28 Термоэлектрические холодильные машины.

Принцип действия термоэлектрической холодильной машины (ТХМ) основан на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).

Термоэлектрическая батарея состоит из ряда соединенных между собой термоэлементов. Термоэлементы выполнены из двух полупроводников, имеющих разную проводимость: электронную (n-типа) и дырочную (р-типа). В зависимости от назначения и конкретных условий работы соединение полупроводников может быть последовательным, каскадным или комбинированным. При последовательном соединении обеспечивается наибольшая площадь контакта с охлаждаемой средой и наибольшая холодопроизводительность. Каскадное соединение позволяет получить максимальную разность температур холодного и горячего спаев, но меньшую площадь контакта.

Термоэлементы по форме могут быть, прямоугольными, круглыми, кольцевыми или секторными. В качестве термоэлектрических материалов применяются полупроводниковые сплавы.

Основной показатель качества термоэлементов является коэффициент добротности Z, К^-1.

,

где α – коэффициент термоэлектродвижущей силы, Вт/К;

σ – удельная электропроводность, Ом^-1 ∙ м^-1;

λ – удельная теплопроводность материала, Вт /(м ∙ К)

Коэффициент добротности определяет максимальную разность температур горячих и холодных спаев:

,

где Т_х – температура холодного спая, К.

Наибольшим коэффициентом добротности обладают многокомпонентные соединения на основе теллуридов висмута и сурьмы. Добротность ветвей термоэлементов, изготовленных из этих материалов составляет (3 - 3,3) 10^-3 К^-1. Это позволяет при температуре горячего спая Т_г = 30 ^оС получить температуру на холодном спае Т_х = (-45 ÷ -50)^оС, т.е. ∆Т_мах = (75 – 80)^оС.

Материалы для изготовления ветвей термоэлементов выбираются с учетом температурного диапазона работы, прочностных характеристик, совместимости с конструкционными материалами, стабильности термоэлектрических свойств, возможности реверсирования тепловых потоков, стоимости и т.д. Сплавы на основе Sb₂Te – Bi₂Te₃ и Bi₂Te₃ – Bi₂Se₃ достаточно хорошо отвечают необходимым требованиям.

Электрическое соединение ветвей термоэлементов осуществляется через коммутационный переход. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутационному переходу, являются малое контактное электрическое сопротивление, исключение диффузии его компонентов в полупроводники и достаточная эластичность при тепловом реверсировании. Наиболее часто в качестве шин коммутационных переходов служат медь, алюминий и заливочный материал на основе висмута. Соединение электроведущих шин с ветвями термоэлементов осуществляется пайкой, напылением, прижимом, склеиванием и другими способами.

Для улучшения теплообмена горячих спаев с охлаждающей средой и холодных спаев с охлаждаемой средой на рабочих плоскостях термоэлектрических батарей, как правило, располагаются теплообменники.

По характеру соединения теплообменников с термоэлементами различаются безызоляционные соединения и с электроизоляционными соединениями. В безызоляцыонных конструкциях все термоэлементы имеют индивидуальные теплообменники, которые могут выполнять и функции коммутационных пластин. Такие соединения применяют только в случае использования диэлектрических теплоносителей. В конструкциях с электроизоляционными соединениями между теплообменником и токоведущими элементами батареи располагается слой электроизоляции.

По виду среды теплообменники бывают водяные и воздушные. В некоторых ТХМ используются промежуточные теплоносители с изменяющимся агрегатным состоянием. Водяной теплообменник представляет собой плиту или пластину с внутренними каналами, по которым циркулирует вода. Воздушные теплообменники имеют большую площадь теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности осуществляется игольчатым или пластинчатым оребрением. В качестве конструкционных материалов для теплообменников обычно применяются медь или алюминий.

Анализ работы и расчет термоэлектрических холодильных машин основан на взаимодействии термоэлектрических явлениях: Эффекта Зеебека, эффекта Пельтье, эффекта Томпсона и др.

Эффект Зеебека заключается в том, что при поддержании различных температур на спаях двух полупроводников в цепи возникает термоэлектродвижущая сила и в цепи появляется электрический ток. На данном принципе основана работа термопар для измерения температур.

ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяется по уравнению

.

В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из однородных полупроводников дырочной или электронной проводимости, их термоЭДС оказываются противоположно направленными. Тогда:

α_р = α_р1 - α_р2,

α_n = α_n1 - α_n2.

где α_р и α_n – коэффициенты термоЭДС дырочного и электронного полупроводников, Вт/К.

Если термоэлектрическая батарея состоит из полупроводников различной проводимости, то их коэффициенты темоЭДС суммируется по абсолютным значениям, т.е.

.

Для цепи, состоящей из n последовательно соединенных пар плоупроводников, термоэлектродвижущая сила равна:

или для цепи из двух полупроводников

ΔЕ = α (Т_г – Т_х).

Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока через два, спаянных между собой полупроводника, в местах спаев возникают различные температуры: один спай становится горячим, другой – холодным.

Теплота, выделяемая или поглощаемая на горячем и холодном спаях, называется теплотой Пельтье.

Теплота Пельтье определяется по формуле:

,

где П – коэффициент Пельтье;

I – сила тока, А.

Коэффициент Пельтье связан с эффектом Зеебека следующим соотношением

.

Тогда:

.

Эффект Томпсона заключается в поглощении теплоты по всей длине термоэлементов. Наличие разности температур вдоль материала батареи приводит к тому, что электроны на горячем спае приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Эта разность потенциалов неодинакова и приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы. При этом возникает тепловой поток Томпсона

,

где τ – коэффициент Томпсона.

Для рассмотрения взаимодействия между термоэлектрическими эффектами термоэлектрическую холодильную машину можно представить как машину, в которой рабочим веществом является электрический ток (электрический газ). Термодинамический цикл в S-T – диаграмме холодильной машины, в которой отсутствуют дополнительные потери, показан на рисунке 7.1. Процесс 4-1 – процесс подвода теплоты Пельтье к холодному спаю; процесс 1-2 – процесс поглащения теплоты Томпсона полупроводником n-типа; процесс 2-3 – процесс отвода теплоты Пельтье от горячего спая; процесс 3-4 – процесс выделения теплоты Томпсона от полупроводника p-типа.

Рисунок 7.1.

В веществах с различными типами полупроводников эффект Томпсона практически равен нулю и в расчетах, как правило, не учитывается.

Количество теплоты Пельтье, подведенное к холодному спаю или теоретическая холодопроизводительность машины: