2.2. Теплові насоси.

Робота теплового насосу заклечається в перекачуванні теплової енергії від матеріалу з більш низькою температурою до матеріалу з більш високою температурою. Відмітимо, що побутові холодильники, по суті, являються тепловими насосами – тепло забирається з холодильної камери (відбувається охолодження) і віддається навколишньому середовищу від випаровувача (відбувається нагрів). Розповсюджені компресійні і абсорбційні пристрої мають значну масу, габарити і споживають багато електроенергії. Крім того вони не можуть плавно регулювати температуру. Рухомі частини і газ – фреон-обмежують термін роботи компресорів. Ціх недоліків не мають термоелектричні теплові насоси. Щоб зрозуміти їх принцип дії, розглянемо термоелемент, складений з гілок з дірковою (р – типу) і електронною (п – типу) провідністю (рис.2,а).

Рис. 2. Схеми термоелемента (а) і термоелектричного напівпровідникового насоса, який застосовують для охолодження (б) повітря:

1 - гілка термоелемента; 2 - металева пластинка; 3 - приточний вентилятор ; 4- тепловий насос; 5 - холодний і гарячий спаї;.

Гілки 1 термоелемента з’єднуються металевою пластиною 2. При пропусканні струму І через термоелемент в напрямку, вказаному стрілкою, на п-р-переході (холодному спаї) поглинається, а на п-р-переході (гарячому спаї) виділяється в одиницю часу теплота Пельтьє у відповідність з залежністю:

(5)

Якщо при цьому температура охолоджуваного спаю Т₁, а нагрітого Т₂ то теплоту Пельтьє для гарячого і холодного спаю можна виразити так:

(6)

(7)

Холодному спаю від навколишнього середовища передається теплота , крім того , по гілкам термоелемента внаслідок їх теплопровідності від гарячого спаю до холодного передається тепло :

,

де - коефіцієнт температуропровідності.

З деяким наближенням можна вважати, що на кожному із спаїв виділяється половина теплоти Ленца – Джоуля .

Рівняння теплового балансу для холодного спаю може бути записане в наступному вигляді:

(8)

З рівняння (8) теплота, що забирається від навколишнього середовища:

(9)

Рівняння теплового балансу для гарячого спаю залишається таким:

(10)

де - теплота, що передається гарячим спаєм об’єкту, що нагрівається.

З рівняння (10) маємо:

(11)

Оскільки i є кількістю теплоти в одиницю часу, то робота електричних сил (споживна потужність):

(12)

З урахуванням формул (6) і (7), а також співвідношень (9) і (11) рівняння (12) можна переписати в наступному вигляді:

(13)

де R – опір гілки термоелементу, Ом.

З аналізу рівняння (13) видно, що споживана термоелементом потужність Р витрачається на подолання термо – ЕРС і активного опору, термоелемент при цьому працює як тепловий насос, перекачуючи теплоту від навколишнього середовища об’єкту, що нагрівається.

Теоретично термобатарея при охолоджені повітря може працювати в крайніх (граничних) режимах: а) з максимальним перепадом температур ΔТ=Т₂-Т₁ між гарячим і холодним спаями (рівн. 9) буде відповідати нульовій холодопродуктивності, Q_х = 0; б) з максимальною холодопродуктивністю (рівн. 9) відповідає нульовий перепад температур між спаями, ΔТ=Т₂-Т₁=0. Однак за невраховуваних теплопритоків на практиці, як правило, реалізується проміжні режими.

Для аналізу енергетичної ефективності теплових насосів звернемося до рівняння (12), яке можна переписати у такому вигляді:

(14)

Оскільки відношення є опалювальний коефіцієнт, а відношення – холодильний, можна отримати відоме з термодинаміки співвідношення:

(15)

При використанні сучасних напівпровідникових матеріалів напівпровідникового теплового насоса досягає 5, з урахуванням рівняння (11) і (13) маємо:

(16)

Отже, ефективність опалювання буде тим вище, чим менше різниця температур Т₂ і Т₁ між спаями.

Найбільш економічним з погляду споживання електричної енергії є рижим роботи теплового насоса, при якому опалювальний або холодильний коефіцієнти максимальні. При роботі в режимі охолодження максимальному коефіцієнту відповідає певний струм в ланцюзі термоелемента. Це пояснюється тим, що при великих значеннях струму теплота Джоуля – Ленца пропорційна квадрату струму і замість охолодження відбуватиметься нагрів. При роботі в режимі нагріву екстремальна залежність опалювального коефіцієнта від струму відсутня.

Холодо- і теплопродуктивність теплових насосів регулюють, змінюючи силу струму, що протікає по термоелементах. Регулювання може бути безперервним або за принципом ввімкнено-вимкнено. Останнє відрізняється більшою простотою, але меншою економічності , оскільки через гілки термоелементів тих, що мають високу теплопровідність, при відключенні живлення виникає велика передача теплоти.

Для живлення термоелектричних нагрівальних і холодильних пристроїв використовують джерела постійного струму або струму з незначною пульсацією. Для згладжування пульсації застосовують, як правило, індуктивні фільтри, включені послідовно з термобатареєю або акумулятори, що сполучається паралельно з термобатареєю. У разі трифазного випрямлення фільтр зазвичай не ставлять, оскільки пульсація при цьому незначна.

Термоелектричні пристрої можуть знайти застосування для охолодження питної води в польових умовах. Вода охолоджується при протіканні через термобатарею або в посудині для її зберігання. Аналогічні охолоджувачі можуть бути використані і для молока. При цьому необхідно, щоб воно стікало тонким шаром по охолоджувальних сторонах термобатареї. Така конструкція забезпечує хороший теплообмін з молоком і легкий доступ до поверхонь, що вимагають миття після користування.

Термоелектричні теплові насоси особливо перспективно застосовуються як кондиціонери в різних виробничих приміщеннях для підтримки комфортних умов по температурі ( рис.2,б). Легкий перехід з охолодження на нагрів, велика гнучкість в порівняні із звичайними системами дають значні переваги термоелектричним кондиціонерам.