Θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα και ψύξη, αποτέλεσμα Peltier

Η οικονομική απόδοση της χρήσης θερμοηλεκτρικών ψυγείων σε σύγκριση με άλλους τύπους ψυκτικών μηχανών αυξάνεται περισσότερο, τόσο μικρότερη είναι η ποσότητα του ψυχρού όγκου. Ως εκ τούτου, η πλέον ορθολογική σήμερα είναι η χρήση θερμοηλεκτρικής ψύξης για οικιακά ψυγεία, σε ψύκτες υγρών τροφίμων, κλιματιστικά, και η θερμοηλεκτρική ψύξη χρησιμοποιείται με επιτυχία στη χημεία, τη βιολογία και την ιατρική, στη μετρολογία, καθώς και στο κρύο του εμπορίου (διατηρώντας τη θερμοκρασία στα ψυγεία) , ψυκτικές μεταφορές (ψυγεία) και άλλες περιοχές

Θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα

Η επίδραση του thermoEMF σε συγκολλημένους αγωγούς, οι επαφές (κόμβοι) μεταξύ των οποίων διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες (Effect Seebeck) Στην περίπτωση που ένα σταθερό ρεύμα διέρχεται μέσω ενός κυκλώματος δύο διαφορετικών υλικών, ένας από τους κόμβους αρχίζει να θερμαίνεται και ο άλλος αρχίζει να κρυώνει. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα ή Εφέ του Peltier.

Το Σχ. 1. Διάγραμμα θερμοστοιχείου

Στο σχ. 1 δείχνει ένα διάγραμμα ενός θερμοστοιχείου. Δύο ημιαγωγούς n και m σχηματίζουν ένα κύκλωμα κατά μήκος του οποίου ο συνεχούς ρεύματος περνά από την πηγή ισχύος C, ενώ η θερμοκρασία των ψυχρών συνδέσμων Χ γίνεται χαμηλότερη και η θερμοκρασία των ζεστών συνδέσεων G γίνεται υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή ο θερμοστοιχείο αρχίζει να εκτελεί τις λειτουργίες μιας ψυκτικής μηχανής.

Η θερμοκρασία της διασταύρωσης μειώνεται λόγω του γεγονότος ότι, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια που κινούνται από ένα κλάδο του θερμοστοιχείου (m) σε ένα άλλο (n) εισέρχονται σε μια νέα κατάσταση με υψηλότερη ενέργεια. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων αυξάνεται λόγω της κινητικής ενέργειας που λαμβάνεται από τα άτομα των διακλαδώσεων των θερμοστοιχείων στα σημεία της σύζευξης τους, ως αποτέλεσμα της οποίας ψύχεται αυτή η ένωση (Χ).

Κατά τη μετάβαση από ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας (κλάδος n) σε ένα χαμηλό επίπεδο ενέργειας (κλάδος t), τα ηλεκτρόνια δίνουν μέρος της ενέργειας τους στα άτομα της διασταύρωσης του θερμοστοιχείου, που αρχίζει να θερμαίνεται.

Στη χώρα μας στα τέλη της δεκαετίας του 1940 και στις αρχές της δεκαετίας του 1950 Ακαδημαϊκός Α.Ρ. Ioffe και οι φοιτητές του διενήργησαν πολύ σημαντική έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη της θεωρίας της θερμοηλεκτρικής ψύξης. Με βάση αυτές τις μελέτες, μια σειρά συσκευών ψύξης σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε για πρώτη φορά.

Ενεργειακή απόδοση των θερμοηλεκτρικών ψυκτικών συγκροτημάτων σημαντικά χαμηλότερη από την αποτελεσματικότητα άλλων τύπων ψυκτικών συγκροτημάτων, ωστόσο, η απλότητα, η αξιοπιστία και η έλλειψη θορύβου καθιστούν την χρήση θερμοηλεκτρικής ψύξης πολύ ελπιδοφόρα.

