Thermoelektrischer Effekt und Kühlung, Peltier-Effekt

Die Wirtschaftlichkeit der Verwendung von thermoelektrischen Kühlschränken im Vergleich zu anderen Arten von Kältemaschinen steigt umso mehr, je kleiner das Volumen des gekühlten Volumens ist. Daher ist derzeit die Verwendung der thermoelektrischen Kühlung für Haushaltskühlschränke, in Kühlschränken für Lebensmittelflüssigkeiten und Klimaanlagen am rationalsten. Darüber hinaus wird die thermoelektrische Kühlung erfolgreich in der Chemie, Biologie und Medizin, in der Messtechnik sowie in der gewerblichen Kälte eingesetzt (Aufrechterhaltung der Temperatur in Kühlschränken). , Kühltransport (Kühlschränke) und andere Bereiche

Thermoelektrischer Effekt

Die Wirkung des Auftretens ist im Stand der Technik weithin bekannt. thermoEMF in gelöteten Leitern werden Kontakte (Übergänge) zwischen diesen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten (Seebeck-Effekt) In dem Fall, in dem ein konstanter Strom durch einen Kreislauf aus zwei unterschiedlichen Materialien geleitet wird, beginnt sich einer der Übergänge zu erwärmen und der andere beginnt sich abzukühlen. Dieses Phänomen nennt man thermoelektrischer Effekt oder Peltier-Effekt.

Abb. 1. Thermoelementdiagramm

In Abb. 1 zeigt ein Diagramm eines Thermoelements. Zwei Halbleiter n und m bilden eine Schaltung, entlang derer Gleichstrom von der Stromquelle C fließt, während die Temperatur der kalten Übergänge X niedriger wird und die Temperatur der heißen Übergänge G höher als die Umgebungstemperatur wird, d. H. Das Thermoelement beginnt, die Funktionen einer Kältemaschine auszuführen.

Die Sperrschichttemperatur nimmt ab, weil die Elektronen, die sich von einem Zweig des Thermoelements (m) zu einem anderen (n) bewegen, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in einen neuen Zustand mit höherer Energie übergehen. Die Energie der Elektronen steigt aufgrund der kinetischen Energie, die den Atomen der Thermoelementverzweigungen an den Stellen ihrer Konjugation entnommen wird, wodurch dieser Übergang (X) abgekühlt wird.

Beim Übergang von einem höheren Energieniveau (Zweig n) zu einem niedrigen Energieniveau (Zweig t) geben die Elektronen einen Teil ihrer Energie an die Atome des Übergangs des Thermoelements ab, der sich zu erwärmen beginnt.

In unserem Land in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren Akademiker A. F. Ioffe und seine Studenten führten sehr wichtige Forschungen im Zusammenhang mit der Entwicklung der Theorie der thermoelektrischen Kühlung durch. Basierend auf diesen Studien wurde zunächst eine Reihe von Kühlgeräten entwickelt und getestet.

Energieeffizienz von thermoelektrischen Kältemaschinen Die Einfachheit, Zuverlässigkeit und Geräuschlosigkeit machen die Verwendung der thermoelektrischen Kühlung jedoch sehr vielversprechend als die Wirksamkeit anderer Kältemaschinentypen.

Effizienz der thermoelektrischen Kühlung

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Der Wirkungsgrad des Thermoelements sowie der maximale Temperaturabfall an den Übergängen hängen vom Wirkungsgrad (Qualitätsfaktor) der Halbleitersubstanz z ab, zu der die elektrische Leitfähigkeit σ, der thermoelektrische Koeffizient α und die Wärmeleitfähigkeit κ gehören. Diese Werte hängen miteinander zusammen, da sie von der Konzentration der freien Elektronen oder Löcher abhängen. Eine solche Abhängigkeit ist in Abb. 1 dargestellt. 2.

Aus der Figur ist ersichtlich, dass die elektrische Leitfähigkeit & sgr; proportional zur Anzahl der Ladungsträger n ist, der thermoEMF mit zunehmendem n gegen Null geht und mit abnehmendem n zunimmt. Die Wärmeleitfähigkeit k besteht aus zwei Teilen: der Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters κp, das praktisch unabhängig von n ist, und der elektronischen Wärmeleitfähigkeit κe, proportional zu n.

