściwy strumień ciepła. Przenikanie ciepła można zintensyfikować nawet bez zużycia energii. W takim przypadku zamknij stos termiczny.

Skutkiem będzie obecność różnicy temperatur Seebeck thermoEMF, który zapewni zasilanie baterii termoelektrycznej. Za pomocą urządzeń termoelektrycznych można odizolować jeden z nośników wymieniających ciepło, tj. Wykorzystać go jako doskonałą izolację termiczną.

Ważną okolicznością, która determinuje także obszar, w którym agregaty termoelektryczne są w stanie konkurować z innymi typami agregatów chłodniczych nawet pod względem efektywności energetycznej, jest to, że spadek wydajności chłodzenia, na przykład agregatów parowych, prowadzi do obniżenia ich współczynnika chłodzenia.

W przypadku agregatu termoelektrycznego zasada ta nie jest przestrzegana, a jego skuteczność jest praktycznie niezależna od wydajności chłodzenia. Już teraz, dla temperatur Tx = 0 ° C i Tk = 26 ° C i wydajności kilkudziesięciu watów, wydajność energetyczna maszyny termoelektrycznej jest zbliżona do wydajności chłodziarki parowej.

Powszechne przyjęcie chłodzenie termoelektryczne będzie zależeć od postępu w tworzeniu zaawansowanych materiałów półprzewodnikowych, a także od seryjnej produkcji ekonomicznie wydajnych akumulatorów termicznych.

Referencje

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Statkowe termoelektryczne urządzenia chłodzące - L.: Przemysł stoczniowy, 1972—191 str.

2. Martynovsky V. S. Cykle, obwody i charakterystyka transformatorów termicznych - M .: Energy, 1979—285 str.

Przeczytaj także na ten temat:Efekt Peltiera: magiczny efekt prądu elektrycznego