Efecte termoelèctric i refredament, efecte Peltier

L’eficiència econòmica d’utilitzar refrigeradores termoelèctriques en comparació amb altres tipus de màquines frigorífiques augmenta, més petit és el volum del refrigerat. Per tant, el més racional actualment és l’ús de refrigeració termoelèctrica per a frigorífics domèstics, en refrigeradors líquids alimentaris, climatitzadors, a més, el refrigeració termoelèctrica s’utilitza amb èxit en química, biologia i medicina, metrologia, així com en fred comercial (mantenint la temperatura en refrigeradors) , transport de refrigeració (refrigeradors) i altres zones

Efecte termoelèctric

L’efecte de l’ocurrència és àmpliament conegut en l’art termoEMF en conductors soldats, contactes (juntes) entre els quals es mantenen a diferents temperatures (Efecte seebeck) En el cas que es passa un corrent constant per un circuit de dos materials diferents, una de les juntes comença a escalfar-se i l’altra comença a refredar-se. Aquest fenomen s’anomena efecte termoelèctric o Efecte peltier.

Fig. 1. Esquema del termopar

A la fig. La figura 1 mostra un esquema d'una termopar. Dos semiconductors n i m formen un circuit al llarg del qual passa corrent directe des de la font d’energia C, mentre que la temperatura de les juntes fredes X es baixa i la temperatura de les juntes calentes G arriba a ser superior a la temperatura ambient, és a dir, el termoparlant comença a exercir les funcions d’una màquina frigorífica.

La temperatura de la unió disminueix a causa que, sota la influència d’un camp elèctric, els electrons que es mouen d’una branca del termopar (m) a una altra (n) passen a un estat nou amb una energia més elevada. L’energia dels electrons augmenta a causa de l’energia cinètica extreta dels àtoms de les branques de termoel·lecció als llocs de la seva conjugació, com a conseqüència que es refreda aquesta unió (X).

En el pas d’un nivell d’energia més elevat (branca n) a un nivell d’energia baix (branca t), els electrons donen part de la seva energia als àtoms de la unió del termopar, que comença a escalfar-se.

Al nostre país a finals dels anys quaranta i principis dels anys cinquanta Acadèmic A.F.Ioffe i els seus estudiants van realitzar investigacions molt importants relacionades amb el desenvolupament de la teoria del refrigeració termoelèctrica. A partir d’aquests estudis, es va dissenyar i provar una sèrie de dispositius de refrigeració.

Eficiència energètica dels refredadors termoelèctrics significativament inferior a l’eficàcia d’altres tipus de refrigeradors, no obstant això, la simplicitat, fiabilitat i falta de soroll fan que l’ús del refrigeració termoelèctric sigui molt prometedor.

Eficiència de refrigeració termoelèctrica

Selecció de material per a articles

L’eficiència del termopar, així com la disminució màxima de la temperatura a les juntes, depenen de l’eficiència (factor de qualitat) de la substància de semiconductor z, que inclou la conductivitat elèctrica σ, el coeficient termoelèctric α i la conductivitat tèrmica κ. Aquests valors estan interrelacionats, ja que depenen de la concentració d’electrons o forats lliures. Aquesta dependència es presenta a la Fig. 2

Es pot veure a la figura que la conductivitat elèctrica σ és proporcional al nombre de portadors n, la termoEMF tendeix a zero amb n augmentant i augmenta amb n decreixent. La conductivitat tèrmica k consta de dues parts: la conductivitat tèrmica de la gelosia de cristall κp, pràcticament independent de n, i la conductivitat tèrmica electrònica proporte, proporcional a n.

L’eficiència dels metalls i els aliatges metàl·lics és baixa pel baix coeficient de termoEMF, i en la dielèctrica a causa de la conductivitat elèctrica molt baixa.En comparació amb els metalls i la dielèctrica, l’eficiència dels semiconductors és molt més elevada, cosa que explica el seu ús estès actualment en els termoelements. L’efectivitat dels materials també depèn de la temperatura.

El termopar es compon de dues branques: negativa (de tipus n) i positiva (de tipus p). Com que el material amb permeabilitat d’electrons presenta una emf negativa i el material amb conductivitat del forat té un signe positiu, es pot obtenir un termopower superior.

Fig. 2. Dependències qualitatives de la potència tèrmica, la conductivitat elèctrica i la conductivitat tèrmica de la concentració del portador

Amb un augment de la potència tèrmica, z augmenta.

Per als termoelements, actualment s’utilitzen materials termoelèctrics a baixa temperatura, els primers materials dels quals són bismut, antimoni, seleni i tel·lur. La màxima eficiència z d’aquests materials a temperatura ambient és: 2,6 · 10-3 ° С-1 per al tipus n, 2,6 · 10-1 ° С-1 per al tipus p.

Actualment, Bi2Te3 rarament s'utilitza, ja que les solucions sòlides Bi2Te3-Be2Se3 i Bi2Te3-Sb2Te3 creades a la seva base tenen valors z més elevats. Aquests materials es van obtenir per primera vegada i es van estudiar al nostre país i es va dominar la producció d'aliatges TVEH-1 i TVEH-2 per a branques amb conductivitat electrònica i TVDH-1 i TVDH-2 per a branques amb conductivitat de forats [1].

Les solucions sòlides Bi-Se s’utilitzen en l’interval de temperatures per sota dels 250 K. El valor màxim z = 6 · 10-3 ° C-1 arriba a T≈80 ÷ 90 K. És interessant notar que l’eficiència d’aquest aliatge augmenta significativament en un camp magnètic.

Les branques de semiconductors es fabriquen actualment mitjançant tres mètodes: metal·lúrgia en pols, colada amb cristal·lització directa i extracció de la fosa. El mètode de la metal·lúrgia en pols amb premsat en fred o en calent de les mostres és el més comú.

Els dispositius de refrigeració termoelèctrica utilitzen, per regla general, termoelements en els quals la branca negativa es realitza per premsat en calent i la branca positiva per premsat a fred.

Fig. 3. Esquema del termopar

La resistència mecànica de les termoparells és insignificant. Així, en mostres de l’aliatge Bi2Te3-Sb2Te3 fabricat per premsat en calent o en fred, la resistència a la compressió és de 44,6-49,8 MPa.

Per augmentar la resistència del termopar, es col·loca una placa d'amortització 3 entre la placa de commutació 1 (Fig. 3) i la branca de semiconductor 6; a més, s’utilitzen soldadures de baix fusió 2, 4 i SiSb 5. Les proves demostren que els dispositius termoelèctrics tenen resistència a les vibracions a xocs fins a 20g, refrigeradors termoelèctrics de baixa capacitat de refrigeració fins a 250g.

Comparació de dispositius de refrigeració termoelèctrica amb altres mètodes de refrigeració

Els dispositius de refrigeració termoelèctrics tenen diversos avantatges respecte a altres tipus de refrigeradors. Actualment, els vaixells utilitzen climatitzadors o refrigeradors de vapor en sistemes de climatització. A la temporada de fred, els locals de les naus s’escalfen amb escalfadors elèctrics, de vapor o d’aigua, és a dir, s’utilitzen fonts de calor i fred separades.

L'ús de dispositius termoelèctrics en temporada càlida és possible refredar els locals i, en fred, escalfar-los. El mode de calefacció es canvia al mode de refrigeració invertint el corrent elèctric.

A més, els avantatges dels dispositius termoelèctrics inclouen: l’absència completa de soroll durant l’operació, la fiabilitat, l’absència d’una substància de treball i d’oli, un pes menor i unes dimensions generals a la mateixa capacitat de refrigeració.

Les dades comparatives de les màquines de chladone per proveir les cambres en els vaixells demostren que, amb la mateixa capacitat de refrigeració, la massa d’una màquina frigorífica termoelèctrica és d’1,7-1,8 vegades menys.

Els refrigeradors termoelèctrics per als sistemes de climatització tenen un volum aproximat de quatre i una massa tres vegades menor que els refredadors de cladona.

Fig. 4. El cicle de Lorentz

El desavantatge dels dispositius de refrigeració tèrmica inclou la seva baixa rendibilitat i augment del seu cost.

La rendibilitat dels frigorífics termoelèctrics en comparació amb el vapor és aproximadament un 20-50% inferior [1]. L’elevat cost dels dispositius de refrigeració termoel·lecció s’associa a preus elevats dels materials semiconductors.

Tot i això, hi ha àrees on ara poden competir amb altres tipus de refredadors. Per exemple, van començar a utilitzar dispositius termoelèctrics per refrigerar gasos i líquids. Exemples d'aparells d'aquesta classe són refrigeradors d'aigua potable, climatitzadors, refrigerants de reactius en la producció química, etc.

Per a aquests refredadors, el cicle model serà el cicle de Lorentz triangular (vegeu Fig. 4). L’aproximació al cicle del model s’aconsegueix d’una manera senzilla, ja que això només requereix modificar els circuits de commutació, que no provoquen dificultats estructurals. Això permet augmentar significativament, en alguns casos, més del doble, l’eficiència de les màquines frigorífiques termoelèctriques. Per aplicar aquest principi en un refrigerador de vapor, caldria aplicar un complex esquema de compressió en múltiples etapes.

L’ús de dispositius termoelèctrics com a “Potenciador de la transferència de calor”. En aquells casos en què sigui necessari eliminar calor de l’espai reduït a l’entorn i que la superfície de contacte tèrmica sigui limitada, les bateries termoelèctriques situades a la superfície poden intensificar significativament el procés de transferència de calor.

Tal com demostren els estudis [2], un consum energètic relativament reduït pot augmentar significativament el flux de calor específic. La transferència de calor es pot intensificar fins i tot sense consum d’energia. En aquest cas, tanqueu el termopile.

Es produirà una diferència de temperatura Termoemblema del seebeck, que proporcionarà energia a la bateria termoelèctrica. Mitjançant dispositius termoelèctrics, és possible aïllar un dels mitjans d'intercanvi de calor, és a dir, utilitzar-lo com a aïllament tèrmic perfecte.

Una circumstància important, que també determina la zona en què els refrigeradors termoelèctrics són capaços de competir amb altres tipus de refrigeradors fins i tot en eficiència energètica, és que una disminució de la capacitat de refrigeració de, per exemple, refrigeradors de vapor condueix a una disminució del seu coeficient de refrigeració.

Per a un refrigerador termoelèctric, no es respecta aquesta regla i la seva efectivitat és pràcticament independent de la capacitat de refrigeració. Actualment, per a les temperatures Tx = 0 ° C i Tk = 26 ° C i un rendiment de diverses desenes de vats, l’eficiència energètica d’una màquina termoelèctrica s’aproxima a l’eficiència d’una màquina frigorífica de vapor.

Adopció generalitzada refrigeració termoelèctrica dependrà del progrés en la creació de materials semiconductors avançats, així com de la producció en sèrie de bateries tèrmiques econòmicament eficients.

Referències

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Naveu dispositius de refrigeració termoelèctrica. - L .: Construcció naval, 1972.— 191 pàg.

2. Martynovsky V. S. Cicles, circuits i característiques dels termotransformadors - M.: Energy, 1979.— 285 pàg.

Llegiu també sobre aquest tema:Efecte peltier: l’efecte màgic del corrent elèctric