Thermoelectric epekto at paglamig, Peltier effect

Ang kahusayan sa pang-ekonomiya ng paggamit ng mga thermoelectric na refrigerator ay ihahambing sa iba pang mga uri ng mga makinang nagpapalamig ay nagdaragdag, mas maliit ang dami ng pinalamig na dami. Samakatuwid, ang pinaka-nakapangangatwiran sa kasalukuyang panahon ay ang paggamit ng thermoelectric na paglamig para sa mga ref ng sambahayan, sa mga pampalamig ng likidong pagkain, mga air conditioner, bilang karagdagan, ang thermoelectric na paglamig ay matagumpay na ginagamit sa kimika, biology at gamot, metrology, pati na rin sa komersyal na lamig (pagpapanatili ng temperatura sa mga refrigerator) , transportasyon ng pagpapalamig (mga refrigerator), at iba pang mga lugar

Ang epekto ng Thermoelectric

Ang epekto ng paglitaw ay malawak na kilala sa sining. thermoEMF sa mga soldered conductors, contact (junctions) sa pagitan ng kung saan pinapanatili sa iba't ibang temperatura (Epekto ng Seebeck) Sa kaso kung ang isang pare-pareho na kasalukuyang dumaan sa isang circuit ng dalawang hindi kanais-nais na mga materyales, ang isa sa mga junctions ay nagsisimulang magpainit, at ang iba pa ay nagsisimulang magpalamig. Ang kababalaghan na ito ay tinatawag epekto ng thermoelectric o Epekto ng peltier.

Fig. 1. diagram ng Thermocouple

Sa fig. Ipinapakita ng 1 ang isang diagram ng isang thermocouple. Ang dalawang semiconductors n at m ay bumubuo ng isang circuit na kasama ang direktang pagdaan mula sa pinagmulan ng kuryente C, habang ang temperatura ng malamig na mga junctions X ay nagiging mas mababa, at ang temperatura ng mainit na mga pagbubuklod G ay nagiging mas mataas kaysa sa ambient temperatura, i.

Ang temperatura ng kantong bumabawas dahil sa katotohanan na, sa ilalim ng impluwensya ng isang patlang ng kuryente, ang mga elektron na lumilipat mula sa isang sangay ng thermocouple (m) sa isa pang (n) ay pumasa sa isang bagong estado na may mas mataas na enerhiya. Ang enerhiya ng mga elektron ay nagdaragdag dahil sa kinetic na enerhiya na kinuha mula sa mga atoms ng mga sanga ng thermoelement sa mga lugar ng kanilang pagsasama, bilang isang resulta kung saan ang kantong ito (X) ay pinalamig.

Sa paglipat mula sa isang mas mataas na antas ng enerhiya (branch n) hanggang sa isang mababang antas ng enerhiya (branch t), ang mga electrons ay nagbibigay ng bahagi ng kanilang enerhiya sa mga atoms ng kantong ng thermocouple, na nagsisimula na magpainit.

Sa aming bansa sa huling bahagi ng 1940 at unang bahagi ng 1950s Akademikong A.F. Ioffe at ang kanyang mga mag-aaral ay nagsasagawa ng napakahalagang pananaliksik na may kaugnayan sa pag-unlad ng teorya ng paglamig ng thermoelectric. Batay sa mga pag-aaral na ito, ang isang serye ng mga aparato sa paglamig ay unang dinisenyo at nasuri.

Enerhiya kahusayan ng Thermoelectric Chillers makabuluhang mas mababa kaysa sa pagiging epektibo ng iba pang mga uri ng mga chiller, gayunpaman, ang pagiging simple, pagiging maaasahan at kakulangan ng ingay gawin ang paggamit ng thermoelectric na paglamig na napaka-promed.

Ang kahusayan ng paglamig ng thermoelectric

Pagpipilian sa materyal para sa mga item

Ang kahusayan ng thermocouple, pati na rin ang maximum na pagbaba ng temperatura sa mga junctions, nakasalalay sa kahusayan (kalidad factor) ng semiconductor na sangkap z, na kinabibilangan ng electrical conductivity σ, thermoelectric coefficient α at thermal conductivity κ. Ang mga halagang ito ay magkakaugnay, dahil nakasalalay sila sa konsentrasyon ng mga libreng elektron o butas. Ang nasabing pag-asa ay ipinakita sa Fig. 2.

Makikita mula sa pigura na ang koryente na conductivity σ ay proporsyonal sa bilang ng mga carrier n, ang thermoEMF ay may kaugaliang pagtaas ng n at pagtaas ng pagbaba n. Ang thermal conductivity k ay binubuo ng dalawang bahagi: ang thermal conductivity ng crystal na sala-sala κp, na praktikal na independiyenteng n, at ang elektronikong thermal conductivity κe, proporsyonal sa n.

Ang pagiging epektibo ng mga metal at metal na haluang metal ay mababa dahil sa mababang koepisyent ng thermoEMF, at sa mga dielectrics dahil sa napakababang electrical conductivity.Kung ikukumpara sa mga metal at dielectrics, ang kahusayan ng mga semiconductors ay mas mataas, na nagpapaliwanag sa kanilang malawakang paggamit sa kasalukuyan sa mga thermocouples. Ang pagiging epektibo ng mga materyales ay nakasalalay din sa temperatura.

Ang thermocouple ay binubuo ng dalawang sanga: negatibo (n-type) at positibo (p-type). Dahil ang isang materyal na may pagkamatagusin ng elektron ay may negatibong emf at ang isang materyal na may conductivity ng hole ay may positibong senyales, maaaring makuha ang isang mas mataas na thermopower.

Fig. 2. Qualitative dependences ng thermopower, electrical conductivity at thermal conductivity sa carrier concentration

Sa pamamagitan ng isang pagtaas sa thermopower, tumataas ang z.

Para sa mga thermoelement, ang mga low-temperatura na thermoelectric na materyales ay kasalukuyang ginagamit, ang mga panimulang materyales na kung saan ay bismuth, antimonyo, selenium at tellurium. Ang maximum na kahusayan z para sa mga materyales na ito sa temperatura ng silid ay: 2.6 · 10-3 ° С-1 para sa n-type, 2.6 · 10-1 ° С-1 para sa uri ng uri.

Sa kasalukuyan, ang Bi2Te3 ay bihirang ginagamit, dahil ang mga Bi2Te3-Be2Se3 at Bi2Te3-Sb2Te3 solidong solusyon na nilikha sa batayan nito ay may mas mataas na mga halaga ng z. Ang mga materyales na ito ay unang nakuha at pinag-aralan sa ating bansa, at sa kanilang batayan ang paggawa ng mga haluang metal TVEH-1 at TVEH-2 para sa mga sanga na may elektronikong kondaktibiti at TVDH-1 at TVDH-2 para sa mga sanga na may conductivity hole ay pinagkadalubhasaan [1].

Ang mga solidong solusyon sa Bi-Se ay ginagamit sa saklaw ng temperatura sa ibaba 250 K. Ang maximum na halaga ng z = 6 · 10-3 ° C-1 ay umaabot sa T≈80 ÷ 90 K. Nakakainteres na tandaan na ang kahusayan ng haluang metal na ito ay nagdaragdag nang malaki sa isang magnetic field.

Ang mga sanga ng semiconductor ay kasalukuyang gawa ng tatlong pamamaraan: metallurgy ng pulbos, paghahagis na may direksyon na crystallization at pagguhit mula sa matunaw. Ang pamamaraan ng metallurgy ng pulbos na may malamig o mainit na pagpindot ng mga sample ay ang pinaka-karaniwan.

Sa mga thermoelectric na aparato ng paglamig, bilang isang panuntunan, ginagamit ang mga thermoelement, kung saan ang negatibong sangay ay ginawa sa pamamagitan ng mainit na pagpindot at positibong sangay sa pamamagitan ng malamig na pagpindot.

Fig. 3. diagram ng Thermocouple

Ang mekanikal na lakas ng mga thermocouples ay mapapabayaan. Kaya, sa mga halimbawa ng haluang Bi2Te3-Sb2Te3 na gawa ng mainit o malamig na pagpindot, ang lakas ng compressive ay 44.6-49.8 MPa.

Upang madagdagan ang lakas ng thermocouple, isang damping lead plate 3 ay inilalagay sa pagitan ng paglipat ng plate 1 (Larawan 3) at sangay ng semiconductor 6; Bilang karagdagan, ang mga nagbebenta ng mababang-natutunaw na 2, 4 at SiSb 5 ay ginagamit.Ang mga pagsusuri ay nagpapakita na ang mga aparato ng thermoelectric ay may pagtutol na pang-vibration na shock hanggang sa 20g, thermoelectric coolers na may mababang kapasidad ng paglamig hanggang sa 250g.

Paghahambing ng mga thermoelectric na aparato sa paglamig sa iba pang mga pamamaraan ng paglamig

Ang mga aparato ng paglamig ng thermoelectric ay may maraming mga pakinabang sa iba pang mga uri ng mga chiller. Sa kasalukuyan, ang mga barko ay gumagamit ng air-conditioning o steam chiller sa mga air conditioning system. Sa malamig na panahon, ang mga lugar ng barko ay pinainit ng mga electric, steam o water heaters, i.e., ang mga hiwalay na mapagkukunan ng init at malamig ay ginagamit.

Gamit ang mga thermoelectric na aparato sa mainit na panahon, posible na palamig ang lugar, at sa sipon - upang magpainit. Ang mode ng pag-init ay binago sa mode ng paglamig sa pamamagitan ng pag-revers ng electric current.

Bilang karagdagan, ang mga bentahe ng mga aparato ng thermoelectric ay kinabibilangan ng: ang kumpletong kawalan ng ingay sa panahon ng operasyon, pagiging maaasahan, ang kawalan ng isang gumaganang sangkap at langis, mas maliit na timbang at pangkalahatang mga sukat sa parehong kapasidad ng paglamig.

Ang mga paghahambing na data sa mga chladone machine para sa pagbibigay ng mga silid sa mga barko ay nagpapakita na, na may parehong kapasidad ng paglamig, ang masa ng isang thermoelectric na nagpapalamig ng makina ay 1.7-1.8 beses na mas kaunti.

Ang mga thermoelectric chiller para sa mga air conditioning system ay may dami ng humigit-kumulang apat at isang masa ng tatlong beses na mas mababa kaysa sa chladone chiller.

Fig. 4. Ang ikot ng Lorentz

Kasama sa mga kawalan ng thermal cooling aparato ang kanilang mababang kakayahang kumita at tumaas na gastos.

Ang pagiging epektibo ng gastos ng thermoelectric na refrigerator na kumpara sa singaw ay humigit-kumulang 20-50% na mas mababa [1]. Ang mataas na gastos ng mga aparato sa paglamig ng thermo ay nauugnay sa mataas na presyo para sa mga materyales na semiconductor.

Gayunpaman, may mga lugar kung saan sila ngayon ay nakikipagkumpitensya sa iba pang mga uri ng chiller. Halimbawa, nagsimula silang gumamit ng mga aparato ng thermoelectric para sa mga gas ng paglamig at likido. Ang mga halimbawa ng mga aparato ng klase na ito ay may kasamang pag-inom ng mga water chiller, air conditioner, reagent coolers sa paggawa ng kemikal, atbp.

Para sa mga ganyang chiller, ang ikot ng modelo ay ang tatsulok na Lorentz cycle (tingnan ang Fig. 4). Ang paglapit sa ikot ng modelo ay nakamit sa isang simpleng paraan, dahil nangangailangan lamang ito ng pagbabago ng paglipat ng circuitry, na hindi nagiging sanhi ng mga paghihirap sa istruktura. Pinapayagan ka nitong makabuluhang, sa ilang mga kaso nang higit sa doble, dagdagan ang kahusayan ng mga machine ng pagpapalamig ng thermoelectric. Upang maipatupad ang prinsipyong ito sa isang singaw ng singaw, dapat na mailapat ang isang kumplikadong pamamaraan ng compression ng multi-stage.

Ang paggamit ng mga thermoelectric na aparato bilang "Nagpapahusay ng heat transfer". Sa mga kasong iyon kung kinakailangan upang alisin ang init mula sa maliit na puwang papunta sa kapaligiran at ang ibabaw ng thermal contact ay limitado, ang mga thermoelectric na baterya na matatagpuan sa ibabaw ay maaaring makabuluhang tumindi ang proseso ng paglipat ng init.

Tulad ng pagpapakita ng mga pag-aaral, ang isang medyo maliit na pagkonsumo ng enerhiya ay maaaring makabuluhang taasan ang tiyak na pagkilos ng init. Ang heat transfer ay maaaring tumindi kahit na walang pagkonsumo ng enerhiya. Sa kasong ito, isara ang thermopile.

Ang pagkakaroon ng pagkakaiba sa temperatura ay magreresulta sa Seebeck thermoEMF, na magbibigay ng kapangyarihan sa baterya ng thermoelectric. Gamit ang mga thermoelectric na aparato, posible na ihiwalay ang isa sa media na nagpapalitan ng init, i.e., gamitin ito bilang isang perpektong thermal pagkakabukod.

Ang isang mahalagang kalagayan, na tinutukoy din ang lugar kung saan ang mga thermoelectric chiller ay nakikipagkumpitensya sa iba pang mga uri ng chiller kahit na sa kahusayan ng enerhiya, ay ang pagbawas sa kapasidad ng paglamig, halimbawa, ang mga chiller ng singaw ay humantong sa pagbaba sa kanilang koepisyent ng pagpapalamig.

Para sa isang thermoelectric chiller, ang panuntunang ito ay hindi iginagalang, at ang pagiging epektibo nito ay halos independiyenteng ng kapasidad ng paglamig. Sa kasalukuyan, para sa mga temperatura Tx = 0 ° C at Tk = 26 ° C at isang pagganap ng ilang mga sampu-sampung watts, ang kahusayan ng enerhiya ng isang thermoelectric machine ay malapit sa kahusayan ng isang makina na nagpapalamig ng singaw.

Malawak na pag-aampon thermoelectric paglamig ay nakasalalay sa pag-unlad sa paglikha ng mga advanced na semiconductor materyales, pati na rin sa serial production ng matipid na mahusay na thermal baterya.

Mga Sanggunian

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Ship thermoelectric cooling aparato - L .: Shipbuilding, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Mga siklo, circuits, at mga katangian ng thermotransformers - M .: Energia, 1979.— 285 p.

Basahin din ang paksang ito:Epekto ng peltier: ang magic effects ng electric current