А. В. Бараненко. Холодильные машины

крепким раствором до поступления его в растворный теплооб­

менник, с абсорбером, охлаждаемым водой, и с конденсатором

воздушного охлаждения. Машина АХМ-2,7/10 имеет холодо­

производительность 3,1 МВт при температуре кипения -1 О ос. Основное оборудование АВХМ - абсорберы, генераторы, теп­

лообменники растворов - компонуют из ряда однотипных эле­

ментов, составляющих блочные группы аппаратов. Испарители

и конденсаторы выбирают из ряда общепромышленных аппара­

тов, применяемых для аммиачных компрессорных холодильных

машин.

Генераторы по принципу действия подразделяют на пленоч­

ные (оросительные) и заТОПJIенные, по I«JIIC'l'PYIЩии ~ на кожу­

хотрубные (вертикальные и roРИЗОНТ8JIЫlые), кожухозмеевиковые,

элементные. Вертикальные пленочные генераторы применяют

вкрупных машинах ХOJlОДОПРОИ3ВОДИтeJlьностью до 8 тыс. кВт.

Кнедостаткам его конструкции CJleдye'r отнести трудность очи('т­ ки, невозможность замены труб. Наряду с вертикальной }{ОI-I струкцией машины крупной производите.лъиости до 1О тыс. кВт оснащают горизонтальными кожухотрубllЬDПl аппаратами. Кон­

струкции генераторов этого типа ие оrpaиичены количеством

циркулирующего раствора. обеспечивают доступ к трубному ЩК>

странству для чистки и замены труб.

Абсорберы по принципУ действия подразделяют на пленоч­

ные и заТОПJIенные. J;J крупных промышленных маШИНах при­

меняют пленочНые абсорберы, имеющие более высокие коэффи­

циенты теплопередачи. Для обеспечения необходимой плотнос­

ти орошения трубного пучка пленочный абсорбер компонуют из J:lескольких элементов. как правило, теплообменная поверхность абсорбера орошается с помощью перфорированного корыта, В от­

дельных случаях применяют форсунки.

Дефлегматоры для промышлениых машин выполняют кожу­

хотрубными. Основным ПОКа3ателем выбора конструкции явля­

ется скорость пара хладагента, которая должна быть не меньше

1,2-1,5 М/с. Пар хладагента подводится в межтрубное простран­

ство, а охлаждающая среда - в трубное.

Особенностью работы АВХМ является наличие в паре хлада­

гента незначительного количества абсорбента. со временем аб­ сорбент накапливается в испарителе и изменяет нормальный ре­ жим работы машины. Флегма ДОЛЖ1lаудаляться из нижней части

испарителя. Она обычно отводится в ресивер абсорбера или на­

гнетается насосом на орошение ректификационной колонны.

Особенности монтажа и эксплуатации АВХМ.

Абсорбционные водоаммиачные холодильные машины серийно

не выпускают. Их как правило, проектируют для индивидуаль­ ных и типовых промыm.ленных предприятий и отдельных тех­ нологических процессов. АВХМ изготавливают из нестандарт­ ного теплообменного оборудования, и они не являются агрегати­ рованными. При монтаже основные аппараты и другое оборудо-

236

вание АВХМ размещают на многоярусной бетонной «этажер­

ке., сооруженной на открытой площадке.

После проведения rидравлических и пневматических испы­

таний АВХМ в соответствии с .Правилами устройства и без­

опасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.'про­

изводя'!' ее зарядку и пуск.

Ниже описаны Ьсиовные операции для отечественных АВХМ

типов АХМ-2,7/10 и АХМ-2,5/1.

Зарядка включает заполнение конденсатом и растворение ин­

гибитора, проверку положений запорной арматуры и вакууми­

рование АВХМ.

В качестве ингибитора коррозии применяют бихромат калия

или натрия. Общее количество ингибитора составляет около 0,1 %

(по массе) от количества дистиллированной воды, содержащей­

си в растворе. Например, в АВХМ типа АХМ-2,7/10 заправля­ ется 12 м3 обессоленной воды (конденсата) и 102 кг ингибитора,

а в АВХМ типа АХМ-2,5/1 - 10 м3 И 98,5 кг соответственно.

.Дренажный ресивер заполняют конденсатом от линии водяного

конденсата. Затем растворяют ингибитор коррозии, для чего через

открытый люк ресивера постепенно насыпают необходимое его

количество. После разведения ингибитора крышку люка на дре­

нажном ресивере Закрывают. Затем вакуумируют установку с по-

,мощью вакуум-насоса. Наличие вакуума в АВХМ проверяют

с помощью мановакуумметра.

