Termoelektrik etki ve soğutma, Peltier etkisi

Termoelektrik buzdolaplarının diğer tipteki soğutma makinelerine kıyasla kullanılmasının ekonomik etkinliği, soğutulan hacmin hacmi ne kadar az olursa o kadar artar. Bu nedenle, şu anda en rasyonel, ev buzdolapları için, gıda sıvı soğutucularında, klimalarda termoelektrik soğutmanın kullanılması, buna ek olarak, termoelektrik soğutma, kimya, biyoloji ve tıp, metroloji ve ticari soğukta başarılı bir şekilde kullanılmaktadır (buzdolaplarındaki sıcaklığı korumak) , soğutma taşımacılığı (buzdolapları) ve diğer alanlar

Termoelektrik etki

Oluşumun etkisi teknikte yaygın olarak bilinmektedir. thermopower lehimli iletkenlerde, aralarında farklı sıcaklıklarda tutulan kontaklar (bağlantı noktaları) (Seebeck etkisi). İki farklı malzemeden oluşan bir devreden sabit bir akım geçirildiğinde, bağlantı noktalarından biri ısınmaya başlar ve diğeri soğumaya başlar. Bu fenomene denir termoelektrik etki veya Peltier etkisi.

Şek. 1. Termokupl diyagramı

Şek. Şekil 1, bir termokuplun bir diyagramını göstermektedir. İki yarı iletken n ve m, doğrudan akımın güç kaynağından (C) geçtiği bir devre oluştururken, soğuk bağlantıların (X) sıcaklığı daha düşük olur ve sıcak bağlantıların (G) sıcaklığı ortam sıcaklığından daha yüksek olur, yani, termokupl bir soğutma makinesinin işlevlerini yerine getirmeye başlar.

Bir elektrik alanının etkisi altında, termokuplun (m) bir dalından diğerine (n) hareket eden elektronların daha yüksek enerjiyle yeni bir duruma geçmesi nedeniyle bağlantı sıcaklığı azalır. Elektronların enerjisi, konjugasyon yerlerinde termoelement dallarının atomlarından alınan kinetik enerjiye bağlı olarak artar, bunun sonucunda bu bağlantı (X) soğutulur.

Daha yüksek bir enerji seviyesinden (dal n) düşük bir enerji seviyesine (dal t) geçişte, elektronlar enerjilerinin bir kısmını ısınmaya başlayan termokuplun birleşme atomlarına verir.

Ülkemizde 1940'ların sonunda ve 1950'lerin başında Akademisyen A.F. Ioffe öğrencileri termoelektrik soğutma teorisinin gelişimi ile ilgili çok önemli araştırmalar yaptılar. Bu çalışmalara dayanarak, ilk önce bir dizi soğutma cihazı tasarlanmış ve test edilmiştir.

Termoelektrik Soğutucuların Enerji Verimliliği diğer soğutucu gruplarının etkinliğinden önemli ölçüde daha düşük olmakla birlikte, basitlik, güvenilirlik ve gürültü eksikliği termoelektrik soğutma kullanımını çok ümit verici kılmaktadır.

Termoelektrik soğutma verimliliği

Ürünler için malzeme seçimi

Termokuplun verimliliği ve kavşaklardaki sıcaklıktaki maksimum azalma, elektrik iletkenliği σ, termoelektrik katsayısı α ve termal iletkenlik includes içeren yarı iletken maddenin z verimliliğine (kalite faktörü) bağlıdır. Bu değerler birbirleriyle ilişkilidir, çünkü bunlar serbest elektronların veya deliklerin konsantrasyonuna bağlıdır. Böyle bir bağımlılık Şek. 2.

Şekilden, elektrik iletkenliğinin σ, taşıyıcı sayısı n ile orantılı olduğu, termoEMF'nin artan n ile sıfıra düştüğü ve azalan n ile arttığı görülmektedir. Termal iletkenlik k iki bölümden oluşur: n'den hemen hemen bağımsız olan kristal kafenin κp'nin termal iletkenliği ve n ile orantılı olarak elektronik termal iletkenlik κe.

