Ефективність застосування термоелектричних холодильників в порівнянні з іншими типами холодильних машин зростає тим більше, чим менше величина охолоджуваного обсягу. Тому найбільш раціонально в даний час використання термоелектричного охолодження для холодильників побутового призначення, в охолоджувачах харчових рідин, кондиціонерах повітря, крім того, термоелектричне охолодження успішно використовується в хімії, біології та медицині, метрології, а також в торговому холоді (підтримання температури в холодильних камерах) , холодильному транспорті (рефрижератори), і ін. областях
У техніці широко відомий ефект виникнення термоЕРС в спаяних провідниках, контакти (місця спаїв) між якими підтримуються при різних температурах (ефект Зеєбека). У тому випадку, коли через ланцюг двох різнорідних матеріалів пропускається постійний струм, один із спаїв починає нагріватися, а інший - охолоджуватися. Це явище носить назву термоелектричного ефекту або ефекту Пельтьє.
На рис. 1 показана схема термоелемента. Два напівпровідника n і m складають контур, по якому проходить постійний струм від джерела живлення С. при цьому температура холодних спаїв X стає нижче, а температура гарячих спаїв Г стає вище температури навколишнього середовища, т. Е. Термоелемент починає виконувати функції холодильної машини. Температура спаяний знижується внаслідок того, що під впливом електричного поля електрони, рухаючись з однієї гілки термоелемента (m) в іншу (n), переходять в новий стан з більш високою енергією. Енергія електронів підвищується за рахунок кінетичної енергії. відбирається від атомів гілок термоелемента в місцях їх сполучень, в результаті чого цей спай (X) охолоджується. При переході з більш високого енергетичного рівня (гілка п) на низький енергетичний рівень (гілка т) електрони віддають частину своєї енергії атомам спаяний Г термоелемента, який починає нагріватися.
У нашій країні в кінці 1940-х і початку 1950-х років академіком А. Ф. Іоффе і його учнями були проведені дуже важливі дослідження, пов'язані з розробкою теорії термоелектричного охолодження. На базі цих досліджень була вперше сконструйована і випробувана серія охолоджувальних пристроїв.
Енергетична ефективність термоелектричних холодильних машин значно нижче ефективності інших типів холодильних машин, проте простота, надійність і відсутність шуму роблять використання термоелектричного охолодження вельми перспективним.
ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ
Вибір матеріалу для елементів
Економічність термоелемента, а також максимальне зниження температури на спаях залежать від ефективності (добротності) напівпровідникового речовини z. в яку входять питома електропровідність # 963 ;. коефіцієнт термоЕРС # 945; і питома теплопровідність # 954 ;. Ці величини пов'язані між собою, так як залежать від концентрації вільних електронів або дірок. Така залежність представлена на рис. 2. З малюнка видно, що електропровідність # 963; пропорційна числу носіїв n. термоЕРС прагне до нуля зі збільшенням n і зростає при зменшенні n. Теплопровідність до складається з двох частин: теплопровідності кристалічної решітки # 954; p. яка практично не залежить від n. і електронної теплопровідності # 954; е. пропорційної n. Ефективність металів і металевих сплавів мала через низький коефіцієнта термоЕРС, а в діелектриках - через дуже малої електропровідності. У порівнянні з металами і діелектриками ефективність напівпровідників значно вище, чим і пояснюється їх широке застосування в даний час в термоелементах. Ефективність матеріалів також залежить від температури.
Термічні елементи складається з двох гілок: негативною (n-тип) і позитивної (р-тип). Так як матеріал з електронною проникністю має термоЕРС з негативним знаком, а матеріал з доречнийпровідністю - з позитивним, то можна отримати більше значення термоЕРС.
При збільшенні термоЕРС зростає z. Для термоелементів в даний час застосовують низькотемпературні термоелектричні матеріали, вихідними речовинами яких є вісмут, сурма, селен і телур. Максимальна ефективність z для цих матеріалів при кімнатних температурах становить: 2,6 · 10 -3 ° С -1 для n-типу, 2,6 · 10 -1 ° С -1 - для р-типу. В даний час Bi2 Te3 застосовують рідко, оскільки створені на його основі твердих розчинів Bi2 Te3 -Be2 Se3 і Bi2 Te3 -Sb2 Te3 мають більш високі значення z. Ці матеріали вперше були отримані і досліджені в нашій країні, і на їх основі освоєний випуск сплавів ТВЕХ-1 і ТВЕХ-2 для гілок з електронною провідністю і ТВДХ-1 і ТВДХ-2 - для гілок з доречнийпровідністю [1]. Тверді розчини Bi-Se застосовують в області температур нижче 250 К. Максимального значення z = 6 · 10 -3 ° С -1 досягає при Т≈80 ÷ 90 К. Цікаво відзначити, що ефективність цього сплаву значно підвищується в магнітному полі.
Напівпровідникові гілки в даний час виготовляють трьома методами: методом порошкової металургії, литтям з спрямованою кристалізацією і витягуванням з розплаву. Метод порошкової металургії з холодним або гарячим пресуванням зразків найбільш поширений.
У термоелектричних охолоджуючих пристроях застосовують, як правило, термоелементи, у яких негативна гілка виготовлена методом гарячого пресування, а позитивна - методом холодного пресування.
Механічна міцність термоелементів незначна. Так, у зразків сплаву Bi2 Te3 -Sb2 Te3. виготовлених методом гарячого або холодного пресування, межа міцності при стисненні становить 44,6-49,8 МПа. Для підвищення міцності термоелемента між комутаційної пластиною 1 (рис. 3) і напівпровідникової гілкою 6 ставиться демпфуюча свинцева пластина 3; крім того, застосовують легкоплавкі припої 2. 4 і припій SiSb 5. Випробування показують, що термоелектричні пристрої мають виброударной стійкість до 20g. термоелектричні охолоджувачі малої холодопродуктивності - до 250g.
Порівняння термоелектричних охолоджуючих пристроїв з іншими способами охолодження
Термоелектричні охолоджуючі пристрої мають ряд переваг в порівнянні з іншими типами холодильних машин. В даний час в системах кондиціонування повітря на суднах застосовують тепловикористовуючі або парові холодильні машини. У холодну пору року суднові приміщення обігрівають електро-, паро- або водонагрівачами, т. Е. Застосовують роздільні джерела теплоти і холоду. За допомогою термоелектричних пристроїв в теплу пору року можна охолоджувати приміщення, а в холодну - обігрівати. Режим обігріву змінюють на режим охолодження шляхом реверсу електричного струму. Крім того, до переваг термоелектричних пристроїв слід віднести: повна відсутність шуму при роботі, надійність, відсутність робочої речовини і масла, менші масу і габаритні розміри при тій же холодопродуктивності. Порівняльні дані по хладонового машинам для провізіонних камер на судах показують, що при однаковій холодопроизводительности маса термоелектричної холодильної машини в 1,7-1,8 рази менше. Термоелектричні холодильні машини для систем кондиціонування повітря мають обсяг приблизно в чотири, а масу в три рази менше, ніж хладонові холодильні машини.
До недоліків термо пристроїв слід віднести їх низьку економічність і підвищену вартість. Економічність термоелектричних холодильних машин в порівнянні з паровими приблизно на 20-50% нижче [1]. Висока вартість термо пристроїв пов'язана з високими цінами на напівпровідникові матеріали. Однак існують області, де вже тепер вони здатні конкурувати з іншими типами холодильних машин. Наприклад, почали застосовувати термоелектричні пристрої для охолодження газів і рідин. Прикладами пристроїв цього класу можуть служити охолоджувачі питної води, повітряні кондиціонери, охолоджувачі реактивів в хімічному виробництві та ін. Для таких холодильних машин зразковим циклом буде трикутний цикл Лоренца (див. Рис. 4). Наближення до зразкового циклу досягається простим шляхом, так як для цього потрібно тільки видозмінити електричну схему комутації, що не викликає конструктивних труднощів. Це дозволяє істотно, в деяких випадках більш ніж удвічі, підвищити ефективність термоелектричних холодильних машин. Для реалізації цього принципу в парової холодильної машині довелося б застосовувати складну схему багатоступінчастого стиснення.
Вельми перспективним може бути використання термоелектричних пристроїв в якості «интенсификатора теплопередачі». У тих випадках, коли з будь-якого невеликого простору необхідно відвести теплоту в навколишнє середовище, а поверхню теплового контакту обмежена, наявні на поверхні термоелектричні батареї можуть значно інтенсифікувати процес теплопередачі. Як показують дослідження [2], порівняно невеликі витрати електроенергії здатний істотно збільшити питомий тепловий потік. Можна інтенсифікувати теплопередачу і без витрати електроенергії. В цьому випадку необхідно замкнути термобатарей. Наявність різниці температур призведе до появи термоЕРС Зеєбека, яка і забезпечить харчування термоелектричної батареї. За допомогою термоелектричних пристроїв можна ізолювати одну з теплообменівающіхся середовищ, т. Е. Використовувати її в якості досконалої теплової ізоляції.
Важлива обставина, також визначає область, в якій термоелектричні холодильні машини здатні конкурувати з іншими типами холодильних машин навіть з енергетичної ефективності, полягає в тому, що зменшення холодопродуктивності, наприклад, парових холодильних машин веде до зниження їх холодильного коефіцієнта. Для термоелектричної холодильної машини це правило не дотримується, і її ефективність практично не залежить від холодопродуктивності. Уже в даний час для температур Т х = 0 ° С і Тк = 26 ° С і продуктивності кілька десятків ват енергетична ефективність термоелектричної машини близька до ефективності парової холодильної машини.
Широке впровадження термоелектричного охолодження буде залежати від прогресу в створенні досконалих напівпровідникових матеріалів, а також від серійного виробництва ефективних в економічному відношенні термобатарей.