Termoelektromos hatás és hűtés
A termoelektromos hűtők alkalmazásának hatékonysága a többi típusú hűtőgéphez képest nagyobb, annál kisebb a hűtött térfogat. Ezért a leghatékonyabb jelenleg használt termoelektromos hűtés a hűtőszekrények házi használatra, a hűtők élelmiszer folyadékok, légkondicionálók, továbbá, a termoelektromos hűtés sikeresen használják a kémia, biológia és az orvostudomány, metrológia, valamint a kereskedelmi hideg (miközben a hőmérsékletet a hűtőszekrények) , hűtött közlekedés (hűtőszekrények) és más területeken
A technikában széles körben ismeretes a thermoEMF képződése a forrasztott vezetékekben, amelyek különböző hőmérsékleteken (Seebeck-effektus) tarthatók. Abban az esetben, ha egy állandó áramot áthaladnak két különböző anyag láncon, akkor az egyik csomópont felmelegszik, a másik pedig lehűl. Ezt a jelenséget termoelektromos hatásnak vagy Peltier-effektusnak nevezzük.
Az 1. ábrán. Az 1. ábra a hőelem diagramját mutatja. Két félvezető n és m képezik az áramkört, amely átmegy egy állandó áram az áramforrásról S. ahol X hidegpont hőmérséklet alacsonyabb lesz, és a forró csomópont T hőmérséklet nagyobb lesz, mint a környezeti hőmérséklet t. E. hőelem kezd funkciók ellátására a hűtőberendezés. pn-átmenet hőmérsékletének csökken annak a ténynek köszönhető, hogy a hatása alatt az elektromos mező, a mozgó elektronok egy ág termoelem (m), hogy egy másik (N), mozgó egy új állapotban egy nagyobb energia. Az elektronok energiája nő a kinetikus energia miatt. amely a termoelemek ágai közül a csomópontokon lévő atomok közül választott, ennek eredményeképpen ezt az X csomópontot lehűtik. Az átmenet a magasabb energia szinten (N ág) alacsony energiaszintet (ág T) elektronok feladni annak néhány energia atomok T hőelem-csatlakozást, amely melegíteni kezd.
Az 1940-es évek végén és az 1950-es évek elején hazánkban az AF Ioffe akadémikus és diákjai nagyon fontos tanulmányokat folytattak a termoelektromos hűtés elméletének fejlesztésével kapcsolatban. E vizsgálatok alapján először egy sor hűtőberendezést terveztek és teszteltek.
A termoelektromos hűtőgépek energiahatékonysága jóval alacsonyabb, mint más típusú hűtőgépeké, de az egyszerűség, megbízhatóság és a zaj hiánya miatt a termoelektromos hűtés nagyon ígéretes.
A THERMOELECTRIC HŰTÉSI ALKALMAZÁS HATÉKONYSÁGA
Anyag kiválasztása tételekhez
A hőelemek gazdaságossága, valamint a csomópontok hőmérsékletének maximális csökkenése függ a z félvezető anyag hatékonyságától (minőségi tényezőjétől). amely magában foglalja az elektromos vezetőképességet # 963; thermoEMF együttható # 945; és a hővezetőképesség # 954;. Ezek a mennyiségek összefüggenek egymással, mivel ezek a szabad elektronok vagy lyukak koncentrációjától függenek. Ez a függőség a 3. ábrán látható. 2. Az ábrán látható, hogy az elektromos vezetőképesség # 963; arányos a n hordozók számával. A termoenergetika az n növekedésével nullázódik, és növekszik a csökkenő n értékkel. A k hővezető képesség két részből áll: a kristályrács hővezető képessége # 954; amely gyakorlatilag független n. és az elektronikus hővezető képesség # 954; amely n arányos. A fémek és fémötvözetek hatékonysága alacsony a thermoEMF alacsony koefficiensének és a dielektrikumoknak köszönhetően - nagyon alacsony elektromos vezetőképesség miatt. A fémekkel és dielektrikumokkal összehasonlítva a félvezetők hatékonysága sokkal magasabb, ami azt magyarázza, hogy ma már ma is széles körben használják a hőelemeket. Az anyagok hatékonysága a hőmérséklet függvénye is.
A termoelem két ágból áll: negatív (n-típusú) és pozitív (p-típusú). Mivel az elektronikus permeabilitással rendelkező anyagnak negatív jelzésű termoelektromos teljesítménye van, és egy olyan anyag, amelynek vezetőképessége - pozitív vezetőképességgel - a termoelektromos teljesítmény nagyobb értékét érheti el.
A thermoEM növekedésével a z növekszik. A hőelemek jelenleg használt alacsony hőmérsékletű termoelektromos anyagok, amelyek a prekurzorok bizmut, antimon, szelén vagy tellúr. Ezeknek az anyagoknak a maximális hatékonysága szobahőmérsékleten: 2,6 ± 10 -3 ° C -1 az n típusnál, 2,6 ° 10 -1 ° C -1 a p-típusú esetében. Jelenleg Bi2 TE3 ritkán használják, mert ez alapján kezdődött szilárd oldatok Bi2 TE3 -Be2 Se3 és Bi2 TE3 -Sb2 TE3 magasabb értékei z. Ezeket az anyagokat először nyert tanult hazánkban, és ezek alapján kezdett el termelni TVEH-1 ötvözetek és TVEH-2 ág elektronikus vezetőképesség és TVDH TVDH-1 és 2 - az ágak lyuk képesség [1]. Szilárd oldatok Bi-Se használunk alatti hőmérsékleten 250 K. A legnagyobb értéke z = 6 × 10 -3 ° C -1 T≈80 ÷ eléri 90 K Érdekes megjegyezni, hogy a hatékonysága az ötvözet jelentősen megnő a mágneses mezőben.
