Efecto termoeléctrico y enfriamiento, efecto Peltier

La eficiencia económica del uso de refrigeradores termoeléctricos en comparación con otros tipos de máquinas de refrigeración aumenta cuanto más, menor es el volumen del volumen enfriado. Por lo tanto, lo más racional en la actualidad es el uso de enfriamiento termoeléctrico para refrigeradores domésticos, en refrigeradores de líquidos para alimentos, aires acondicionados, además, el enfriamiento termoeléctrico se usa con éxito en química, biología y medicina, metrología, así como en frío comercial (mantenimiento de la temperatura en refrigeradores) , transporte de refrigeración (refrigeradores) y otras áreas

Efecto termoeléctrico

El efecto de ocurrencia es ampliamente conocido en la técnica. thermoEMF en conductores soldados, contactos (uniones) entre los cuales se mantienen a diferentes temperaturas (Efecto Seebeck) En el caso de que una corriente constante pase a través de un circuito de dos materiales diferentes, una de las uniones comienza a calentarse y la otra comienza a enfriarse. Este fenómeno se llama efecto termoeléctrico o Efecto Peltier.

Fig. 1. Diagrama de termopar

En la fig. 1 muestra un diagrama de un termopar. Dos semiconductores n y m forman un circuito a lo largo del cual pasa la corriente continua desde la fuente de energía C, mientras que la temperatura de las uniones frías X disminuye, y la temperatura de las uniones calientes G se vuelve más alta que la temperatura ambiente, es decir, el termopar comienza a realizar las funciones de una máquina de refrigeración.

La temperatura de la unión disminuye debido al hecho de que, bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones que se mueven de una rama del termopar (m) a otra (n) entran en un nuevo estado con una energía más alta. La energía de los electrones aumenta debido a la energía cinética tomada de los átomos de las ramas del termoelemento en los lugares de su conjugación, como resultado de lo cual esta unión (X) se enfría.

En la transición de un nivel de energía más alto (rama n) a un nivel de energía bajo (rama t), los electrones dan parte de su energía a los átomos de la unión del termopar, que comienza a calentarse.

En nuestro país a fines de la década de 1940 y principios de la década de 1950 Académico A.F.Ioffe y sus alumnos realizaron investigaciones muy importantes relacionadas con el desarrollo de la teoría del enfriamiento termoeléctrico. Según estos estudios, primero se diseñó y probó una serie de dispositivos de enfriamiento.

Eficiencia energética de enfriadores termoeléctricos significativamente menor que la efectividad de otros tipos de enfriadores, sin embargo, la simplicidad, confiabilidad y falta de ruido hacen que el uso del enfriamiento termoeléctrico sea muy prometedor.

Eficiencia de enfriamiento termoeléctrico

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La eficiencia del termopar, así como la disminución máxima de la temperatura en las uniones, dependen de la eficiencia (factor de calidad) de la sustancia semiconductora z, que incluye la conductividad eléctrica σ, el coeficiente termoeléctrico α y la conductividad térmica κ. Estos valores están interrelacionados, ya que dependen de la concentración de electrones libres o huecos. Tal dependencia se presenta en la Fig. 2)

Se puede ver en la figura que la conductividad eléctrica σ es proporcional al número de portadores n, el termoEMF tiende a cero con el aumento de n y aumenta con la disminución de n. La conductividad térmica k consta de dos partes: la conductividad térmica de la red cristalina κp, que es prácticamente independiente de n, y la conductividad térmica electrónica κe, proporcional a n.

La efectividad de los metales y las aleaciones de metales es baja debido al bajo coeficiente de thermoEMF, y en dieléctricos debido a la muy baja conductividad eléctrica.En comparación con los metales y dieléctricos, la eficiencia de los semiconductores es mucho mayor, lo que explica su uso generalizado en la actualidad en termoelementos. La efectividad de los materiales también depende de la temperatura.

El termopar consta de dos ramas: negativa (tipo n) y positiva (tipo p). Dado que un material con permeabilidad electrónica tiene una fem negativa y un material con conductividad de agujero tiene un signo positivo, se puede obtener una mayor potencia térmica.

Fig. 2. Dependencias cualitativas de la termoeléctrica, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica de la concentración del portador.

Con un aumento de la termopotencia, z aumenta.

Para los termoelementos, actualmente se utilizan materiales termoeléctricos de baja temperatura, cuyos materiales de partida son bismuto, antimonio, selenio y teluro. La eficiencia máxima z para estos materiales a temperatura ambiente es: 2.6 · 10-3 ° С-1 para el tipo n, 2.6 · 10-1 ° С-1 para el tipo p.

En la actualidad, Bi2Te3 rara vez se usa, ya que las soluciones sólidas Bi2Te3-Be2Se3 y Bi2Te3-Sb2Te3 creadas sobre esta base tienen valores z más altos. Estos materiales se obtuvieron y estudiaron por primera vez en nuestro país y, sobre la base de ellos, se dominó la producción de aleaciones TVEH-1 y TVEH-2 para ramas con conductividad electrónica y TVDH-1 y TVDH-2 para ramas con conductividad de agujeros [1].

Las soluciones sólidas Bi-Se se utilizan en el rango de temperatura por debajo de 250 K. El valor máximo z = 6 · 10-3 ° C-1 alcanza a T≈80 ÷ 90 K. Es interesante notar que la eficiencia de esta aleación aumenta significativamente en un campo magnético.

Las ramas de semiconductores se fabrican actualmente por tres métodos: metalurgia de polvos, fundición con cristalización dirigida y extracción de la masa fundida. El método de pulvimetalurgia con prensado en frío o en caliente de muestras es el más común.

En los dispositivos de enfriamiento termoeléctrico, por regla general, se usan elementos termoeléctricos, en los que la rama negativa se realiza presionando en caliente y la rama positiva presionando en frío.

Fig. 3. Diagrama de termopar

La resistencia mecánica de los termopares es insignificante. Entonces, en muestras de la aleación Bi2Te3-Sb2Te3 fabricada por prensado en caliente o en frío, la resistencia a la compresión es de 44.6-49.8 MPa.

Para aumentar la resistencia del termopar, se coloca una placa de plomo de amortiguación 3 entre la placa de conmutación 1 (figura 3) y la rama semiconductora 6; Además, se utilizan soldaduras de bajo punto de fusión 2, 4 y soldadura SiSb 5. Las pruebas muestran que los dispositivos termoeléctricos tienen resistencia al choque por vibración de hasta 20 g, enfriadores termoeléctricos con baja capacidad de enfriamiento de hasta 250 g.

Comparación de dispositivos de enfriamiento termoeléctrico con otros métodos de enfriamiento.

Los dispositivos de enfriamiento termoeléctrico tienen varias ventajas sobre otros tipos de enfriadores. Actualmente, los barcos usan aire acondicionado o enfriadores de vapor en los sistemas de aire acondicionado. En la temporada de frío, las instalaciones del barco se calientan con calentadores eléctricos, de vapor o de agua, es decir, se utilizan fuentes separadas de calor y frío.

Usando dispositivos termoeléctricos en la estación cálida, es posible enfriar las instalaciones y, en el frío, calentar. El modo de calentamiento cambia al modo de enfriamiento invirtiendo la corriente eléctrica.

Además, las ventajas de los dispositivos termoeléctricos incluyen: la ausencia total de ruido durante el funcionamiento, la fiabilidad, la ausencia de una sustancia de trabajo y aceite, un peso menor y dimensiones totales con la misma capacidad de enfriamiento.

Los datos comparativos sobre máquinas Chladon para cámaras de aprovisionamiento en barcos muestran que, con la misma capacidad de enfriamiento, la masa de un enfriador termoeléctrico es 1.7-1.8 veces menor.

Los enfriadores termoeléctricos para sistemas de aire acondicionado tienen un volumen de aproximadamente cuatro y una masa tres veces menor que los enfriadores de chladona.

Fig. 4. El ciclo de Lorentz

Las desventajas de los dispositivos de enfriamiento térmico incluyen su baja rentabilidad y mayor costo.

La rentabilidad de los refrigeradores termoeléctricos en comparación con el vapor es aproximadamente un 20-50% menor [1]. El alto costo de los dispositivos de enfriamiento térmico está asociado con los altos precios de los materiales semiconductores.

Sin embargo, hay áreas donde ahora pueden competir con otros tipos de enfriadores. Por ejemplo, comenzaron a usar dispositivos termoeléctricos para enfriar gases y líquidos. Los ejemplos de dispositivos de esta clase incluyen enfriadores de agua potable, aires acondicionados, enfriadores de reactivos químicos, etc.

Para tales enfriadores, el ciclo modelo será el ciclo triangular de Lorentz (ver Fig. 4). Acercarse al ciclo modelo se logra de una manera simple, ya que esto solo requiere modificar los circuitos de conmutación, lo que no causa dificultades estructurales. Esto le permite aumentar significativamente, en algunos casos más del doble, la eficiencia de las máquinas de refrigeración termoeléctricas. Para implementar este principio en un enfriador de vapor, se tendría que aplicar un complejo esquema de compresión de múltiples etapas.

El uso de dispositivos termoeléctricos como "Potenciador de transferencia de calor". En aquellos casos en los que es necesario eliminar el calor del pequeño espacio al medio ambiente, y la superficie de contacto térmico es limitada, las baterías termoeléctricas ubicadas en la superficie pueden intensificar significativamente el proceso de transferencia de calor.

Como muestran los estudios [2], un consumo de energía relativamente pequeño puede aumentar significativamente el flujo de calor específico. La transferencia de calor puede intensificarse incluso sin consumo de energía. En este caso, cierre la termopila.

La presencia de una diferencia de temperatura dará como resultado Seebeck thermoEMF, que proporcionará energía a la batería termoeléctrica. Al usar dispositivos termoeléctricos, es posible aislar uno de los medios de intercambio de calor, es decir, usarlo como un aislamiento térmico perfecto.

Una circunstancia importante, que también determina el área en la que los enfriadores termoeléctricos pueden competir con otros tipos de enfriadores incluso en eficiencia energética, es que una disminución en la capacidad de enfriamiento de, por ejemplo, enfriadores de vapor conduce a una disminución en su coeficiente de refrigeración.

Para un enfriador termoeléctrico, esta regla no se respeta y su efectividad es prácticamente independiente de la capacidad de enfriamiento. En la actualidad, para temperaturas Tx = 0 ° C y Tk = 26 ° C y un rendimiento de varias decenas de vatios, la eficiencia energética de una máquina termoeléctrica está cerca de la eficiencia de una máquina de refrigeración por vapor.

Adopción generalizada enfriamiento termoeléctrico dependerá del progreso en la creación de materiales semiconductores avanzados, así como de la producción por lotes de baterías térmicas económicamente eficientes.

Referencias

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Dispositivos de enfriamiento termoeléctrico para buques. - L.: Construcción naval, 1972.— 191 p.

2. Martynovsky V. S. Ciclos, circuitos y características de los transformadores térmicos - M .: Energy, 1979.— 285 p.

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