Die Wirksamkeit von Metallen und Metalllegierungen ist aufgrund des niedrigen thermoEMF-Koeffizienten und bei Dielektrika aufgrund der sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit gering.Im Vergleich zu Metallen und Dielektrika ist der Wirkungsgrad von Halbleitern viel höher, was ihre derzeit weit verbreitete Verwendung in Thermoelementen erklärt. Die Wirksamkeit von Materialien hängt auch von der Temperatur ab.

Das Thermoelement besteht aus zwei Zweigen: negativ (n-Typ) und positiv (p-Typ). Da das Material mit Elektronenpermeabilität eine negative EMK hat und das Material mit Lochleitfähigkeit ein positives Vorzeichen hat, kann eine höhere Thermoleistung erhalten werden.

Abb. 2. Qualitative Abhängigkeiten von Thermoleistung, elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von der Trägerkonzentration

Mit zunehmender Thermoleistung nimmt z zu.

Für Thermoelemente werden derzeit thermoelektrische Niedertemperaturmaterialien verwendet, deren Ausgangsmaterialien Wismut, Antimon, Selen und Tellur sind. Der maximale Wirkungsgrad z für diese Materialien bei Raumtemperatur beträgt: 2,6 · 10-3 ° С-1 für den n-Typ, 2,6 · 10-1 ° С-1 für den p-Typ.

Derzeit wird Bi2Te3 selten verwendet, da die auf seiner Basis hergestellten festen Lösungen Bi2Te3-Be2Se3 und Bi2Te3-Sb2Te3 höhere z-Werte aufweisen. Diese Materialien wurden zuerst in unserem Land erhalten und untersucht, und auf ihrer Grundlage wurde die Herstellung von Legierungen TVEH-1 und TVEH-2 für Zweige mit elektronischer Leitfähigkeit und TVDH-1 und TVDH-2 für Zweige mit Lochleitfähigkeit beherrscht [1].

Bi-Se-Feststofflösungen werden im Temperaturbereich unter 250 K verwendet. Der Maximalwert z = 6 · 10-3 ° C-1 liegt bei T≈80 ÷ 90 K. Es ist interessant festzustellen, dass der Wirkungsgrad dieser Legierung in einem Magnetfeld signifikant zunimmt.

Halbleiterzweige werden derzeit nach drei Methoden hergestellt: Pulvermetallurgie, Gießen mit gerichteter Kristallisation und Ziehen aus der Schmelze. Die Methode der Pulvermetallurgie mit kaltem oder heißem Pressen von Proben ist die gebräuchlichste.

Thermoelektrische Kühlvorrichtungen verwenden in der Regel Thermoelemente, bei denen der negative Zweig durch Heißpressen und der positive Zweig durch Kaltpressen hergestellt wird.

Abb. 3. Thermoelementdiagramm

Die mechanische Festigkeit von Thermoelementen ist vernachlässigbar. Für Proben der Bi2Te3-Sb2Te3-Legierung, die durch Heiß- oder Kaltpressen hergestellt wurden, beträgt die Druckfestigkeit 44,6–49,8 MPa.

Um die Festigkeit des Thermoelements zu erhöhen, wird eine Dämpfungsleitungsplatte 3 zwischen der Schaltplatte 1 (Fig. 3) und dem Halbleiterzweig 6 angeordnet; Darüber hinaus werden niedrigschmelzende Lote 2, 4 und SiSb 5 verwendet. Tests zeigen, dass thermoelektrische Geräte eine Vibrationsschockbeständigkeit von bis zu 20 g und thermoelektrische Kühler mit einer geringen Kühlleistung von bis zu 250 g aufweisen.

Vergleich von thermoelektrischen Kühlgeräten mit anderen Kühlmethoden

Thermoelektrische Kühlvorrichtungen haben gegenüber anderen Arten von Kältemaschinen mehrere Vorteile. Derzeit verwenden Schiffe Klimaanlagen oder Dampfkühler in Klimaanlagen. In der kalten Jahreszeit werden Schiffsräume mit Elektro-, Dampf- oder Warmwasserbereitern beheizt, d. H. Es werden getrennte Wärme- und Kältequellen verwendet.

Mit thermoelektrischen Geräten ist es in der warmen Jahreszeit möglich, die Räumlichkeiten zu kühlen und in der Kälte zu heizen. Der Heizmodus wird durch Umkehren des elektrischen Stroms in den Kühlmodus geändert.

Darüber hinaus umfassen die Vorteile von thermoelektrischen Geräten: die vollständige Abwesenheit von Geräuschen während des Betriebs, Zuverlässigkeit, das Fehlen eines Arbeitsstoffs und von Öl, ein geringeres Gewicht und Gesamtabmessungen bei gleicher Kühlleistung.

