Termoelektrisk effekt og afkøling, Peltier-effekt

Den økonomiske effektivitet ved anvendelse af termoelektriske køleskabe i sammenligning med andre typer af køleskabe øges jo mere, jo mindre er den afkølede volumen. Derfor er det mest rationelle på nuværende tidspunkt brugen af ​​termoelektrisk afkøling til køleskabe til husholdninger, i fødevarevæskekøler, klimaanlæg, derudover bruges termoelektrisk afkøling med succes i kemi, biologi og medicin, metrologi såvel som i kommerciel kulde (opretholdelse af temperaturen i køleskabe) , køletransport (køleskabe) og andre områder

Termoelektrisk effekt

Effekten af ​​forekomst er vidt kendt inden for teknikken. thermopower i loddet ledere, som kontakter (kryds) mellem holdes ved forskellige temperaturer (Seebeck-effekt). I det tilfælde, hvor en konstant strøm ledes gennem et kredsløb med to forskellige materialer, begynder et af krydsene at varme op, og det andet begynder at køle ned. Dette fænomen kaldes termoelektrisk effekt eller Peltier-effekt.

Fig. 1. Termoelementdiagram

I fig. 1 viser et diagram over et termoelement. To halvledere n og m danner et kredsløb, langs hvilket jævnstrøm går fra strømkilden C, medens temperaturen af ​​de kolde kryds X er lavere, og temperaturen på de varme forbindelser G bliver højere end omgivelsestemperaturen, dvs. termoelementet begynder at udføre funktionerne af en køle maskine.

Forbindelsestemperaturen falder på grund af det faktum, at under påvirkning af et elektrisk felt går elektronerne, der bevæger sig fra en gren af ​​termoelementet (m) til en anden (n), i en ny tilstand med en højere energi. Elektronenes energi øges på grund af den kinetiske energi, der er taget fra atomerne i termoelementgrene på de steder, hvor de er konjugeret, hvilket resulterer i, at dette kryds (X) afkøles.

I overgangen fra et højere energiniveau (gren n) til et lavt energiniveau (gren t) giver elektronerne en del af deres energi til atomerne i krydset til termoelementet, der begynder at varme op.

I vores land i slutningen af ​​1940'erne og begyndelsen af ​​1950'erne Akademiker A.F. Ioffe og hans studerende udførte meget vigtig forskning relateret til udviklingen af ​​teorien om termoelektrisk afkøling. Baseret på disse undersøgelser blev en række køleenheder først designet og testet.

Energieffektivitet af termoelektriske kølere betydeligt lavere end effektiviteten af ​​andre typer køleapparater, men enkelheden, pålideligheden og manglen på støj gør anvendelsen af ​​termoelektrisk køling meget lovende.

Termoelektrisk køleeffektivitet

Materialevalg til varer

Termoelementets effektivitet såvel som det maksimale fald i temperaturen ved krydsene afhænger af halvledningsstoffets z effektivitet (kvalitetsfaktor), der inkluderer den elektriske ledningsevne σ, termoelektrisk koefficient α og termisk ledningsevne κ. Disse værdier hænger sammen, da de afhænger af koncentrationen af ​​frie elektroner eller huller. En sådan afhængighed er vist i fig. 2.

Det ses af figuren, at den elektriske ledningsevne σ er proportional med antallet af bærere n, termoEMF har en tendens til nul med stigende n og stiger med faldende n. Den termiske ledningsevne k består af to dele: den termiske ledningsevne af krystalgitteret κp, som er praktisk uafhængigt af n, og den elektroniske varmeledningsevne κe, der er proportional med n.

Effektiviteten af ​​metaller og metallegeringer er lav på grund af den lave koefficient for termoEMF og i dielektrik på grund af den meget lave elektriske ledningsevne.Sammenlignet med metaller og dielektrik er halvledernes effektivitet meget højere, hvilket forklarer deres udbredte anvendelse i øjeblikket i termoelementer. Effektiviteten af ​​materialer afhænger også af temperaturen.

Termoelementet består af to grene: negativ (n-type) og positiv (p-type). Da et materiale med elektronpermeabilitet har en negativ emk, og et materiale med hulledningsevne har et positivt tegn, kan der opnås en højere termopower.

Fig. 2. Kvalitative afhængigheder af termokraft, elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne af bærerkoncentration

Med en stigning i termopower stiger z.

Til termoelementer anvendes i øjeblikket termoelektriske materialer med lav temperatur, hvis udgangsmaterialer er vismut, antimon, selen og tellur. Den maksimale effektivitet z for disse materialer ved stuetemperatur er: 2,6 · 10-3 ° С-1 for n-typen, 2,6 · 10-1 ° С-1 for p-typen.

I øjeblikket bruges Bi2Te3 sjældent, da Bi2Te3-Be2Se3 og Bi2Te3-Sb2Te3 faste opløsninger oprettet på dens basis har højere z-værdier. Disse materialer blev først opnået og undersøgt i vores land, og på deres basis blev produktion af legeringer TVEH-1 og TVEH-2 til grene med elektronisk ledningsevne og TVDH-1 og TVDH-2 til grene med hulkonduktivitet behersket [1].

Bi-Se faste opløsninger bruges i temperaturområdet under 250 K. Den maksimale værdi z = 6 · 10-3 ° C-1 når ved T≈80 ÷ 90 K. Det er interessant at bemærke, at effektiviteten af ​​denne legering stiger markant i et magnetfelt.

