Опубликовано

Причины возникновения термоэдс

Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект Пельтье

Экономическая эффективность применения термоэлектрических холодильников по сравнению с другими типами холодильных машин возрастает тем больше, чем меньше величина охлаждаемого объема. Поэтому наиболее рационально в настоящее время использование термоэлектрического охлаждения для холодильников бытового назначения, в охладителях пищевых жидкостей, кондиционерах воздуха, кроме того, термоэлектрическое охлаждение успешно используется в химии, биологии и медицине, метрологии, а также в торговом холоде (поддержание температуры в холодильных камерах), холодильном транспорте (рефрижераторы), и др. областях

Термоэлектрический эффект

В технике широко известен эффект возникновения термоЭДС в спаянных проводниках, контакты (места спаев) между которыми поддерживаются при различных температурах (эффект Зеебека). В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта или эффекта Пельтье.

Рис. 1. Схема термоэлемента

На рис. 1 показана схема термоэлемента. Два полупроводника n и m составляют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С, при этом температура холодных спаев X становится ниже, а температура горячих спаев Г становится выше температуры окружающей среды, т. е. термоэлемент начинает выполнять функции холодильной машины.

Температура спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (m) в другую (n), переходят в новое состояние с более высокой энергией. Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай (X) охлаждается.

При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь п) на низкий энергетический уровень (ветвь т) электроны отдают часть своей энергии атомам спая Г термоэлемента, который начинает нагреваться.

В нашей стране в конце 1940-х и начале 1950-х годов академиком А. Ф. Иоффе и его учениками были проведены очень важные исследования, связанные с разработкой теории термоэлектрического охлаждения. На базе этих исследований была впервые сконструирована и испытана серия охлаждающих устройств.

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов холодильных машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным.

Эффективность применения термоэлектрического охлаждения

Выбор материала для элементов

Экономичность термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводникового вещества z, в которую входят удельная электропроводность σ, коэффициент термоЭДС α и удельная теплопроводность κ. Эти величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис. 2.

Из рисунка видно, что электропроводность σ пропорциональна числу носителей n, термоЭДС стремится к нулю с увеличением n и возрастает при уменьшении n. Теплопроводность к состоит из двух частей: теплопроводности кристаллической решетки κp, которая практически не зависит от n, и электронной теплопроводности κэ, пропорциональной n.

Эффективность металлов и металлических сплавов мала из-за низкого коэффициента термоЭДС, а в диэлектриках — из-за очень малой электропроводимости. По сравнению с металлами и диэлектриками эффективность полупроводников значительно выше, чем и объясняется их широкое применение в настоящее время в термоэлементах. Эффективность материалов также зависит от температуры.

Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью — с положительным, то можно получить большее значение термоЭДС.

Рис. 2. Качественные зависимости термоЭДС, электропроводности и теплопроводности от концентрации носителей

При увеличении термоЭДС растет z.

Для термоэлементов в настоящее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными веществами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективность z для этих материалов при комнатных температурах составляет: 2,6·10-3 °С-1 для n-типа, 2,6·10-1 °С-1 — для р-типа.

В настоящее время Bi2Te3 применяют редко, поскольку созданные на его основе твердые растворы Bi2Te3-Be2Se3 и Bi2Te3-Sb2Te3 имеют более высокие значения z. Эти материалы впервые были получены и исследованы в нашей стране, и на их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью .

Твердые растворы Bi-Se применяют в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 6·10-3 °С-1 достигает при Т≈80÷90 К. Интересно отметить, что эффективность этого сплава значительно повышается в магнитном поле.

Полупроводниковые ветви в настоящее время изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов наиболее распространен.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют, как правило, термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.

Рис. 3. Схема термоэлемента

Механическая прочность термоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Bi2Te3-Sb2Te3, изготовленных методом горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6–49,8 МПа.

Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной 1 (рис. 3) и полупроводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая пластина 3; кроме того, применяют легкоплавкие припои 2, 4 и припой SiSb 5. Испытания показывают, что термоэлектрические устройства имеют виброударную стойкость до 20g, термоэлектрические охладители малой холодопроизводительности — до 250g.

Сравнение термоэлектрических охлаждающих устройств с другими способами охлаждения

Термоэлектрические охлаждающие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами холодильных машин. В настоящее время в системах кондиционирования воздуха на судах применяют теплоиспользующие или паровые холодильные машины. В холодное время года судовые помещения обогревают электро-, паро- или водонагревателями, т. е. применяют раздельные источники теплоты и холода.

При помощи термоэлектрических устройств в теплое время года можно охлаждать помещения, а в холодное — обогревать. Режим обогрева изменяют на режим охлаждения путем реверса электрического тока.

