Термоэлектрическое охлажение-принцип работы
Начнем с грубейшей ошибки, которая из года в год копируется новоиспеченными продавцами кулеров для воды.
НЕ БЫВАЕТ ЭЛЕКТРОННОГО ТИПА ОХЛАЖДЕНИЯ, БЫВАЕТ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ
Термоэлектрическое охлаждение- принцип работы.
Если кто-то, когда-то назвал термоэлектрическое охлаждение электронным, то это было не только по глупости, но и по тупости. ДА, охлаждение управляется электронной схемой, но это не значит, что телевизор, который тоже весь насквозь состоит из электроники, тоже может что-то охлаждать. Скорее наоборот: любая электронная схема выделяет тепло, но не выделяет холод.
Принцип термоэлектрического охлаждения достаточно сложен для подробного объяснения, поэтому мы упростим описание всего процесса. Итак, в кулерах для воды или пурифайерах или автомобильных холодильниках, оснащенных термоэлектрическим охлаждением имеется три активных компонента:
Плюсы термоэлектрического охлаждения:
Дешево и сердито, низкий вес всего аппарата, менее шумное, но тоже жужжит вентилятор, практически нет вибрации при исправном вентиляторе.
Минусы термоэлектрического охлаждения:
Срок жизни обычно не более 3-5 лет, после чего либо пластина «умирает», либо клинит вентилятор, либо «умирает»плата управления. Малая мощность производимого холода, если это вода- то кое-как 1 литр в час при идеальных условиях, если сливать больше 3х литров воды в сутки, срок жизни пластины Пельтье сокращается очень быстро.
Нельзя ставить в пыльных, влажных помещениях, в помещениях с повышенной температурой.
Очень медленно охлаждает, если внешняя температура высокая (летом). Дорогое удовольствие в ремонте, если «вылетают» все три компонента, дешевле купить новый аппарат.
Вывод: подобные аппараты можно ставить там, где малое потребление холодной воды: дом, небольшой офис и тд.
Термоэлектрический эффект и охлаждение
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:
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:
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:
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:
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.
Как устроены и работают термоэлектрические холодильники, их достоинства и недостатки
Термоэлектрический холодильник — охлаждающий прибор, работающий на принципе поглощения тепла в контакте разнородных материалов при прохождении через него тока определенного направления.
Термоэлектрическое охлаждение — понижение (повышение) температур в электрической цепи на основе эффекта Пельтье.
Достоинства термоэлектрических холодильников :
отсутствие движущихся частей и изнашивающихся деталей;
отстувие веществ, вызывающих коррозию;
практически неогранич енный срок службы;
невысокая стоимость при массовом производстве;
небольшие вес и габариты.
Недостаток термоэлектрических холодильников : необходимость непрерывного электропитания (отключение его приводит к быстрому повышению темп ерату ры в рабочем объеме).
При приложении постоянной разности потенциалов к цепи, состоящей из двух проводников, имеющих разную зонную структуру, в местах контактов выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла, как следствие перехода носителей заряда из одного проводника в другой, при этом они теряют часть энергии, преодолевая энергетический барьер (происходит охлаждение), либо приносят с собой добавочную потенциальную энергию (переходящую в кинетическую), «скатываясь» с барьера (происходит нагревание).
Термоэлектрическое охлаждение осуществляется с применением полупроводниковых термоэлементов. При непрерывном рассеянии тепла с горячих спаев термоэлементов на холодных их спаях будет стационарно поддерживаться пониженная температура.
С увеличением силы тока температура снижается до тех пор, пока не наступает динамическое равновесие поглощенного тепла Пельтье с потоком тепла, поступающего с горячих спаев вследствие теплопроводности веществ и за счет части тепла, выделяющегося на холодном спае.
Модуль Пельтье для холодильника
Контактирующая пара для достижения наибольшего эффекта охлаждения изготавливается из полупроводников, обладающих разными знаками коэффициентов термоэдс и имеющих максимальную термоэлектрическую эффективность в рабочем интервале температур.
Виды и технические характеристики термоэлементов: Разновидности модулей Пельтье
Полупроводниковый термоэлемент — устройство, непосредственно преобразующее тепловую энергию в электрическую или осуществляющее охлаждение (нагревание). В первом случае разность температур, возникающая на спаях ветвей термоэлемента при пропускании через него теплового потока, вызывает появление в цепи термоэдс, в результате чего на внешней нагрузке выделяется полезная электрическая мощность. Во втором случае электроны и дырки, движущиеся в ветвях термоэлемента под действием приложенной постоянной разности потенциалов, переносят теплоту с одного спая на другой, вызывая, соответственно, охлаждение одного и нагрев другого спая.