Düşük termoEMF katsayısı ve çok düşük elektrik iletkenliği nedeniyle dielektriklerde metallerin ve metal alaşımlarının etkinliği düşüktür.Metaller ve dielektriklerle karşılaştırıldığında, yarı iletkenlerin verimliliği çok daha yüksektir, bu da şu anda termokupllarda yaygın kullanımlarını açıklamaktadır. Malzemelerin etkinliği de sıcaklığa bağlıdır.

Termokupl iki koldan oluşur: negatif (n tipi) ve pozitif (p tipi). Elektron geçirgenliğine sahip bir malzeme negatif bir emf içerdiğinden ve delik iletkenliğine sahip bir malzeme pozitif bir işarete sahip olduğundan, daha yüksek bir termopower elde edilebilir.

Şek. 2. Termopower, elektrik iletkenliği ve termal iletkenliğin taşıyıcı konsantrasyonuna kalitatif bağımlılıkları

Termo gücünde bir artış ile z artar.

Termoelementler için, başlangıç ​​malzemeleri bizmut, antimon, selenyum ve tellür olan düşük sıcaklıklı termoelektrik malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemeler için oda sıcaklığında maksimum verim z: n tipi için 2.6 · 10-3 ° С-1, p tipi için 2.6 · 10-1 ° С-1.

Şu anda, Bi2Te3 nadiren kullanılmaktadır, çünkü temelde oluşturulan Bi2Te3-Be2Se3 ve Bi2Te3-Sb2Te3 katı çözeltileri daha yüksek z değerlerine sahiptir. Bu malzemeler ilk olarak ülkemizde elde edilmiş ve incelenmiş, temelde elektronik iletkenliği olan dallar için TVEH-1 ve TVEH-2 alaşımları ve delik iletkenliği olan dallar için TVDH-1 ve TVDH-2 alaşımları üretilmiştir [1].

Bi-Se katı çözeltileri 250 K'nin altındaki sıcaklık aralığında kullanılır. Z = 6 · 10-3 ° C-1'in maksimum değeri T≈80 ÷ 90 K'ye ulaşır. Bu alaşımın verimliliğinin manyetik bir alanda önemli ölçüde arttığına dikkat çekmek ilginçtir.

Yarı iletken dallar şu anda üç yöntemle üretilmektedir: toz metalurjisi, yönlendirilmiş kristalleştirme ile döküm ve eriyikten çekme. Soğuk veya sıcak numunelerin preslenmesi ile toz metalurjisi yöntemi en yaygın olanıdır.

Termoelektrik soğutma cihazlarında, kural olarak, negatif dalın sıcak presleme ile ve pozitif dalın soğuk presleme ile yapıldığı termo elemanlar kullanılır.

Şek. 3. Termokupl diyagramı

Termokuplların mekanik gücü ihmal edilebilir düzeydedir. Bu nedenle, sıcak veya soğuk presleme ile üretilen Bi2Te3-Sb2Te3 alaşımının örneklerinde, sıkıştırma mukavemeti 44.6-49.8 MPa'dır.

Termokuplun mukavemetini arttırmak için, anahtarlama plakası 1 (Şekil 3) ile yarı iletken dal 6 arasına bir sönümleme kurşun plakası 3 yerleştirilir; Buna ek olarak, düşük erime noktalı lehimler 2, 4 ve SiSb 5 lehim kullanılır.Testler, termoelektrik cihazların 20g'a kadar titreşim-şok direncine, düşük soğutma kapasiteli termoelektrik soğutuculara - 250g'a kadar olduğunu göstermektedir.

Termoelektrik soğutma cihazlarının diğer soğutma yöntemleriyle karşılaştırılması

Termoelektrik soğutma cihazları diğer soğutma gruplarına göre çeşitli avantajlara sahiptir. Şu anda, gemiler klima sistemlerinde klima veya buharlı soğutma grupları kullanmaktadır. Soğuk mevsimde, gemi binaları elektrikli, buhar veya su ısıtıcıları ile ısıtılır, yani ayrı ısı ve soğuk kaynaklar kullanılır.

Sıcak mevsimde termoelektrik cihazları kullanarak, binaları soğutmak ve soğukta ısıtmak mümkündür. Isıtma modu, elektrik akımı ters çevrilerek soğutma moduna değiştirilir.

Ek olarak, termoelektrik cihazların avantajları şunları içerir: çalışma sırasında gürültünün tamamen olmaması, güvenilirlik, bir çalışma maddesinin ve yağın olmaması, aynı soğutma kapasitesinde daha küçük ağırlık ve toplam boyutlar.

