Termoelektrični učinak i hlađenje, Peltier-ov efekt

Ekonomska učinkovitost upotrebe termoelektričnih hladnjaka u usporedbi s drugim vrstama rashladnih uređaja više se povećava, to je manji volumen hlađenog volumena. Stoga je u ovom trenutku najracionalnija primjena termoelektričnog hlađenja za kućanske hladnjake, u rashladnim uređajima za tekuće namirnice, klima uređajima, osim toga, termoelektrično hlađenje uspješno se koristi u kemiji, biologiji i medicini, mjeriteljstvu, kao i u komercijalnim hladnoćama (održavanje temperature u hladnjacima) , rashladni transport (hladnjaci) i druga područja

Termoelektrični učinak

Učinak pojave dobro je poznat u stanju tehnike. termostruju u lemljenim vodičima, čiji su kontakti (spojnice) održavani na različitim temperaturama (Seebeckov efekt). U slučaju kada konstantna struja prolazi kroz krug od dva različita materijala, jedan od spojeva počinje zagrijavati, a drugi se počinje hladiti. Ta pojava se naziva termoelektrični učinak ili Peltierov efekt.

Sl. 1. Dijagram termoelementa

U fig. 1 prikazuje dijagram termoelementa. Dva poluvodiča n i m tvore krug duž kojeg iz struje C prolazi direktna struja, dok temperatura hladnih spojeva X postaje niža, a temperatura vrućih spojeva G postaje viša od temperature okoline, tj. Termoelement počinje obavljati funkcije rashladnog stroja.

Temperatura spajanja smanjuje se zbog činjenice da pod utjecajem električnog polja elektroni koji se kreću iz jedne grane termoelementa (m) u drugu (n) prelaze u novo stanje s većom energijom. Energija elektrona se povećava zbog kinetičke energije uzete iz atoma grana termoelementa na mjestima njihove konjugacije, uslijed čega se taj spoj (X) hladi.

Pri prelasku s više energetske razine (grana n) na nisku energetsku razinu (grana t), elektroni daju dio svoje energije atomima spoja termoelementa koji se počinje zagrijavati.

U našoj zemlji krajem 40-ih i početkom 1950-ih Akademik A. F. Ioffe i njegovi studenti proveli su vrlo važna istraživanja vezana za razvoj teorije termoelektričnog hlađenja. Na temelju tih studija prvi je model rashladnih uređaja dizajniran i testiran.

Energetska učinkovitost termoelektričnih hladnjaka znatno je niža od učinkovitosti drugih vrsta hladnjaka, međutim jednostavnost, pouzdanost i nedostatak buke čine upotrebu termoelektričnog hlađenja vrlo obećavajućim.

Učinkovitost termoelektričnog hlađenja

Izbor materijala za predmete

Učinkovitost termoelementa, kao i maksimalno smanjenje temperature na spojnicama, ovise o učinkovitosti (faktoru kvalitete) poluvodičke tvari z, koja uključuje električnu vodljivost σ, termoelektrični koeficijent α i toplinsku vodljivost κ. Te su vrijednosti međusobno povezane jer ovise o koncentraciji slobodnih elektrona ili rupa. Takva je ovisnost prikazana na Sl. 2.

Iz slike se vidi da je električna vodljivost σ proporcionalna broju nosača n, a termoEMF teži nuli s povećanjem n i povećava se s padom n. Toplinska vodljivost k sastoji se od dva dijela: toplinske vodljivosti kristalne rešetke κp, koja je praktički neovisna od n, i elektroničke toplinske vodljivosti κe, proporcionalne n.

Učinkovitost metala i legura metala je niska zbog niskog koeficijenta termoEMF-a, a u dielektricama zbog vrlo male električne vodljivosti.U usporedbi s metalima i dielektricima, učinkovitost poluvodiča je mnogo veća, što objašnjava njihovu raširenu upotrebu u termoparovima. Učinkovitost materijala također ovisi o temperaturi.

Termoelement se sastoji od dvije grane: negativne (n-tip) i pozitivne (p-tip), Budući da materijal s propusnošću elektrona ima negativan emf, a materijal s vodljivošću rupa pozitivan predznak, može se dobiti veća termoelektrana.

Sl. 2. Kvalitativne ovisnosti termoelektrane, električne vodljivosti i toplinske vodljivosti o koncentraciji nosača

S porastom termoelektrane z raste.

Za termoelemente se trenutno koriste niskotemperaturni termoelektrični materijali, čiji su polazni materijali bizmut, antimon, selen i telur. Maksimalna učinkovitost z za ove materijale na sobnoj temperaturi je: 2,6 · 10-3 ° S-1 za n-tip, 2,6 · 10-1 ° S-1 za p-tip.

Trenutno se Bi2Te3 rijetko koristi, budući da čvrste otopine Bi2Te3-Be2Se3 i Bi2Te3-Sb2Te3 stvorene na njenoj osnovi imaju veće z vrijednosti. Ti su materijali prvi put dobiveni i proučavani u našoj zemlji, a na njihovoj osnovi savladana je proizvodnja legura TVEH-1 i TVEH-2 za grane s elektroničkom vodljivošću i TVDH-1 i TVDH-2 za grane s vodljivošću rupa [1].

Krute otopine Bi-Se koriste se u temperaturnom rasponu ispod 250 K. Maksimalna vrijednost z = 6 · 10-3 ° C-1 dostiže se pri T≈80 ÷ 90 K. Zanimljivo je napomenuti da se učinkovitost ove legure značajno povećava u magnetskom polju.

Poluvodičke grane trenutno se proizvode tri metode: metalurgija praha, lijevanje s usmjerenom kristalizacijom i izvlačenje iz taline. Metoda prašne metalurgije hladnim ili vrućim prešanjem uzoraka najčešća je.