Vergleichsdaten zu Chladon-Maschinen zur Bereitstellung von Kammern auf Schiffen zeigen, dass bei gleicher Kühlleistung die Masse einer thermoelektrischen Kältemaschine 1,7–1,8-mal geringer ist.

Thermoelektrische Kältemaschinen für Klimaanlagen haben ein Volumen von etwa vier und eine dreimal geringere Masse als Chlordonkältemaschinen.

Abb. 4. Der Lorentz-Zyklus

Die Nachteile von thermischen Kühlvorrichtungen umfassen ihre geringe Rentabilität und erhöhten Kosten.

Die Kosteneffizienz von thermoelektrischen Kühlschränken im Vergleich zu Dampf ist um etwa 20-50% niedriger [1]. Die hohen Kosten für Thermokühlgeräte sind mit hohen Preisen für Halbleitermaterialien verbunden.

Es gibt jedoch Bereiche, in denen sie jetzt mit anderen Arten von Kältemaschinen konkurrieren können. Zum Beispiel begannen sie, thermoelektrische Geräte zum Kühlen von Gasen und Flüssigkeiten zu verwenden. Beispiele für Geräte dieser Klasse umfassen Trinkwasserkühler, Klimaanlagen, Kühler für chemische Reagenzien usw.

Für solche Kältemaschinen ist der Modellzyklus der dreieckige Lorentz-Zyklus (siehe Abb. 4). Die Annäherung an den Modellzyklus erfolgt auf einfache Weise, da hierfür lediglich die Schaltschaltung geändert werden muss, was keine strukturellen Schwierigkeiten verursacht. Auf diese Weise können Sie den Wirkungsgrad thermoelektrischer Kältemaschinen in einigen Fällen mehr als verdoppeln. Um dieses Prinzip in einem Dampfkühler umzusetzen, müsste ein komplexes mehrstufiges Kompressionsschema angewendet werden.

Die Verwendung von thermoelektrischen Geräten als "Wärmeübertragungsverstärker". In den Fällen, in denen es notwendig ist, Wärme aus dem kleinen Raum in die Umgebung abzuleiten und die Oberfläche des Wärmekontakts begrenzt ist, können an der Oberfläche befindliche thermoelektrische Batterien den Wärmeübertragungsprozess erheblich intensivieren.

Wie Studien [2] zeigen, kann ein relativ geringer Stromverbrauch den spezifischen Wärmefluss signifikant erhöhen. Die Wärmeübertragung kann auch ohne Energieverbrauch intensiviert werden. Schließen Sie in diesem Fall die Thermosäule.

Das Vorhandensein eines Temperaturunterschieds führt zu Seebeck thermoEMF, die die thermoelektrische Batterie mit Strom versorgt. Unter Verwendung von thermoelektrischen Vorrichtungen ist es möglich, eines der wärmeaustauschenden Medien zu isolieren, d. H. Es als perfekte Wärmeisolierung zu verwenden.

Ein wichtiger Umstand, der auch den Bereich bestimmt, in dem thermoelektrische Kältemaschinen auch bei der Energieeffizienz mit anderen Kältemaschinentypen konkurrieren können, besteht darin, dass eine Verringerung der Kühlleistung von beispielsweise Dampfkühlern zu einer Verringerung ihres Kühlkoeffizienten führt.

Bei einem thermoelektrischen Kühler wird diese Regel nicht eingehalten und ihre Wirksamkeit ist praktisch unabhängig von der Kühlleistung. Bereits derzeit liegt die Energieeffizienz einer thermoelektrischen Maschine bei Temperaturen Tx = 0 ° C und Tk = 26 ° C und einer Leistung von mehreren zehn Watt nahe an der Effizienz einer Dampfkühlmaschine.

Weit verbreitete Akzeptanz thermoelektrische Kühlung wird von Fortschritten bei der Herstellung fortschrittlicher Halbleitermaterialien sowie von der Serienproduktion wirtschaftlich effizienter Wärmebatterien abhängen.

Referenzliste.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Thermoelektrische Schiffskühlvorrichtungen. - L .: Schiffbau, 1972. - 191 p.

2. Martynovsky V. S. Zyklen, Schaltkreise und Eigenschaften von Thermotransformatoren. - M.: Energia, 1979. - 285 p.

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