Termoelektrinen vaikutus ja jäähdytys, Peltier-vaikutus

Termoelektristen jääkaappien käytön taloudellinen tehokkuus verrattuna muun tyyppisiin jäähdytyslaitteisiin kasvaa sitä enemmän, mitä pienempi on jäähdytetyn tilavuuden tilavuus. Siksi kaikkein järkevin tällä hetkellä on termoelektrisen jäähdytyksen käyttö kotitalouksien jääkaappeissa, ruokanestejäähdyttimissä, ilmastointilaitteissa. Lisäksi termosähköistä jäähdytystä käytetään menestyksekkäästi kemian, biologian ja lääketieteen, metrologian sekä kaupallisissa kylmissä (jääkaapien lämpötilan ylläpitäminen). , kylmäkuljetus (jääkaapit) ja muut alueet

Termoelektrinen vaikutus

Esiintymisen vaikutus tunnetaan laajalti alalla. thermopower juotetuissa johtimissa, joiden väliset kontaktit (liitokset) pidetään eri lämpötiloissa (Seebeck-vaikutus). Tapauksessa, kun vakiovirta johdetaan kahden erilaisen materiaalin piirin läpi, toinen liitännöistä alkaa kuumentua ja toinen alkaa jäähtyä. Tätä ilmiötä kutsutaan termoelektrinen vaikutus tai Peltier-vaikutus.

Kuva 1. Lämpöparikaavio

Kuvassa 1 Kuvio 1 esittää lämpöparin kaaviota. Kaksi puolijohdetta n ja m muodostavat piirin, jota pitkin tasavirta kulkee virtalähteestä C, kun taas kylmien liitosten X lämpötila laskee ja kuumien liitosten G lämpötila nousee ympäristön lämpötilasta, ts. Lämpöpari alkaa suorittaa jäähdytyskoneen toimintoja.

Liitoslämpötila laskee johtuen siitä, että sähkökentän vaikutuksesta termoelementin yhdestä haarasta (m) toiseen (n) siirtyvät elektronit siirtyvät uuteen tilaan, jonka energia on suurempi. Elektronien energia kasvaa kineettisen energian vuoksi, joka otetaan lämpöelementtien haarojen atomeista niiden konjugoitumispaikoissa, minkä seurauksena tämä liitos (X) jäähdytetään.

Siirtyessä korkeammalta energiatasolta (haara n) matalalle energiatasolle (haara t), elektronit antavat osan energiastaan ​​lämpöparin risteyksen atomille, joka alkaa kuumentua.

Maassamme 1940-luvun lopulla ja 1950-luvun alkupuolella Akateemikko A. F. Ioffe ja hänen opiskelijansa suorittivat erittäin tärkeän tutkimuksen, joka liittyi termoelektrisen jäähdytyksen teorian kehittämiseen. Näiden tutkimusten perusteella suunniteltiin ja testattiin ensin sarja jäähdytyslaitteita.

Termoelektristen jäähdyttimien energiatehokkuus huomattavasti alhaisempi kuin muun tyyppisten jäähdyttimien tehokkuus, mutta yksinkertaisuus, luotettavuus ja melun puute tekevät termoelektrisen jäähdytyksen käytöstä erittäin lupaavan.

Termoelektrisen jäähdytystehokkuus

Tuotteiden materiaalivalinta

Termoelementin hyötysuhde sekä lämpötilan suurin lasku risteyksissä riippuvat puolijohdeaineen z hyötysuhteesta (laatutekijä), joka sisältää sähkönjohtavuuden σ, lämpöelektrisen kerroimen α ja lämmönjohtavuuden κ. Nämä arvot ovat toisiinsa yhteydessä, koska ne riippuvat vapaiden elektronien tai reikien pitoisuuksista. Tällainen riippuvuus on esitetty kuviossa 3. 2.

Kuviosta voidaan nähdä, että sähkönjohtavuus σ on verrannollinen kantajien lukumäärään n, termoEMF taipuu nollaan kasvaessa n ja kasvaa pieneneessä n. Lämmönjohtavuus k koostuu kahdesta osasta: kidehilan κp lämmönjohtavuus, joka on käytännössä riippumaton n: stä, ja elektronisen lämmönjohtavuuden κe, suhteessa n: ään.

