Termoelektrinis efektas ir aušinimas, Peltier efektas

Ekonominis termoelektrinių šaldytuvų naudojimo efektyvumas, palyginti su kitų tipų šaldymo aparatais, tuo labiau padidėja, kuo mažesnis aušinamas tūris. Todėl racionaliausias šiuo metu yra termoelektrinio aušinimo naudojimas buitiniuose šaldytuvuose, maisto skysčių aušintuvuose, oro kondicionieriuose, be to, termoelektrinis aušinimas sėkmingai naudojamas chemijoje, biologijoje ir medicinoje, metrologijoje, taip pat komerciniame šaltyje (palaikant temperatūrą šaldytuvuose). , šaldymo transportas (šaldytuvai) ir kitos sritys

Termoelektrinis poveikis

Atsiradimo poveikis yra plačiai žinomas mene. termoEMF lituotuose laidininkuose, kurių kontaktai (jungtys) palaikomi skirtingose ​​temperatūrose (Seebecko efektas) Tuo atveju, kai per dviejų skirtingų medžiagų grandinę praleidžiama nuolatinė srovė, viena iš sankryžų pradeda įkaisti, o kita pradeda atvėsti. Šis reiškinys vadinamas termoelektrinis poveikis arba Peltier efektas.

Fig. 1. Termoelemento schema

Fig. 1 parodyta termoelemento schema. Du puslaidininkiai n ir m sudaro grandinę, išilgai kurios srovė praeina iš energijos šaltinio C, o šaltų sankryžų X temperatūra tampa žemesnė, o karštų sankryžų G temperatūra tampa aukštesnė už aplinkos temperatūrą, t.y., termoelementas pradeda vykdyti šaldymo mašinos funkcijas.

Sankryžos temperatūra mažėja dėl to, kad veikiant elektriniam laukui, elektronai, judantys iš vienos termoelemento šakos (m) į kitą (n), pereina į naują būseną su didesne energija. Elektronų energija padidėja dėl kinetinės energijos, paimtos iš termoelemento šakų atomų jų konjugacijos vietose, dėl to ši sankryža (X) atšaldoma.

Pereinant iš aukštesnio energijos lygio (šaka n) į žemą energijos lygį (šaka t), elektronai dalį savo energijos atiduoda termoporos sankryžos atomams, kurie pradeda įkaisti.

Mūsų šalyje 1940-ųjų pabaigoje ir 1950-ųjų pradžioje Akademikas A. F. Ioffe ir jo studentai atliko labai svarbius tyrimus, susijusius su termoelektrinio aušinimo teorijos plėtra. Remiantis šiais tyrimais, pirmiausia buvo suprojektuota ir išbandyta aušinimo įtaisų serija.

Termoelektrinių aušintuvų energijos vartojimo efektyvumas žymiai mažesnis nei kitų tipų aušintuvų efektyvumas, tačiau dėl paprastumo, patikimumo ir triukšmo stokos termoelektrinis aušinimas yra labai perspektyvus.

Termoelektrinio aušinimo efektyvumas

Medžiagos pasirinkimas daiktams

Termoelemento efektyvumas, taip pat maksimalus temperatūros sumažėjimas sankryžose, priklauso nuo puslaidininkinės medžiagos z efektyvumo (kokybės koeficiento), į kurį įeina elektros laidumas σ, termoelektrinis koeficientas α ir šilumos laidumas κ. Šios vertės yra susijusios, nes jos priklauso nuo laisvųjų elektronų ar skylių koncentracijos. Tokia priklausomybė pateikiama fig. 2.

Iš paveikslo matyti, kad elektrinis laidumas σ yra proporcingas nešiklių skaičiui n, termoEMF linkęs į nulį didėjant n ir didėja mažėjant n. Šilumos laidumą k sudaro dvi dalys: kristalinės gardelės κp šilumos laidumas, praktiškai nepriklausantis nuo n, ir elektroninis šilumos laidumas κe, proporcingas n.

Metalų ir metalų lydinių efektyvumas yra žemas dėl mažo termoEMF koeficiento, o dielektrikuose - dėl labai mažo elektrinio laidumo.Palyginti su metalais ir dielektrikais, puslaidininkių efektyvumas yra daug didesnis, kas paaiškina jų platų naudojimą šiuo metu termoporose. Medžiagų efektyvumas taip pat priklauso nuo temperatūros.