A félvezető ágakat jelenleg három módszerrel állítják elő: por-kohászat, irányított kristályosítással és az ömledékből való rajzolással. A por-kohászat módszere a hideg vagy forró préselés módszerével a leggyakoribb.
A termoelektromos hűtőberendezésekben rendszerint hőelemeket alkalmaznak, amelyeknél a negatív ágat forró préseléssel és a pozitív hideg préselés módszerével állítják elő.
A hőelemek mechanikai szilárdsága elhanyagolható. Így a Bi2 Te3-Sb2 Te3 ötvözet mintáiban. forró vagy hideg préseléssel készült, a nyomószilárdság 44,6-49,8 MPa. A termoelemnek az 1 kapcsolólap (3. ábra) és a 6 félvezető ág közötti megnövelése érdekében egy 3 csillapítóvezeték van elhelyezve; Ezenkívül az alacsony olvadáspontú forrasztóanyagokat 2-4 és a SiSb 5 forrasztót használják, amelyek azt mutatják, hogy a termoelektromos eszközök vibrációs ütésállósága 20 g-ig terjed. alacsony hűtési kapacitású termoelektromos hűtők - 250 g-ig.
A termoelektromos hűtőberendezések összehasonlítása más hűtési módszerekkel
A termoelektromos hűtőberendezéseknek számos előnye van a többi hűtőgéphez képest. Jelenleg a hajók légkondicionáló rendszerei hőkezelő vagy gőzzel működő hűtőgépeket használnak. A hideg évszakban a hajók szobáit elektromos, gőz- vagy vízmelegítővel melegítik, vagyis külön hő- és hidegforrásokat használnak. A termoelektromos készülékek segítségével a meleg időszakban lehet hűteni a szobákat, és a hideg - hő. A fűtési mód a hűtő üzemmódra vált az elektromos áram megfordításával. Ezen túlmenően a termoelektromos eszközök előnyei magukban foglalják a teljes működési hiányosságot a működés, a megbízhatóság, a munkadarab és az olaj hiányában, kisebb tömeg és teljes méretek ugyanolyan hűtési kapacitással. A hajókon lévő kamrákkal ellátott hűtőházakra vonatkozó összehasonlító adatok azt mutatják, hogy ugyanolyan hűtési kapacitással a hőelektromos hűtőgép tömege 1,7-1,8-szer kisebb. A légkondicionáló berendezések termoelektromos hűtőszekrényeinek térfogata körülbelül négy, a tömeg háromszor kisebb, mint a hűtőszekrények.
A hőhűtő berendezések hátrányai az alacsony hatékonyság és a magas költségek. A termoelektromos hűtőgépek gazdaságossága 20-50% -kal alacsonyabb a gőzzel szemben [1]. A hőhűtő berendezések magas költsége a félvezető anyagok magas árainak köszönhető. Vannak olyan területek, ahol már képesek versenyezni más típusú hűtőszekrényekkel. Például gázok és folyadékok hűtésére szolgáló termoelektromos eszközöket kezdtek használni. Ennek a csoportnak a eszközök szolgálhat vízhűtők, légkondicionálók, hűtőberendezések reagensek kémiai gyártási, és mások. Ezen hűtőberendezések példakénti ciklus háromszög Lorentz ciklus (lásd. Ábra. 4). A mintaciklus megközelítése egyszerűen megvalósítható, mivel ehhez csak a kommutáció elektromos áramkörét kell módosítani, ami nem okoz konstruktív nehézségeket. Ez bizonyos esetekben több mint kétszerese lehetõvé teszi a termoelektromos hûtõgépek hatékonyságának növelését. Ennek az elvnek a megvalósításához összetett, többfokozatú sűrítési sémát kell alkalmazni egy gőzhűtőben.
Nagyon ígéretes lehet a termoelektromos készülékek használata, mint a "hőátadás fokozója". Azokban az esetekben, amikor egy kis helyről van szükség a hő elosztására a környezetre, és a hőérzékeny felület korlátozott, a felszínen lévő hőelemek jelentősen fokozzák a hőátadás folyamatát. A tanulmányok szerint [2] a viszonylag alacsony energiafogyasztás jelentősen növelheti a fajlagos hőáramlást. Lehetőség van az energiafogyasztás nélküli hőátadás fokozására. Ebben az esetben a termobattery lezárása szükséges. A hőmérséklet-különbség jelenléte a Seebeck termoelektromos teljesítményének megjelenését eredményezi, amely a termoelektromos elemet táplálja. Termoelektromos készülékek segítségével elkülöníthetjük az egyik hőátadó közeget, azaz tökéletes hőszigetelésként használhatjuk.
Egy fontos tény, továbbá meghatározza azokat a területeket, ahol a termoelektromos hűtők képesek versenyezni más típusú hűtőgépek, még az energiahatékonyság, hogy a csökkentés hűtési kapacitás, például gőzt hűtőberendezések csökkenéséhez vezet, a hatásfok. Termoelektromos hűtőgép esetén ezt a szabályt nem tartják be, és hatékonysága gyakorlatilag független a hűtési kapacitástól. Már most hőmérsékletnek Tx = 0 ° C és a Tc = 26 ° C, és a termelékenység a több tíz watt hatásfoka a gép közel van a termoelektromos hatékonysága a gőz hűtőberendezés.
A termoelektromos hűtés széles körű bevezetése függ a tökéletes félvezető anyagok létrehozásának előrehaladásától, valamint a gazdaságilag hatékony termobatterek tömeggyártásától.