'.После вакуумирования немедленно приступаlOТ к заполнению АВХМ конденсатом (с растворенным в нем ингибитором) и при­

roТОВJIе~ию водоаммиачного раствора. Конденсат перекачивают насосом из дренажного ресивера в абсорбер. После проведения указанной операции заряжают АВХМ жидким аммиаком. Пред­ варительно подают охлаждающую воду на абсорбер и организу­

ют через него циркуляцию раствора. Количество аммиака, за­

ряжаемого в АВХМ типа АХМ-2,.7/10, составляет 11,5 т, а в АХМ-2,5/1 - 13,8 т. Окончание насыщения раствора определяет­

ся его концентрацией, которая до.лжна составлять около 0,5 кг/кг.

Затем раствор перекачивают насосом из абсорбера в генератор,

заполнив на 100% его кубовую часть. После этого прекращается

подача охлаждающей воды на абсорбер. Затем приступают к пуску

,АВХМ, дЛЯ чего предварительно провер.яют положение запорной арматуры. Далее осуществляют пуск АВХМ в автономном ре­

жиме, а после него - перевод АВХМ из автономного режима

работы на проектнЫЙ.

При пуске АВХМ в автономном режиме работы налаживают

устойчивую циркуляцию водоаммиачиоro раствора по схеме: ку­ бовая часть генератора-ректификатора - дренажная линия - насос водоаммиачного раствора - дефлегматор - теплообмен­

ник растворов - верхняя часть генератора-ректификатора. после,

обеспечения устойчивой циркуляции раствора одновременно по­

дают теплоносители в верхний и нижний КИпятильники гене-

237

ратора-ректификатора таким образом, чтобы изменение темпе­

ратур, измеряемых с помощью термодатчиков, расположенных

на корпусе аппарата и трубопроводе слабого раствора, соответ­

ствовало заданным графикам подъема температур и не выходи­

ло за пределы допустимого интервала температур. Скорость ра­

зогрева слабого раствора при этом не должна превышать 20 ос

в 1 ч.

После разогрева генератора-ректификатора по указанномуре­ жиму и достижения разности давлений в генераторе-ректифи­

каторе и абсорбере, равной 0,3-0,35 МПа, схему циркуляции

водоаммиачного раствора в автономном режиме переключают на

проектную схему циркуляции. При этом подают охлаждающую воду на абсорбер и поочередно включают вентиляторы воздуш­

ного конденсатора при достижении давления в генераторе-рек­

тификаторе 1,0-1,2 МПа; прекращают перепуск жидкого ам­

миака из ресивера конденсатора в абсорбер; открывают армату­

ру на линии газообразного аммиака от испарителя и на линии

жидкого аммиака для подачи его в испаритель; регулируют до

нормы расход подаваемого жидкого аммиака в испаритель и при

необходимости дозаряжают АВХМ и регулируют режим работы (уровней, расходов, температур) согласно нормам технологичес­

кого режима.

во время работы в испарителях скапливается флегма, кото­ рую по мере необходимости следует перевести в абсорбер. Если

в аммиачной системе присутствуют инерты, о чем свидетельст­

вует более высокое давление в аппаратах, чем давление насы­

щенных паров аммика при данной температУре, их необходимо

удалить с помощью воздухоотделителей. Удаление инертов из

системы АВХМ считается законченным, когда давление паров

аммиака в ее элементах соответствует давлению насыщенных

паров аммиака при данной температуре.

При работе АВХМ типа АХМ-2,7/10 в проектном режиме кон­

центрация слабого раствора должна составлять 0,355, а крепко­

го - 0,429 кг/кг; АВХМ типа АХМ-2,5/1 - 0,440 и 0,505 кг/кг

соответственно. Следовательно, проектные значения величин

зоны дегазации раствора в АХМ-2,7/10 и АХМ-2,5/1 составля­ ют соответственно 0,074 и 0,065 кг/кг.

. Абсорбциоввые БРОМИСТОJlитиевые и водоаммиачвые безна­

соевые ХОJlОДИJlьные машины непрерывноrо и периодическо­ ro действия. Абсорбционные безнасосные холодильные машины

относятся к малым холодильным машинам, и применяют их пре.:

имущественно в системах кондиционирования воздуха, для до­

мaiIIних ХОJJОДИЛЬНИКОВ И для торгового оборудования - охлаж­ даемых прилавков, шкафов и т. п. В условиях отсутствия

электроэнергии или в целях ее экономии они являются пер­

спективными для выработки холода за счет солнечной энергии

в южных регионах. Безнасосные АХМ имеют важное преиму­

щество, заключающееся в отсутствии движущихся частей и ме-

238

ханизмов. На практике применяют три типа безнасосных холо­

дильных машин: непрерывного и периодического действия с жид­

ким абсорбентом и периодического действия с твердым абсор­

бентом.

Абсорбционные безнасосные холодильные ма-·

шины непрерывного действия. Такие машины рабо­

тают как с водным раствором бромистого лития, так и с водоам­

миачным раствором.

Абсорбционные безнасосные бромистолитиевые холодильные машины непрерывного действия используют в автономных круг­

логодичных кондиционерах с газовым обогревом генераторов и водяным охлаждением абсорберов и конденсаторов. В теплый

период 'года с помощью холодильной машины охлаждают воз­

дух, подаваемый в помещения, а в холодное время - его на­

гревают.

Абсорбционная бромистолитиевая безнасосная машина при осу­

ществлении холодильного цикла работает следующим образом. В генераторе 1 (рис. 5.42), имеющем вертикальные теплооб­

менные 'грубы, вследствие сгорания газа из водного раствора

бромистого лития слабой концентрации образуется парожидкост­

ная смесь, которая по подъемной трубе 2 поступает в сепара­

тор З. В сепараторе пар отделяется от раствора, вследствие чего

последний становится крепким. Пар по трубопроводу 4 направ-

21

19

Рис. 5.42. Абсорбциовизя бромистолитиевая безна­

соевая холодильная машина непрерывного действия

239

ляется в конденсатор 5, охлаждаемый водой, поступающей из абсорбера 8 по трубе 20. Охлаждающая вода поступает в абсор­

бер через патрубок 19, а выходит из конденсатора через патру­

бок 21. Образовавшийся конденсат через дроссельную шайбу 6

поступает в испаритель 7, где кипит за счет подвода теплоты от

воздуха, омывающего наружную поверхность испарителя. Во­ дяной пар, образовавшийся в испарителе, поступает в абсорбер, где абсорбируется крепким раствором, поступающим в него из

сепаратора по трубопрово~у 9, теплообменнику растворов 11

и трубопроводу 10. Благодаря тому что теплообменник располо­ жен в нижней части машины, сепаратор - в верхней, а абсор­ бер - несколько ниже последнего, в машине образуется гидрав­ лический затвор по крепкому раствору. Максимальная высота

крепкого раствора в гидрозатворе такова, что позволяет ском­

пенсировать максимально возможную при расчете машины раз­

ность давлений конденсации водяного пара и кипения воды.

В процессе абсорбции пара раствор достигает слабой концентра­

ции, а теплота абсорбции при этом отводится к охлаждающей воде, поступающей в трубки абсорбера из градирни или другого водоохлаждающего устройства.

Слабый раствор выходит из абсорбера по трубопроводу 12 и, пройдя теплообменник, по трубопроводу 13 стекает в нижнюю часть генератора. Слабый раствор из абсорбера постудает в гене­

ратор вследствие разности плотностей холодного слабого раство­ ра после абсорбера и горячей парожидкостной смеси в генерато­

ре и подъемной трубе. При малых тепловых нагрузках на испа­

ритель, т. е. при существенном снижении холодопроизводитель­

ности, избыток хладагента (воды) по трубопроводу 14 сливается

из испарителя в концентратор 15, а затем по трубопроводу 16 -

в трубоПРОВОД 12 слива слабого раствора из абсорбера в генера­

тор. Благодаря смешен'ию воды и слабого раствора концентра­

ция раствора в цикле снижается.

Значение производительности таких холодильных машин в сос­

таве автономных кондиционеров при обогреве генераторов газом

находится в пределах 10-15 кВт, а значение теплового К9эффИ­

циента, представляющего собой отношение хо.лодопроизводитель­ ности к теплоте, подведенной к генератору (при КПД газового

нагревателя 80%), составляет 0,65-0,66.

Система трубопроводов 14, 17 и 18 позволяет обеспечить дви­

жение водяного пара из сепаратора в испаритель при смене

в машине режима охлаждения на режим отопления. Подачу ох­

лаждающей воды через абсорбер и конденсатор при этом пре-

Безнасосные абсорбционные холодиЛЬные машины малой про­ изводительности применяют в домашних холодильниках и кон­

диционерах. Основной особенностью этих машин является от­ сутствие насоса для подачи раствора из абсорбера в генератор.

Это делает машины более надежными в эксплуатации и долго­

вечными.

Рис. 5.43. Абсорбциоmmя водоаммиачиая безН8.СОСвaJI ХОЛОДИ.'Iьная

машина непрерывного действия с инертным газом:

1 - генератор: 2 - Дефлегматор; 3 - конденсатор: 4 - испаритель; 5 - газовый теплообменник; б - абсорбер; 7 - теплообменник растворов; 8 - термосифон

Непрерывно действующая безнасосная водоаммиачная холо­

дильная машина работает по схеме, показанной на рис. 5.43. Ее

кроме водоаммиачноro раствора заполняют инертным газом, в ка­

честве которого используют водород. Кипение жидкости в испари­

теле машины сопровождается диффузией пара в водород, нахо­

дящийся в нем. Суммарное давление смеси в испарителе равно

давлению в конденсаторе. Холодная водоаммиачная смесь высо­

кой концентрации по аммиаку, как более тяжелая, из испарите­

ля подступает в парожидкостной теплообменник, а затем в аб­

сорбер. В него же из генератора поступает слабый раствор, ох­ лажденный в теплообменнике растворов. В абсорбере, охлажда­

емом воздухом, елабый раствор, растекаясь по полочкам, погло­ щает аммиачный пар из водородоаммиачной смеси. Водород,

освободившись от аммиака, как более легкий, возвращается че­

рез парожидкостной теплообменник в испаритель. Крепкий рас­

твор, образующийся в абсорбере, пройдя через теплообменник

растворов, поступает в генератор. Вследствие того что во всех

аппаратах машины давление одинаково, для поступления рас­

твора из абсорбера в генератор требуется лишь преодоление со­ противлений в теплообменнике растворов и соединительных тру_ бопроводах. Для этого перед входом в генератор трубка, по кoro-

аммиакатом. Для указанных соединений существуют свои зави­

симости давJlения р от температуры Т:

ДЛЯ CaCl2• 8NНз

- 2489,4

19p = 17,25336--т-- 2,51gP;

ДЛЯ CaC12•4NНз

2559,5

19p = 17,2575 --т-- 2,5IgТ.

Кроме аммиакатов в АХМ периодического действия ИСПОJlЬ­

Схема периодическоi АХМ с твердым абсорбентом не отли­

чается от схемы АХМ периодического действия с жидким аб­

сорбентом. Достоинство таких машин - простота устройства, однако периодичность работы делает ее мало экономичной в экс-

,плуатации.

ГЛАВА 6

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Термоэлектрические ХОЛОДИJlьные машины, в устройстве ко­

торых использованы новые полупроводниковые материалы~ ши­

роко применяют в различных охлаждающих устройствах.

В современных термоэлементах в области температур окру­ жающей среды максимальная разность температур на спаях

достигает 70-90 ·С. На многокаскадных устройствах эта раз­

ность температур может быть более 100 ·С.

~аким образом, разность температур, получаемая в термо­

электрических холодильных машинах, вполне достаточна для

использования этого способа охлаждения в различных областях

науки и техники. Рид особенностей термоохлаждающих устройств

способствовал их распространению. Уже в начале 1960-х годов

разработкой и промышленным выпуском термоэлектрических

охлаждающих устройств были заняты многие организации и пред­ приятия как у нас в стране, так и за рубежом.

§ 6.1. НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Виды проводимоети термоэлеМентов. Энергетическая эффек­

тивность термоэлектрических холодильных машин зависит от

физических свойств материалов термоэлементов. Одним из ос­

новных свойств материалов термоэлементов считается электро­

проводность; количественной мерой электропроводности мате­

риала являются, как известно, значения удельного электричес­

кого сопротивления р или удельной электропроводности cr = l/p. Как уже отмечалось ранее, в термоэлементах используют полу­

проводники.

Удельная электропроводность полупроводников в болыейй

мере завнснт от инородных примесей, температуры, давления, освещения. Примеси, введенные в материал полупроводника, могут воздействовать на него по-разному. Если в кристалличес­

кую решетку полупроводника вводят атомы, внешние электро­

ны которых связаны непрочно, то при их отрыве число свобод­

ных электронов проводим:ости в материале увеличивается, в ре­

ЗУJlьтате чего электропроводимость полупроводника возрастает.

Примеси,.которые увеличивают число электронов проводимос­ ти, называют донорами. В том случае, когда в чистый материал полупроводника вводят атомы с незаполненной внешней элек­ тронной оболочкой, такие атомы укомплектовывают свой неза­ полненный уровень .чужими. электронами, т. е. электронами

соседних атомов, у которых связь электронов непрочна. Это при­

водит к образованию tДЫРКИ. на месте утраченного электрона у основного атома. tПострадавшиЙ. атом теряет электрическую нейтральность и превращается в положительно заряженный ион,

который также стремится захватить электрон у соседнего атома.

Примеси, атомы которых повышают ионную проводимость ма­

териала полупроводника, называют а1Сцеnторными.

Переход электрона от одного атома к другому приводит К тому, что место, где образовалась электронная дырка, постоянно и бес­ порядочно перемещается по всей кристаллической решетке от одного атома к другому. Такое перемещение электронной дыр­ ки эквивалентно перемещению положителыlхx зарядов. Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим по­ лем, то движение электронных дырок будет· противоположно

движению электронов. Проводимость, обусловленная передви­

жением электронных дырок, получила название дырочной про­

водимости.

В зависимости от типа проводимости (электронной или ды­ рочной) полупроводниковые материалы делят на электронные

(n-типа) и дырочные (р-типа). Чистым полупроводниковым ма­

териалам свойственна смешанная проводимость - электронная

и дырочная. При создании в полупроводнике электрического поля возникает движение электронов и дырок, а общий ток представ­ ляет собой сумму электронного и дырочного тока.

Так как электроны более подвижны, чем дырки, то у полу­

проводников со смешанной проводимостьюэлектронный ток пре­

обладает, как правило, над дырочным. Проводимость чистого

полупроводника называют собственной nРQводuмостью, а про­

водимость, которая обусловлена примесью, - nрuмесной прово­ дuмостью. Таким образом, электропроводимостью проводников

можно управлять, вводя в них незначительное количество приме­

сей. Такой способ является основным и наиболее доступным

средством изменения показателей полупроводниковых материалов.

Теория термоэлектрических холодильных машин базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу обычно относят три термоэлектрических эффекта: 3еебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны со взаимным превращением тепловой энер­

гии в энергию электрического тока.

Термоэлектрические эффекты. Эффект 3еебека. Сущ­ ность эффекта 3еебека заключается в следующем: если в разомк­

нутой электрической ц~пи, состоящей из нескольких разнород­

ных проводников, на одном из контактов поддерживать темпе­

ратуру Тг (горячий спай), а на другом температуру Тх (холодный

спай), то при условии Тг *'Тх на концах цепи возникает термо­

электродвижущая сила Е, а при замыкании цепи в ней появ­

ляется электрический ток. Такую цепь называют термоэлемен­ том, или термопарой.

ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяют по урав­

нению

где а - коэффициент дифференциальной термоЭДС, зависящий в основном от физических свойств материала и его температу­

ры: при небольших разностях температур АТ = 7;. - ~ коэффи­

циент а можно считать равным некоторому среднему значению

в интервале от Тг до Тх'

В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из эле­

ментов с одинаковым типом проводимости, их термоЭДС оказы­

ваютсяпротивоположно направленными:

(6.2)

(6.3)

где ар и аn - коэффициенты термоЭДС дырочного и электрон­

ного проводников.

При различном типе проводимости материалов их термоЭДС

суммируют:

(6.4)

поэтому термоэлементы составляют, как правило, из элементов

с электронной и дырочной проводимостями.

ТермоЭДС в цепи, составленной из последовательно соеди­

ненных пар дырочных и электронных полупроводников, опре­

деляют по формуле

т,

или

где n - число пар термоэлементов.

ЭФФе к т П е л ь т ье. Эффект Пельтье заключается в том,

что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, со­

стоящий из двух проводников или полупроводников, В месте

соединения выделяется или поглощается некоторое количество

теплоты; тепловой поток Qn, называемый теnл.отоЙ Пел.ьтье,

определяют по уравнению

где 1t - коэффициент Пельтье; 1 - сила тока.

Выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит от на­ правления тока и термотока, который воаникбы при нагреве места соединения проводников. При совпадении направления теплота Пельтье ПОГЛQщается, при противоположных направле­ ниях - выделяется. При наличии нескольких спаев выделение

теплоты на одном спае всегда сопровождается поглощением ее

на другом и наоборот.

Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в том, что

средние значения энергии электронов, участвующи~ впереносе

тока из одного проводника в другой, различны. Это наглядно

подтверждается на примере контакта электронного полупровод­

ника и металла. Предположим, что направление тока соответст­

вует направлению перехода электронов из полупроводника в ме­

талл. Так как энергетический уровень свободных электронов

полупроводника значительно выше уровия электронов металла,

то при переходе из полупроводника в металл электроны, стал­

киваясь с атомами металла, отдают им свою избыточную энер­

гию. Это приводит К выделению теплоты Пельтье и повышению температуры спая. При противоположном направлении тока весь процесс идет в обратном направлении, и теплота Пельтье погло­

щается.

Э Ф Фе к т Т о м с о н а. Эффект Томсона заключается в том,

что при протекании электрического тока через проводник или,

полупроводник, на котором есть градиент температуры, в до­

полнение к теплоте Джоуля выделяется (или поглощается) не­ которое количество теплоты, называемой теплотой Томсона. Знак при значении теплоты Томсона зависит от направления тока. В том случае, когда направление градиента температуры

совпадает с направлением тока, теплота Томсона выделяется.

Когда направление градиента температуры и тока противопо­ ложны, теплота Томсона поглощается. Тепловой поток Томсона

определяют по выражению

(6.7)

где 't - коэффициент Томсона.

Физическая сущность эффекта Томсона заключается в том, что энергия свободных электронов растет в зависимости от тем­ пературы. Наличие разности температур вдоль материала при­ водит к тому, что электроны на горячем конце приобретают бо­ лее высокую энергию, чем н8' холодном. Плотность свободных

э.лектронов также растет при повышении температуры, вследст­

вие этого возникает поток электронов от горячего конца к хо­

лодному. На горячем конце накапливается некомпенсированный положительный заряд, на холодном - отрицательный. Пере­

распределение зарядов препятствует потоку электронов и при

определенной разности потенциалов приостаиавливает его C~B-

248

сем. Эта разность потенциалов неодинакова для различных ма­

териалов, что при соединении таких материалов в термопару

приводит к вооникновению термоЭДС.

Так же протекают описанные выше явления в материалах с дырочной проводимостью, С той лишь разницей, что на горя­

чем конце скапливается некомпенсированный отрицательный

заряд, а на холодном - положительно заряженные дырки, поэ­

тому в термопаре, состоящей из элементов с проводимостью р­

И n-типов, термоЭДС складываются. Для металлов изменение

температуры практически не влияет на плотность носителей за­

рядов. В В,еществах со смешанной проводимостью эффект Том­

сона практически равен нулю.

Взаимосвязь между термоэлектрическими эффектами. При

замыкании электрической цепи термопары, в которой создана

и поддерживается постоянная разность температур, одновремен­

но возникают все три термоэлектрических эффекта. Кроме того,

в термопаре при наличии разности температур теплота переда­

ется от горячего конца к холодному за счет теплопроводности,

а электрический ток вызывает выделение теплоты Джоуля.

Для определения взаимосвязи между рассматриваемыми эф­

фектами представим термопару в виде замкнутой цепи и рас­

смотрим ее как тепловую машину, рабочим веществом которой служит электронный газ [92]. Схема и цикл на S-Т-диаграмме

такой машины показаны на рис. 6.1. Будем считать, что необра­

тимые процессы теплопроводности и выделения теплоты Джоу­

ля отсутствуют. Участки 1-4 и 2-3 в цикле 1-2-3-4 соответст­

вуют протеканию некоторого количества электричества через кон­

такты между элементами термопары. Участки 1-2 и 3-4 харак­

теризуют изменение количества электричества, которое проис­

ходит в результате движения тока через полупроводниковые эле­

менты термопары 1 и П. Теплота Пельтье на участке 2-3 выде­ ляется, на участке 1-4 - поглощается. Теплота Томсона на участ­ ке 3-4 выделяется и поглощается на участке 1-2.

. -__т.r__-- . J

Рис. 6.1. Схема короткО3аМКВУТОГО термоэлемента (а) и кру­ говой ЦИКJI электронного raза (11)

249

Работа цикла 1-2-3-4. которую со­ вершает термоЭДС при протекании

данного количества электричества q t В соответствии с первым законом тер­

модинамики, равна разности тепло­

ты, подведенной и отведенной, т. е.

lц N пл. 1-2-3-4 = (пл. 2-3-k-n +

+пл. 1-2-n-т) - (пл. 1-4-с-т +

+пл. 4-3-k-c).

Основные расчетные зависимости

термоэлемента. Для вывода основных

расчетных зависимостей рассмотрим

Рис. 6.2. Прииципиалъиая работу термоэлемента, состоящего из

схема термоэлемента' двух полупроводников с электронной 1

и дырочной II проводимостью И метал­ личecKиx перемычек II1 (рис. 6.2). При движении постоянного

тока в указанном направлении нижняя перемычка нагревае1'СЯ,

а верхняя - охлаждается. В этом случае верхнюю перемычку

называют холодным спаем, а нижнюю - горячим спаем. Обо­ значим температуру холодного спая буквами Тх' а горячего спая - буквами Тг' '

Количество теплоты Q, которое выделяет горячий спай, будет больше, чем количество теплоты Qo' которое поглощает холод-,

ный спай, на значение затрат электроэнергии от внешнего ис­

точника. Эта энергия расходуется на совершение работы L пере­

мещения тока против разности электрических потенциалов, воз­

никающих в цепи при неравенстве ТГ и Тх в соответствии с зако­ ном 3еебека. Таким образом,

С другой стороны, L = АЕ1 = ёi(Тг - Тх}1, т. е. получаем то же

значение.

Холодильный коэффициент обратного цикла термоэлемента,

вкотором роль рабочего вещества выполняет электронный газ

иотсутствуют необратимые потери,

(6.9)

Величина Е совпадает с холодильным коэффициентом обра­ тимого обратного цикла Карцо, так как теплота отводится при

постоянной температуре Тг' а подводится к горячему источнику при постоянной температуре Тх' Кроме того, было сделано пред­

положение, что необратимые потери отсутствуют.

В действительности работа термоэлемента (термоэлектричес­ кой холодильной машины) сопровождается необратимыми по­

терями двух типов: во-первых, распространение тока по провод-

нику сопровождается джоулевыми потерями и, во-вторых, по проводникам, из которых состоит цепь, непрерывно идет тепло­

та от горячего спая к холодному за счет теплопроводности.

Джоулевы потери определяют Соотношением

(6.10)

где R - сопротивление ветвей термоэлемента.

Можно с высокой степенью точности считать, что половина

теплоты, выделяющейся в цепи в виде джоулевых потерь, по­

ступает к холодному спаю, а половина - к горячему. ,

Теплота, переходящаяот горячего спая к холодному,

(6.11)

где л. - средний удельный коэффициент теплопроводности вет-

(холодильной машины) с учетом потерь определится из выра­

жения

Холодильный коэффициент деЙствительного цикла термо­

электрической холодильной машины

Сравнение этого выражения с уравнением (6.9) показывает,

как и следовало ожидать, что необратимые потери снижают зна­ чение холодильного коэффициента. При этом очевидно, что чем

меньше удельное сопротивление проводников, из которых со­

ставлена термоэлектрическая цепь (т. е. чем меньше Qдж), чем

меньше коэффициент теплопроводности этих проводников (т. е.

чем меньше QJ и чем выше значения а , тем больше значение

холодильного коэффициента.

Режимы работы термоэлементов. Под режимами работы тер­

моэлементов подразумевают такие условия их эксплуатации, при

которых один или несколько параметров их работы постоянно

ти температур на холодном и горячем спаях термоэлемента

поддерживается при минимально возможном значении рабоче-

го тока.

На рис. 6.3 показаны зависимости Qo и & = [(АТ) дЛЯ различ-

ных режимов работы термоэлемента. ХOllодопроизводительность

термоэлемента в режиме &шах имеет наименьшее значение и лишь­

при максимально возможной разности температур 6.Т холодо­

производительности во всех трех случаях ста1lOВЯТСЯ практичес­

ки равными. Из этого следует, что для обеспечения одинаковой

холодопроизводительности и разности температур на спаях тер­

мобатарея, работающая в режиме &шах' должна иметь наиболь­

шее число термоэлементов. Для всех режимов Е увеличивается

при уменьшениИ 6.Т на спаях. При 6.Т = О для режима Qo шах

холодильный коэффициент имеет максимальное значение (& =0,5),

а для двух других & = 00. Значение & = 00 показывает, что для

получения единицы холодопроизводительности достаточно бес­

конечно малых затрат электроэнергии. Практического значения

эта зависимость не имеет, так как в режимах &тах И lmin при

6.Т ~ О удельная холодопроизводительность также стремится

к нулю. Это означает. что для получения единицы холодопро­

изводительности необходимо бесконечно большое число термоэ­

лементов. Режим Iшin является промежуточным междУ режима-

ми Qo шах и &тах'

,Для получения минимальных затрат электроэнергии режим

& наиболее приемлем. В МИкроохладитeJIях, где потребляе­

мu мощность не преВ~IIiIает 10-20 Вт, фактор экономии электро­

энергии не имеет большого значения, поэтому в них часто ис­

пользуют режим Qo шах' в тех случаях, когда термобатарею не­

обходимо питать от источника слабого тока, наиболее приемле­ мыM может оказаться режим Iтin•

§6.2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Выбор матерИ3JIОВ для термоэлементов. Экономичность тер­

моэлемента, а также максимальное снижение температуры на

спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводнико­

вого вещества Z. в которую входят удельная электропроводность

о, коэффициент термоЭДС а и удельная теплопроводность К. ЭТИ

величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации сво­

бодных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис. 6.4. Из рисунка видно, что электропроводность cr пропорци­ ональна числу носителей n, тepмo~ДC стремится к нулю с уве­

личением n и возрастает при уменьшении n. Теплопроводность

К состоит ИЗ двух частей: теплопроводности кристаллической ре­ шетки Кр' которая практически не зависит от n, и электронной

теплопроводности Ка' пропорциональной n. Эффективность ме­

таллов и металлических сплавов мала из-за низкого коэффици­

ента термоЭДС, а в диэлектриках - из-за очень малой электро­ проводимости. По сравнению с металлами и диэлектриками эф­ фективность полупроводников значительно выше, чем и объяс­

няется их широкое применение в настоящее время в термоэле­

ментах. Эффективность материалов также зависит от темпера­

туры.

Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной про­ ницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а мате­

стоящее время применяют низкотемпературные термоэлектри­

ческие материалы, исходными веществами которых являются

висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективность z

для этих оматериалов при комнатных температурах составляет:

2,6·10-3 С-l для n-типа,

Полупроводниковые ветви в настоящее время изготавливают

тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем

с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прес­

сованием образцов наиболее распространен.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах применя­

ют, как правило, термоэлементы, У которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная -

методом холодного прессования.

Механическая прочность термоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Вi2ТеЗ-SЬ2Те~, изготовленных методом горя­

чего или холодного прессования, предел прочности при сжатии

составляет 44,6-49,8 МПа. Для повышения прочности термо­

элемента между коммутационной пластиной 1 (рис. 6.5) и полу­

проводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая плас'­

тина 3; кроме того, применяют легкоплавкие припои 2, 4 и при­

пой SiSb 5. Испытания показывают, что термоэлектрические уст­

ройстваимеют виброударную стойкость до 20к, термоэлектри­

ческие охладители малой холодопроизводительности - до 250к.

Сравнение термоэлектрических охлаждающих устройств

с дрyrими способами охлаждения. Термоэлектрические охлаж­

дающие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с дру­

гими типами холодильных машин. В настоящее время в систе­

мах кондиционирования воздуха на судах применяют теплоис­

пользующие или паровые холодильные машины. В холодное вре­

мя года СУДf)вые помещения обогревают электро-, пароили водо­

нагреватела~и, т. е. применяют раздельные источники тепло­

ты и холода. При помощи термоэлектрических устройств в теп­

лое время года можно охлаждать помещения, а в холодное - обогревать. Режим обогрева изменяют на режим охлаждения

путем peB~pca электрического тока. Кроме того, к преимущест­

вам термоэлектрических устройств следует отнести: полное от­

сутствие шума при работе, НlЩежность, отсутствие рабочего ве­

щества и ~сла, меньшие массу и габаритные размеры при той

же холодопроизводительности. Сравнительные данные по хла­

доновым машинам для провизионных камер на судах показыва­

ют, что при одинаковой холодопроизводительности масса тер­

моэлектрической холодильной машины в 1,7-1,8 раза меньше.

Термоэлектрические холодильные машины для систем конди-

ционирования воздуха имеют объем приблизительно в четыре,.

а массу в три раза меньше, чем хладоновые холодильные

машины.

К недостаткам термоохлаждающих устройств следует O~He­

сти их низкую экономичность и повышенную стоимость. Эконо­

мичность термоэлектрических холодильных машин по сравне­

нию с паровыми приблизительно на 20-50% ниже [91]. Высо­

кая стоимость термоохлаждающих устройств связана с высоки­ ми ценами на полупроводниковые материалы. Однако сущест­

вуют области, где уже теперь они способны конкурировать

с другими типами холодильных машин. Например, начали при­ менять термоэлектрические устройства для охлаждения газов и жидкостей. Примерами устройств этого класса могут служить

охладители питьевой воды, воздушные кондиционеры, охлади­ тели реактивов в химическом производстве и др. Для таких

холодильных машин образцовым циклом будет треугольный цикл Лоренца, рассмотренный в гл. 1. Приближение к образцо­

вому циклу достигается простым путем, так как для этого тре­

буется только видоизменить электрическую схему коммутации,

что не вызывает конструктивных трудностей. Это позволяет существенно, в некоторых случаях более чем вдвое, повысить эффективность термоэлектрических холодильных машин. Для реализации этого принципа в паровQ'й холодильной машине

пришлось бы применять сложную схему многоступенчатого

сжатия.

Весьма перспективным может быть использование термоэлект­

рических устройств в качестве tинтенсификатора теплопереда­

чи•. В тех случаях, когда из какого-либо небольшого простран­ ства необходимо отвести теплоту в окружающую среду, а по­

верхность теплового контакта ограничена, располагаемые на по­

верхности термоэлектрические батареи могут значительно ин­ тенсифицировать процесс теплопередачи. Как показывают ис­

следования [35], сравнительно небольшой расход электроэнер­

гии способен существенно увеличить удельный тепловой поток.

Можно интенсифицировать теплопередачу и без затраты электро­ энергии. В этом случае необходимо замкнуть термобатарею.

Наличие разности температур приведет к появлению термоЭДС,

3еебека, которая и обеспечит питание термоэлектрической бата­

реи. С помощью термоэлектрических устройств можно изолиро­

вать одну из теплообменивающихся сред, т. е. использовать ее

в качестве совершенной теплово~ изоляции.

Важное обстоятельство, также определяющее область, в ко­

торой термоэлектрические холодильные машины способны кон­

курировать с другими типами холодильных машин даже по энер­

гетической эффективности, состоит в том, что уменьшение хо­

лодопроизводительности, например, паровых холодильных ма­

шин ведет к снижению их холодильного коэффициента. Для

термоэлектрической холодильной машины это правило не со-