Effetto termoelettrico e raffreddamento, effetto Peltier

L'efficienza economica dell'utilizzo di frigoriferi termoelettrici rispetto ad altri tipi di macchine frigorifere aumenta quanto più aumenta il volume del volume raffreddato. Pertanto, il più razionale al momento è l'uso del raffreddamento termoelettrico per i frigoriferi domestici, nei refrigeratori di liquidi alimentari, condizionatori d'aria, inoltre, il raffreddamento termoelettrico viene utilizzato con successo in chimica, biologia e medicina, metrologia, nonché nel freddo commerciale (mantenendo la temperatura nei frigoriferi) , trasporto di refrigerazione (frigoriferi) e altre aree

Effetto termoelettrico

L'effetto dell'evento è ampiamente noto nell'arte. termoelettrico in conduttori saldati, i contatti (giunzioni) tra i quali sono mantenuti a temperature diverse (Effetto Seebeck). Nel caso in cui una corrente costante passi attraverso un circuito di due materiali diversi, una delle giunzioni inizia a riscaldarsi e l'altra inizia a raffreddarsi. Questo fenomeno si chiama effetto termoelettrico o Effetto Peltier.

Fig. 1. Diagramma della termocoppia

In fig. 1 mostra uno schema di una termocoppia. Due semiconduttori n e m formano un circuito lungo il quale passa la corrente continua dalla fonte di alimentazione C, mentre la temperatura delle giunzioni fredde X si abbassa e la temperatura delle giunzioni calde G diventa superiore alla temperatura ambiente, ovvero la termocoppia inizia a svolgere le funzioni di una macchina refrigerante.

La temperatura di giunzione diminuisce a causa del fatto che, sotto l'influenza di un campo elettrico, gli elettroni che si spostano da un ramo della termocoppia (m) a un altro (n) entrano in un nuovo stato con un'energia più elevata. L'energia degli elettroni aumenta a causa dell'energia cinetica prelevata dagli atomi dei rami del termoelemento nei punti della loro coniugazione, a seguito della quale questa giunzione (X) viene raffreddata.

Nel passaggio da un livello di energia superiore (ramo n) a un livello di energia basso (ramo t), gli elettroni danno parte della loro energia agli atomi della giunzione della termocoppia, che inizia a riscaldarsi.

Nel nostro paese tra la fine degli anni '40 e l'inizio degli anni '50 Accademico A.F. Ioffe e i suoi studenti hanno condotto ricerche molto importanti relative allo sviluppo della teoria del raffreddamento termoelettrico. Sulla base di questi studi, è stata inizialmente progettata e testata una serie di dispositivi di raffreddamento.

Efficienza energetica dei refrigeratori termoelettrici significativamente inferiore all'efficacia di altri tipi di refrigeratori, tuttavia la semplicità, l'affidabilità e la mancanza di rumore rendono molto promettente l'uso del raffreddamento termoelettrico.

Efficienza di raffreddamento termoelettrico

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L'efficienza della termocoppia, nonché la massima diminuzione della temperatura alle giunzioni, dipendono dall'efficienza (fattore di qualità) della sostanza semiconduttore z, che include la conduttività elettrica σ, il coefficiente termoelettrico α e la conduttività termica κ. Questi valori sono correlati, poiché dipendono dalla concentrazione di elettroni o buchi liberi. Tale dipendenza è mostrata in Fig. 2.

Si può vedere dalla figura che la conduttività elettrica σ è proporzionale al numero di portatori n, la potenza termica tende a zero con l'aumento di n e aumenta con la diminuzione di n. La conducibilità termica k è costituita da due parti: la conducibilità termica del reticolo cristallino κp, che è praticamente indipendente da n, e la conducibilità termica elettronica κe, proporzionale a n.