Termoelementą sudaro dvi šakos: neigiama (n-tipo) ir teigiama (p-rūšis). Kadangi elektronų pralaidumo medžiaga turi neigiamą emf, o medžiagos su skylių laidumu turi teigiamą ženklą, galima gauti didesnę šiluminę galią.

Fig. 2. Šiluminės galios, elektros laidumo ir šilumos laidumo kokybinės priklausomybės nuo nešiklio koncentracijos

Didėjant galingumui, z padidėja.

Termoelementams šiuo metu naudojamos žemos temperatūros termoelektrinės medžiagos, kurių pradinės medžiagos yra bismutas, stibis, selenas ir telūras. Maksimalus šių medžiagų efektyvumas z kambario temperatūroje yra: 2,6 · 10–3 ° С – 1 n tipo, 2,6 · 10–1 ° С – 1 p tipo.

Šiuo metu „Bi2Te3“ naudojamas retai, nes jo pagrindu sukurti kietieji „Bi2Te3-Be2Se3“ ir „Bi2Te3-Sb2Te3“ tirpalai turi aukštesnes z reikšmes. Pirmiausia šios medžiagos buvo gautos ir ištirtos mūsų šalyje, jų pagrindu buvo išmokta lydinių TVEH-1 ir TVEH-2, skirtų šakoms su elektroniniu laidumu, ir TVDH-1 bei TVDH-2, skirtų šakoms, turinčioms skylių laidumą, gamyba [1].

Kietieji „Bi-Se“ tirpalai naudojami temperatūros diapazone žemiau 250 K. Didžiausia vertė z = 6 · 10–3 ° C – 1 pasiekiama esant T≈80–90 K. Įdomu pastebėti, kad šio lydinio efektyvumas žymiai padidėja magnetiniame lauke.

Puslaidininkių atšakos šiuo metu gaminamos trimis būdais: miltelių metalurgija, liejimas nukreiptu kristalizavimu ir ištraukimas iš lydalo. Dažniausiai naudojamas miltelių metalurgijos būdas šaltu arba karštu spaudimu.

Termoelektriniuose aušinimo įtaisuose, kaip taisyklė, naudojami termoelementai, kuriuose neigiama šaka sudaroma karštu presavimu, o teigiama šaka - šalto presavimo būdu.

Fig. 3. Termoelemento schema

Termoporų mechaninis stipris yra nereikšmingas. Taigi lydinio „Bi2Te3-Sb2Te3“, pagaminto karštu arba šaltu presavimu, pavyzdžiuose gniuždomasis stipris yra 44,6–49,8 MPa.

Norėdami padidinti termoelemento stiprumą, tarp perjungimo plokštės 1 (3 pav.) Ir puslaidininkio šakos 6 dedama slopinanti švino plokštė 3; Be to, naudojami litavimo lydmetaliai 2, 4 ir SiSb 5. Testai rodo, kad termoelektriniai įtaisai turi atsparumą vibracijai - smūgiams iki 20g, termoelektriniai aušintuvai su maža aušinimo galia iki 250g.

Termoelektrinių aušinimo įtaisų palyginimas su kitais aušinimo būdais

Termoelektriniai aušinimo įrenginiai, palyginti su kitų tipų aušintuvais, turi keletą pranašumų. Šiuo metu laivai oro kondicionavimo sistemose naudoja oro kondicionierius arba garų aušintuvus. Šaltuoju metų laiku laivų patalpos šildomos elektriniais, garo ar vandens šildytuvais, t.y., naudojami atskiri šilumos ir šalčio šaltiniai.

Šiltuoju metų laiku naudojant termoelektrinius prietaisus galima vėsinti patalpas, o šaltuoju metu - šildyti. Šildymo režimas keičiamas į aušinimo režimą, keičiant elektros srovę.

Be to, termoelektrinių prietaisų pranašumai yra šie: visiškas triukšmo nebuvimas darbo metu, patikimumas, darbinės medžiagos ir alyvos nebuvimas, mažesnis svoris ir bendrieji matmenys tuo pačiu aušinimo pajėgumu.

