Efect termoelectric și răcire, efect Peltier

Eficiența economică a utilizării frigiderelor termoelectrice în comparație cu alte tipuri de mașini frigorifice crește cu atât mai mult, cu cât este mai mic volumul răcit. Prin urmare, cea mai rațională în prezent este utilizarea răcirii termoelectrice pentru frigiderele de uz casnic, la răcitoarele lichide alimentare, aparate de aer condiționat, în plus, răcirea termoelectrică este folosită cu succes în chimie, biologie și medicină, metrologie, precum și în frig comercial (menținerea temperaturii la frigidere) , transport frigorific (frigidere) și alte zone

Efect termoelectric

Efectul apariției este foarte cunoscut în domeniu. thermopower în conductoarele lipite, contactele (joncțiunile) dintre acestea sunt menținute la temperaturi diferite (Efect de seebeck). În cazul în care un curent constant este trecut printr-un circuit din două materiale diferite, una dintre joncțiuni începe să se încălzească, iar cealaltă începe să se răcească. Acest fenomen se numește efect termoelectric sau Efectul Peltier.

Fig. 1. Diagrama termocupla

În fig. 1 prezintă o diagramă a unui termopar. Doi semiconductori n și m formează un circuit de-a lungul căruia trece curentul direct de la sursa de putere C, în timp ce temperatura joncțiunilor reci X devine mai scăzută, iar temperatura joncțiunilor fierbinți G devine mai mare decât temperatura ambiantă, adică termocupla începe să îndeplinească funcțiile unei mașini frigorifice.

Temperatura joncțiunii scade datorită faptului că, sub influența unui câmp electric, electronii care se deplasează dintr-o ramură a termocuplei (m) în alta (n) intră într-o stare nouă cu o energie mai mare. Energia electronilor crește datorită energiei cinetice preluate de la atomii ramurilor de termoelement în locurile conjugării lor, ca urmare a faptului că această joncțiune (X) este răcită.

În tranziția de la un nivel de energie mai mare (ramura n) la un nivel de energie scăzut (ramură t), electronii dau o parte din energia lor atomilor de joncțiune a termocuplei, care începe să se încălzească.

În țara noastră la sfârșitul anilor 1940 și începutul anilor ’50 Academicianul A.F.Ioffe iar studenții săi au efectuat cercetări foarte importante legate de dezvoltarea teoriei răcirii termoelectrice. Pe baza acestor studii, o serie de dispozitive de răcire a fost proiectată și testată pentru prima dată.

Eficiența energetică a răcitoarelor termoelectrice semnificativ mai mic decât eficacitatea altor tipuri de răcitoare, totuși, simplitatea, fiabilitatea și lipsa de zgomot fac ca utilizarea răcirii termoelectrice să fie foarte promițătoare.

Eficiență de răcire termoelectrică

Selectarea materialelor pentru articole

Eficiența termocuplei, precum și scăderea maximă a temperaturii la joncțiuni depind de eficiența (factorul de calitate) al substanței semiconductor z, care include conductivitatea electrică σ, coeficientul termoelectric α și conductivitatea termică κ. Aceste valori sunt legate între ele, deoarece depind de concentrația electronilor liberi sau a găurilor. O astfel de dependență este prezentată în Fig. 2.

Se poate observa din figura că conductivitatea electrică σ este proporțională cu numărul de purtători n, termoEMF tinde spre zero odată cu creșterea n și crește cu scăderea n. Conductivitatea termică k este formată din două părți: conductivitatea termică a zăbrelei de cristal κp, care este practic independentă de n, și conductivitatea termică electronică ,e, proporțională cu n.

Eficiența metalelor și aliajelor metalice este scăzută datorită coeficientului scăzut de termoEMF, iar în dielectrică datorită conductivității electrice foarte scăzute.Comparativ cu metalele și dielectricele, eficiența semiconductorilor este mult mai mare, ceea ce explică utilizarea lor pe scară largă în prezent în termoelemente. Eficiența materialelor depinde și de temperatură.

Termocupla este formată din două ramuri: negativă (tip n) și pozitivă (tip p). Deoarece un material cu permeabilitate de electroni are un emf negativ și un material cu conductivitate a găurilor are un semn pozitiv, se poate obține o termopentru mai mare.

Fig. 2. Dependențe calitative ale energiei termice, conductivității electrice și conductivității termice de concentrația transportorului

Odată cu creșterea energiei termice, z crește.

Pentru termoelemente, sunt utilizate în prezent materiale termoelectrice la temperaturi scăzute, ale căror materii prime sunt bismut, antimoniu, seleniu și telur. Eficiența maximă z pentru aceste materiale la temperatura camerei este: 2,6 · 10-3 ° С-1 pentru tipul n, 2,6 · 10-1 ° С-1 pentru tipul p.

În prezent, Bi2Te3 este rar utilizat, deoarece soluțiile solide Bi2Te3-Be2Se3 și Bi2Te3-Sb2Te3 create pe baza lui au valori z mai mari. Aceste materiale au fost obținute și studiate pentru prima dată în țara noastră, iar pe baza producției de aliaje TVEH-1 și TVEH-2 pentru filiale cu conductivitate electronică și TVDH-1 și TVDH-2 pentru ramuri cu conductivitate a găurilor a fost stăpânit [1].

Soluțiile solide Bi-Se sunt utilizate în intervalul de temperatură sub 250 K. Valoarea maximă z = 6 · 10-3 ° C-1 atinge T≈80 ÷ 90 K. Este interesant de menționat că eficiența acestui aliaj crește semnificativ într-un câmp magnetic.