L'efficienza dei metalli e delle leghe metalliche è bassa a causa del basso coefficiente di termoEMF e nei dielettrici a causa della bassissima conduttività elettrica.Rispetto ai metalli e ai dielettrici, l'efficienza dei semiconduttori è molto più elevata, il che spiega il loro uso diffuso attualmente nelle termocoppie. L'efficacia dei materiali dipende anche dalla temperatura.

La termocoppia è composta da due rami: negativo (tipo n) e positivo (tipo p). Poiché un materiale con permeabilità elettronica ha un emf negativo e un materiale con conduttività del foro ha un segno positivo, si può ottenere una potenza termica superiore.

Fig. 2. Dipendenze qualitative di potenza termica, conducibilità elettrica e conducibilità termica dalla concentrazione del vettore

Con un aumento della potenza termica, z aumenta.

Per i termoelementi vengono attualmente utilizzati materiali termoelettrici a bassa temperatura, i cui materiali di partenza sono bismuto, antimonio, selenio e tellurio. La massima efficienza z per questi materiali a temperatura ambiente è: 2,6 · 10-3 ° С-1 per il tipo n, 2,6 · 10-1 ° С-1 per il tipo p.

Allo stato attuale, Bi2Te3 è usato raramente, poiché le soluzioni solide Bi2Te3-Be2Se3 e Bi2Te3-Sb2Te3 create sulla base hanno valori z più alti. Questi materiali sono stati inizialmente ottenuti e studiati nel nostro paese e sulla base della loro produzione è stata dominata la produzione di leghe TVEH-1 e TVEH-2 per rami con conduttività elettronica e TVDH-1 e TVDH-2 per rami con conduttività del foro [1].

Le soluzioni solide Bi-Se vengono utilizzate nell'intervallo di temperatura inferiore a 250 K. Il valore massimo z = 6 · 10-3 ° C-1 raggiunge T≈80 ÷ 90 K. È interessante notare che l'efficienza di questa lega aumenta significativamente in un campo magnetico.

I rami dei semiconduttori sono attualmente prodotti con tre metodi: metallurgia delle polveri, fusione con cristallizzazione diretta e disegno dal fuso. Il metodo di metallurgia delle polveri con spremitura a freddo oa caldo dei campioni è il più comune.

I dispositivi di raffreddamento termoelettrici utilizzano, di regola, termoelementi in cui il ramo negativo viene realizzato mediante spremitura a caldo e il ramo positivo mediante spremitura a freddo.

Fig. 3. Diagramma della termocoppia

La resistenza meccanica delle termocoppie è trascurabile. Pertanto, per i campioni della lega Bi2Te3-Sb2Te3 prodotta mediante pressatura a caldo o a freddo, la resistenza a compressione è di 44,6-49,8 MPa.

Per aumentare la resistenza della termocoppia, viene posta una piastra di smorzamento 3 tra la piastra di commutazione 1 (Fig. 3) e il ramo 6 dei semiconduttori; inoltre, vengono utilizzate saldature a basso punto di fusione 2, 4 e SiSb 5. I test dimostrano che i dispositivi termoelettrici hanno resistenza alle vibrazioni e agli urti fino a 20 g, dispositivi di raffreddamento termoelettrici con bassa capacità di raffreddamento fino a 250 g.

Confronto di dispositivi di raffreddamento termoelettrico con altri metodi di raffreddamento

I dispositivi di raffreddamento termoelettrici presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di refrigeratori. Attualmente, le navi utilizzano condizionatori d'aria o refrigeratori di vapore nei sistemi di condizionamento dell'aria. Nella stagione fredda, i locali delle navi vengono riscaldati con scaldabagni elettrici, a vapore o ad acqua, ovvero vengono utilizzate fonti separate di calore e freddo.

Usando i dispositivi termoelettrici nella stagione calda, è possibile raffreddare i locali e al freddo - riscaldare. La modalità di riscaldamento passa alla modalità di raffreddamento invertendo la corrente elettrica.

Inoltre, i vantaggi dei dispositivi termoelettrici comprendono: la completa assenza di rumore durante il funzionamento, l'affidabilità, l'assenza di una sostanza e olio di lavoro, un peso ridotto e dimensioni complessive a parità di capacità di raffreddamento.

I dati comparativi sulle macchine chladon per il provisioning delle camere sulle navi mostrano che, con la stessa capacità di raffreddamento, la massa di una macchina di refrigerazione termoelettrica è 1,7-1,8 volte inferiore.

I refrigeratori termoelettrici per i sistemi di condizionamento dell'aria hanno un volume di circa quattro e una massa tre volte inferiore rispetto ai refrigeratori di chladone.

Fig. 4. Il ciclo di Lorentz

Gli svantaggi dei dispositivi di raffreddamento termico includono la loro bassa redditività e l'aumento dei costi.

Il rapporto costo-efficacia dei frigoriferi termoelettrici rispetto al vapore è inferiore di circa il 20-50% [1]. L'alto costo dei dispositivi di raffreddamento termico è associato a prezzi elevati per i materiali semiconduttori.

Tuttavia, ci sono aree in cui ora sono in grado di competere con altri tipi di refrigeratori. Ad esempio, hanno iniziato a utilizzare dispositivi termoelettrici per raffreddare gas e liquidi. Esempi di dispositivi di questa classe includono refrigeratori d'acqua potabile, condizionatori d'aria, refrigeratori di reagenti chimici, ecc.

Per tali refrigeratori, il ciclo del modello sarà il ciclo triangolare di Lorentz (vedi Fig. 4). L'approccio al ciclo del modello è realizzato in modo semplice, poiché ciò richiede solo la modifica dei circuiti di commutazione, il che non causa difficoltà strutturali. Ciò consente di aumentare significativamente, in alcuni casi più del doppio, l'efficienza delle macchine frigorifere termoelettriche. Per attuare questo principio in un chiller a vapore, dovrebbe essere applicato un complesso schema di compressione a più stadi.

L'uso di dispositivi termoelettrici come "Miglioratore del trasferimento di calore". Nei casi in cui è necessario rimuovere il calore dal piccolo spazio nell'ambiente e la superficie del contatto termico è limitata, le batterie termoelettriche situate sulla superficie possono intensificare significativamente il processo di trasferimento del calore.

Come mostrano gli studi [2], un consumo di energia relativamente ridotto può aumentare significativamente il flusso di calore specifico. Il trasferimento di calore può essere intensificato anche senza consumo di energia. In questo caso, chiudere la termopila.

Si verificherà la presenza di una differenza di temperatura Seebeck thermoEMF, che fornirà energia alla batteria termoelettrica. Utilizzando dispositivi termoelettrici, è possibile isolare uno dei mezzi di scambio termico, ovvero usarlo come un perfetto isolamento termico.

Una circostanza importante, che determina anche l'area in cui i chiller termoelettrici sono in grado di competere con altri tipi di chiller anche in termini di efficienza energetica, è che una diminuzione della capacità di raffreddamento, ad esempio, dei chiller a vapore porta a una diminuzione del loro coefficiente di refrigerazione.

Per un refrigeratore termoelettrico, questa regola non viene rispettata e la sua efficacia è praticamente indipendente dalla capacità di raffreddamento. Già attualmente, per temperature Tx = 0 ° C e Tk = 26 ° C e prestazioni di diverse decine di watt, l'efficienza energetica di una macchina termoelettrica è vicina all'efficienza di una macchina per la refrigerazione a vapore.

Adozione diffusa raffreddamento termoelettrico dipenderà dai progressi nella creazione di materiali semiconduttori avanzati, nonché dalla produzione in lotti di batterie termiche economicamente efficienti.

Riferimenti.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Dispositivi di raffreddamento termoelettrico per navi - L.: Shipbuilding, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Cicli, circuiti e caratteristiche dei trasformatori termici - M .: Energia, 1979.— 285 p.

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