Termoelektromos hatás és hűtés, Peltier-hatás

A termoelektromos hűtőszekrények gazdasági hatékonysága más típusú hűtőgépekhez képest minél inkább növekszik, annál kisebb a hűtött térfogat. Ezért a legraccionálisabb manapság a hőelektromos hűtés háztartási hűtőszekrényekben, élelmiszer-folyadék-hűtőkben, klímaberendezésekben, továbbá a termoelektromos hűtést sikeresen alkalmazzák a kémiában, a biológiában és az orvostudományban, a metrológiában, valamint a kereskedelmi hidegekben (a hűtőszekrények hőmérsékletének fenntartása). , hűtőszállítás (hűtőszekrények) és más területek

Termoelektromos hatás

Az előfordulás hatása a szakterületen széles körben ismert. thermopower forrasztott vezetékekben, amelyek közötti érintkezőket (csomópontokat) különböző hőmérsékleten tartják fenn (Seebeck-effektus). Abban az esetben, ha állandó áramot vezet át két különféle anyag körén, az egyik csomópont felmelegszik, a másik pedig lehűlni kezd. Ezt a jelenséget hívják hőelektromos hatás vagy Peltier hatás.

Ábra. 1. Hőelem diagram

Ábrán Az 1. ábra a hőelem diagramját mutatja. Két n és m félvezető alkot egy áramkört, amelyen keresztül az egyenáram áthalad a C energiaforrásból, miközben az X hideg csomópontok hőmérséklete alacsonyabb lesz, és a forró G csomópontok hőmérséklete magasabb lesz, mint a környezeti hőmérséklet, azaz a hőelem elkezdi ellátni a hűtőgép funkcióit.

A csomópont hőmérséklete csökken annak a ténynek köszönhető, hogy egy elektromos mező hatására az elektronok, amelyek a hőelem egyik ágából (m) a másikba (n) mozognak, új állapotba kerülnek, nagyobb energiával. Az elektronok energiája növekszik a hőelemek ágainak atomjaiból a konjugációjuk helyén vett kinetikus energia miatt, amelynek eredményeként ez a csomópont (X) lehűl.

A magasabb energiaszintről (n ág) az alacsony energiaszintre (t ág) való áttéréskor az elektronok energiájuk egy részét a hőelem metszéspontjának atomjaihoz adják, amelyek felmelegednek.

Hazánkban az 1940-es évek végén és az 1950-es évek elején Ioffe akadémikus és hallgatói nagyon fontos kutatásokat végeztek a termoelektromos hűtés elméletének fejlesztésével kapcsolatban. E tanulmányok alapján először hűtőkészülékek sorozatát tervezték és tesztelték.

Termoelektromos hűtők energiahatékonysága szignifikánsan alacsonyabb, mint más típusú hűtőberendezések hatékonysága, azonban az egyszerűség, megbízhatóság és a zaj hiánya a hőelektromos hűtés használatát nagyon ígéretesnek tartja.

Termoelektromos hűtési hatékonyság

Anyagkiválasztás az elemekhez

A hőelem hatékonysága, valamint a hőmérséklet maximális csökkenése a csomópontokon a z félvezető anyag hatékonyságától (minőségi tényezőtől) függ, amely magában foglalja a σ villamos vezetőképességet, α hőelektromos együtthatót és κ hővezető képességet. Ezek az értékek összefüggenek, mivel a szabad elektronok vagy lyukak koncentrációjától függenek. Egy ilyen függőséget a 2. ábra mutat be. 2.

Az ábrán látható, hogy a σ elektromos vezetőképesség arányos az n hordozó hordozóinak számával, a hőteljesítmény n-re növekszik n növekedésével, és n csökkenésével növekszik. A k hővezető képesség két részből áll: a κp kristályrács hővezető képessége, amely gyakorlatilag független n-től, és az elektronikus hővezetőképesség κe, n-rel arányos.

A fémek és fémötvözetek hatékonysága alacsony a thermoEMF alacsony együtthatója miatt, és dielektrikában a nagyon alacsony elektromos vezetőképesség miatt.A fémekhez és dielektrikumokhoz képest a félvezetők hatékonysága sokkal magasabb, ami magyarázza ezek jelenleg a hőelemekben való széles körű használatát. Az anyagok hatékonysága a hőmérséklettől is függ.

A hőelem két ágból áll: negatív (n-típusú) és pozitív (p-típusú). Mivel az elektronáteresztő képességgel rendelkező anyag negatív emf-vel rendelkezik, és a lyuk vezetőképességű anyag pozitív előjele van, nagyobb hőhatás érhető el.

Ábra. 2. A hőteljesítmény, az elektromos vezetőképesség és a hővezető képesség kvalitatív függése a hordozókoncentrációtól

A hőteljesítmény növekedésével z növekszik.

A hőelemekhez jelenleg alacsony hőmérsékletű termoelektromos anyagokat használnak, amelyek kiindulási anyagai bizmut, antimon, szelén és tellurium. Ezeknek az anyagoknak a maximális hatékonysága szobahőmérsékleten: 2,6 · 10–3 ° С-1 n-típusú, 2,6 · 10–1 ° С-1 p-típusú.

Jelenleg a Bi2Te3-at ritkán használják, mivel az alapjaként létrehozott Bi2Te3-Be2Se3 és Bi2Te3-Sb2Te3 szilárd oldatok magasabb z értékkel rendelkeznek. Ezeket az anyagokat először hazánkban szerezték be és tanulmányozták, és ezek alapján elsajátították a TVEH-1 és TVEH-2 ötvözetek előállítását az elektronikus vezetőképességű ágakhoz, valamint a TVDH-1 és TVDH-2 ötvözetek előállítását lyuk vezetőképességű ágakhoz [1].

A Bi-Se szilárd oldatokat 250 K alatti hőmérsékleti tartományban használják. A maximális z = 6 · 10–3 ° C – 1 érték T≈80–90 K-n érhető el. Érdekes megjegyezni, hogy ennek az ötvözetnek a hatékonysága jelentősen növekszik egy mágneses mezőben.

A félvezető ágakat jelenleg három módszerrel állítják elő: porkohászat, öntés irányított kristályosítással és az olvadékból való kivonás. A por-kohászat módszere a minták hideg vagy meleg préselése a leggyakoribb.

A termoelektromos hűtőberendezésekben általában hőelemeket használnak, amelyekben a negatív ág forró sajtolással, a pozitív ág hidegen sajtolással készül.

Ábra. 3. Hőelem diagram

A hőelem mechanikai szilárdsága elhanyagolható. Tehát a Bi2Te3-Sb2Te3 ötvözet mintáiban meleg vagy hideg sajtolással előállított mintákban a nyomószilárdság 44,6–49,8 MPa.

A hőelem szilárdságának növelése érdekében egy csillapító 3 vezetőlapot helyezünk az 1 kapcsolólemez (3. ábra) és a 6 félvezető ág közé; emellett alacsony olvadáspontú 2., 4. és SiSb 5. forrasztásokat használnak. A tesztek azt mutatják, hogy a termoelektromos eszközök rezgés-ütésállósága 20 g-ig terjed, a termoelektromos hűtők alacsony hűtési kapacitása legfeljebb 250 g.

A termoelektromos hűtőberendezések összehasonlítása más hűtési módszerekkel

A termoelektromos hűtőberendezéseknek számos előnye van a többi hűtőberendezéshez képest. Jelenleg a hajók légkondicionálót vagy gőzhűtőket használnak a légkondicionáló rendszerekben. A hideg évszakban a hajó helyiségeit elektromos, gőz- vagy vízmelegítők fűtik, azaz külön hő- és hidegforrásokat kell használni.

A meleg évszakban hőelektromos eszközökkel hűtheti a helyiségeket, hidegben pedig melegítheti. A fűtési mód hűtési üzemmódra vált az elektromos áram megfordításával.

Ezenkívül a termoelektromos eszközök előnyei a következők: teljes zaj hiánya az üzemeltetés során, megbízhatóság, a munkaanyag és az olaj hiánya, kisebb súly és teljes méretek azonos hűtőteljesítmény mellett.

A hajók ellátására szolgáló chladone gépek összehasonlító adatai azt mutatják, hogy ugyanolyan hűtőteljesítmény mellett a termoelektromos hűtőgép tömege 1,7–1,8-szor kevesebb.

A légkondicionáló rendszerek hőelektromos hűtőberendezéseinek térfogata megközelítőleg négy, tömege háromszor kevesebb, mint a chladone hűtőké.

Ábra. 4. A Lorentz-ciklus

A hőhűtő eszközök hátrányai között szerepel a következők: alacsony jövedelmezőségük és megnövekedett költségek.

A hőelektromos hűtőszekrények költséghatékonysága a gőzzel összehasonlítva körülbelül 20-50% -kal alacsonyabb [1]. A hőhűtő készülékek magas költsége a félvezető anyagok magas árainak köszönhető.

Vannak olyan területek, ahol már képesek versenyezni más típusú hűtőkkel. Például elkezdtek hőelektromos eszközöket használni gázok és folyadékok hűtésére. Az ebbe az osztályba tartozó eszközökre példaként említhetők az ivóvízhűtők, a légkondicionálók, a reagensek hűtői vegyiparban stb.

Az ilyen hűtőberendezéseknél a modellciklus háromszög alakú Lorentz ciklus lesz (lásd a 4. ábrát). A modellciklus megközelítése egyszerű módon érhető el, mivel ehhez csak a kapcsolási áramkör módosítására van szükség, ami nem okoz szerkezeti nehézségeket. Ez lehetővé teszi, hogy jelentősen, bizonyos esetekben több mint kétszer növelje a hőelektromos hűtőgépek hatékonyságát. Ennek az elvnek a gőzhűtőben történő megvalósításához komplex többlépcsős kompressziós sémát kell alkalmazni.

Termoelektromos eszközök használata mint „Hőátadás fokozó”. Azokban az esetekben, amikor a hőt a kis helyről a környezetbe kell távolítani, és a hőkontaktus felülete korlátozott, a felszínen elhelyezkedő hőelektromos akkumulátorok jelentősen fokozhatják a hőátadási folyamatot.

A tanulmányok [2] szerint egy viszonylag kis energiafogyasztás jelentősen megnövelheti a fajlagos hőáramot. A hőátadás energiafogyasztás nélkül is fokozható. Ebben az esetben zárja le a hőreszelőt.

A hőmérsékleti különbség a következőket eredményezheti: Seebeck thermoEMF, amely energiát szolgáltat a termoelektromos akkumulátor számára. Termoelektromos eszközökkel el lehet távolítani az egyik hőcserélő közeget, azaz tökéletes hőszigetelésként használhatják.

Fontos körülmény, amely meghatározza azt a területet is, amelyen a hőelektromos hűtők az energiahatékonyság szempontjából képesek versenyezni más típusú hűtőkkel, hogy például a gőzhűtő hűtőteljesítményének csökkenése a hűtési együttható csökkenéséhez vezet.

A termoelektromos hűtőknél ezt a szabályt nem tartják be, és hatékonysága gyakorlatilag független a hűtési kapacitástól. Jelenleg a Tx = 0 ° C és a Tk = 26 ° C hőmérsékleten és több tíz watt teljesítménynél a hőelektromos gép energiahatékonysága közel áll a gőzhűtőgép hatékonyságához.

Széles körű elfogadás hőelektromos hűtés a fejlett félvezető anyagok előállításának előrehaladásától, valamint a gazdaságilag hatékony hőelemek sorozatgyártásától függ.

Hivatkozásokat.

1. Tsvetkov Y. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Hajótermoelektromos hűtőberendezések - L .: Shipbuilding, 1972. - 191 p.

2. Martynovsky V. S. A hőtranszformátorok ciklusai, áramkörei és jellemzői - M .: Energia, 1979. - 285 p.

Olvassa el a témát is:Peltier-hatás: az elektromos áram varázslatos hatása