Термоелектричний ефект Пельєтьє

У 1834 році французький фізик Ж. Пельєтьє встановив, що під час пропускання електричного струму в ланцюгу, який складається з двох різних провідників, залежно від напряму струму в місцях контакту виділяється або поглинається теплота, тобто один із спаїв нагрівається, а інший охолоджується. Іншими словами, за допомогою ефекту Пельєтьє можна охолодити або нагріти який-небудь об'єкт. 

Тривалий час ефект термоелектричного охолодження не застосовувався на практиці через відсутність достатньо ефективних матеріалів термоелементів. Лише після ряду відкриттів в області напівпровідникової техніки з'явилася можливість ефективно використовувати це явище.

Холодильний ефект від двох спаїв невисокий, тому провідники і спаї об'єднують в модулі. Перепад температур між холодним і гарячим спаями може становити 60…70 ^оС, а у випадку каскадного підключення модулів досягати 150 ^оС.

 

 

 

 

Рис. 1.7 Принципова схема термоелектричного холодильного блока 1 – об'єкт охолодження; 2, 3 – напівпровідники різного типу; 4 – електропровідники;   5 – електроізолятор; 6 – нагрітий елемент; 7 – джерело живлення

Ефект Пельєтьє виникає тому, що середня енергія електронів, які беруть учать в перенесенні струму з одного провідника в інший, різна. Наприклад, напрям струму відповідає напряму переходу електронів із напівпровідника в метал. Оскільки енергетичний рівень вільних електронів напівпровідника значно вищий, ніж вільних електронів метала, під час переходу з напівпровідника в метал електрони зіштовхуються з атомами металу і віддають їм свою надлишкову енергію. Це призводить до виділення теплоти і підвищення температури спая. При зміні напряму струму процес іде в зворотному напрямі і теплота Пельєтьє поглинається.

Термоелектричний модуль складається з провідників, які вкриті керамічними пластинами (рис. 1.7, 1.8). Пластини мають високу теплопровідність і не проводять струм. Холодна частина модуля контактує з об'єктом охолодження, а нагріта з навколишнім середовищем. 

Рис. 1.8 Зовнішній вигляд охолоджуючого модуля термоелектричної холодильної машини

Енергетична ефективність термоелектричних холодильних машин менша, ніж парокомпресійних.

Переваги термоелектричних машин:

1) безшумність, оскільки в машині відсутні рухомі частини;

2) висока надійність, зумовлена відсутністю герметичної системи з холодильним агентом;

3) висока ремонтопридатність – ремонт зводиться до заміни охолоджувального мудуля;

4) екологічна чистота – відсутність холодильного агента;

5) можливість зміни напряму струму і переходу від охолодження до нагрівання;

6) можливість швидкого охолодження об'єктів;

7) висока точність регулювання температури;

Сьогодні холодопродуктивність термоелектричних холодильних машин в основному не перевищує 500 Вт, проте вже існують термоелектричні установки до 10 кВт.

Спектр застосування термоелектричного охолодження включає: переносні домашні холодильники, автомобільні мініхолодильники, охолоджувачі для напоїв, мінібари тощо.

Рис. 1.9 Будова термоелектричного холодильника ХАТЭ-12М 1 – корпус; 2 – кришка; 3, 8 – крильчатка; 4 – резистор; 5 – електродвигун; 6 – холодильний агрегат; 7 – радіатор тепла; 9 – радіатор холоду; 10 – шнур; 11 – перемикач

 

Будову термоелектричного холодильника, який використовується на транспорті розглянемо на прикладі холодильника ХАТЭ-12М (рис. 1.9).

Холодильник складається із корпуса 1, кришки 2 та з'єднувального шнура 10. В кришку вмонтовано вентилятор і холодильний агрегат 6, який складається з радіатора тепла 7 і радіатора холоду 9. Вентилятор складається з електродвигуна 5, на кінцях вала якого закріплено крильчатки 3 і 8.

Термоелектрична батарея вмикається в електромережу постійного струму напругою 12 В і створює перепад температур між робочими поверхнями. Крильчатка 3 охолоджує радіатор тепла, а крильчатка 8 перемішує повітря в холодильній камері.

Подібні холодильники мають об'єм холодильної камери 8 – 14 дм³, а маса становить від 6 до 15 кг.

Будову побутового термоелектричного холодильника або мінібара можна розглянути на прикладі схеми холодильника "Чайка" на рис. 1.10.

 

 

 

Рис. 1.10 Схема термоелектричного холодильника "Чайка" 1 – електричний трансформатор; 2 – радіатор охолоджувача; 3 – термоелектрична батарея; 4 – радіатор нагрівача; 5 – вентилятор; 6 – теплова ізоляція шафи; 7 – дверцята шафи; 8 – полиці для продуктів

 

На задній стінці холодильника розміщений блок живлення, який складається з двох термоелектричних батарей 3. В кожній батареї послідовно з'єднані 60 термоелементів. Поруч з термоелектричними батареями знаходиться алюмінієвий радіатор охолодження 2, через який теплота з холодильної шафи передається в навколишнє середовище за допомогою ребристого радіатора нагрівача 4. Ребристі радіатори 4 розміщені на гарячій стороні кожної термоелектричної батареї. На кожному з них закріплено по 18 алюмінієвих пластин з кроком ребер 4 мм. Від радіаторів теплота відводиться за рахунок циркуляції повітря, яка створюється вентилятором 5.

Зовнішнє сталеве покриття корпусу холодильника має товщину 0,8 мм та вкрите синтетичною плівкою. Внутрішнє покриття зроблено з листів алюмінію товщиною 3 мм. Простір між покриттями заповнений теплоізоляцією 6.

Дверцята 7 відкриваються донизу та можуть використовуватись як столик. Вони обладнані автоматичним замком та ущільнені за допомогою профільної гуми.  

Всередині холодильної камери об'ємом 40 дм³ за рахунок зміни напруги, яка подається на термоелектричні батареї терморегулятором, підтримується температура 2...5 °С.

Температура 5 °С встановлюється в камері приблизно через 3 години після увімкнення холодильника.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть, що таке "теплота" і "холод" з фізичної точки зору?

2. Що таке "холодильна машина" та "робоче тіло" холодильної машини?

3. Які параметри описують стан робочого тіла холодильної машини?

4. Чому створюється різниця між високим та низьким температурним рівнями холодильної машини?

5. Як класифікуються низькі температури? Назвіть способи отримання низьких температур.

6. Яка властивість розчинів солей лежить в основі льодосольового охолодження?

7. Що таке адіабатичне дроселювання газу? Як отримати низькі температури за допомогою даного процесу?

8. Опишіть принцип отримання охолодженого повітря з використанням вихрової труби.

9. Опишіть принцип роботи абсорбційної холодильної машини. Назвіть сфери практичного використання машин даного типу.

10. Поясність принцип термоелектричного охолодження. Які переваги та недоліки експлуатації термоелектричних холодильних машин?

Література

Основна: 1, с. 5 – 21, 34 – 41; 4, с. 5 – 14

Додаткова: 3, с. 9 – 18