Termoelektrični uređaji za hlađenje u pravilu koriste termoelemente u kojima se negativna grana izrađuje vrućim pritiskom, a pozitivna hladnim prešanjem.

Sl. 3. Dijagram termoelementa

Mehanička čvrstoća termoelemera zanemariva je. Dakle, za uzorke legure Bi2Te3-Sb2Te3 proizvedene vrućim ili hladnim prešanjem, tlačna čvrstoća je 44,6–49,8 MPa.

Da bi se povećala čvrstoća termoelementa, između preklopne ploče 1 (Sl. 3) i poluvodičke grane 6 postavljena je prigušna olovna ploča 3; osim toga koriste se lemilice s niskim talištem 2, 4 i SiSb 5. Ispitivanja pokazuju da termoelektrični uređaji imaju otpornost na vibracije do 20 g, termoelektrični hladnjaci s malim kapacitetom hlađenja do 250 g.

Usporedba termoelektričnih rashladnih uređaja s drugim načinima hlađenja

Termoelektrični uređaji za hlađenje imaju nekoliko prednosti u odnosu na druge vrste hladnjaka. Trenutno brodovi koriste klimatizacijske ili parne hladnjake u klimatizacijskim sustavima. U hladnoj sezoni brodski se prostori zagrijavaju električnim, parnim ili vodenim grijačima, tj. Koriste se zasebni izvori topline i hladnoće.

Pomoću termoelektričnih uređaja u toploj sezoni moguće je rashladiti prostorije, a na hladnom - grijati. Način grijanja mijenja se u način hlađenja preokretanjem električne struje.

Uz to, prednosti termoelektričnih uređaja uključuju: potpunu odsutnost buke tijekom rada, pouzdanost, odsutnost radne tvari i ulja, manju težinu i ukupne dimenzije pri istom kapacitetu hlađenja.

Usporedni podaci o chladon strojevima za opskrbu komora na brodovima pokazuju da je, s istim kapacitetom hlađenja, masa termoelektričnih rashladnih uređaja 1,7-1,8 puta manja.

Termoelektrični hladnjaci za klimatizacijske sustave imaju obujam otprilike četiri i masu tri puta manju od rashladnih rashladnih uređaja.

Sl. 4. Lorentzov ciklus

Nedostaci uređaja za termičko hlađenje uključuju njihova niska profitabilnost i povećani troškovi.

Isplativost termoelektričnih hladnjaka u usporedbi s parom otprilike je 20-50% niža [1]. Visoki troškovi uređaja za termičko hlađenje povezani su s visokim cijenama poluvodičkih materijala.

Međutim, postoje područja na kojima se oni sada mogu natjecati s drugim vrstama hladnjaka. Na primjer, počeli su koristiti termoelektrične uređaje za hlađenje plinova i tekućina. Primjeri uređaja ove klase uključuju hladnjake za pitku vodu, klima uređaje, hladnjake reagensa u kemijskoj proizvodnji, itd.

Za takve hladnjake modelni ciklus će biti trokutasti Lorentzov ciklus (vidi Sliku 4). Približavanje ciklusu modela postiže se na jednostavan način, jer to zahtijeva samo izmjenu sklopnog kruga, što ne uzrokuje strukturne poteškoće. To vam omogućuje značajno, u nekim slučajevima i više nego dvostruko, povećanje učinkovitosti termoelektričnih rashladnih strojeva. Da bi se ovo načelo primijenilo u parnoj hladnjaci, trebalo bi se primijeniti složeni višestupanjski sustav kompresije.

Korištenje termoelektričnih uređaja kao „Pojačivač prijenosa topline“, U onim slučajevima kada je potrebno ukloniti toplinu iz malog prostora u okoliš, a površina toplinskog kontakta je ograničena, termoelektrične baterije smještene na površini mogu značajno intenzivirati proces prijenosa topline.

Kao što pokazuju studije [2], relativno mala potrošnja energije može značajno povećati specifični toplinski tok. Prijenos topline se može pojačati i bez potrošnje energije. U tom slučaju zatvorite termopile.

Prisutnost temperaturne razlike rezultirat će u Seebeck termoEMF, koji će osigurati napajanje termoelektričnom baterijom. Pomoću termoelektričnih uređaja moguće je izolirati jedan od medija za izmjenu topline, tj. Koristiti ga kao savršenu toplinsku izolaciju.

Važna okolnost koja također određuje područje u kojem se termoelektrični hladnjaci mogu natjecati s drugim vrstama hladnjaka čak i po energetskoj učinkovitosti, jest da smanjenje rashladnog kapaciteta, na primjer, parnih hladnjaka, dovodi do smanjenja njihovog koeficijenta hlađenja.

Za termoelektričnu hladnjak ovo se pravilo ne poštuje, a njegova učinkovitost je praktički neovisna o kapacitetu hlađenja. Već sada, za temperature Tx = 0 ° C i Tk = 26 ° C i performanse od nekoliko desetaka vata, energetska učinkovitost termoelektričnog stroja blizu je učinkovitosti parnog rashladnog stroja.

Široko usvojeno termoelektrično hlađenje ovisit će o napretku u stvaranju naprednih poluvodičkih materijala, kao i o serijskoj proizvodnji ekonomično toplotnih baterija.

Reference.

1. Tsvetkov Yu.N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Brodski termoelektrični rashladni uređaji.- L .: Brodogradnja, 1972.— 191 str.

2. Martynovsky V. S. Ciklusi, sklopovi i karakteristike termotransformatora - M .: Energia, 1979. - 285 str.

Pročitajte i na ovu temu:Peltierov učinak: magični učinak električne struje