Termoelektrisk effekt og kjøling, Peltier-effekt

Den økonomiske effektiviteten ved bruk av termoelektriske kjøleskap sammenlignet med andre typer kjølemaskiner øker jo mer, desto mindre blir volumet til det avkjølte volumet. Derfor er det mest rasjonelle for øyeblikket bruken av termoelektrisk kjøling for kjøleskap til husholdningen, i væskekjøler til mat, klimaanlegg, i tillegg brukes termoelektrisk kjøling med hell i kjemi, biologi og medisin, metrologi, så vel som i kommersiell forkjølelse (opprettholdelse av temperaturen i kjøleskap) , kjøletransport (kjøleskap) og andre områder

Termoelektrisk effekt

Effekten av forekomst er viden kjent innen teknikken. thermopower i loddede ledere, som kontakter (veikryss) mellom holdes ved forskjellige temperaturer (Seebeck-effekt). I tilfelle når en konstant strøm føres gjennom en krets av to forskjellige materialer, begynner en av kryssene å varme opp, og den andre begynner å kjøle seg ned. Dette fenomenet kalles termoelektrisk effekt eller Peltier-effekt.

Fig. 1. Termoelementskjema

I fig. 1 viser et diagram av et termoelement. To halvledere n og m danner en krets som likestrøm går fra strømkilden C, mens temperaturen på de kalde kryssene X blir lavere, og temperaturen på de varme kryssene G blir høyere enn omgivelsestemperaturen, dvs. termoelementet begynner å utføre funksjonene til en kjølemaskin.

Forbindelsestemperaturen synker på grunn av det faktum at under påvirkning av et elektrisk felt går elektronene som beveger seg fra en gren av termoelementet (m) til en annen (n) i en ny tilstand med høyere energi. Elektronenes energi øker på grunn av den kinetiske energien som er hentet fra atomene i termoelementgrenene på stedene for deres konjugering, som et resultat av dette krysset (X) blir avkjølt.

I overgangen fra et høyere energinivå (gren n) til et lavt energinivå (gren t), gir elektronene deler av energien sin til atomene i krysset til termoelementet, som begynner å varme opp.

I vårt land på slutten av 1940-tallet og begynnelsen av 1950-tallet Akademiker A.F. Ioffe og studentene hans gjennomførte veldig viktig forskning relatert til utviklingen av teorien om termoelektrisk kjøling. Basert på disse studiene ble en serie kjøleenheter først designet og testet.

Energieffektivitet av termoelektriske kjølere betydelig lavere enn effektiviteten til andre typer kjølere, men enkelheten, påliteligheten og mangelen på støy gjør bruken av termoelektrisk kjøling veldig lovende.

Termoelektrisk kjøleeffektivitet

Materialvalg for varer

Effektiviteten til termoelementet, så vel som den maksimale reduksjonen i temperaturen i kryssene, avhenger av effektiviteten (kvalitetsfaktoren) til halvlederstoffet z, som inkluderer den elektriske ledningsevnen σ, termoelektrisk koeffisient α og termisk ledningsevne κ. Disse verdiene henger sammen, siden de avhenger av konsentrasjonen av frie elektroner eller hull. En slik avhengighet er presentert i fig. 2.

Det fremgår av figuren at den elektriske ledningsevnen σ er proporsjonal med antall bærere n, termokraften har en tendens til null med økende n og øker med synkende n. Den termiske konduktiviteten k består av to deler: den termiske konduktiviteten til krystallgitteret κp, som er praktisk uavhengig av n, og den elektroniske varmeledningsevnen κe, proporsjonal med n.

Effektiviteten til metaller og metalllegeringer er lav på grunn av den lave koeffisienten for termoEMF, og i dielektrikk på grunn av den svært lave elektriske ledningsevnen.Sammenlignet med metaller og dielektrika, er effektiviteten til halvledere mye høyere, noe som forklarer deres utbredte bruk for tiden i termoelementer. Effekten av materialer avhenger også av temperaturen.

Termoelementet består av to grener: negativ (n-type) og positiv (p-type). Siden et materiale med elektronpermeabilitet har en negativ emf og et materiale med hullkonduktivitet har et positivt tegn, kan en høyere termokraft oppnås.

Fig. 2. Kvalitative avhengigheter av termokraft, elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne av bærerkonsentrasjon

Med økning i termokraft øker z.

For termoelementer brukes for tiden termoelektriske materialer, hvis utgangsmaterialer er vismut, antimon, selen og tellur. Maks effektivitet z for disse materialene ved romtemperatur er: 2,6 · 10-3 ° С-1 for n-typen, 2,6 · 10-1 ° С-1 for p-typen.

For tiden brukes Bi2Te3 sjelden, siden Bi2Te3-Be2Se3 og Bi2Te3-Sb2Te3 solide løsninger skapt på basis av dette har høyere z-verdier. Disse materialene ble først skaffet og studert i vårt land, og på basis av dette ble produksjonen av legeringer TVEH-1 og TVEH-2 for grener med elektronisk ledningsevne og TVDH-1 og TVDH-2 for grener med hullkonduktivitet behersket [1].

Bi-Se solide løsninger brukes i temperaturområdet under 250 K. Maksimumsverdien z = 6 · 10-3 ° C-1 når T≈80 ÷ 90 K. Det er interessant å merke seg at effektiviteten til denne legeringen øker betydelig i et magnetfelt.

Halvledergrener er i dag produsert ved tre metoder: pulvermetallurgi, støping med rett krystallisering og tegning fra smelten. Metoden for pulvermetallurgi med kald eller varmpressing av prøver er den vanligste.

I termoelektriske kjøleanordninger brukes som regel termoelementer, der den negative grenen er laget av varmpressing og den positive grenen ved kaldpressing.

Fig. 3. Termoelementskjema

Den mekaniske styrken til termoelementer er ubetydelig. Så for prøver av Bi2Te3-Sb2Te3-legeringen produsert ved varm- eller kaldpressing, er trykkfastheten 44,6–49,8 MPa.

For å øke styrken til termoelementet plasseres en dempende blyplate 3 mellom bryterplaten 1 (fig. 3) og halvledergrenen 6; I tillegg brukes loddet lavtsmeltende selgere 2, 4 og SiSb 5. Tester viser at termoelektriske enheter har vibrasjonssjokkmotstand opp til 20 g, termoelektriske kjølere med lav kjølekapasitet opp til 250 g.

Sammenligning av termoelektriske kjøleenheter med andre kjølemetoder

Termoelektriske kjøleenheter har flere fordeler i forhold til andre typer kjølere. For tiden bruker skip luftkondisjonering eller dampkjølere i klimaanlegg. I den kalde årstiden blir skipslokaler oppvarmet med elektriske, damp- eller vannvarmere, dvs. separate kilder til varme og kulde brukes.

Ved bruk av termoelektriske enheter i den varme årstiden er det mulig å avkjøle lokalene, og i kulden - å varme. Oppvarmingsmodus endres til kjølemodus ved å reversere den elektriske strømmen.

I tillegg inkluderer fordelene med termoelektriske enheter: fullstendig fravær av støy under drift, pålitelighet, fravær av et arbeidsstoff og olje, mindre vekt og generelle dimensjoner ved samme kjølekapasitet.

Sammenlignende data på chladon-maskiner for tildeling av kamre på skip viser at massen til en termoelektrisk kjølemaskin med samme kjølekapasitet er 1,7–1,8 ganger mindre.

Termoelektriske kjølere for klimaanlegg har et volum på omtrent fire og en masse på tre ganger mindre enn chladon-kjølere.

Fig. 4. Lorentz-syklusen

Ulempene med termisk kjøleenheter inkluderer deres lave lønnsomhet og økte kostnader.

Kostnadseffektiviteten til termoelektriske kjøleskap sammenlignet med damp er omtrent 20-50% lavere [1]. De høye kostnadene ved termokjøling er forbundet med høye priser på halvledermaterialer.

Imidlertid er det områder der de nå er i stand til å konkurrere med andre typer kjølere. For eksempel begynte de å bruke termoelektriske enheter for kjøling av gasser og væsker. Eksempler på apparater i denne klassen inkluderer drikkevannskjøler, klimaanlegg, reagenskjølere i kjemisk produksjon, etc.

For slike kjølere vil modellsyklusen være den trekantede Lorentz-syklusen (se fig. 4). Å nærme seg modellsyklusen oppnås på en enkel måte, siden dette bare krever endring av svitsjekretsløpet, noe som ikke forårsaker strukturelle vansker. Dette lar deg øke, i noen tilfeller mer enn det dobbelte, effektiviteten til termoelektriske kjølemaskiner. For å implementere dette prinsippet i en dampkjølere, må et komplekst flerstegskompresjonsskjema brukes.

Bruken av termoelektriske enheter som “Heat transfer enhancer”. I de tilfellene hvor det er nødvendig å fjerne varme fra det lille rommet til miljøet, og overflaten av termisk kontakt er begrenset, kan termoelektriske batterier plassert på overflaten betydelig intensivere varmeoverføringsprosessen.

Som studier [2] viser, kan et relativt lite energiforbruk øke den spesifikke varmefluxen betydelig. Varmeoverføring kan intensiveres selv uten energiforbruk. I dette tilfellet, lukk termopilen.

Tilstedeværelsen av en temperaturforskjell vil resultere i Seebeck thermoEMF, som vil gi strøm til det termoelektriske batteriet. Ved bruk av termoelektriske innretninger er det mulig å isolere et av varmevekslingsmediene, dvs. bruke det som en perfekt varmeisolasjon.

En viktig omstendighet, som også bestemmer området der termoelektriske kjølere er i stand til å konkurrere med andre typer kjølere, selv med hensyn til energieffektivitet, er at en reduksjon i kjølekapasiteten til for eksempel dampkjølere fører til en reduksjon i deres kjølekoeffisient.

For en termoelektrisk kjøleapparat blir ikke denne regelen overholdt, og dens effektivitet er praktisk talt uavhengig av kjølekapasitet. Allerede for tiden, for temperaturer Tx = 0 ° C og Tk = 26 ° C og en ytelse på flere titalls watt, er energieffektiviteten til en termoelektrisk maskin nær effektiviteten til en dampkjølemaskin.

Utbredt adopsjon termoelektrisk kjøling vil avhenge av fremgang med å lage avanserte halvledermaterialer, så vel som av serieproduksjon av økonomisk effektive termiske batterier.

Referanser.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Ship termoelektriske kjøleanordninger. - L .: Shipbuilding, 1972.— 191 s.

2. Martynovsky V. S. Sykler, kretsløp og kjennetegn ved termotransformatorer. - M .: Energia, 1979.— 285 s.

Les også om dette emnet:Peltier-effekt: den magiske effekten av elektrisk strøm