Кроме того, к преимуществам термоэлектрических устройств следует отнести: полное отсутствие шума при работе, надежность, отсутствие рабочего вещества и масла, меньшие массу и габаритные размеры при той же холодопроизводительности.

Сравнительные данные по хладоновым машинам для провизионных камер на судах показывают, что при одинаковой холодопроизводительности масса термоэлектрической холодильной машины в 1,7–1,8 раза меньше.

Термоэлектрические холодильные машины для систем кондиционирования воздуха имеют объем приблизительно в четыре, а массу в три раза меньше, чем хладоновые холодильные машины.

Рис. 4. Цикл Лоренца

К недостаткам термоохлаждающих устройств следует отнести их низкую экономичность и повышенную стоимость.

Экономичность термоэлектрических холодильных машин по сравнению с паровыми приблизительно на 20-50% ниже . Высокая стоимость термоохлаждающих устройств связана с высокими ценами на полупроводниковые материалы.

Однако существуют области, где уже теперь они способны конкурировать с другими типами холодильных машин. Например, начали применять термоэлектрические устройства для охлаждения газов и жидкостей. Примерами устройств этого класса могут служить охладители питьевой воды, воздушные кондиционеры, охладители реактивов в химическом производстве и др.

Для таких холодильных машин образцовым циклом будет треугольный цикл Лоренца (см. рис. 4). Приближение к образцовому циклу достигается простым путем, так как для этого требуется только видоизменить электрическую схему коммутации, что не вызывает конструктивных трудностей. Это позволяет существенно, в некоторых случаях более чем вдвое, повысить эффективность термоэлектрических холодильных машин. Для реализации этого принципа в паровой холодильной машине пришлось бы применять сложную схему многоступенчатого сжатия.

Весьма перспективным может быть использование термоэлектрических устройств в качестве «интенсификатора теплопередачи». В тех случаях, когда из какого-либо небольшого пространства необходимо отвести теплоту в окружающую среду, а поверхность теплового контакта ограничена, располагаемые на поверхности термоэлектрические батареи могут значительно интенсифицировать процесс теплопередачи.

Как показывают исследования , сравнительно небольшой расход электроэнергии способен существенно увеличить удельный тепловой поток. Можно интенсифицировать теплопередачу и без затраты электроэнергии. В этом случае необходимо замкнуть термобатарею.

Наличие разности температур приведет к появлению термоЭДС Зеебека, которая и обеспечит питание термоэлектрической батареи. С помощью термоэлектрических устройств можно изолировать одну из теплообменивающихся сред, т. е. использовать ее в качестве совершенной тепловой изоляции.

Важное обстоятельство, также определяющее область, в которой термоэлектрические холодильные машины способны конкурировать с другими типами холодильных машин даже по энергетической эффективности, состоит в том, что уменьшение холодопроизводительности, например, паровых холодильных машин ведет к снижению их холодильного коэффициента.

Для термоэлектрической холодильной машины это правило не соблюдается, и ее эффективность практически не зависит от холодопроизводительности. Уже в настоящее время для температур Тх = 0°С и Тк = 26°С и производительности несколько десятков ватт энергетическая эффективность термоэлектрической машины близка к эффективности паровой холодильной машины.

Широкое внедрение термоэлектрического охлаждения будет зависеть от прогресса в создании совершенных полупроводниковых материалов, а также от серийного производства эффективных в экономическом отношении термобатарей.

Список литературы.

1. Цветков Ю. Н., Аксенов С. С., Шульман В. М. Судовые термоэлектрические охлаждающие устройства.— Л.: Судостроение, 1972.— 191 с.

2. Мартыновский В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов.— М.: Энергия, 1979.— 285 с.

Читайте также по этой теме: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Термоэлектрическое охлаждение

Одним из перспективных способов получения искусственного холода является термоэлектрическое охлаждение. Термоэлектрические охлаждающие батареи обладают рядом достоинств: простотой устройства, отсутствием рабочего вещества, бесшумностью работы, компактностью.
Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, заключающегося в том, что при прохождении постоянного тока по замкнутой цепи из разных проводников на спаях возникает разность температур.
При термоэлектрическом охлаждении наибольший эффект достигается при использовании полупроводниковых элементов.
Он состоит из полупроводникового термо­элемента и батареи элементов. Каждый термоэлемент состоит из двух последовательно соединенных полупроводников прямоугольной или круглой формы. Полупроводники с помощью медных пластин образуют спаи.
Отдельные термоэлементы соединяются последовательно в батареи. При прохождении через батарею электрического тока, спаи на одной из ее сторон нагреваются, а на другой — охлаждаются. В бытовом холодильнике холодные спаи термобатареи устанавливают в задней внутренней стенке холодильной камеры. Перепад температур между горячими и холодными спаями составляет до 45—50°C.
В качестве полупроводниковых термоэлементов применяют сплавы свинца и теллура, теллура и сурьмы, окислы металлов и чистые химические элементы: германий, кремний, селен и их соединения. В настоящее время термоэлектрическое охлаждение применяется в бытовых холодильниках и автономных кондиционерах.
Недостатками термоэлектрического охлаждения являются в основном большой расход электроэнергии и высокая стоимость термоэлектрических охлаждающих батарей.