Ramurile semiconductoare sunt fabricate în prezent prin trei metode: metalurgia pulberilor, turnarea cu cristalizare direcționată și extragerea din topitură. Metoda de metalurgie a pulberilor cu presare la rece sau la cald a probelor este cea mai frecventă.

În dispozitivele de răcire termoelectrice, de regulă, se folosesc termoelemente, în care ramura negativă se face prin presare la cald și ramura pozitivă prin presare la rece.

Fig. 3. Diagrama termocupla

Rezistența mecanică a termocuplurilor este neglijabilă. Deci, în probele din aliajul Bi2Te3-Sb2Te3 fabricat prin presare la cald sau la rece, rezistența la compresie este de 44,6-49,8 MPa.

Pentru a crește rezistența termocuplei, o placă de plumb de amortizare 3 este plasată între placa de comutare 1 (Fig. 3) și ramura semiconductor 6; în plus, se folosesc lipitori de topire joasă 2, 4 și SiSb 5. Testele arată că dispozitivele termoelectrice au rezistență la șocuri la vibrații până la 20g, răcitoare termoelectrice cu capacitate de răcire scăzută până la 250g.

Comparația dispozitivelor de răcire termoelectrice cu alte metode de răcire

Dispozitivele de răcire termoelectrice au mai multe avantaje față de alte tipuri de răcitoare. În prezent, navele folosesc aer condiționat sau răcitoare cu abur în sistemele de climatizare. În sezonul rece, spațiile navei sunt încălzite cu încălzitoare electrice, cu aburi sau cu apă, adică sunt folosite surse separate de căldură și frig.

Folosind dispozitive termoelectrice în sezonul cald, este posibil să răciți spațiile, iar la rece - să se încălzească. Modul de încălzire este schimbat în modul de răcire prin inversarea curentului electric.

În plus, avantajele dispozitivelor termoelectrice includ: absența completă a zgomotului în timpul funcționării, fiabilitatea, absența unei substanțe de lucru și ulei, greutate mai mică și dimensiuni generale la aceeași capacitate de răcire.

Datele comparative ale mașinilor chladone pentru aprovizionarea camerelor pe nave arată că, cu aceeași capacitate de răcire, masa unei mașini frigorifice termoelectrice este de 1,7-1,8 ori mai mică.

Răcitoarele termoelectrice pentru sistemele de climatizare au un volum de aproximativ patru și o masă de trei ori mai mică decât răcitoarele chladone.

Fig. 4. Ciclul Lorentz

Dezavantajele dispozitivelor de răcire termică includ rentabilitatea lor redusă și costul crescut.

Rentabilitatea frigiderelor termoelectrice în comparație cu aburul este cu aproximativ 20-50% mai mică [1]. Costul ridicat al dispozitivelor de răcire termică este asociat cu prețuri ridicate pentru materialele cu semiconductor.

Cu toate acestea, există zone în care acum sunt capabili să concureze cu alte tipuri de răcitoare. De exemplu, au început să folosească dispozitive termoelectrice pentru răcirea gazelor și lichidelor. Exemple de dispozitive din această clasă includ răcitoarele de apă potabilă, aparate de aer condiționat, răcitoare de reactivi chimici etc.

Pentru astfel de răcitoare, ciclul model va fi ciclul Lorentz triunghiular (a se vedea Fig. 4). Abordarea ciclului modelului se realizează într-un mod simplu, deoarece aceasta necesită doar modificarea circuitelor de comutare, ceea ce nu provoacă dificultăți structurale. Acest lucru vă permite să creșteți semnificativ, în unele cazuri, mai mult decât dublul, eficiența mașinilor frigorifice termoelectrice. Pentru a pune în aplicare acest principiu într-un răcitor cu abur, ar trebui aplicată o schemă de compresie complexă în mai multe etape.

Utilizarea dispozitivelor termoelectrice ca „Îmbunătățitor de transfer de căldură”. În acele cazuri în care este necesară îndepărtarea căldurii din spațiul mic în mediul înconjurător, iar suprafața contactului termic este limitată, bateriile termoelectrice situate pe suprafață pot intensifica semnificativ procesul de transfer de căldură.

După cum arată studiile [2], un consum de energie relativ mic poate crește semnificativ fluxul de căldură specific. Transferul de căldură poate fi intensificat chiar și fără consumul de energie. În acest caz, închideți termopilul.

Prezența unei diferențe de temperatură va avea ca rezultat Termoemul Seebeck, care va furniza energie bateriei termoelectrice. Folosind dispozitive termoelectrice, este posibil să se izoleze unul dintre mediile de schimb de căldură, adică să fie utilizat ca o izolație termică perfectă.

O circumstanță importantă, care determină, de asemenea, zona în care răcitoarele termoelectrice sunt capabile să concureze cu alte tipuri de răcitoare chiar și în ceea ce privește eficiența energetică, este că o scădere a capacității de răcire a, de exemplu, răcitoarelor cu abur duce la scăderea coeficientului lor de refrigerare.

Pentru un răcitor termoelectric, această regulă nu este respectată, iar eficiența sa este practic independentă de capacitatea de răcire. Deja în prezent, pentru temperaturi Tx = 0 ° C și Tk = 26 ° C și performanțe de câteva zeci de wați, eficiența energetică a unei mașini termoelectrice este aproape de eficiența unei mașini de răcire cu aburi.

Adopție pe scară largă răcire termoelectrică va depinde de progresul în crearea de materiale semiconductoare avansate, precum și de producerea în serie a bateriilor termice eficiente din punct de vedere economic.

Referințe.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Nave dispozitive de răcire termoelectrică - L .: Construcții navale, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Cicluri, circuite și caracteristici ale transformatoarelor termice - M.: Energy, 1979.— 285 p.

Citiți și pe acest subiect:Efectul Peltier: efectul magic al curentului electric