2.5. Термоэлектрическая холодильная машина

В термоэлектрическом охлаждающем устройстве низкую температуру получают с помощью полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно в батарею.

Термоэлемент (рис.2.10) состоит из двух с различной проводимостью полупроводников – электронного (–) и дырочного (+). Они последовательно соединяются металлическими пластинами, образующими спаи. При прохождении постоянного электрического тока один из спаев охлаждается и имеет температуру Т_х, а другой – нагревается и имеет температуру Т_г.

При этом, к первому спаю подводится из окружающей среды теплота Q₀, а от второго отводится теплота Q_г.

Количество подводимой теплоты (теплота Пельтье) будет

Q₀ = е·Т_х·J,

где е – коэффициент, зависящий от свойств полупроводниковых материалов;

J – сила тока.

Применяя современные термоэлементы, можно получить разность температур Т_г – Т_х = 20…60⁰С. Однако по энергетической эффективности термоэлектрические охлаждающие устройства существенно уступают парокомпрессионным холодильным машинам, из-за чего они не нашли широкого промышленного применения. Вместе с тем благодаря высокой надежности,

конструктивной простоте, компактности, бесшумности, долговечности термоэлектрические охлаждающие устройства используют там, где предпочтение отдают указанным качествам, – в установках специального назначения, охлаждаемых барах-холодильниках, транспортных холодильниках небольшой емкости, водохладителях, кондиционерах специального назначения.

2.6. Магнитокалорический холодильник

Эффект охлаждения вызывается материалом, способным намагничиваться. На задней стенке холодильника располагается сильный постоянный магнит и вращающийся диск, на котором размещается этот специальный намагничивающийся материал, который при каждом обороте диска входит в поле постоянного магнита. Находясь в магнитном поле, материал намагничивается и при этом нагревается. Выходя из магнитного поля, он размагничивается и охлаждается до температур значительно более низких, чем температура окружающей среды.

С точки зрения эффективности превращения электроэнергии в холод магнитокалорические холодильники превосходят примерно в 1,5 раза компрессионные.

2.7. Вихревая труба

Помимо рассмотренных холодильных машин, распространение нашли вихревые трубы (охладители), использующие эффект Ранка-Хильша, к которым энергия, необходимая для их работы, подводится от сжатого воздуха, имеющего обычно температуру окружающей среды. Принципиальная противоточная схема вихревой трубы показана на рис.2.11.

Предварительно сжатый воздух поступает в трубу через сопло 2, направленное по касательной линии к внутренней поверхности. Поток воздуха закручивается в трубе. Молекулы воздуха, двигающиеся по поверхности трубы с большой скоростью, направляются к вентилю 4, а молекулы в центральной части потока с малой скоростью проходят через диафрагму 3 и выходят с другого конца трубы с более низкой, чем начальной температурой. Температура холодного потока зависит от давления воздуха на входе в сопло и от отношения массы холодного потока к общей массе воздуха.

При избыточным давлении на входе в трубу 0,3…0,5 МПа можно получить на холодном конце трубы температуру воздуха на 50⁰С ниже начальной.

Вихревая труба, кроме повышенного шума, уступает и по энергетической эффективности парокомпрессионным холодильным машинам. Поэтому вихревая труба может представлять интерес благодаря простоте конструкции лишь для лабораторных и специальных установок.

Тем не менее, в настоящее время теория вихревого процесса изучается большим кругом специалистов. Но экономичность вихревых труб до сих пор остается неудовлетворительной. Энергозатраты на сжатие газа для производства единицы "холода" в вихревых трубах пока примерно в 8…10 раз больше энергозатрат на производство той же единицы "холода" в парокомпрессионных холодильных машинах.