Metallien ja metalliseosten hyötysuhde on heikko johtuen alhaisesta termoEMF-kertoimesta, ja dielektrisissä erittäin alhaisen sähkönjohtavuuden vuoksi.Puolijohteiden hyötysuhde on paljon korkeampi kuin metalleissa ja eristeissä, mikä selittää niiden nykyisen laajan käytön lämpöparissa. Materiaalien tehokkuus riippuu myös lämpötilasta.

Lämpöpari koostuu kahdesta haarasta: negatiivinen (n-tyyppi) ja positiivinen (p-tyyppi). Koska materiaalilla, jolla on elektronien läpäisevyys, on negatiivinen emf ja materiaalilla, jolla on reikien johtavuus, on positiivinen merkki, voidaan saada suurempi lämpövoima.

Kuva 2. Lämpövoiman, sähkönjohtavuuden ja lämmönjohtavuuden kvalitatiiviset riippuvuudet kantajan pitoisuuksista

Lämpövoiman kasvaessa z kasvaa.

Termoelementeissä käytetään tällä hetkellä matalalämpöisiä termoelektrisiä materiaaleja, joiden lähtöaineina ovat vismutti, antimoni, seleeni ja telluuri. Näiden materiaalien suurin hyötysuhde z huoneenlämpötilassa on: 2,6 · 10–3 ° С-1 n-tyypille, 2,6 · 10–1 ° С – 1 p-tyypille.

Tällä hetkellä Bi2Te3: ta käytetään harvoin, koska sen pohjalta luotuilla Bi2Te3-Be2Se3- ja Bi2Te3-Sb2Te3-kiinteillä ratkaisuilla on korkeammat z-arvot. Nämä materiaalit hankittiin ja tutkittiin ensin maassamme, ja niiden perusteella valmistettiin seosten TVEH-1 ja TVEH-2 tuotanto haaroille, joiden sähköjohtavuus oli ja TVDH-1 ja TVDH-2 haaroille, joiden reikäjohtavuus oli [1].

Bi-Se-kiinteitä liuoksia käytetään lämpötila-alueella alle 250 K. Suurin arvo z = 6 · 10-3 ° C-1 saavuttaa lämpötilassa T≈80 ÷ 90 K. On mielenkiintoista huomata, että tämän seoksen hyötysuhde kasvaa merkittävästi magneettikentässä.

Puolijohdehaaroja valmistetaan tällä hetkellä kolmella menetelmällä: jauhemetallurgia, valu suunnatulla kiteyttämisellä ja veto sulasta. Jauhemetallurgiamenetelmä näytteiden kylmä- tai kuumapuristamisella on yleisin.

Termoelektrisissä jäähdytyslaitteissa käytetään yleensä termoelementtejä, joissa negatiivinen haara tehdään kuumapuristamalla ja positiivinen haara kylmäpuristamalla.

Kuva 3. Lämpöparikaavio

Termoparien mekaaninen lujuus on vähäinen. Joten kuumalla tai kylmällä puristamisella valmistetun Bi2Te3-Sb2Te3-seoksen näytteissä puristuslujuus on 44,6–49,8 MPa.

Termoelementin lujuuden lisäämiseksi kytkentälevyn 1 (kuva 3) ja puolijohdehaaran 6 väliin asetetaan vaimentava johdinlevy 3; lisäksi käytetään matalassa lämpötilassa sulavia juoteita 2, 4 ja SiSb 5. Juustotesti osoittaa, että termoelektristen laitteiden värähtelykestävyys on jopa 20 g, termoelektristen jäähdyttimien, joiden jäähdytysteho on alhainen, jopa 250 g.

Termoelektristen jäähdytyslaitteiden vertailu muihin jäähdytysmenetelmiin

Termoelektrisillä jäähdytyslaitteilla on useita etuja muun tyyppisiin jäähdyttimiin nähden. Nykyään laivat käyttävät ilmastointilaitteita tai höyryjäähdyttimiä. Kylmällä kaudella laivatiloja lämmitetään sähkö-, höyry- tai vedenlämmittimillä, ts. Käytetään erillisiä lämmön ja kylmän lähteitä.

Lämpiminä vuodenaikoina termosähköisiä laitteita käyttämällä on mahdollista jäähdyttää tiloja ja kylmässä - lämmittää. Lämmitystila vaihdetaan jäähdytystilaan kääntämällä sähkövirta.

Termoelektristen laitteiden etuihin kuuluvat lisäksi: melun täydellinen puuttuminen käytön aikana, luotettavuus, työaineen ja öljyn puuttuminen, pienempi paino ja kokonaismitat samalla jäähdytysteholla.

