kategorier: Intressanta fakta, Intressanta elektriska nyheter
Antal visningar: 38652
Kommentarer till artikeln: 0

Termoelektrisk effekt och kylning, Peltier-effekt

 

Termoelektrisk effekt och kylningDen ekonomiska effektiviteten av att använda termoelektriska kylskåp jämfört med andra typer av kylmaskiner ökar desto mer, desto mindre blir kyld volym. Därför är det mest rationella för närvarande användningen av termoelektrisk kylning för hushållskylskåp, i livsmedelsvätskekylare, luftkonditioneringsapparater. Dessutom används termoelektrisk kylning framgångsrikt inom kemi, biologi och medicin, metrologi samt i kommersiell kylning (bibehållande av temperaturen i kylskåp) , kyltransport (kylskåp) och andra områden


Termoelektrisk effekt

Effekten av förekomst är allmänt känd inom tekniken. thermopower i lödade ledare, kontakter (korsningar) mellan vilka bibehålls vid olika temperaturer (Seebeck-effekt). I det fall då en konstant ström passeras genom en krets av två olika material, börjar en av korsningarna värmas upp, och den andra börjar svalna. Detta fenomen kallas termoelektrisk effekt eller Peltiereffekt.

Termoelementdiagram

Fig. 1. Termoelementschema

I fig. 1 visar ett diagram över ett termoelement. Två halvledare n och m bildar en krets utmed vilken likström passerar från kraftkällan C, medan temperaturen på de kalla korsningarna X blir lägre, och temperaturen på de varma korsningarna G blir högre än omgivningstemperaturen, dvs termoelementet börjar utföra en kylmaskin.

Korsningstemperaturen sjunker på grund av det faktum att, under påverkan av ett elektriskt fält, elektronerna som rör sig från en gren av termoelementet (m) till en annan (n) går in i ett nytt tillstånd med en högre energi. Elektronernas energi ökar på grund av den kinetiska energin som tas från atomerna i termoelementgrenarna på platserna för deras konjugering, varför detta korsning (X) kyls.

I övergången från en högre energinivå (gren n) till en låg energinivå (gren t) ger elektronerna en del av sin energi till atomerna i korsningen till termoelementet, som börjar värmas upp.

I vårt land i slutet av 1940-talet och början av 1950-talet Akademiker A.F. Ioffe och hans studenter utförde mycket viktig forskning relaterad till utvecklingen av teorin om termoelektrisk kylning. Baserat på dessa studier designades och testades en serie kylenheter.


Energieffektivitet för termoelektriska kylare betydligt lägre än effektiviteten hos andra typer av kylare, men enkelhet, tillförlitlighet och brist på brus gör användningen av termoelektrisk kylning mycket lovande.


Termoelektrisk kyleffektivitet


Materialval för artiklar

Termoelementets effektivitet, såväl som den maximala temperatursänkningen vid korsningarna, beror på effektiviteten (kvalitetsfaktorn) hos halvledarsubstansen z, som inkluderar den elektriska konduktiviteten σ, termoelektrisk koefficient α och värmeledningsförmågan. Dessa värden hänger samman, eftersom de beror på koncentrationen av fria elektroner eller hål. Ett sådant beroende presenteras i fig. 2.

Det framgår av figuren att den elektriska ledningsförmågan σ är proportionell mot antalet bärare n, termoEMF tenderar till noll med ökande n och ökar med minskande n. Värmeledningsförmågan k består av två delar: värmeledningsförmågan hos kristallgitteret κp, som är praktiskt taget oberoende av n, och den elektroniska värmeledningsförmågan Ke, proportionell mot n.

Effektiviteten hos metaller och metalllegeringar är låg på grund av den låga koefficienten för termoEMF och i dielektrik på grund av den mycket låga elektriska konduktiviteten.Jämfört med metaller och dielektrik är halvledarnas effektivitet mycket högre, vilket förklarar deras utbredda användning för närvarande i termoelement. Materialens effektivitet beror också på temperaturen.


Termoelementet består av två grenar: negativ (n-typ) och positiv (p-typ). Eftersom ett material med elektronpermeabilitet har en negativ emf och ett material med hålkonduktivitet har ett positivt tecken, kan en högre termokraft erhållas.

Kvalitativa beroende av termokraft, elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga av bärarkoncentrationen

Fig. 2. Kvalitativa beroende av termokraft, elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga av bärkoncentrationen

Med en ökning av termokraften ökar z.

För termoelement används för närvarande termoelektriska material med låg temperatur, vars utgångsmaterial är vismut, antimon, selen och tellur. Den maximala effektiviteten z för dessa material vid rumstemperatur är: 2,6 · 10-3 ° С-1 för n-typen, 2,6 · 10-1 ° С-1 för p-typen.

För närvarande används Bi2Te3 sällan, eftersom Bi2Te3-Be2Se3 och Bi2Te3-Sb2Te3 fasta lösningar som skapats på grundval av dessa har högre z-värden. Dessa material erhölls och studerades först i vårt land, och på grundval av detta behärskades produktion av legeringar TVEH-1 och TVEH-2 för grenar med elektronisk konduktivitet och TVDH-1 och TVDH-2 för grenar med hålkonduktivitet [1].

Bi-Se fasta lösningar används i temperaturområdet under 250 K. Maxvärdet z = 6 · 10-3 ° C-1 når T≈80 ÷ 90 K. Det är intressant att notera att denna legerings effektivitet ökar avsevärt i ett magnetfält.

Halvledargrenar tillverkas för närvarande med tre metoder: pulvermetallurgi, gjutning med riktad kristallisation och dragning från smältan. Metoden för pulvermetallurgi med kall eller varmpressning av prover är den vanligaste.

