Kesan dan penyejukan termoelektrik, kesan Peltier

Kecekapan ekonomi menggunakan peti sejuk termoelektrik berbanding dengan jenis mesin penyejukan yang lain semakin meningkat, semakin kecil jumlah volume yang disejukkan. Oleh itu, yang paling rasional pada masa kini ialah penggunaan penyejuk termoelektrik untuk peti sejuk isi rumah, dalam penyejuk cecair makanan, penghawa dingin, dan tambahan, penyejukan termoelektrik berjaya digunakan dalam bidang kimia, biologi dan ubat, metrologi, serta sejuk komersial (mengekalkan suhu dalam peti sejuk) , pengangkutan penyejukan (peti sejuk), dan kawasan lain

Kesan termoelektrik

Kesan berlakunya diketahui secara meluas dalam seni. thermoEMF dalam konduktor soldered, kenalan (persimpangan) antara yang dikekalkan pada suhu yang berbeza (Kesan Seebeck) Dalam kes apabila arus berterusan dilalui melalui litar dua bahan berbeza, salah satu persimpangan mula panas, dan yang lain mula menjadi sejuk. Fenomena ini dipanggil kesan termoelektrik atau Kesan peltier.

Rajah. Rajah gambarajah Thermocouple

Dalam rajah. 1 menunjukkan gambarajah termokopel. Dua semikonduktor n dan m membentuk sebuah litar sepanjang laluan arus terus dari sumber kuasa C, manakala suhu persimpangan sejuk X menjadi lebih rendah, dan suhu persimpangan panas G menjadi lebih tinggi daripada suhu ambien, iaitu termokopel mula berfungsi fungsi mesin penyejuk.

Suhu persimpangan berkurangan disebabkan oleh fakta bahawa, di bawah pengaruh medan elektrik, elektron bergerak dari satu cabang termokopel (m) ke yang lain (n) masuk ke keadaan baru dengan tenaga yang lebih tinggi. Tenaga elektron meningkat disebabkan oleh tenaga kinetik yang diambil dari atom-atom cawangan thermoelement di tempat konjugasi mereka, hasilnya persimpangan (X) ini disejukkan.

Dalam peralihan dari tahap tenaga yang lebih tinggi (cawangan n) ke tahap tenaga yang rendah (cawangan t), elektron memberikan sebahagian tenaga mereka kepada atom persimpangan termokopel, yang mula panas.

Di negara kita pada akhir 1940-an dan awal 1950-an Ahli akademik A.F. Ioffe dan pelajarnya melakukan penyelidikan yang sangat penting berkaitan dengan perkembangan teori penyejukan termoelektrik. Berdasarkan kajian-kajian ini, satu siri peranti pendinginan pertama kali direka dan diuji.

Kecekapan Tenaga Pemanas Thermoelektrik jauh lebih rendah daripada keberkesanan jenis penyejuk lain, bagaimanapun, kesederhanaan, kebolehpercayaan dan kekurangan bunyi membuat penggunaan penyejukan termoelektrik yang sangat menjanjikan.

Kecekapan penyejukan termoelektrik

Pemilihan bahan untuk item

Kecekapan termokopel, serta penurunan maksimum suhu di simpang, bergantung kepada kecekapan (faktor kualiti) z bahan semikonduktor z, yang merangkumi kekonduksian elektrik σ, pekali termoelektrik α dan kekonduksian terma κ. Nilai-nilai ini saling berkaitan, kerana ia bergantung kepada kepekatan elektron atau lubang bebas. Ketergantungan sedemikian ditunjukkan dalam Rajah. 2.

Ia dapat dilihat dari angka bahawa kekonduksian elektrik σ adalah berkadar dengan bilangan pembawa n, termoEMF cenderung kepada sifar dengan peningkatan n dan bertambah dengan penurunan n. Kekonduksian terma k terdiri daripada dua bahagian: kekonduksian terma kekisi kekisi kristal, yang secara amnya bebas daripada n, dan kekonduksian terma elektronik, berkadar dengan n.

Keberkesanan logam dan aloi logam adalah rendah disebabkan oleh pekali termoEMF yang rendah, dan dielektrik kerana kekonduksian elektrik yang sangat rendah.Berbanding dengan logam dan dielektrik, kecekapan semikonduktor jauh lebih tinggi, yang menerangkan penggunaannya yang meluas pada masa ini dalam thermoelements. Keberkesanan bahan juga bergantung kepada suhu.

Termokopel terdiri daripada dua cabang: negatif (n-jenis) dan positif (p-jenis). Oleh kerana bahan dengan kebolehtelapan elektron mempunyai emf negatif dan bahan dengan kekonduksian lubang mempunyai tanda positif, termopower yang lebih tinggi dapat diperolehi.

Rajah. 2. Ketergantungan kualitatif termopower, kekonduksian elektrik dan kekonduksian terma pada kepekatan pembawa

Dengan peningkatan termopower, z meningkat.

Untuk thermoelements, bahan termoelektrik suhu rendah kini digunakan, bahan permulaan yang bismut, antimoni, selenium dan tellurium. Kecekapan maksimum z untuk bahan-bahan ini pada suhu bilik adalah: 2.6 · 10-3 ° C-1 untuk jenis n, 2.6 · 10-1 ° C-1 untuk jenis p.

Pada masa ini, Bi2Te3 jarang digunakan, memandangkan penyelesaian pepejal Bi2Te3-Be2Se3 dan Bi2Te3-Sb2Te3 yang dihasilkan atas dasarnya mempunyai nilai z lebih tinggi. Bahan-bahan ini mula-mula diperoleh dan dipelajari di negara kita, dan pada asasnya pengeluaran aloi TVEH-1 dan TVEH-2 untuk cawangan dengan kekonduksian elektronik dan TVDH-1 dan TVDH-2 untuk cawangan dengan kekonduksian lubang telah dikuasai [1].

Penyelesaian pepejal Bi-Se digunakan dalam julat suhu di bawah 250 K. Nilai maksimum z = 6 · 10-3 ° C-1 mencapai pada T≈80 ÷ 90 K. Sangat menarik untuk diperhatikan bahawa kecekapan aloi ini meningkat dengan ketara dalam medan magnet.

Cawangan semikonduktor kini dihasilkan oleh tiga kaedah: metalurgi serbuk, casting dengan penghabluran yang diarahkan dan lukisan dari cair. Kaedah metallurgi serbuk dengan menekan sampel yang sejuk atau panas adalah yang paling biasa.

Dalam peranti penyejukan termoelektrik, sebagai peraturan, termoelemen digunakan, di mana cawangan negatif dibuat dengan menekan panas dan cawangan positif dengan menekan sejuk.

Rajah. 3. gambarajah Thermocouple

Kekuatan mekanikal termokopel dapat diabaikan. Oleh itu, dalam sampel aloi Bi2Te3-Sb2Te3 dihasilkan oleh tekanan panas atau sejuk, kekuatan mampatan ialah 44.6-49.8 MPa.

Untuk meningkatkan kekuatan termokopel, plat plumbum redaman 3 diletakkan di antara plat penukaran 1 (Rajah 3) dan cabang semikonduktor 6; Di samping itu, solder-solder lebur rendah 2, 4 dan solder SiSb 5 digunakan. Ujian menunjukkan bahawa peranti thermoelectric mempunyai rintangan kejutan getaran sehingga 20g, penyejuk termoelektrik dengan kapasiti penyejukan rendah sehingga 250g.

Perbandingan peranti pendinginan thermoelektrik dengan kaedah penyejukan lain

Peranti penyejukan termoelektrik mempunyai beberapa kelebihan berbanding jenis penyejuk lain. Pada masa ini, kapal menggunakan penghawa dingin atau penyejuk stim dalam sistem penghawa dingin. Pada musim sejuk, premis kapal dipanaskan dengan pemanas elektrik, stim atau air, iaitu, sumber panas dan sejuk berasingan digunakan.

Menggunakan peranti termoelektrik pada musim panas, ia mungkin menyejukkan premis, dan dalam keadaan sejuk - panas. Mod pemanasan ditukar kepada mod penyejukan dengan membalikkan arus elektrik.

Di samping itu, kelebihan peranti termoelektrik termasuk: tiada bunyi hingar semasa operasi, kebolehpercayaan, ketiadaan bahan kerja dan minyak, berat badan yang lebih kecil dan dimensi keseluruhan pada kapasiti penyejukan yang sama.

Data perbandingan pada mesin chladon untuk peruntukan ruang pada kapal menunjukkan bahawa, dengan kapasiti penyejukan yang sama, jisim mesin penyejukan thermoelectric adalah 1.7-1.8 kali kurang.

Penyejuk termoelektrik untuk sistem penyaman udara mempunyai jumlah kira-kira empat dan jisim sebanyak tiga kali kurang daripada penyejuk chladone.

Rajah. 4. Kitaran Lorentz

Kelemahan peranti penyejukan haba termasuk keuntungan yang rendah dan peningkatan kos.

Keberkesanan kos peti sejuk termoelektrik berbanding dengan stim adalah lebih kurang 20-50% lebih rendah [1]. Kos tinggi peranti penyejukan termo dikaitkan dengan harga tinggi untuk bahan semikonduktor.

Walau bagaimanapun, terdapat kawasan di mana mereka kini dapat bersaing dengan jenis penyejuk lain. Sebagai contoh, mereka mula menggunakan peranti thermoelectric untuk menyejukkan gas dan cecair. Contoh-contoh peranti kelas ini termasuk penyejuk air minum, penghawa dingin, penyejuk reagen dalam pengeluaran kimia, dan sebagainya.

Bagi penyejuk tersebut, kitaran model akan menjadi kitaran Lorentz segitiga (lihat Rajah 4). Mendekati kitaran model dicapai dengan cara yang mudah, kerana ini hanya memerlukan mengubahsuai litar pensuisan, yang tidak menyebabkan kesukaran struktur. Ini membolehkan anda dengan ketara, dalam beberapa kes lebih daripada dua kali ganda, meningkatkan kecekapan mesin penyejukan thermoelectric. Untuk melaksanakan prinsip ini dalam penyejuk stim, skema mampatan pelbagai peringkat kompleks perlu digunakan.

Penggunaan peranti termoelektrik sebagai "Penukar pemindahan haba". Dalam kes-kes di mana perlu untuk mengeluarkan haba dari ruang kecil ke alam sekitar, dan permukaan sentuhan haba adalah terhad, bateri termoelektrik yang terletak di permukaan dapat mempergiatkan proses pemindahan haba.

Sebagai kajian [2] menunjukkan, penggunaan tenaga yang agak kecil dapat meningkatkan fluks haba tertentu. Pemindahan haba boleh dipergiatkan walaupun tanpa penggunaan tenaga. Dalam kes ini, tutupkan termopil tersebut.

Kehadiran perbezaan suhu akan mengakibatkan Seebeck thermoEMF, yang akan memberi kuasa kepada bateri termoelektrik. Menggunakan peranti termoelektrik, adalah mungkin untuk mengasingkan salah satu media pertukaran haba, iaitu, menggunakannya sebagai penebat terma yang sempurna.

Satu keadaan yang penting, yang juga menentukan kawasan di mana penyejuk termoelektrik dapat bersaing dengan jenis penyejuk lain walaupun dalam kecekapan tenaga, ialah penurunan dalam kapasiti penyejukan, sebagai contoh, penyejuk stim membawa kepada pengurangan pekali penyejukan mereka.

Untuk penyejuk termoelektrik, peraturan ini tidak dihormati, dan keberkesanannya adalah praktikal tanpa kapasiti penyejukan. Walaupun sekarang, untuk suhu Tx = 0 ° C dan Tk = 26 ° C dan prestasi beberapa puluhan watt, kecekapan tenaga mesin thermoelektrik adalah dekat dengan kecekapan mesin penyejuk stim.

Penggunaan meluas penyejukan termoelektrik akan bergantung kepada kemajuan dalam mewujudkan bahan semikonduktor canggih, serta pengeluaran batch termal yang cekap dari segi ekonomi.

Rujukan

1. Tsvetkov Yu N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Kapal penyejuk termoelektrik Kapal - L .: Pembinaan kapal, 1972.- 191 p.

2. Martynovsky V. S. Kitaran, litar, dan ciri-ciri transformer termal - M .: Tenaga, 1979.- 285 p.

Baca juga mengenai topik ini:Kesan Peltier: kesan sihir arus elektrik