Термоелектрични ефекат и хлађење, Пелтиер-ов ефекат

Економска ефикасност употребе термоелектричних фрижидера у поређењу с другим врстама расхладних машина то више повећава, то је мања запремина расхлађене запремине. Стога је најрационалнија у овом тренутку употреба термоелектричног хлађења за кућне фрижидере, у хладњацима за течне намирнице, клима уређајима, осим тога, термоелектрично хлађење се успешно користи у хемији, биологији и медицини, метрологији, као и у комерцијалним хладноћама (одржавање температуре у фрижидерима) , расхладни транспорт (фрижидери) и друга подручја

Термоелектрични ефекат

Ефекат појаве је широко познат у техници. тхермоЕМФ у лемљеним проводницима, чији су контакти (спојнице) одржавани на различитим температурама (Сеебецк ефекат) У случају када константна струја пролази кроз круг од два различита материјала, један од спојева почиње да се загрева, а други почиње да се хлади. Ова појава се назива термоелектрични ефекат или Пелтиер ефекат.

Сл. 1. Дијаграм термоелемента

У фиг. 1 приказује дијаграм термоелемента. Два полуводича н и м формирају круг дуж којег директна струја пролази из извора напајања Ц, док температура хладних спојева Кс постаје нижа, а температура врућих спојева Г постаје већа од температуре околине, тј. Термоелемент почиње да обавља функције расхладне машине.

Температура спојнице се смањује због чињенице да под утицајем електричног поља електрони који се крећу из једне гране термоелемента (м) у другу (н) прелазе у ново стање са већом енергијом. Енергија електрона се повећава због кинетичке енергије узете из атома грана термоелемента на местима њихове коњугације, услед чега се тај спој (Кс) хлади.

Прелазећи са вишег нивоа енергије (грана н) на нижи ниво енергије (грана т), електрони дају део своје енергије атомима спојнице термоелемента, који почиње да се загрева.

У нашој земљи крајем 40-тих и почетком 1950-их Академик А. Ф. Иоффе и његови студенти спровели су веома важна истраживања везана за развој теорије термоелектричног хлађења. На основу ових студија први пут је дизајниран и тестиран низ расхладних уређаја.

Енергетска ефикасност термоелектричних хладњака значајно ниже од ефикасности других врста хладњака, међутим, једноставност, поузданост и недостатак буке чине употребу термоелектричног хлађења веома обећавајућим.

Термоелектрична ефикасност хлађења

Избор материјала за предмете

Ефикасност термоелемента, као и максимално смањење температуре на спојницама, зависе од ефикасности (фактор квалитета) полуводичке супстанце з, која укључује електричну проводљивост σ, термоелектрични коефицијент α и топлотну проводљивост κ. Ове вредности су међусобно повезане јер зависе од концентрације слободних електрона или рупа. Таква зависност представљена је на Сл. 2

Из слике се види да је електрична проводљивост σ пропорционална броју носача н, а термоЕМФ тежи нули с повећањем н и повећава се са смањењем н. Топлотна проводљивост к састоји се од два дела: топлотне проводљивости кристалне решетке κп, која је практично независна од н, и електронске топлотне проводљивости κе, пропорционалне н.

Ефикасност метала и легура метала је ниска због ниског коефицијента термоЕМФ-а, а у диелектрицама због врло мале електричне проводљивости.У поређењу са металима и диелектрицима, ефикасност полуводича је много већа, што објашњава њихову широку употребу у термопаровима. Ефикасност материјала такође зависи од температуре.

Термоелемент се састоји од две гране: негативне (н-тип) и позитивне (п-тип). Пошто материјал са електронском пропустљивошћу има негативан емф и материјал са проводљивошћу рупа има позитиван знак, може се добити већа термоенергија.

Сл. 2. Квалитативне зависности термоелектране, електричне проводљивости и топлотне проводљивости од концентрације носача

Са порастом термоелектране з расте.

За термоелементе се тренутно користе термоелектрични материјали ниске температуре, чији су полазни материјали бизмут, антимон, селен и телур. Максимална ефикасност з за ове материјале на собној температури је: 2,6 · 10-3 ° С-1 за н-тип, 2,6 · 10-1 ° С-1 за п-тип.

Тренутно се Би2Те3 ретко користи, јер чврсти раствори Би2Те3-Бе2Се3 и Би2Те3-Сб2Те3 створени на њеној основи имају веће з вредности. Ови материјали су први пут добијени и проучавани у нашој земљи, а на основу њих савладана је производња легура ТВЕХ-1 и ТВЕХ-2 за гране са електронском проводљивошћу и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 за гране са проводном проводљивошћу [1].

Чврсти раствори Би-Се користе се у температурном опсегу испод 250 К. Максимална вредност з = 6 · 10-3 ° Ц-1 достиже се при Т≈80 ÷ 90 К. Занимљиво је напоменути да се ефикасност ове легуре значајно повећава у магнетном пољу.

