אפקט תרמי וקרר, אפקט פלטיאר

היעילות הכלכלית בשימוש במקררים תרמו-אלקטרוניים בהשוואה לסוגים אחרים של מכונות קירור עולה ככל שהנפח הנפח מקורר קטן יותר. לפיכך, הרציונלי ביותר כרגע הוא השימוש בקירור תרמו-מקררי למקררים ביתיים, במקררי נוזלי מזון, מזגנים, בנוסף, קירור תרמו-חשמלי משמש בהצלחה בכימיה, ביולוגיה ורפואה, מטרולוגיה, כמו גם בקור מסחרי (שמירה על הטמפרטורה במקררים) , הובלת קירור (מקררים) ואזורים אחרים

השפעה תרמו-אלקטרונית

השפעת ההתרחשות ידועה מאוד באמנות. thermoEMF במוליכים מולחמים, אנשי קשר (צמתים) שביניהם נשמרים בטמפרטורות שונות (אפקט Seebeck) במקרה בו זרם קבוע מועבר במעגל של שני חומרים שונים, אחד הצמתים מתחיל להתחמם, והשני מתחיל להתקרר. תופעה זו נקראת השפעה תרמו-אלקטרונית או אפקט פלטיר.

איור. 1. תרשים צמד תרמי

באיור. 1 מראה תרשים של צמד תרמי. שני מוליכים למחצה n ו- m יוצרים מעגל שלאורכו עובר זרם ישיר ממקור הכוח C, ואילו הטמפרטורה של הצמתים הקרים X הופכת נמוכה יותר, והטמפרטורה של הצמתים החמים G הופכת גבוהה מהטמפרטורה בסביבה, כלומר, הצמד התרמי מתחיל לבצע את הפונקציות של מכונת קירור.

טמפרטורת הצומת יורדת בגלל העובדה, בהשפעת שדה חשמלי, האלקטרונים העוברים מענף אחד של הצמד התרמי (m) למשנהו (n) נכנסים למצב חדש עם אנרגיה גבוהה יותר. האנרגיה של האלקטרונים גדלה כתוצאה מהאנרגיה הקינטית שנלקחה מאטומי ענפי התרמו במקומות ההתייחדות שלהם, וכתוצאה מכך מקורר צומת זה (X).

במעבר מרמת אנרגיה גבוהה יותר (ענף n) לרמת אנרגיה נמוכה (ענף t) האלקטרונים נותנים חלק מהאנרגיה שלהם לאטומים של צומת הצמד התרמי, שמתחיל להתחמם.

בארצנו בסוף שנות הארבעים ותחילת שנות החמישים האקדמאי A.F. Ioffe ותלמידיו ערכו מחקרים חשובים מאוד הקשורים להתפתחות התיאוריה של קירור תרמו. על סמך מחקרים אלה, סדרת מכשירי קירור תוכננה ונבדקה לראשונה.

יעילות אנרגטית של צ'ילרים תרמיים לעומת זאת, הפשטות, האמינות וחוסר הרעש הופכים את השימוש בקירור תרמו-חשמלי למבטיח ביותר.

יעילות קירור תרמו

בחירת חומר לפריטים

היעילות של צמד התרמי, כמו גם הירידה המרבית בטמפרטורה בצמתים, תלויים ביעילות (גורם האיכות) של חומר המוליכים למחצה z, הכולל את המוליכות החשמלית σ, מקדם תרמו-אל α ומוליכות תרמית κ. ערכים אלה קשורים זה בזה, מכיוון שהם תלויים בריכוז האלקטרונים או החורים החופשיים. תלות כזו מוצגת באיור. 2.

באיור נראה כי המוליכות החשמלית σ פרופורציונאלית למספר המנשאים n, החשמל התרמי נוטה לאפס עם הגדלת ה- n וגובר עם הירידה ב- n. המוליכות התרמית k מורכבת משני חלקים: המוליכות התרמית של סריג הגביש κp, שהיא למעשה בלתי תלויה ב- n, והמוליכות התרמית האלקטרונית κe, פרופורציונלית ל- n.

היעילות של מתכות וסגסוגות מתכת נמוכה בגלל המקדם הנמוך של thermoEMF, ובדיאלקטרים ​​בגלל המוליכות החשמלית הנמוכה מאוד.בהשוואה למתכות ודיאלקטריקה, היעילות של מוליכים למחצה היא הרבה יותר גבוהה, מה שמסביר את השימוש הנרחב שלהם כיום בתלמידים תרמיים. יעילות החומרים תלויה גם בטמפרטורה.

הצמד התרמי מורכב משני ענפים: שלילי (סוג n) וחיובי (p-type). מכיוון שלחומר בעל חדירות אלקטרונית יש emk שלילי ולחומר עם מוליכות חור יש סימן חיובי, ניתן להשיג כוח תרמי גבוה יותר.

איור. 2. תלות איכותית של כוח תרמי, מוליכות חשמלית ומוליכות תרמית בריכוז המוביל

עם עלייה בחשמל התרמי, z עולה.

עבור אלמנטים תרמיים משתמשים כיום בחומרים תרמו-אלקטריים בטמפרטורה נמוכה, שחומרי ההתחלה שלהם הם ביסמוט, אנטימון, סלניום וטוריום. היעילות המרבית של חומרים אלה בטמפרטורת החדר היא: 2.6 · 10-3 ° С-1 לסוג ה- n, 2.6 · 10-1 ° С-1 עבור p-type.

נכון לעכשיו, Bi2Te3 משמש לעיתים נדירות, מכיוון שלפתרונות מוצקים Bi2Te3-Be2Se3 ו- Bi2Te3-Sb2Te3 שנוצרו על בסיסם יש ערכי z גבוהים יותר. חומרים אלה הושגו ונחקרו לראשונה בארצנו, ועל בסיסם שלטו ייצור של סגסוגות TVEH-1 ו- TVEH-2 לסניפים עם מוליכות אלקטרונית ו- TVDH-1 ו- TVDH-2 לסניפים עם מוליכות חור [1].

פתרונות מוצקים Bi-Se משמשים בטווח הטמפרטורות שמתחת ל -250 K. הערך המקסימאלי z = 6 · 10-3 ° C-1 מגיע ל- T≈80 ÷ 90 K. מעניין לציין כי היעילות של סגסוגת זו עולה משמעותית בשדה מגנטי.

סניפי מוליכים למחצה מיוצרים כיום בשלוש שיטות: מטלורגיה אבקה, יציקה עם התגבשות מכוונת ושאיבה מההמסה. השיטה של ​​מתכות אבקה עם לחיצה קרה או חמה של דגימות היא הנפוצה ביותר.

במכשירי קירור תרמו-אלקטרוניים, ככלל, משמשים אלמנטים תרמיים, בהם הענף השלילי נעשה על ידי לחיצה חמה והענף החיובי על ידי כבישה קרה.

איור. 3. תרשים צמד תרמי

כוחם המכני של צמד תרמי זניח. לכן, עבור דגימות של סגסוגת Bi2Te3-Sb2Te3 המיוצרות על ידי לחיצה חמה או קרה, חוזק ההלחצה הוא 44.6-49.8 מגה-בתא.

כדי להגדיל את חוזק הצמד התרמי, מוצבת לוחית עופרת דעיכה 3 בין לוחית המיתוג 1 (איור 3) לבין ענף המוליכים למחצה 6; בנוסף משתמשים במוצרי הלחמה נמסים עם התכה נמוכה 2, 4 ו- SiSb 5. בדיקות מראות כי התקנים תרמו-אלקטרוניים הם בעלי עמידות בפני זעזוע רטט עד 20 גרם, מקררים תרמו-אלקטרוניים עם יכולת קירור נמוכה של עד 250 גרם.

השוואה בין מכשירי קירור תרמו-אלקטריים עם שיטות קירור אחרות

למכשירי קירור תרמו-אלקטריים יש מספר יתרונות על פני סוגים אחרים של צ'ילרים. נכון לעכשיו, אוניות משתמשות במזג אוויר או בצינורות קיטור. בעונה הקרה, מתחם האוניה מחומם באמצעות דודי חשמל, אדים או מים, כלומר משתמשים במקורות חום וקור נפרדים.

באמצעות מכשירים תרמו-אלקטרוניים בעונה החמה ניתן לקרר את המקום, ובקור - לחמם. מצב החימום משתנה למצב הקירור על ידי היפוך הזרם החשמלי.

בנוסף, היתרונות של התקנים תרמו-אלקטרוניים כוללים: היעדר מוחלט של רעש במהלך הפעולה, אמינות, היעדר חומר עבודה ושמן, משקל קטן יותר וממדים כלליים באותה יכולת קירור.

נתונים השוואתיים על מכונות שלדון להצבת תאים בספינות מראים כי באותה יכולת קירור, המסה של מכונת קירור תרמו-אלקטרונית היא פי 1.7-1.8.

צ'ילרים תרמו-אלקטרוניים למערכות מיזוג אוויר הם בעלי נפח של כארבע ומסה של פי שלושה פחות מצינורות chladone.

איור. 4. מחזור לורנץ

החסרונות של התקני קירור תרמי כוללים הרווחיות הנמוכה והעלויות שלהם.

עלות האפקטיביות של מקררים תרמיים בהשוואה לאדים נמוכה בכ- 20-50% [1]. העלות הגבוהה של מכשירי קירור תרמי קשורה למחירים גבוהים עבור חומרים מוליכים למחצה.

עם זאת, ישנם אזורים שבהם הם יכולים כעת להתחרות בסוגים אחרים של צ'ילרים. לדוגמה, הם החלו להשתמש במכשירים תרמו-אלקטרוניים לקירור גזים ונוזלים. דוגמאות למכשירים משכבה זו כוללים צינורות מים לשתייה, מזגנים, מקררי ריאגנטים כימיים וכו '.

עבור צ'ילרים כאלה מחזור הדגם יהיה מחזור הלורנץ המשולש (ראה איור 4). התקרבות למחזור הדגם מושגת בצורה פשוטה, שכן הדבר מחייב רק שינוי מעגלי המיתוג, אשר אינו גורם לקשיים מבניים. זה מאפשר לך להגדיל את היעילות של מכונות קירור תרמו באופן משמעותי, במקרים מסוימים. כדי ליישם עיקרון זה בצינור קיטור, יהיה צורך ליישם תוכנית דחיסה מרובת שלבים.

השימוש במכשירים תרמו "משפר העברת חום". במקרים בהם יש צורך להוציא חום מהחלל הקטן לסביבה, ומשטח המגע התרמי מוגבל, סוללות תרמו-אלקטרוניות הממוקמות על פני השטח יכולות להעצים משמעותית את תהליך העברת החום.

כפי שמראים מחקרים [2], צריכת אנרגיה קטנה יחסית יכולה להגדיל משמעותית את שטף החום הספציפי. ניתן להעצים את העברת החום גם ללא צריכת אנרגיה. במקרה זה, סגור את התרמופיל.

נוכחות של הפרש טמפרטורה תביא ל Seebeck thermoEMF, שיספק כוח לסוללה התרמו-אלקטרונית. באמצעות התקנים תרמו-אלקטרוניים ניתן לבודד את אחת המדיות המתחליפות חום, כלומר להשתמש בו כבידוד תרמי מושלם.

נסיבה חשובה, שקובעת גם את האזור בו מצליחים צ'ילרים תרמו-אלקטרוניים להתמודד עם סוגים אחרים של צ'ילרים אפילו ביעילות אנרגטית, היא שירידה ביכולת הקירור של, למשל, צינורות קיטור מובילה לירידה במקדם הקירור שלהם.

עבור צינור תרמו-אלקטרי, כלל זה אינו מכובד, והיעילות שלו למעשה אינה תלויה ביכולת הקירור. כבר נכון לעכשיו, עבור טמפרטורות Tx = 0 ° C ו- Tk = 26 ° C וביצועים של כמה עשרות וואט, יעילות האנרגיה של מכונה תרמו-אלקטרונית קרובה ליעילותה של מכונת קירור אדים.

אימוץ נרחב קירור תרמו יהיה תלוי בהתקדמות ביצירת חומרים מוליכים למחצה מתקדמים, כמו גם בייצור אצווה של סוללות תרמיות יעילות כלכלית.

הפניות

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., שולמן V. M. התקני קירור תרמו-אלקטרוניים של ספינות. - L .: בניית ספינות, 1972. - 191 עמ '.

2. מרטינובסקי פ. ס. מחזורים, מעגלים ומאפיינים של שנאים תרמיים. - מ .: אנרגיה, 1979. - 285 עמ '.

קרא גם בנושא זה:אפקט פלטייר: השפעת הקסם של זרם חשמלי