Halvledergrene fremstilles i øjeblikket ved tre metoder: pulvermetallurgi, støbning med rettet krystallisation og trækning fra smelten. Metoden til pulvermetallurgi med kold eller varm presning af prøver er den mest almindelige.

I termoelektriske køleindretninger bruges som regel termoelementer, hvor den negative gren fremstilles ved varmpresning og den positive gren ved koldpresning.

Fig. 3. Termoelementdiagram

Termoelementernes mekaniske styrke er ubetydelig. Så for prøver af Bi2Te3-Sb2Te3-legeringen, der er fremstillet ved varm eller kold presning, er trykstyrken 44,6–49,8 MPa.

For at øge termoelementets styrke placeres en dæmpningspladeplade 3 mellem koblingspladen 1 (fig. 3) og halvledergren 6; derudover anvendes loddemetoder med lavt smeltende sælger 2, 4 og SiSb 5. Tester viser, at termoelektriske anordninger har vibrationsstød modstand op til 20 g, termoelektriske kølere med lav kølekapacitet op til 250 g.

Sammenligning af termoelektriske køleenheder med andre kølemetoder

Termoelektriske køleenheder har adskillige fordele i forhold til andre typer køleapparater. I øjeblikket bruger skibe aircondition eller dampkølere i klimaanlæg. I den kolde sæson opvarmes skibets lokaler med elektriske, damp- eller vandvarmere, dvs. separate varmekilder og kulde anvendes.

Ved hjælp af termoelektriske apparater i den varme sæson er det muligt at afkøle lokalerne og i kulden - at varme. Opvarmningstilstand ændres til køletilstand ved at vende den elektriske strøm.

Derudover inkluderer fordelene ved termoelektriske anordninger: fuldstændig fravær af støj under drift, pålidelighed, fravær af et arbejdsstof og olie, mindre vægt og samlede dimensioner ved den samme kølekapacitet.

Sammenligningsdata om chladonmaskiner til forsyning af kamre på skibe viser, at massen af ​​en termoelektrisk kølemaskine med den samme kølekapacitet er 1,7-1,8 gange mindre.

Termoelektriske kølere til klimaanlæg har et volumen på ca. fire og en masse på tre gange mindre end chladon-kølere.

Fig. 4. Lorentz-cyklussen

Ulemperne ved termisk køleenheder inkluderer deres lave rentabilitet og øgede omkostninger.

Omkostningseffektiviteten af ​​termoelektriske køleskabe sammenlignet med damp er ca. 20-50% lavere [1]. De høje omkostninger ved termokøleapparater er forbundet med høje priser på halvledermaterialer.

Der er dog områder, hvor de nu er i stand til at konkurrere med andre typer af kølere. For eksempel begyndte de at bruge termoelektriske apparater til afkøling af gasser og væsker. Eksempler på apparater i denne klasse inkluderer drikkevandskølere, klimaanlæg, kemiske reagenskølere osv.

For sådanne kølere er modelcyklussen den trekantede Lorentz-cyklus (se fig. 4). At nærme sig modelcyklussen opnås på en simpel måde, da dette kun kræver ændring af switching-kredsløbet, hvilket ikke skaber strukturelle vanskeligheder. Dette giver dig mulighed for markant, i nogle tilfælde mere end det dobbelte, at øge effektiviteten af ​​termoelektriske kølemaskiner. For at implementere dette princip i en dampkølere skulle et komplekst flerstegskomprimeringsskema anvendes.

Anvendelse af termoelektriske apparater som “Varmeoverføringsforstærker”. I de tilfælde, hvor det er nødvendigt at fjerne varme fra det lille rum i miljøet, og overfladen med termisk kontakt er begrænset, kan termoelektriske batterier placeret på overfladen intensivere varmeoverførselsprocessen.

Som undersøgelser [2] viser, kan et relativt lille energiforbrug øge den specifikke varmeflux betydeligt. Varmeoverførsel kan intensiveres, selv uden energiforbrug. I dette tilfælde skal du lukke termopilen.

Tilstedeværelsen af ​​en temperaturforskel vil resultere i Seebeck thermoEMF, som giver strøm til det termoelektriske batteri. Ved anvendelse af termoelektriske anordninger er det muligt at isolere et af varmeudvekslingsmedierne, dvs. bruge det som en perfekt varmeisolering.

En vigtig omstændighed, som også bestemmer det område, hvor termoelektriske kølere er i stand til at konkurrere med andre typer af kølere, selv med hensyn til energieffektivitet, er, at et fald i kølekapaciteten for f.eks. Dampkølere fører til et fald i deres køle- koefficient.

For en termoelektrisk køler respekteres denne regel ikke, og dens effektivitet er praktisk taget uafhængig af kølekapacitet. Selv ved temperaturer Tx = 0 ° C og Tk = 26 ° C og en ydelse på flere titalls watt er energieffektiviteten af ​​en termoelektrisk maskine tæt på effektiviteten af ​​en dampkølemaskine.

Udbredt vedtagelse termoelektrisk afkøling afhænger af fremskridt med at skabe avancerede halvledermaterialer samt af serieproduktion af økonomisk effektive termiske batterier.

Referencer.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Skib termoelektriske køleindretninger. - L .: Skibsbygning, 1972.— 191 s.

2. Martynovsky V. S. Cykler, kredsløb og egenskaber ved termotransformatorer - M .: Energia, 1979.— 285 s.

Læs også om dette emne:Peltier-effekt: den magiske effekt af elektrisk strøm