1_ЛЕКЦИЯ _Физ_Основы получения холода

Снижение температуры спая (поглощение теплоты Пельтье} происходит в том случае, когда под воздействием электрического поля

электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента в другою, переходят в новое состояние с более высокой энергией При этом повышение энергии этектронов происходят за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения.

При обратном направлении движения тока электроны, переходя на бoлee низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.

Вобоих случаях поглощение или выделение тепла происходит непосредственно вблизи контакта ветвей термоэлемента, так как тепловое

равновесие наступает на расстоянии всего нескольких десятков соударений электрон— атом.

Вэтом случае возникновение электрического тока обусловливается термоэлектродвижущей силой (т. э. д, с.), возникающей в результате диффузии электронов и дырок из более нагретых мест в менее нагретые.

Полезная тепловая нагрузка на холодный спай термоэлемента (холодопроизводительность элемента) будет равна разности между теплом Пельтье и суммой встречного потока Джоулева тепла и тепла, переносимого теплопроводностью:

(Установлено, что на каждом спае выделяется половина тепла Джоуля). При отсутствии полезной нагрузки (Qo = 0) имеет место динамическое

равновесие , которому соответствует, как показали

исследования, минимальная температура холодного спая. Тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока; Джоулево тепло пропорционально квадрату силы тока. Поэтому максимальное охлаждение, достигаемое при помощи термоэлемента, происходит при некотором оптимальном значении силы тока 1опт.

Коэффициент полезного действия термоэлементов из металлических проводников очень низок вследствие большого перетекания тепла от горячего спая к холодному. Поэтому практическое использование металлических термоэлементов в указанных выше целях является нецелесообразным. Значительно большей эффективностью обладают цепи, содержащие места соприкосновения металлов с некоторыми специально изготовленными полупроводниками, т. е. полупроводниковые термоэлементы (рис. 6).

Задача повышения эффективности термоэлементов заключается в нахождении материалов с высокой термоэлектрической

характеристикойт. е. высоким коэффициентом т-э. д. с. и высоким

отношением удельной электрической проводимости и теплопроводности. Величина z иначе называется эффективностью термоэлемента.

11

По теоретическим данным оптимальная сила тока, при которой достигается максимальное охлаждение,

(F — площадь сечения полупроводников термоэлемента; / — длина). При этом

Как видно, максимальное охлаждение холодного спая термоэлемента не зависит от геометрических размеров и формы термоэлемента, а зависит от температуры холодного спая и величины z, которая является важнейшей характеристикой работы термоэлемента, связывающей термоэлектрические, электрические и тепловые свойства вещества. При эффективности термоэлемента г = и температуре горячего спая Т = 20° С макси-

создать более или менее крупные холодильные установки с энергетической эффективностью, близкой к наиболее распространенным в холодильной технике компрессионным машинам. Требуется дальнейшее совершенствование энергетической характеристики полупроводников. В мелких же установках энергетическая эффективность термоэлектрического охлаждения уже теперь становится близкой к эффективности компрессионных машин. Отсутствие движущихся частей и промежуточного рабочего вещества (холодильного агента) в установках термоэлектрического охлаждения, а также простота конструкции делают эти установки весьма перспективными для промышленного использования.

12