Gemilerdeki odaların temini için chladone makinelerine ilişkin karşılaştırmalı veriler, aynı soğutma kapasitesiyle, bir termoelektrik soğutma makinesinin kütlesinin 1.7-1.8 kat daha az olduğunu göstermektedir.

Klima sistemleri için termoelektrik soğutucular, kladon soğutuculardan yaklaşık dört hacme ve üç kat daha az bir kütleye sahiptir.

Şek. 4. Lorentz döngüsü

Termal soğutma cihazlarının dezavantajları şunları içerir: düşük karlılıkları ve artan maliyetleri.

Termoelektrik buzdolaplarının buharla karşılaştırıldığında maliyet etkinliği yaklaşık% 20-50 daha düşüktür [1]. Termo soğutma cihazlarının yüksek maliyeti, yarı iletken malzemelerin yüksek fiyatları ile ilişkilidir.

Bununla birlikte, şimdi diğer soğutma grupları ile rekabet edebilecekleri alanlar var. Örneğin, gazları ve sıvıları soğutmak için termoelektrik cihazları kullanmaya başladılar. Bu sınıftaki cihazlara örnek olarak içme suyu soğutucuları, klimalar, kimyasal üretimdeki reaktif soğutucuları vb. Verilebilir.

Bu tür soğutucular için, model döngüsü üçgen Lorentz döngüsü olacaktır (bkz. Şekil 4). Model döngüsüne yaklaşmak basit bir şekilde elde edilir, çünkü bu sadece yapısal zorluklara neden olmayan anahtarlama devresini değiştirmeyi gerektirir. Bu, bazı durumlarda iki kattan fazla, termoelektrik soğutma makinelerinin verimliliğini önemli ölçüde artırmanıza izin verir. Bu prensibi bir buhar soğutucuda uygulamak için karmaşık çok aşamalı bir sıkıştırma şemasının uygulanması gerekir.

Termoelektrik cihazların kullanımı “Isı transferi arttırıcı”. Isıyı küçük alandan çevreye çıkarmak gerektiğinde ve termal temas yüzeyi sınırlı olduğunda, yüzeyde bulunan termoelektrik piller ısı transfer sürecini önemli ölçüde yoğunlaştırabilir.

Çalışmalar [2] 'nin gösterdiği gibi, nispeten küçük bir enerji tüketimi spesifik ısı akışını önemli ölçüde artırabilir. Isı transferi enerji tüketimi olmadan da yoğunlaştırılabilir. Bu durumda, termopili kapatın.

Sıcaklık farkının varlığı Seebeck termoEMFTermoelektrik aküye güç sağlayacaktır. Termoelektrik cihazları kullanarak, ısı değişim ortamlarından birini izole etmek, yani mükemmel bir ısı yalıtımı olarak kullanmak mümkündür.

Termoelektrik soğutucuların enerji verimliliğinde bile diğer soğutucu türleriyle rekabet edebildikleri alanı da belirleyen önemli bir durum, örneğin buhar soğutucuların soğutma kapasitesindeki bir azalmanın soğutma katsayılarında bir azalmaya yol açmasıdır.

Bir termoelektrik soğutucu için, bu kurala uyulmaz ve etkinliği soğutma kapasitesinden pratik olarak bağımsızdır. Halihazırda, Tx = 0 ° C ve Tk = 26 ° C sıcaklıklar ve birkaç on watt'lık bir performans için, bir termoelektrik makinenin enerji verimliliği bir buhar soğutma makinesinin verimliliğine yakındır.

Yaygın kabul termoelektrik soğutma gelişmiş yarı iletken malzemeler yaratmanın ilerlemesine ve ekonomik olarak verimli termal pillerin seri üretimine bağlı olacaktır.

Başvurular.

1. Tsvetkov Yu.N., Aksenov S.S., Shulman V. M. Gemi termoelektrik soğutma cihazları - L.: Gemi İnşa, 1972 - 191 s.

2. Martynovsky V. S. Termotransformatörlerin çevrimleri, devreleri ve özellikleri - M .: Energia, 1979— 285 p.

Bu konuda da okuyun:Peltier etkisi: elektrik akımının sihirli etkisi