Lyginamieji chladono mašinų, skirtų aprūpinti laivus kameromis, duomenys rodo, kad esant tokiai pačiai aušinimo galiai, termoelektrinės šaldymo mašinos masė yra 1,7–1,8 karto mažesnė.

Oro kondicionavimo sistemų termoelektrinių aušintuvų tūris yra apie keturis, o masė tris kartus mažesnė nei chladono aušintuvų.

Fig. 4. Lorentzo ciklas

Tarp terminio aušinimo prietaisų trūkumų yra: jų mažas pelningumas ir padidėjusios išlaidos.

Termoelektrinių šaldytuvų, palyginti su garais, ekonominis efektyvumas yra maždaug 20-50% mažesnis [1]. Didelės termo aušinimo įtaisų kainos yra susijusios su didelėmis puslaidininkinių medžiagų kainomis.

Tačiau yra sričių, kuriose jie dabar gali konkuruoti su kitų rūšių aušintuvais. Pavyzdžiui, jie pradėjo naudoti termoelektrinius prietaisus, skirtus aušinti dujas ir skysčius. Šios klasės prietaisų pavyzdžiai yra geriamojo vandens aušintuvai, oro kondicionieriai, reagentų aušintuvai chemijos gamyboje ir kt.

Tokiems aušintuvams modelio ciklas bus trikampio formos Lorentzo ciklas (žr. 4 pav.). Priartėjimas prie modelio ciklo pasiekiamas paprastu būdu, nes tam reikia tik pakeisti perjungimo schemą, kuri nesukelia struktūrinių sunkumų. Tai leidžia žymiai, kai kuriais atvejais daugiau nei dvigubai padidinti termoelektrinių šaldytuvų efektyvumą. Norint įgyvendinti šį principą garų aušintuve, turėtų būti taikoma sudėtinga daugiapakopė suspaudimo schema.

Termoelektrinių prietaisų naudojimas kaip „Šilumos perdavimo stipriklis“. Tais atvejais, kai reikia pašalinti šilumą iš mažos erdvės į aplinką, o šiluminio sąlyčio paviršius yra ribotas, ant paviršiaus esančios termoelektrinės baterijos gali žymiai suaktyvinti šilumos perdavimo procesą.

Kaip rodo tyrimai [2], palyginti nedidelis energijos suvartojimas gali žymiai padidinti savitąjį šilumos srautą. Šilumos perdavimą galima suaktyvinti net ir nenaudojant energijos. Tokiu atveju uždarykite termopilį.

Esant temperatūros skirtumui, susidarys Seebeck termoEMF, kuris aprūpins energiją termoelektrine baterija. Naudojant termoelektrinius prietaisus, galima izoliuoti vieną iš šilumą keičiančių terpių, t.y., naudoti ją kaip puikią šilumos izoliaciją.

Svarbi aplinkybė, lemianti ir plotą, kuriame termoelektriniai aušintuvai gali konkuruoti su kitų tipų aušintuvais net energijos vartojimo efektyvumo srityje, yra ta, kad sumažėjus, pavyzdžiui, garo aušintuvų aušinimo našumui, sumažėja jų šaldymo koeficientas.

Termoelektriniam aušintuvui šios taisyklės nesilaikoma, o jo efektyvumas praktiškai nepriklauso nuo aušinimo galios. Jau tada, kai temperatūra Tx = 0 ° C ir Tk = 26 ° C, o kelių dešimčių vatų našumas yra veiksmingas, termoelektrinės mašinos energijos vartojimo efektyvumas yra artimas garų šaldymo mašinos efektyvumui.

Plačiai paplitęs priėmimas termoelektrinis aušinimas priklausys nuo pažangos kuriant pažangias puslaidininkių medžiagas, taip pat nuo ekonomiškai efektyvių šiluminių baterijų serijinės gamybos.

Nuorodos

1. Tsvetkov J. N., Aksenovas S. S., Shulmanas V. M. Laivų termoelektriniai aušinimo įrenginiai - L .: Laivų statyba, 1972.– 191 p.

2. Martynovsky V. S. Šiluminių transformatorių ciklai, grandinės ir charakteristikos - M .: Energija, 1979.– 285 p.

Taip pat skaitykite šia tema:Peltier efektas: stebuklingas elektros srovės poveikis