Thermo-elektrisch effect en koeling, Peltier-effect

De economische efficiëntie van het gebruik van thermo-elektrische koelkasten in vergelijking met andere soorten koelmachines neemt toe naarmate het volume van het gekoelde volume kleiner is. Daarom is de meest rationele op dit moment het gebruik van thermo-elektrische koeling voor huishoudelijke koelkasten, in voedsel-vloeistofkoelers, airconditioners, daarnaast wordt thermo-elektrische koeling met succes gebruikt in chemie, biologie en geneeskunde, metrologie, evenals in commerciële koude (handhaving van de temperatuur in koelkasten) , koeltransport (koelkasten) en andere gebieden

Thermo-elektrisch effect

Het effect van optreden is algemeen bekend in de techniek. thermopower in gesoldeerde geleiders, contacten (knooppunten) waartussen op verschillende temperaturen worden gehouden (Seebeck effect). In het geval dat een constante stroom door een circuit van twee ongelijke materialen wordt geleid, begint een van de knooppunten op te warmen en begint de andere te koelen. Dit fenomeen wordt genoemd thermo-elektrisch effect of Peltier effect.

Fig. 1. Thermokoppel diagram

In fig. 1 toont een diagram van een thermokoppel. Twee halfgeleiders n en m vormen een circuit waarlangs gelijkstroom loopt van de stroombron C, terwijl de temperatuur van de koude verbindingen X lager wordt en de temperatuur van de hete verbindingen G hoger wordt dan de omgevingstemperatuur, d.w.z. het thermokoppel begint de functies van een koelmachine uit te voeren.

De junctietemperatuur daalt vanwege het feit dat, onder invloed van een elektrisch veld, de elektronen die van de ene tak van het thermokoppel (m) naar de andere bewegen (n) in een nieuwe toestand met een hogere energie gaan. De energie van elektronen neemt toe door de kinetische energie die wordt onttrokken aan de atomen van de thermo-elementtakken op de plaatsen van hun conjugatie, waardoor deze junctie (X) wordt gekoeld.

Bij de overgang van een hoger energieniveau (tak n) naar een laag energieniveau (tak t) geven de elektronen een deel van hun energie aan de atomen van de kruising van het thermokoppel, die begint op te warmen.

In ons land eind jaren veertig en begin jaren vijftig Academicus A.F. Ioffe en zijn studenten hebben zeer belangrijk onderzoek verricht met betrekking tot de ontwikkeling van de theorie van thermo-elektrische koeling. Op basis van deze onderzoeken werd eerst een reeks koelapparaten ontworpen en getest.

Energie-efficiëntie van thermo-elektrische koelmachines aanzienlijk lager dan de effectiviteit van andere soorten koelmachines, maar de eenvoud, betrouwbaarheid en het gebrek aan lawaai maken het gebruik van thermo-elektrische koeling veelbelovend.

Thermo-elektrische koeling

Materiaalselectie voor artikelen

De efficiëntie van het thermokoppel, evenals de maximale afname van de temperatuur op de kruispunten, zijn afhankelijk van de efficiëntie (kwaliteitsfactor) van de halfgeleidersubstantie z, die de elektrische geleidbaarheid σ, thermo-elektrische coëfficiënt α en thermische geleidbaarheid κ omvat. Deze waarden hangen met elkaar samen, omdat ze afhankelijk zijn van de concentratie van vrije elektronen of gaten. Een dergelijke afhankelijkheid is weergegeven in Fig. 2.

Uit de figuur blijkt dat de elektrische geleidbaarheid o evenredig is met het aantal dragers n, de thermoEMF neigt naar nul met toenemende n en neemt toe met afnemende n. De thermische geleidbaarheid k bestaat uit twee delen: de thermische geleidbaarheid van het kristalrooster K, dat praktisch onafhankelijk is van n, en de elektronische thermische geleidbaarheid K, evenredig met n.

De effectiviteit van metalen en metaallegeringen is laag vanwege de lage coëfficiënt van thermoEMF, en in diëlektrica vanwege de zeer lage elektrische geleidbaarheid.In vergelijking met metalen en diëlektrica is de efficiëntie van halfgeleiders veel hoger, wat hun wijdverbreide gebruik op dit moment in thermokoppels verklaart. De effectiviteit van materialen hangt ook af van de temperatuur.

Het thermokoppel bestaat uit twee takken: negatief (n-type) en positief (p-type). Omdat het materiaal met elektronpermeabiliteit een negatieve emf heeft en het materiaal met gatgeleiding een positief teken heeft, kan een hogere thermopower worden verkregen.

Fig. 2. Kwalitatieve afhankelijkheden van thermopower, elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid van dragerconcentratie

Met een toename van thermopower neemt z toe.

Voor thermoelementen worden momenteel thermo-elektrische materialen bij lage temperatuur gebruikt, waarvan de uitgangsmaterialen bismut, antimoon, selenium en tellurium zijn. De maximale efficiëntie z voor deze materialen bij kamertemperatuur is: 2,6 · 10-3 ° С-1 voor het n-type, 2,6 · 10-1 ° С-1 voor het p-type.

Momenteel wordt Bi2Te3 zelden gebruikt, omdat de solide Bi2Te3-Be2Se3- en Bi2Te3-Sb2Te3-oplossingen op basis daarvan hogere z-waarden hebben. Deze materialen werden voor het eerst verkregen en bestudeerd in ons land, en op basis daarvan werd de productie van legeringen TVEH-1 en TVEH-2 voor takken met elektronische geleidbaarheid en TVDH-1 en TVDH-2 voor takken met gatgeleiding beheerst [1].

Bi-Se solide oplossingen worden gebruikt in het temperatuurbereik onder 250 K. De maximale waarde z = 6 · 10-3 ° C-1 bereikt bij T≈80 ÷ 90 K. Het is interessant op te merken dat de efficiëntie van deze legering aanzienlijk toeneemt in een magnetisch veld.

Halfgeleidertakken worden momenteel op drie manieren vervaardigd: poedermetallurgie, gieten met gerichte kristallisatie en uit de smelt trekken. De methode van poedermetallurgie met koud of warm persen van monsters is de meest voorkomende.

Thermo-elektrische koelinrichtingen gebruiken in de regel thermoelementen waarbij de negatieve vertakking wordt gemaakt door heet persen en de positieve vertakking door koud persen.

Fig. 3. Thermokoppel diagram

De mechanische sterkte van thermokoppels is te verwaarlozen. Dus voor monsters van de Bi2Te3-Sb2Te3-legering vervaardigd door warm of koud persen, is de druksterkte 44,6-49,8 MPa.

Om de sterkte van het thermokoppel te vergroten, wordt een dempende leidingplaat 3 geplaatst tussen de schakelplaat 1 (figuur 3) en de halfgeleidertak 6; daarnaast worden laagsmeltende soldeersel 2, 4 en SiSb 5 soldeer gebruikt. Tests tonen aan dat thermo-elektrische apparaten trillingsbestendig zijn tot 20 g, thermo-elektrische koelers met een lage koelcapaciteit tot 250 g.

Vergelijking van thermo-elektrische koelinrichtingen met andere koelmethoden

Thermo-elektrische koelinrichtingen hebben verschillende voordelen ten opzichte van andere soorten koelmachines. Momenteel gebruiken schepen airconditioning of stoomkoelers in airconditioningsystemen. In het koude seizoen worden scheepsgebouwen verwarmd met elektrische, stoom- of waterverwarmers, d.w.z. afzonderlijke warmtebronnen en koude worden gebruikt.

Met behulp van thermo-elektrische apparaten in het warme seizoen, is het mogelijk om het pand te koelen en in de kou - om te verwarmen. De verwarmingsmodus wordt gewijzigd in de koelmodus door de elektrische stroom om te keren.

Bovendien omvatten de voordelen van thermo-elektrische apparaten: de volledige afwezigheid van lawaai tijdens bedrijf, betrouwbaarheid, de afwezigheid van een werkzame stof en olie, een kleiner gewicht en totale afmetingen bij dezelfde koelcapaciteit.

Vergelijkende gegevens over chladonmachines voor het bevoorraden van kamers op schepen tonen aan dat de massa van een thermo-elektrische koelmachine met dezelfde koelcapaciteit 1,7 - 1,8 keer minder is.

Thermo-elektrische koelmachines voor airconditioningsystemen hebben een volume van ongeveer vier en een massa van drie keer minder dan chladon-koelmachines.

Fig. 4. De Lorentz-cyclus

De nadelen van thermische koelinrichtingen zijn onder meer hun lage winstgevendheid en hogere kosten.

De kosteneffectiviteit van thermo-elektrische koelkasten vergeleken met stoom is ongeveer 20-50% lager [1]. De hoge kosten van thermokoelingstoestellen gaan gepaard met hoge prijzen voor halfgeleidermaterialen.

Er zijn echter gebieden waar ze nu kunnen concurreren met andere soorten koelmachines. Ze begonnen bijvoorbeeld thermo-elektrische apparaten te gebruiken voor koelgassen en vloeistoffen. Voorbeelden van apparaten van deze klasse zijn drinkwaterkoelers, airconditioners, reagenskoelers in de chemische productie, enz.

Voor dergelijke koelmachines zal de modelcyclus de driehoekige Lorentz-cyclus zijn (zie figuur 4). Het naderen van de modelcyclus wordt op een eenvoudige manier bereikt, omdat dit alleen het wijzigen van de schakelcircuits vereist, wat geen structurele problemen veroorzaakt. Hiermee kunt u de efficiëntie van thermo-elektrische koelmachines aanzienlijk, in sommige gevallen meer dan het dubbele, verhogen. Om dit principe in een stoomkoelmachine te implementeren, zou een complex meertraps compressieschema moeten worden toegepast.

Het gebruik van thermo-elektrische apparaten als "Warmteoverdracht verbeteraar". In die gevallen waarin het nodig is om warmte uit de kleine ruimte in de omgeving te verwijderen en het oppervlak van thermisch contact beperkt is, kunnen thermo-elektrische batterijen op het oppervlak het warmteoverdrachtsproces aanzienlijk intensiveren.

Zoals studies [2] aantonen, kan een relatief klein energieverbruik de specifieke warmteflux aanzienlijk verhogen. Warmteoverdracht kan worden geïntensiveerd, zelfs zonder energieverbruik. Sluit in dit geval de thermozuil.

De aanwezigheid van een temperatuurverschil zal resulteren in Seebeck thermoEMF, die stroom levert aan de thermo-elektrische batterij. Met behulp van thermo-elektrische apparaten is het mogelijk om een ​​van de warmtewisselende media te isoleren, d.w.z. deze te gebruiken als een perfecte thermische isolatie.

Een belangrijke omstandigheid, die ook het gebied bepaalt waarin thermo-elektrische koelmachines in staat zijn om te concurreren met andere soorten koelmachines, zelfs in energie-efficiëntie, is dat een afname van de koelcapaciteit van bijvoorbeeld stoomkoelers leidt tot een afname van hun koelcoëfficiënt.

Voor een thermo-elektrische koelmachine wordt deze regel niet gerespecteerd en is de effectiviteit praktisch onafhankelijk van de koelcapaciteit. Reeds op dit moment, voor temperaturen Tx = 0 ° C en Tk = 26 ° C en een prestatie van enkele tientallen watt, ligt de energie-efficiëntie van een thermo-elektrische machine dicht bij de efficiëntie van een stoomkoelmachine.

Brede acceptatie thermo-elektrische koeling zal afhangen van de vooruitgang bij het creëren van geavanceerde halfgeleidermaterialen, evenals van de seriële productie van economisch efficiënte thermische batterijen.

Referenties.

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Thermo-elektrische koelinrichtingen voor schepen - L.: Shipbuilding, 1972 - 191 p.

2. Martynovsky V. S. Cycli, circuits en eigenschappen van thermotransformatoren - M .: Energia, 1979. - 285 p.

Lees ook over dit onderwerp:Peltier-effect: het magische effect van elektrische stroom