Термоэлектрический эффект и охлаждение
Содержание
В последнее время применение термоэлектрических холодильников по сравнению с другими типами холодильных машин значительно возрастает. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным решением является использование термоэлектрического охлаждения для холодильников бытового назначения, в охладителях пищевых жидкостей, а также кондиционерах воздуха.
Термоэлектрический модуль Пельтье
Кроме этого, термоэлектрическое охлаждение также активно используется в химии, биологии и медицине.
Термоэлектрический эффект
Эффект возникновения термоЭДС широко известен в спаянных проводниках, контактах (эффект Зеебека). Когда через цепь двух разнородных материалов пропустят постоянный электрический ток тогда один из сплавов начнет резко нагреваться, а второй будет подвергаться охлаждению. Это явление называется термоэлектрический эффект или эффект Пельтье.
Основная схема термоэлемента
На территории нашей страны академик Иоффе А.Ф со своими учениками провел достаточно важные исследования. Все исследования были связаны с разработкой теории термоэлектрического охлаждения. В дальнейшем на базе этих исследований была испытана и сконструирована серия охлаждающих устройств.
В результате проведенных исследований стало ясно, что энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов холодильных машин. Главным преимуществом считается то, что простота и надежность делают использование термоэлектрического охлаждения достаточно перспективным.
Эффективность применения термоэлектрического охлаждения
Выбор материала для элементов
Экономичность используемого термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях будет зависеть от эффективности полупроводникового вещества. В него будет входить:
- удельная электропроводность;
- коэффициент термоЭДС;
- удельная теплопроводность.
Эти величины будут надежно связаны между собой, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок.
Эффективность металлов и металлических сплавов будет небольшой. Это связано с достаточно низким коэффициентом термоЭДС, а в диэлектриках из-за малой электропроводимости. По сравнению с металлами эффективность полупроводников будет значительно выше. Этим и объясняется их достаточно широкое применение в различных термоэлементах. Эффективность материалов также будет зависеть от температуры.
Любой термоэлемент состоит из двух ветвей:
- Отрицательной.
- Положительной.
Материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью с положительным, то в этом случае можно получить достаточно большое значение термоЭДС.
Качественные зависимости термоЭДС, электропроводности и теплопроводности от концентрации носителей
Для термоэлементов на сегодняшний день могут использовать низкотемпературные термоэлектрические материалы. Их исходным веществом будет являться висмут, сурьма, селен или теллур. Полупроводниковые ветви на сегодняшний день могут изготавливать тремя различными методами:
- Методом порошковой металлургии.
- Литьем с направленной кристаллизацией.
- Вытягиванием из расплава.
Наиболее распространенным считают метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием. В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена путем горячего прессования, а положительная методом холодного прессования.
Механическая прочность различных термоэлементов является незначительной. Предел прочности при сжатии составляет 44.6-49.8 Мпа. Чтобы повысить прочность специалисты устанавливают демпфирующую свинцовую пластину между коммутационной пластиной и полупроводниковой ветвью.
Сравнение термоэлектрических охлаждающих устройств с другими способами охлаждения
Если рассмотреть термоэлектрические охлаждающие устройства более детально, тогда можно заметить, что они обладают массой значительных достоинств. Сейчас в системах кондиционирования воздуха используют теплоиспользующие или паровые холодильные машины. В холодное время помещения обогревают электрическими или паровыми водонагревателями. Соответственно можно сказать, что применяют раздельные источники теплоты и холода.
При использовании термоэлектрических устройств можно обогревать помещение в холодное время и охлаждать его в зимнее время. Изменять выбранный режим можно с помощью реверса электрического тока. К дополнительным преимуществам подобных устройств можно отнести:
- отсутствие шума при работе;
- надежность;
- отсутствие рабочего вещества и масла;
- небольшие габаритные размеры.
Если изучить статистические данные тогда можно сделать вывод о том, что при одинаковой холодопроизводительности масса термоэлектрической холодильной установки будет меньше в 1.8 раза.
Сравнение цикла Лоренса
Термоэлектрические холодильные машины имеют объем, который в 4 раза меньше, чем хладоновые холодильные машины. Главный недостаток подобных систем заключается в повышенной стоимости. Она связана с тем, что полупроводниковые материалы имеют достаточно высокую стоимость.
Перспективы использования
Многие специалисты утверждают, что подобные устройства также можно использовать в качестве «интенсификатора теплопередачи». Если необходимо из небольшого пространства отвести теплоту в окружающую среду, а поверхность теплового контакта ограничена тогда располагаемые термоэлектрические батареи могут интенсифицировать процесс теплопередачи.
Важным обстоятельством, определяющим область, в которой термоэлектрические холодильные машины способны конкурировать с другими типами холодильных машин состоит в том, что уменьшение холодопроизводительности ведет к снижению из холодильного коэффициента. Для термоэлектрической холодильной машины это правило не соблюдается и ее эффективность не будет зависеть от холодопроизводительности.
Широкое внедрение термоэлектрического охлаждения будет зависеть от прогресса в создании совершенных полупроводниковых материалов, а также от серийного производства эффективных в экономическом отношении термобатарей.
Рекомендуем изучить: vse-elektrichestvo.ru/novosti/izobretenie-dedala-vibrotramvaj.html.
(4 голосов, 1,00 из 5)
Загрузка...