Полуводичке гране тренутно се производе три методе: металургија праха, ливење са усмереном кристализацијом и извлачење из талине. Метода прашне металургије хладним или врућим пресовањем узорака је најчешћа.

У термоелектричним расхладним уређајима се по правилу користе термоелементи, у којима се негативна грана прави врућим пресовањем, а позитивна хладним пресовањем.

Сл. 3. Дијаграм термоелемента

Механичка чврстоћа термоелемера је занемарљива. Дакле, у узорцима легуре Би2Те3-Сб2Те3 произведене топлим или хладним пресовањем, чврстоћа на притисак је 44,6–49,8 МПа.

Да би се повећала чврстоћа термоелемента, између преклопне плоче 1 (Сл. 3) и полуводичког огранка 6 постављена је пригушна оловна плоча 3; поред тога, користе се лемци са ниским талиштем 2, 4 и СиСб 5. Тестови показују да термоелектрични уређаји имају отпорност на вибрације до 20 г, а термоелектрични хладњаци са малим капацитетом хлађења до 250 г.

Поређење термоелектричних расхладних уређаја са другим методама хлађења

Термоелектрични уређаји за хлађење имају неколико предности у односу на друге врсте хладњака. Тренутно бродови користе клима уређаје или парне хладњаке у системима климатизације. У хладној сезони бродски се простори греју електричним, парним или грејачима воде, тј. Користе се засебни извори топлоте и хладноће.

Коришћењем термоелектричних уређаја у топлој сезони могуће је хладити просторије, а у хладној - грејати. Режим гријања се мијења у режим хлађења преокретом електричне струје.

Поред тога, предности термоелектричних уређаја укључују: потпуно одсуство буке током рада, поузданост, одсуство радне материје и уља, мању тежину и укупне димензије при истом капацитету хлађења.

Упоредни подаци о хладонским машинама за снабдевање комора на бродовима показују да је, са истим капацитетом хлађења, маса термоелектричне расхладне машине 1,7-1,8 пута мања.

Термоелектрични хладњаци за климатизационе системе имају запремину приближно четири и масу три пута мању од расхладних расхладних уређаја.

Сл. 4. Лорентзов циклус

Недостаци уређаја за термичко хлађење укључују њихова ниска профитабилност и повећани трошкови.

Исплативост термоелектричних фрижидера у поређењу са паром је отприлике 20-50% нижа [1]. Високе цијене термо-хлађених уређаја повезане су с високим цијенама полуводичких материјала.

Међутим, постоје подручја где се сада могу такмичити са другим врстама хладњака. На пример, почели су да користе термоелектричне уређаје за хлађење гасова и течности. Примери уређаја ове класе укључују хладњаке за пиће, клима уређаје, расхладне материјале у хемијској производњи итд.

За такве хладњаке моделни циклус ће бити трокутасти Лорентз-циклус (види Слику 4). Приближавање циклусу модела постиже се на једноставан начин, јер то захтијева само измјену склопног круга, што не узрокује структурне потешкоће. То вам омогућава да значајно, у неким случајевима и више него двоструко, повећате ефикасност термоелектричних расхладних машина. Да би се овај принцип применио у парном хладњаку, требало би да се примени сложена више-степена компресијска шема.

Употреба термоелектричних уређаја као „Појачивач преноса топлоте“. У оним случајевима када је потребно уклонити топлоту из малог простора у околину, а површина топлотног контакта је ограничена, термоелектричне батерије које се налазе на површини могу значајно интензивирати процес преноса топлоте.

Као што показују студије [2], релативно мала потрошња енергије може значајно повећати специфични топлотни ток. Пренос топлоте се може појачати и без потрошње енергије. У том случају затворите термопиле.

Присуство температурне разлике ће резултирати у Сеебецк термоЕМФ, који ће обезбедити напајање термоелектричне батерије. Помоћу термоелектричних уређаја могуће је изоловати један од медија за размену топлоте, тј. Користити га као савршену топлотну изолацију.

Важна околност која такође одређује област у којој су термоелектричне хладњаке способне да се надмећу са другим врстама хладњака чак и по енергетској ефикасности, је да смањење капацитета хлађења, на пример, парних хладњака доводи до смањења њиховог коефицијента хлађења.

За термоелектричну хладњаку ово правило се не поштује и његова ефикасност је практично независно од капацитета за хлађење. Већ сада, за температуре Тк = 0 ° Ц и Тк = 26 ° Ц и перформансе од неколико десетина вата, енергетска ефикасност термоелектричне машине је близу ефикасности парне расхладне машине.

Широко усвојено термоелектрично хлађење зависиће од напретка у стварању напредних полуводичких материјала, као и од серијске производње економично топлотних батерија.

Референце

1. Тсветков Иу.Н., Аксенов С.С., Схулман В. М. Бродское термоелектрично хлађење.– Л .: Схипбуилдинг, 1972.— 191 п.

2. Мартиновски В. С. Циклуси, склопови и карактеристике термотрансформатора - М .: Енергиа, 1979. - 285 стр.

Прочитајте и на ову тему:Пелтиеров ефекат: магични ефекат електричне струје