Θερμοηλεκτρική απόδοση ψύξης

Επιλογή υλικού για αντικείμενα

Η αποτελεσματικότητα του θερμοζεύγους, καθώς και η μέγιστη μείωση της θερμοκρασίας στους κόμβους, εξαρτώνται από την αποδοτικότητα (συντελεστής ποιότητας) της ημιαγώγιμης ουσίας z, η οποία περιλαμβάνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα σ, θερμοηλεκτρικό συντελεστή α και θερμική αγωγιμότητα κ. Αυτές οι τιμές αλληλοσυνδέονται, αφού εξαρτώνται από τη συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων ή οπών. Μια τέτοια εξάρτηση παρουσιάζεται στο Σχ. 2.

Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα σ είναι ανάλογη προς τον αριθμό των φορέων η, το θερμικό EMF τείνει στο μηδέν με την αύξηση του n και αυξάνει με τη μείωση του n. Η θερμική αγωγιμότητα k αποτελείται από δύο μέρη: τη θερμική αγωγιμότητα του κρυσταλλικού πλέγματος κp, η οποία είναι πρακτικά ανεξάρτητη από το n, και η ηλεκτρονική θερμική αγωγιμότητα κe, αναλογική προς n.

Η αποτελεσματικότητα των μετάλλων και των μεταλλικών κραμάτων είναι χαμηλή λόγω του χαμηλού συντελεστή του θερμικού EMF και των διηλεκτρικών λόγω της πολύ χαμηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας.Σε σύγκριση με τα μέταλλα και τα διηλεκτρικά, η αποτελεσματικότητα των ημιαγωγών είναι πολύ υψηλότερη, γεγονός που εξηγεί τη διαδεδομένη χρήση τους σε θερμοστοιχεία. Η αποτελεσματικότητα των υλικών εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία.

Το θερμοστοιχείο αποτελείται από δύο κλάδους: αρνητικό (n-τύπου) και θετικό (τύπου p). Δεδομένου ότι ένα υλικό με διαπερατότητα ηλεκτρονίων έχει αρνητικό emf και ένα υλικό με αγωγιμότητα οπών έχει θετικό πρόσημο, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη θερμοδυναμική ισχύς.

Το Σχ. 2. Ποιοτικές εξαρτήσεις της θερμοηλεκτρικής ισχύος, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της θερμικής αγωγιμότητας στη συγκέντρωση του φορέα

Με αύξηση της θερμικής ισχύος, το z αυξάνεται.

Για τα θερμικά στοιχεία χρησιμοποιούνται σήμερα θερμοηλεκτρικά υλικά χαμηλής θερμοκρασίας, τα αρχικά υλικά των οποίων είναι το βισμούθιο, το αντιμόνιο, το σελήνιο και το τελλούριο. Η μέγιστη απόδοση z για αυτά τα υλικά σε θερμοκρασία δωματίου είναι: 2,6 · 10-3 ° C-1 για τον τύπο n, 2,6 · 10-1 ° C-1 για τον τύπο p.

Προς το παρόν, το Bi2Te3 χρησιμοποιείται σπάνια, δεδομένου ότι τα στερεά διαλύματα Bi2Te3-Be2Se3 και Bi2Te3-Sb2Te3 που δημιουργούνται στη βάση του έχουν υψηλότερες τιμές z. Αυτά τα υλικά ελήφθησαν αρχικά και μελετήθηκαν στη χώρα μας και στη βάση τους κατακτήθηκε η παραγωγή κραμάτων TVEH-1 και TVEH-2 για κλάδους με ηλεκτρονική αγωγιμότητα και TVDH-1 και TVDH-2 για κλάδους με αγωγιμότητα οπών [1].

Χρησιμοποιούνται στερεά διαλύματα Bi-Se στην περιοχή θερμοκρασιών κάτω από 250 K. Η μέγιστη τιμή z = 6 · 10-3 ° C-1 φτάνει σε T≈80 ÷ 90 K. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η αποτελεσματικότητα αυτού του κράματος αυξάνεται σημαντικά σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Οι κλάδοι ημιαγωγών κατασκευάζονται επί του παρόντος με τρεις μεθόδους: μεταλλουργία σε σκόνη, χύτευση με κατευθυνόμενη κρυστάλλωση και έλξη από το τήγμα. Η μέθοδος της μεταλλουργίας σε σκόνη με ψυχρή ή θερμή συμπίεση δειγμάτων είναι η πιο κοινή.

Σε συσκευές θερμοηλεκτρικής ψύξης χρησιμοποιούνται κατά κανόνα θερμικά στοιχεία, στα οποία ο αρνητικός κλάδος κατασκευάζεται με θερμή πίεση και θετική διακλάδωση με ψυχρή πίεση.

Το Σχ. 3. Διάγραμμα θερμοστοιχείου

Η μηχανική αντοχή των θερμοστοιχείων είναι αμελητέα. Έτσι, στα δείγματα του κράματος Bi2Te3-Sb2Te3 που κατασκευάζεται με θερμή ή ψυχρή συμπίεση, η αντοχή σε θλίψη είναι 44,6-49,8 MPa.

Για να αυξηθεί η αντοχή του θερμοζεύγους, τοποθετείται μία πλάκα μολύβδου απόσβεσης 3 μεταξύ της πλάκας μεταγωγής 1 (σχήμα 3) και του κλάδου ημιαγωγού 6, Επιπλέον, χρησιμοποιούνται συγκολλητικά συγκόλλησης χαμηλής τήξης 2, 4 και SiSb 5. Οι δοκιμές δείχνουν ότι οι θερμοηλεκτρικές συσκευές έχουν αντοχή σε κραδασμούς έως 20g, θερμοηλεκτρικούς ψύκτες χαμηλής ψυκτικής ικανότητας μέχρι 250g.

Σύγκριση συσκευών θερμοηλεκτρικής ψύξης με άλλες μεθόδους ψύξης

Οι θερμοηλεκτρικές συσκευές ψύξης έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων τύπων ψυκτών. Επί του παρόντος, τα πλοία χρησιμοποιούν κλιματιστικά ή ψυκτικούς θαλάμους ατμού στα συστήματα κλιματισμού. Κατά την κρύα εποχή, οι εγκαταστάσεις του πλοίου θερμαίνονται με ηλεκτρικούς, ατμού ή θερμοσίφωνες, δηλ. Χρησιμοποιούνται ξεχωριστές πηγές θερμότητας και κρύου.

Χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικές συσκευές στη ζεστή εποχή, είναι δυνατόν να ψύξετε τις εγκαταστάσεις, και στο κρύο - για να θερμάνετε. Η λειτουργία θέρμανσης αλλάζει στη λειτουργία ψύξης αντιστρέφοντας το ηλεκτρικό ρεύμα.

Επιπλέον, τα πλεονεκτήματα των θερμοηλεκτρικών συσκευών περιλαμβάνουν: την πλήρη απουσία θορύβου κατά τη λειτουργία, την αξιοπιστία, την απουσία μιας εργασίας ουσίας και ελαίου, μικρότερου βάρους και συνολικών διαστάσεων στην ίδια ψυκτική ικανότητα.

Τα συγκριτικά στοιχεία για τις μηχανές ψυχώρων για την παροχή θαλάμων σε πλοία δείχνουν ότι, με την ίδια ψυκτική ικανότητα, η μάζα μιας θερμοηλεκτρικής ψυκτικής μηχανής είναι 1,7-1,8 φορές μικρότερη.

Οι θερμοηλεκτρικοί ψύκτες για συστήματα κλιματισμού έχουν όγκο περίπου τεσσάρων και μάζα τρεις φορές μικρότερο από τους ψύκτες ψύξης.

Το Σχ. 4. Ο κύκλος Lorentz

Τα μειονεκτήματα των συσκευών θερμικής ψύξης περιλαμβάνουν τη χαμηλή κερδοφορία και το αυξημένο κόστος.

Η σχέση κόστους / αποτελεσματικότητας των θερμοηλεκτρικών ψυγείων σε σχέση με τον ατμό είναι κατά 20-50% χαμηλότερη [1]. Το υψηλό κόστος των συσκευών θερμικής ψύξης συνδέεται με υψηλές τιμές για υλικά ημιαγωγών.

Ωστόσο, υπάρχουν περιοχές όπου είναι πλέον σε θέση να ανταγωνίζονται με άλλους τύπους ψυκτικών συγκροτημάτων. Για παράδειγμα, άρχισαν να χρησιμοποιούν θερμοηλεκτρικές συσκευές για την ψύξη αερίων και υγρών. Παραδείγματα συσκευών αυτής της κατηγορίας περιλαμβάνουν ψύκτες πόσιμου νερού, κλιματιστικά, ψύκτες αντιδραστηρίων στη χημική παραγωγή κλπ.