I termoelektriska kylanordningar används som regel termoelement, i vilka den negativa grenen görs genom varmpressning och den positiva grenen genom kallpressning.

Termoelementdiagram

Fig. 3. Termoelementdiagram

Termoelementens mekaniska styrka är försumbar. Så i prover av Bi2Te3-Sb2Te3-legeringen tillverkad genom varm- eller kallpressning är tryckstyrkan 44,6–49,8 MPa.

För att öka styrkan hos termoelementet placeras en dämpande blyplatta 3 mellan omkopplingsplattan 1 (fig. 3) och halvledargrenen 6; dessutom används lödsmältande ljuddämpare 2, 4 och SiSb 5. Löden visar att termoelektriska anordningar har vibrationschockmotstånd upp till 20 g, termoelektriska kylare med låg kylkapacitet upp till 250 g.


Jämförelse av termoelektriska kylanordningar med andra kylmetoder

Termoelektriska kylanordningar har flera fördelar jämfört med andra typer av kylare. För närvarande använder fartyg luftkonditionering eller ångkylare i luftkonditioneringssystem. Under den kalla säsongen värms fartygslokalerna med el-, ång- eller vattenvärmare, dvs separata värmekällor och kyla används.

Med termoelektriska apparater under den varma säsongen är det möjligt att kyla lokalerna och i kyla - att värma. Uppvärmningsläget ändras till kylläge genom att vända den elektriska strömmen.

Dessutom inkluderar fördelarna med termoelektriska anordningar: fullständig frånvaro av brus under drift, tillförlitlighet, frånvaro av ett arbetsämne och olja, mindre vikt och totala dimensioner vid samma kylkapacitet.

Jämförande data om chladonmaskiner för att tillhandahålla kamrar på fartyg visar att massan på en termoelektrisk kylmaskin med samma kylkapacitet är 1,7–1,8 gånger mindre.

Termoelektriska kylare för luftkonditioneringssystem har en volym på cirka fyra och en massa av tre gånger mindre än chladonkylare.

Lorenz cykel

Fig. 4. Lorentz-cykeln


Nackdelarna med termisk kylanordningar inkluderar deras låga lönsamhet och ökade kostnader.

Kostnadseffektiviteten för termoelektriska kylskåp jämfört med ånga är ungefär 20-50% lägre [1]. Den höga kostnaden för termokylanordningar är förknippad med höga priser för halvledarmaterial.

Men det finns områden där de nu kan konkurrera med andra typer av kylare. Till exempel började de använda termoelektriska apparater för kylning av gaser och vätskor. Exempel på anordningar i denna klass inkluderar dricksvattenkylare, luftkonditioneringsapparater, kemiska reagenskylare, etc.

För sådana kylare är modellcykeln den triangulära Lorentz-cykeln (se fig. 4). Att närma sig modellcykeln uppnås på ett enkelt sätt, eftersom detta endast kräver modifiering av omkopplingskretsarna, vilket inte orsakar strukturella svårigheter. Detta gör att du i vissa fall mer än dubbelt ökar effektiviteten för termoelektriska kylmaskiner. För att implementera denna princip i en ångkylare, måste ett komplext flerstegskomprimeringsschema tillämpas.

Användning av termoelektriska enheter som "Värmeöverföringsförstärkare". I de fall då det är nödvändigt att ta bort värme från det lilla utrymmet till miljön, och ytan för termisk kontakt är begränsad, kan termoelektriska batterier placerade på ytan avsevärt intensifiera värmeöverföringsprocessen.

Som studier [2] visar kan en relativt liten energiförbrukning öka det specifika värmeflödet avsevärt. Värmeöverföringen kan intensifieras även utan energiförbrukning. Stäng i så fall termopilen.

Närvaron av en temperaturskillnad kommer att resultera i Seebeck thermoEMF, vilket kommer att ge kraft till det termoelektriska batteriet. Med användning av termoelektriska anordningar är det möjligt att isolera ett av de värmeväxlande medierna, dvs. använda det som en perfekt värmeisolering.

En viktig omständighet, som också bestämmer området i vilket termoelektriska kylare kan konkurrera med andra typer av kylare även när det gäller energieffektivitet, är att en minskning av kylkapaciteten hos exempelvis ångkylare leder till en minskning av deras kylkoefficient.

För en termoelektrisk kylare respekteras inte denna regel och dess effektivitet är praktiskt taget oberoende av kylkapacitet. Redan för närvarande, för temperaturer Tx = 0 ° C och Tk = 26 ° C och en prestanda på flera tiotals watt, är energieffektiviteten hos en termoelektrisk maskin nära effektiviteten hos en ångkylningsmaskin.

Utbredd adoption termoelektrisk kylning kommer att bero på framsteg när det gäller att skapa avancerade halvledarmaterial, såväl som på serieproduktion av ekonomiskt effektiva termiska batterier.

Referenser.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Ship termoelektriska kylanordningar. - L .: Shipbuilding, 1972.— 191 s.

2. Martynovsky V. S. Cykler, kretsar och egenskaper hos termotransformatorer. - M .: Energy, 1979.— 285 s.

Läs också om detta ämne:Peltiereffekt: den magiska effekten av elektrisk ström

Se även på elektrohomepro.com:

  • Konvertera värme effektivt till el med hjälp av värmegeneratorer ...
  • Termoelektriska generatorer (Bernstein A. S)
  • Peltiereffekt: den magiska effekten av elektrisk ström
  • Termogeneratorer: hur man "svetsar" el på en gasspis
  • Peltier termoelektrisk modul - enhet, driftsprincip, karakteristisk ...

  •