Термоэлементы для термоэлектрических холодильников путем последовательного соединения объединяются в термобатарею в виде плоской плиты (при использовании полупроводников в форме прямоугольных параллелепипедов) или цилиндра (при применении полупроводниковых шайб), при этом горячие и холодные спаи оказываются разнесенными в разные стороны.
Радиаторами батареи, забирающими и отдающими тепло, служат пластины (медные, алюминиевые), которыми коммутируются термоэлементы. В других случаях применяются специльные металлические радиаторы, изолированные от термобатареи (термоблока) слюдяными пластинками, покрытыми смесью алюминиевой пудры с силиконовым лаком.
Подлежащий охлаждению предмет иногда припаивается или приклеивается непосредственно на холодный радиатор батареи.
В иных случаях для размещения объекта изготавливается термоизолированная камера в виде двух, вставленных друг в друга, металлических кожухов (из меди, алюминия), пространство между которыми заполняется теплоизоляционным материалом (обычно пенопластом). Для отбора тепла из рабочего объема холодный радиатор соединяется с внутренним кожухом.
Повышение мощности термоэлементов ограничено вредным влиянием переходных сопротивлений, а также резким возрастанием теплового напора на их спаях. Поэтому важное значение в проблеме использования термоэлементов в холодильных установках имеют вопросы рассеивания выделяемого ими тепла.
Отвод «откачанного» из объема и выделенного на батарее тепла от горячих спаев осуществляется путем естественного теплообмена с воздухом (для повышения эффективности радиатор изготавливают ребристым) или испарением циркулирующей воды.
В стационарных термоэлектрических холодильниках предпочтение отдается охлаждению проточной водой. Для отвода тепла может быть использована вторая термоэлектрическая батарея (таким каскадированием достигается более глубокое общее термоэлектрическое охлаждение).
Холодильные термоэлементы (и термобатареи) могут работать либо в режиме максимальной холодопроизводительности (основная задача — охлаждение, количество потребляемой электроэнергии не играет роли) или максимального холодильного коэффициента (т. е. наивыгоднейшего для данной разности температур соотношения между холодопроизводительностью и потребляемой электрической мощностью).
Холодопроизводительность (при заданной разности температур) прямо пропорциональна потребляемой термоэлементом или батареей термоэлементов электрической мощности.
Для питания термоэлектрических холодильников используют сильноточные источники небольшого постоянного напряжения. Меняя величину тока через термоэлектрический холодильник, можно легко регулировать температуру на рабочих спаях термобатареи. Изменением направления тока термобатарея превращается в нагреватель. Эти возможности позволили создать полупроводниковые термостаты.
Первые термоэлектрические холодильники были разработаны в 1950-х годах XX века. Они были созданы для использования в астрономии, ядерной физике, электронике, вакуумной технике, метрологии, медицине и во многих других областях науки, техники, сельского хозяйства и быта.
В науке и технике, где часто необходимо охлаждение малых объемов (до нескольких литров), способ термоэлектрического охлаждения (нагревания) во многих случаях оказывается единственно пригодным.
Используя обратимость эффекта Пельтье, осуществляют термостабилизацию (изменение полярности приложенного напряжения превращает холодный спай в горячий) при температуре, более низкой, чем окружающая.
Термоэлектрический модуль для 40-литрового настольного холодильника LG Objet (размер 55 x 55 x 4,5 мм). Режим охлаждения без обычного компрессора и хладагента. Холодильник LG Objet может снизить температуру охлаждения до 3°C, в то время как в традиционных небольших холодильниках температура ограничена до 8°C. Температуру можно контролировать с точностью до градуса, что обеспечивает лучшую сохранность продуктов.
В последнее десятилетие стали очень популярны различные переносные устройства (автохолодильники, сумки-холодильники, термобоксы), работающие с помощью термоэлектрического охлаждения. Для использования в автотранспорте и в качестве различных переносных устройств термоэлектрические холодильники наиболее экономичны, а иногда и незаменимы.
В будущем такой способ охлаждения будет широко использоваться в системах кондиционирования воздуха в помещениях, в мощных холодильных машинах, рефрежираторах и т. п.
Переносной термоэлектрический холодильник MOBICOOL Q40 на 40 литров. Он может быть подключен к электрической сети, а также в гнездо прикуривателя автомобиля.
В отличие от термоэлектрического холодильника термоэлектрический генератор — устройство для непосредственного (безмашинного) преобразования тепловой энергии в электрическую.
При прохождении теплового потока через через термоэлемент на нем возникает разность температур, что ведет к появлению термоэдс в ветвях термогенератора, а при замыкании на внешнюю нагрузку — к выделению на ней полезной электрической мощности.
Источниками тепла могут служить специально сжигаемое топливо или тепловые отходы газов, использованных в двигателях, тепловое излучение реакторов, доменных печей, теплоцентралей и др.
Подробнее про термогенераторы и особенности их использования смотрите здесь:
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.
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.