Για τέτοιους ψυκτήρες, ο κύκλος μοντέλου θα είναι ο τριγωνικός κύκλος Lorentz (βλέπε σχήμα 4). Η προσέγγιση του κύκλου του μοντέλου επιτυγχάνεται με έναν απλό τρόπο, αφού αυτό απαιτεί μόνο τροποποίηση του κυκλώματος μεταγωγής, το οποίο δεν προκαλεί δομικές δυσκολίες. Αυτό σας επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά, σε ορισμένες περιπτώσεις περισσότερο από το διπλάσιο, την αποδοτικότητα των θερμοηλεκτρικών μηχανημάτων ψύξης. Για την εφαρμογή αυτής της αρχής σε ένα ψυκτικό συγκρότημα ατμού, θα πρέπει να εφαρμοστεί ένα περίπλοκο σύστημα συμπίεσης πολλαπλών σταδίων.

Η χρήση θερμοηλεκτρικών συσκευών ως "Ενισχυτής μεταφοράς θερμότητας". Σε αυτές τις περιπτώσεις, όταν είναι απαραίτητο να αφαιρεθεί θερμότητα από τον μικρό χώρο στο περιβάλλον και η επιφάνεια της θερμικής επαφής είναι περιορισμένη, οι θερμοηλεκτρικές μπαταρίες που βρίσκονται στην επιφάνεια μπορούν να εντείνουν σημαντικά τη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας.

Όπως δείχνουν οι μελέτες [2], μια σχετικά μικρή κατανάλωση ενέργειας μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη συγκεκριμένη ροή θερμότητας. Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να ενταθεί ακόμη και χωρίς κατανάλωση ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, κλείστε το θερμοπύλη.

Η διαφορά θερμοκρασίας θα έχει ως αποτέλεσμα Seebeck thermoEMF, η οποία θα παρέχει ισχύ στη θερμοηλεκτρική μπαταρία. Χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικές συσκευές, είναι δυνατόν να απομονωθεί ένα από τα μέσα εναλλαγής θερμότητας, δηλ. Να χρησιμοποιηθεί ως μια τέλεια θερμομόνωση.

Μια σημαντική περίσταση, η οποία επίσης καθορίζει την περιοχή στην οποία οι θερμοηλεκτρικοί ψυκτικοί θάλαμοι είναι σε θέση να ανταγωνίζονται με άλλους τύπους ψυκτικών συγκροτημάτων ακόμη και στην ενεργειακή απόδοση, είναι ότι η μείωση της ψυκτικής ικανότητας, για παράδειγμα, των ψυκτών ατμού οδηγεί σε μείωση του συντελεστή ψύξης τους.

Για έναν θερμοηλεκτρικό ψύκτη, αυτός ο κανόνας δεν τηρείται και η αποτελεσματικότητά του είναι πρακτικά ανεξάρτητη από την ικανότητα ψύξης. Ήδη, για θερμοκρασίες Tx = 0 ° C και Tk = 26 ° C και για επιδόσεις αρκετών δεκάδων watt, η ενεργειακή απόδοση μιας θερμοηλεκτρικής μηχανής είναι κοντά στην απόδοση μιας μηχανής ψύξης ατμού.

Γενικευμένη υιοθεσία θερμοηλεκτρική ψύξη θα εξαρτηθεί από την πρόοδο στη δημιουργία προηγμένων υλικών ημιαγωγών, καθώς και από τη σειριακή παραγωγή οικονομικά αποδοτικών θερμικών συσσωρευτών.

Αναφορές

1. Tsvetkov Yu, Ν., Aksenov S. S., Shulman V. Μ. Συσκευές θερμοηλεκτρικής ψύξης πλοίων - L.: Shipbuilding, 1972.- 191 p.

2. Martynovsky V. S. Κύκλοι, κυκλώματα και χαρακτηριστικά θερμομετασχηματιστών - M .: Energia, 1979.- 285 p.

Διαβάστε επίσης σε αυτό το θέμα:Εφέ του Peltier: το μαγικό αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος