Термоэлектрический эффект Пельтье

Известный из курса физики термоэлектрический эффект Пельтье можно получить в электрической цепи из двух полупроводников, обладающих n- и p- проводимостью (рис. 1.6 ).

Если к электронному полупроводнику подключить положительный полюс источника постоянного тока, то в месте соединения (спая) ветвей температура понижается, а в противоположной стороне возрастает. При обратном направлении тока холодный спай будет нагреваться, а горячий – охлаждаться. Снижение температуры происходит из-за того, что движущиеся по ветви термоэлемента электроны под воздействием электрического поля переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны переходят на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спаи термоэлемента. Таким образом, термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, способной переносить теплоту от охлаждаемой среды в окружающую.

Рис. 1.6. Схема термоэлемента Пельтье

Положительной особенностью эффекта Пельтье является использование электрической энергии без промежуточных преобразований для понижения температуры и переноса теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Термоэлектрические охлаждающие устройства используются в автономных кондиционерах, холодильных шкафах, охладителях напитков и т. д.

1. Одноступенчатые парокомпрессионные холодильные машины Обратный цикл Карно

На рис. 1.7 показан обратный цикл Карно (идеальный цикл холодильных машин) и схема холодильной установки, реализующая этот цикл.

При кипении хладагента в испарителе И образуется насыщенный пар, состояние которого на диаграмме определяется точкой 1. Пар всасывается компрессором КМ и адиабатно сжимается (1–2) до давления p_к и температуры конденсации T_к . В конденсаторе КД пар конденсируется, отдавая забортной воде теплоту q_к, равную сумме теплоты, отведенной из охлаждаемого помещения, и теплоты, эквивалентной работе сжатия l. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре T_к по изотерме (2–3). Жидкий хладагент адиабатно расширяется в расширительном цилиндре РЦ (3–4) до давления p₀ и температуры кипения T₀, совершая при этом полезную работу. В испарителе И жидкий хладагент кипит по изотерме (4–1), отводя теплоту q₀ из охлаждаемого помещения, и превращается в пар с исходным состоянием. Таким образом, обратный цикл Карно состоит из двух адиабат (1–2; 3–4) и двух изотерм (2–3, 4–1), расположенных в области насыщенного пара.

Рис. 1.7. Схема холодильной машины и обратный цикл Карно

Количество теплоты q₀, отводимое в испарителе единицей массы хладагента, называется удельной массовой холодопроизводительностью холодильной машины. Численно она равна разности энтальпий конца и начала процесса в испарителе, кДж/кг:

q₀ = i₁ – i₄ = пл.1b00'с – пл.4а00'с = пл.41bа. (1.5)

Величина q₀ эквивалентна пл. 41bа, которая изображена на диаграмме s–T (рис. 1.7)

Удельная работа l₀, кДж/кг, затрачиваемая на адиабатное сжатие единицы массы паров холодильного агента, равна:

l₀ = i₂ – i₁ = пл.230'0b – пл.1b00′с = пл.с123, (1.6)

где i₁ – i₂ – разность энтальпий в конце и начале сжатия.

Соответственно полезная работа, совершаемая расширительным цилиндром РЦ,

l_РЦ = i₃ – i₄ = пл.3а00' – пл.4а00'с = пл.с34. (1.7)

Тогда затраты удельной работы на совершение цикла Карно будут

l = l₀ – l_РЦ = пл.с123 – пл.с34 = пл.1234. (1.8)

Удельное количество теплоты, отводимое в конденсаторе КД, кДж/кг,

q_к = i₂ – i₃ = q₀ + l = пл.а41b + пл.1234 = пл.23аЬ. (1.9)

Экономичность цикла оценивается холодильным коэффициентом ε, который представляет собой отношение удельной массовой холодопроизводительности к удельной работе, затраченной на совершение цикла:

ε = q₀ / l =пл.а41b / пл.1234 = T₀ / (T_к – T₀). (1.10)

Хотя цикл Карно является теоретическим, по нему можно судить о степени совершенства реальных циклов. Как видно из выражения (1.10), холодильный коэффициент не зависит от физических свойств хладагента, а определяется только значениями температуры конденсации и кипения.

При понижении Т₀ и постоянной T_к холодильный коэффициент уменьшается, т.е. получение холода при более низких температурах требует увеличения затрачиваемой работы. Понижение температуры окружающей среды, например, охлаждающей забортной воды, уменьшает работу на совершение цикла и увеличивает холодильный коэффициент. Для заданных постоянных температурных режимов холодильный коэффициент цикла Карно имеет наибольшее значение, сравнивая с которым действительное значение ε, судят о степени термодинамического совершенства реального цикла.

Одной из причин неосуществимости обратного цикла Карно в реальной холодильной машине служит условие обратимости процессов теплообмена в конденсаторе КД и испарителе И. Для их обратимости требуются бесконечно малые разности температур при отводе теплоты и, как следствие, бесконечно большие поверхности конденсатора и испарителей. Поэтому в реальных циклах температура конденсации T_к выше температуры охлаждающей забортной воды на 5 – 7 °С и наоборот, температура кипения хладагента T₀ ниже температуры объекта охлаждения на 8 – 12 °С. Отсюда площадь, определяющая удельную работу l, с учетом температурных напоров ∆T_к и ∆T₀ увеличивается, а площадь, эквивалентная удельной массовой холодопроизводительности q₀, – уменьшается. Как показывает практика, понижение температуры кипения хладагента на 1 °С уменьшает холодопроизводительность установки на 4 – 5 %, а повышение температуры конденсации на 1 °С – на 1 – 2 %.

Другая причина невозможности практического осуществления цикла Карно заключается в требовании адиабатного сжатия в компрессоре и расширения в расширительном цилиндре.