Vertailutiedot alusten kammioiden varustamisessa käytettävistä chladone-koneista osoittavat, että samalla jäähdytysteholla termoelektrisen jäähdytyskoneen massa on 1,7–1,8 kertaa pienempi.

Ilmastointilaitteiden termosähköisten jäähdyttimien tilavuus on noin neljä ja massa kolme kertaa pienempi kuin klladonijäähdyttimien.

Kuva 4. Lorentzin sykli

Lämpöjäähdytyslaitteiden haittapuolia ovat mm heidän heikko kannattavuus ja kohonneet kustannukset.

Termoelektristen jääkaappien kustannustehokkuus höyryyn verrattuna on noin 20-50% alhaisempi [1]. Lämpöjäähdytyslaitteiden korkeat kustannukset liittyvät puolijohdemateriaalien korkeisiin hintoihin.

On kuitenkin alueita, joilla he voivat nyt kilpailla muun tyyppisten jäähdyttimien kanssa. Esimerkiksi he alkoivat käyttää termosähköisiä laitteita kaasujen ja nesteiden jäähdyttämiseen. Esimerkkejä tämän luokan laitteista ovat juomaveden jäähdyttimet, ilmastointilaitteet, reagenssijäähdyttimet kemiantuotannossa jne.

Tällaisille jäähdyttimille mallisykli on kolmionmuotoinen Lorentz-sykli (katso kuva 4). Mallisyklin lähestyminen saavutetaan yksinkertaisella tavalla, koska tämä edellyttää vain kytkentäpiirin muuttamista, mikä ei aiheuta rakenteellisia vaikeuksia. Tämän ansiosta voit merkittävästi, joissain tapauksissa yli kaksinkertaistaa, lisätä termoelektristen jäähdytyskoneiden tehokkuutta. Tämän periaatteen toteuttamiseksi höyrynjäähdyttimessä olisi sovellettava monimutkaista monivaiheista puristusmenetelmää.

Termoelektristen laitteiden käyttö ”Lämmönsiirron tehostaja”. Niissä tapauksissa, joissa on välttämätöntä poistaa lämpöä pienestä tilasta ympäristöön ja lämpökontaktion pinta on rajoitettu, pinnalla olevat termoelektriset akut voivat merkittävästi tehostaa lämmönsiirtoprosessia.

Kuten tutkimukset [2] osoittavat, suhteellisen pieni energiankulutus voi merkittävästi lisätä ominaista lämpövirtausta. Lämmönsiirtoa voidaan tehostaa jopa ilman energiankulutusta. Sulje tällöin lämpöpatja.

Lämpötilaeron esiintyminen johtaa Seebeck-termoEMF, joka antaa virran termosähköiselle akulle. Lämpösähköisiä laitteita käyttämällä on mahdollista eristää yksi lämmönvaihtovälineistä, ts. Käyttää sitä täydellisenä lämmöneristyksenä.

Tärkeä olosuhde, joka määrittelee myös alueen, jolla termoelektriset jäähdyttimet pystyvät kilpailemaan muun tyyppisten jäähdyttimien kanssa jopa energiatehokkuudessa, on se, että esimerkiksi höyryjäähdyttimien jäähdytyskapasiteetin lasku johtaa niiden jäähdytyskertoimen laskuun.

Termoelektrisessa jäähdyttimessä tätä sääntöä ei noudateta, ja sen tehokkuus on käytännössä riippumaton jäähdytyskapasiteetista. Jo tällä hetkellä lämpötiloissa Tx = 0 ° C ja Tk = 26 ° C ja useiden kymmenien wattien suorituskyvyllä termoelektrisen koneen energiatehokkuus on lähellä höyryjäähdytyskoneen hyötysuhdetta.

Laaja leviäminen termoelektrinen jäähdytys riippuu edistyksestä edistyneiden puolijohdemateriaalien luomisessa sekä taloudellisesti tehokkaiden lämpöakkujen sarjatuotannosta.

Viittauksia.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Laivojen termosähköiset jäähdytyslaitteet - L .: Shipbuilding, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Lämpömuuntajien syklit, piirit ja ominaisuudet - M .: Energia, 1979.— 285 s.

Lue myös tästä aiheesta:Peltier-vaikutus: sähkövirran maaginen vaikutus