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 [1].

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 [1]. 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 [2], 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