Hiệu ứng nhiệt điện và làm mát, hiệu ứng Peltier

Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng tủ lạnh nhiệt điện so với các loại máy làm lạnh khác càng tăng, khối lượng của khối lượng làm mát càng nhỏ. Do đó, hợp lý nhất ở thời điểm hiện tại là sử dụng làm mát nhiệt điện cho tủ lạnh gia dụng, làm mát chất lỏng thực phẩm, điều hòa không khí, ngoài ra, làm mát nhiệt điện được sử dụng thành công trong hóa học, sinh học và y học, đo lường, cũng như trong lạnh thương mại (duy trì nhiệt độ trong tủ lạnh) , vận chuyển điện lạnh (tủ lạnh) và các khu vực khác

Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu quả của sự xuất hiện được biết đến rộng rãi trong nghệ thuật nhiệt trong các dây dẫn hàn, các tiếp điểm (mối nối) giữa chúng được duy trì ở các nhiệt độ khác nhau (Hiệu ứng Seebeck). Trong trường hợp khi một dòng điện không đổi được truyền qua một mạch gồm hai vật liệu khác nhau, một trong các mối nối bắt đầu nóng lên và cái còn lại bắt đầu nguội đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhiệt điện hoặc Hiệu ứng Peltier.

Hình. 1. Sơ đồ cặp nhiệt điện

Trong hình 1 cho thấy một sơ đồ của một cặp nhiệt điện. Hai chất bán dẫn n và m tạo thành một mạch dọc theo dòng điện trực tiếp đi từ nguồn điện C, trong khi nhiệt độ của các mối nối lạnh X trở nên thấp hơn và nhiệt độ của các mối nối nóng G trở nên cao hơn nhiệt độ môi trường, ví dụ, cặp nhiệt điện bắt đầu thực hiện các chức năng của máy làm lạnh.

Nhiệt độ đường giao nhau giảm do thực tế là dưới tác động của điện trường, các electron chuyển từ một nhánh của cặp nhiệt điện (m) sang một (n) khác chuyển sang trạng thái mới có năng lượng cao hơn. Năng lượng của các điện tử tăng lên do động năng lấy từ các nguyên tử của các nhánh nhiệt ở những nơi liên hợp của chúng, do đó mối nối này (X) được làm mát.

Trong quá trình chuyển đổi từ mức năng lượng cao hơn (nhánh n) sang mức năng lượng thấp (nhánh t), các electron cung cấp một phần năng lượng của chúng cho các nguyên tử của điểm nối của cặp nhiệt điện, bắt đầu nóng lên.

Ở nước ta vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 Viện sĩ A.F. Ioffe và các sinh viên của ông đã tiến hành nghiên cứu rất quan trọng liên quan đến sự phát triển của lý thuyết làm mát nhiệt điện. Dựa trên những nghiên cứu này, một loạt các thiết bị làm mát đã được thiết kế và thử nghiệm đầu tiên.

Hiệu quả năng lượng của máy làm lạnh nhiệt điện thấp hơn đáng kể so với hiệu quả của các loại thiết bị làm lạnh khác, tuy nhiên, sự đơn giản, độ tin cậy và thiếu tiếng ồn khiến việc sử dụng làm mát nhiệt điện rất hứa hẹn.

Hiệu quả làm mát nhiệt điện

Lựa chọn vật liệu cho các mặt hàng

Hiệu suất của cặp nhiệt điện, cũng như sự giảm nhiệt độ tối đa tại các điểm nối, phụ thuộc vào hiệu suất (hệ số chất lượng) của chất bán dẫn z, bao gồm độ dẫn điện, hệ số nhiệt điện α và độ dẫn nhiệt. Các giá trị này có liên quan với nhau, vì chúng phụ thuộc vào nồng độ của các electron hoặc lỗ trống tự do. Một sự phụ thuộc như vậy được trình bày trong hình. 2.

Có thể thấy từ hình vẽ rằng độ dẫn điện tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang n, thermoEMF có xu hướng bằng 0 khi tăng n và tăng khi giảm n. Độ dẫn nhiệt k bao gồm hai phần: độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể κp, thực tế không phụ thuộc vào n, và độ dẫn nhiệt điện tử κe, tỷ lệ với n.

Hiệu quả của kim loại và hợp kim kim loại thấp do hệ số nhiệt thấp, và trong điện môi do độ dẫn điện rất thấp.So với kim loại và điện môi, hiệu quả của chất bán dẫn cao hơn nhiều, điều này giải thích việc sử dụng rộng rãi của chúng hiện nay trong nhiệt điện. Hiệu quả của vật liệu cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.

Cặp nhiệt điện bao gồm hai nhánh: âm (loại n) và dương (loại p). Vì vật liệu có tính thấm điện tử có emf âm và vật liệu có độ dẫn lỗ có dấu dương, có thể thu được nhiệt kế cao hơn.

Hình. 2. Sự phụ thuộc định tính của thermopower, độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt vào nồng độ chất mang

Với sự gia tăng của thermopower, z tăng.

Đối với nhiệt độ, vật liệu nhiệt điện ở nhiệt độ thấp hiện đang được sử dụng, các vật liệu ban đầu là bismuth, antimon, selen và Tellurium. Hiệu suất tối đa z đối với các vật liệu này ở nhiệt độ phòng là: 2,6 · 10-3 ° С-1 cho loại n, 2,6 · 10-1 ° С-1 cho loại p.

Hiện tại, Bi2Te3 hiếm khi được sử dụng, vì các giải pháp rắn Bi2Te3-Be2Se3 và Bi2Te3-Sb2Te3 được tạo trên cơ sở có giá trị z cao hơn. Những vật liệu này lần đầu tiên được thu thập và nghiên cứu ở nước ta, và trên cơ sở sản xuất hợp kim TVEH-1 và TVEH-2 cho các nhánh có độ dẫn điện tử và TVDH-1 và TVDH-2 cho các nhánh có độ dẫn lỗ đã được làm chủ [1].

Các dung dịch rắn Bi-Se được sử dụng trong khoảng nhiệt độ dưới 250 K. Giá trị tối đa z = 6 · 10-3 ° C-1 đạt tới T≈80 ÷ 90 K. Thật thú vị khi lưu ý rằng hiệu suất của hợp kim này tăng đáng kể trong từ trường.

Các nhánh bán dẫn hiện được sản xuất theo ba phương pháp: luyện kim bột, đúc với sự kết tinh trực tiếp và vẽ từ sự tan chảy. Phương pháp luyện kim bột với phương pháp ép lạnh hoặc nóng mẫu là phổ biến nhất.

Các thiết bị làm mát nhiệt điện sử dụng, như một quy luật, nhiệt điện trong đó nhánh âm được tạo ra bằng cách ép nóng và nhánh dương bằng cách ép lạnh.

Hình. 3. Sơ đồ cặp nhiệt điện

Độ bền cơ học của cặp nhiệt điện là không đáng kể. Vì vậy, đối với các mẫu của hợp kim Bi2Te3-Sb2Te3 được sản xuất bằng phương pháp ép nóng hoặc lạnh, cường độ nén là 44,6 mật49,8 MPa.

Để tăng cường độ của cặp nhiệt điện, một tấm chì giảm xóc 3 được đặt giữa tấm chuyển mạch 1 (Hình 3) và nhánh bán dẫn 6; Ngoài ra, các chất hàn nóng chảy thấp 2, 4 và SiSb 5 được sử dụng. Các thử nghiệm cho thấy các thiết bị nhiệt điện có khả năng chống sốc rung lên đến 20g, máy làm mát nhiệt điện có khả năng làm mát thấp đến 250g.

So sánh các thiết bị làm mát nhiệt điện với các phương pháp làm mát khác

Thiết bị làm mát nhiệt điện có một số lợi thế so với các loại thiết bị làm lạnh khác. Hiện nay, tàu sử dụng điều hòa không khí hoặc máy làm lạnh hơi nước trong hệ thống điều hòa không khí. Vào mùa lạnh, mặt bằng tàu được làm nóng bằng máy sưởi điện, hơi nước hoặc nước, tức là, các nguồn nhiệt và lạnh riêng biệt được sử dụng.

Sử dụng các thiết bị nhiệt điện trong mùa ấm, có thể làm mát cơ sở và trong thời tiết lạnh - nóng. Chế độ làm nóng được thay đổi thành chế độ làm mát bằng cách đảo ngược dòng điện.

Ngoài ra, các ưu điểm của thiết bị nhiệt điện bao gồm: hoàn toàn không có tiếng ồn trong quá trình vận hành, độ tin cậy, không có chất làm việc và dầu, trọng lượng nhỏ hơn và kích thước tổng thể ở cùng một công suất làm mát.

Dữ liệu so sánh trên máy chladon để cung cấp buồng trên tàu cho thấy, với cùng công suất làm lạnh, khối lượng của máy làm lạnh nhiệt điện nhỏ hơn 1,7-1,8 lần.

Máy làm lạnh nhiệt điện cho hệ thống điều hòa không khí có thể tích khoảng bốn và khối lượng nhỏ hơn ba lần so với máy làm lạnh chladone.

Hình. 4. Chu trình Lorentz

Những nhược điểm của thiết bị làm mát nhiệt bao gồm lợi nhuận thấp và chi phí tăng.

Hiệu quả chi phí của tủ lạnh nhiệt điện so với hơi nước thấp hơn khoảng 20-50% [1]. Chi phí cao của các thiết bị làm mát bằng nhiệt có liên quan đến giá cao cho vật liệu bán dẫn.

Tuy nhiên, có những lĩnh vực mà bây giờ họ có thể cạnh tranh với các loại máy làm lạnh khác. Ví dụ, họ bắt đầu sử dụng các thiết bị nhiệt điện để làm mát khí và chất lỏng. Ví dụ về các thiết bị của lớp này bao gồm máy làm lạnh nước uống được, máy điều hòa không khí, máy làm mát thuốc thử hóa học, v.v.

Đối với các thiết bị làm lạnh như vậy, chu trình mô hình sẽ là chu trình Lorentz hình tam giác (xem hình 4). Tiếp cận chu trình mô hình đạt được một cách đơn giản, vì điều này chỉ yêu cầu sửa đổi mạch chuyển mạch, không gây khó khăn về cấu trúc. Điều này cho phép bạn tăng đáng kể, trong một số trường hợp nhiều hơn gấp đôi, tăng hiệu quả của máy làm lạnh nhiệt điện. Để thực hiện nguyên tắc này trong máy làm lạnh hơi nước, một sơ đồ nén nhiều giai đoạn phức tạp sẽ phải được áp dụng.

Việc sử dụng các thiết bị nhiệt điện như Tăng cường truyền nhiệt. Trong những trường hợp cần phải loại bỏ nhiệt từ không gian nhỏ vào môi trường và bề mặt tiếp xúc nhiệt bị hạn chế, pin nhiệt điện đặt trên bề mặt có thể tăng cường đáng kể quá trình truyền nhiệt.

Như các nghiên cứu [2] cho thấy, một mức tiêu thụ năng lượng tương đối nhỏ có thể làm tăng đáng kể thông lượng nhiệt cụ thể. Truyền nhiệt có thể được tăng cường ngay cả khi không tiêu thụ năng lượng. Trong trường hợp này, đóng thermopile.

Sự hiện diện của chênh lệch nhiệt độ sẽ dẫn đến Seebeck nhiệt, sẽ cung cấp năng lượng cho pin nhiệt điện. Sử dụng các thiết bị nhiệt điện, có thể cách ly một trong các phương tiện trao đổi nhiệt, tức là sử dụng nó như một vật liệu cách nhiệt hoàn hảo.

Một tình huống quan trọng, cũng xác định khu vực trong đó máy làm lạnh nhiệt điện có thể cạnh tranh với các loại máy làm lạnh khác ngay cả về hiệu quả năng lượng, là việc giảm công suất làm lạnh, ví dụ, máy làm lạnh hơi nước dẫn đến giảm hệ số làm lạnh của chúng.

Đối với một máy làm lạnh nhiệt điện, quy tắc này không được tôn trọng và hiệu quả của nó thực tế không phụ thuộc vào khả năng làm mát. Hiện tại, với nhiệt độ Tx = 0 ° C và Tk = 26 ° C và hiệu suất vài chục watt, hiệu suất năng lượng của máy nhiệt điện gần bằng hiệu suất của máy làm lạnh bằng hơi nước.

Áp dụng rộng rãi làm mát nhiệt điện sẽ phụ thuộc vào tiến trình tạo ra các vật liệu bán dẫn tiên tiến, cũng như việc sản xuất hàng loạt pin nhiệt hiệu quả kinh tế.

Tài liệu tham khảo

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Thiết bị làm mát nhiệt điện. - L .: Đóng tàu, năm 1972. nghê 191 tr.

2. Martynovsky V. S. Chu kỳ, mạch điện và đặc điểm của máy biến thế nhiệt. - M.: Năng lượng, 1979. Thôi 285 tr.

Đọc thêm về chủ đề này:Hiệu ứng Peltier: hiệu ứng kỳ diệu của dòng điện