Принцип работы термоэлектрических и абсорбционных холодильников

Наибольшего распространения среди автовладельцев получили термоэлектрические и абсорбционные автомобильные холодильники. Данные аппараты работают от электрической сети напряжением 12 Вольт с возможностью подключения к прикуривателю автомобиля.

Выпускаются термоэлектрические автохолодильные аппараты с объемами холодильной камеры от 5 до 50 литров. Возможность уменьшения температуры внутри холодильной камеры ниже 25 градусов относительно наружного воздуха.

В основу принципа работы автомобильного холодильника первой модификации положен эффект «Пелтье»: передачи тепловой энергии из замкнутого пространства в окружающую среду в нашем случае в пространство салона или багажника. В одной конструктивной части электрический ток преобразуется в тепловую энергию, а в другой — энергия холода приводит к охлаждению.

Принцип работы автохолодильника абсорбционного типа основан постоянной циркуляцией хладагента — аммиачного раствора, то есть попеременное охлаждение и нагревание раствора с процессом отвода тепла. Модельный ряд из-за конструктивных сложностей монтажа начинается от 20 литров. Обеспечивает снижение температуры в холодильной камере от +3 до -5 градусов по Цельсию.

Опрос: А у тебя есть автомобильный холодильник? (Кол-во голосов: 8) Конечно есть, удобная штука! Пока нет, вот изучаю перед покупкой Не планирую покупать Нет Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты

Как работают автомобильные холодильники

Энергия холода в термоэлектрических устройствах автомобильных холодильников вырабатывается следующим образом: тепло от помещенных в холодильник продуктов питания поглощается пластинами в корпусе емкости, выполненным из алюминия.

Через термоэлектрические пластины протекает ток, нагревая внешнюю сторону полупроводниковых пластин и, соответственно, охлаждая внутреннюю, прилегающую к корпусу холодильной камеры. Конструктивно часть пластин расположена непосредственно в камере, а вторая снаружи.

Далее модули перемещают теплый воздух в специальное устройство — стабилизатор. Там же установлен небольшой вентилятор, который высвобождает тепло в окружающий воздух салона автомобиля.

Устройство автохолодильника абсорбционного типа используется холодильный агент, в качестве которого используется раствор аммиака в смеси с водой. Раствор подогревается постоянной электрической энергией и циркулирует по системе. Так как температура кипения чистого аммиака меньше, чем воды, пары водно-аммиачного раствора направляются в конденсатор, отдают накопленное тепло в окружающую среду.

По трубной системе аммиак движется в испаритель камеры холодильника и охлаждает ее объем и содержащиеся в ней продукты. За счет тепла, полученного при охлаждении, аммиак закипает и превращается в газовую фазу. После этого происходит поглощение паров водой и, в дальнейшем, жидкий раствор начинает новый цикл.

Раствор хладагента циркулирует постоянно: абсорбер выполняет функцию всасывающей части, а термонасос – функцию нагнетателя.

Достоинства и недостатки автомобильных холодильных устройств

К преимуществам абсорбционных холодильников относятся:

  • отсутствие движущихся частей, поэтому данный тип отличается своей надежностью и долговечностью работы;
  • нет механических деталей, из этого вытекает бесшумность работы и отсутствие вибрации;
  • широкий ассортимент выбора холодильных камер вместимостью от 20 до 150 литров;
  • экономия в работе, значительное время — до 12 часов сохраняют температуру;

К недостаткам можно отнести:

  • большой вес;
  • возможность работы только в вертикальном положении, в противном случае нарушится циркуляция холодильного агента, и холодильник перестанет работать.

К достоинствам термоэлектрических аппаратов относится:

  • возможность работы, как «сплит-система» в 2-х режимах — нагрев — охлажение;
  • возможность работы, как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях;
  • надежность работы и высокий парковый ресурс изделия;
  • компактность изделия в сравнении с другими сородичами, работающими по иному холодильному циклу.

К минусам относится следующее:

  • чрезвычайно медленный набор температуры;
  • высокий уровень потребления питания электричества, поэтому желательно использовать при заведенном автомобиле;
  • небольшое время содержания холода — не более 3-х часов.
Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *