Войти
Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока на соединение двух разных типов материалов. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос - это активный твердотельный тепловой насос, который передает тепло от одной стороны устройства к другой с потреблением электроэнергии. энергия, в зависимости от направления тока. Такой прибор также называется устройством Пельтье, тепловым насосом Пельтье, твердотельным холодильником или термоэлектрическим охладителем (TEC ). Его можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения, хотя на практике основное применение - охлаждение. Его также можно использовать как регулятор температуры, который нагревает или охлаждает.
Эта технология применяется для охлаждения гораздо реже, чем парокомпрессионное охлаждение. Основными преимуществами охладителя Пельтье по сравнению с парокомпрессионным холодильником являются отсутствие движущихся частей или циркулирующей жидкости, очень долгий срок службы, неуязвимость к утечкам, небольшой размер и гибкая форма. Его основные недостатки - высокая стоимость при заданной холодопроизводительности и низкая энергоэффективность. Многие исследователи и компании пытаются разработать дешевые и эффективные охладители Пельтье. (См. Термоэлектрические материалы.)
Охладитель Пельтье также может использоваться в качестве термоэлектрического генератора. При работе в качестве охладителя на устройство подается напряжение, и в результате между двумя сторонами возникает разница в температуре. При работе в качестве генератора одна сторона устройства нагревается до температуры, превышающей температуру другой стороны, и в результате между двумя сторонами возникает разница в напряжении (эффект Зеебека ). Однако хорошо спроектированный охладитель Пельтье будет посредственным термоэлектрическим генератором, и наоборот, из-за различных требований к конструкции и упаковке.
Схема элемента Пельтье. Термоэлектрические ветви термически параллельны и электрически включены последовательно. Термоэлектрические охладители работают за счет эффекта Пельтье (который также известен под более общим названием термоэлектрический эффект). Устройство имеет две стороны, и когда электрический ток DC протекает через устройство, он передает тепло с одной стороны на другую, так что одна сторона становится холоднее, а другая становится горячее. «Горячая» сторона прикреплена к радиатору, чтобы он оставался при температуре окружающей среды, а холодная сторона - ниже комнатной. В специальных приложениях несколько охладителей можно соединить каскадом для снижения температуры, но общая эффективность значительно снизится.
Используются два уникальных полупроводника, один n-типа и один p-тип, потому что они должны иметь разную плотность электронов. Чередующиеся полупроводниковые опоры p n-типа размещаются термически параллельно друг другу и электрически последовательно, а затем соединяются с теплопроводной пластиной с каждой стороны, обычно керамической, что устраняет необходимость в отдельном изоляторе. Когда напряжение подается на свободные концы двух полупроводников, через соединение полупроводников протекает постоянный ток, вызывающий разницу температур. Сторона с охлаждающей пластиной поглощает тепло, которое затем переносится полупроводником на другую сторону устройства. В этом случае охлаждающая способность всего блока пропорциональна общему поперечному сечению всех опор, многие из которых соединены электрически последовательно, чтобы снизить необходимый ток до практического уровня. Длина столбов представляет собой баланс между более длинными столбами, которые будут иметь большее тепловое сопротивление между сторонами и позволяют достичь более низкой температуры, но производят более резистивный нагрев, и более короткими столбами, которые будут иметь больший электрический КПД, но позволят больше утечки тепла. от горячей стороны к холодной за счет теплопроводности. При больших перепадах температур более длинные опоры гораздо менее эффективны, чем штабелирование отдельных, постепенно увеличивающихся модулей, модули становятся больше, поскольку каждый слой должен отводить как тепло, перемещаемое вышеуказанным слоем, так и отходящее тепло слоя.
Значения ZT для различных материалов и сплавов висмута. Требования к термоэлектрическим материалам:
Материалы, подходящие для высокоэффективных систем ТЕС должен иметь сочетание низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Комбинированный эффект различных комбинаций материалов обычно сравнивается с использованием показателя качества, известного как ZT, который является мерой эффективности системы. Уравнение для ZT приведено ниже, где альфа - коэффициент Зеебека, сигма - электрическая проводимость, а каппа - теплопроводность.
Есть несколько материалов, которые подходят для приложений ТЕС, поскольку соотношение между теплопроводностью и электропроводностью обычно является положительной корреляцией. Улучшения в снижении теплопередачи при увеличении электропроводности являются активной областью исследований в области материаловедения. Общие термоэлектрические материалы, используемые в качестве полупроводников, включают теллурид висмута, теллурид свинца, кремний-германий и сплавы висмут-сурьма. Из них теллурид висмута является наиболее часто используемым. Активно исследуются новые высокоэффективные материалы для термоэлектрического охлаждения.
Рабочие элементы должны быть в изолированном кожухе, а лучшая геометрия - плоскость. Обычно они зажаты между парой керамических пластин, запечатаны (или нет).
Все элементы Пельтье соответствуют универсальной спецификации идентификации У подавляющего большинства термоэлектрических охладителей идентификационный номер напечатан на охлаждаемой стороне.
Эти универсальные идентификаторы четко указывают на размер, количество каскадов, количество пар и номинальный ток в амперах, как показано на соседней диаграмме.
Очень часто встречаются Tec1-12706, квадрат размером 40 мм и высотой 3-4 мм. за несколько долларов, и продается как способный перемещать около 60 Вт или генерировать разницу температур 60 ° C с током 6 А. Их электрическое сопротивление будет иметь величину 1-2 Ом.
Есть много факторов, побуждающих к дальнейшим исследованиям в области TEC, включая более низкие выбросы углерода и простоту производства. Однако возник ряд проблем.
Существенным преимуществом систем TEC является отсутствие движущихся частей. Отсутствие механического износа и уменьшение количества отказов из-за усталости и разрушения из-за механической вибрации и напряжения увеличивает срок службы системы и снижает требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что среднее время наработки на отказ (MTBF) превышает 100 000 часов при температуре окружающей среды.
Тот факт, что системы ТЕС регулируются по току, дает еще один ряд преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло можно добавлять или удалять с точным контролем направления и величины электрического тока. В отличие от методов, использующих резистивный нагрев или методы охлаждения с использованием газов, TEC позволяет в равной степени контролировать поток тепла (как в систему, так и из нее). Благодаря такому точному двунаправленному регулированию теплового потока, температуры регулируемых систем могут быть точными до долей градуса, часто достигая точности в милликельвинах (мК) в лабораторных условиях. Устройства TEC также имеют более гибкую форму, чем их более традиционные аналоги. Их можно использовать в помещениях с меньшим пространством или в более суровых условиях, чем обычный холодильник. Возможность настройки их геометрии позволяет обеспечить точное охлаждение на очень небольших площадях. Эти факторы делают их обычным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, когда стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первоочередными задачами.
. Еще одним преимуществом TEC является то, что он не использует хладагенты в своей работе. До прекращения их использования некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (CFCs), значительно способствовали истощению озонового слоя. Многие используемые сегодня хладагенты также оказывают значительное воздействие на окружающую среду с потенциалом глобального потепления или несут с собой другие риски для безопасности.
Системы ТЕС имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, это их ограниченная энергоэффективность по сравнению с обычными парокомпрессионными системами и ограничения на общий тепловой поток (тепловой поток), который они могут генерировать на единицу площади. Эта тема дополнительно обсуждается в разделе производительности ниже.
Пельтье (термоэлектрические) характеристики являются функцией температуры окружающей среды, производительности горячей и холодной стороны теплообменника (радиатора ), теплового нагрузка, геометрия модуля Пельтье (термобатареи) и электрические параметры Пельтье.
Количество тепла, которое может перемещаться, пропорционально току и времени.
, где P - коэффициент Пельтье, I - ток, а t - время. Коэффициент Пельтье зависит от температуры и материалов, из которых изготовлен охладитель. Величина 10 ватт на ампер является обычным явлением, но это компенсируется двумя явлениями:
, где R - сопротивление.В результате эффективно перемещаемое тепло уменьшается по мере увеличения разницы температур, и модуль становится менее эффективным. Разница температур возникает, когда отходящее тепло и тепло, движущееся назад, преодолевают перемещаемое тепло, и модуль начинает нагревать холодную сторону вместо того, чтобы охладить ее дальше. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель обычно обеспечивает максимальную разницу температур 70 ° C между его горячей и холодной сторонами.
Еще одна проблема с производительностью является прямым следствием одного из их преимуществ: небольшими размерами. Это означает, что
В холодильных установках термоэлектрические соединения имеют примерно 1/4 КПД по сравнению с обычными средствами: они предлагают около 10–15% эффективности идеального цикла Карно холодильника, по сравнению с 40–60%, достигаемыми при обычном сжатии циклические системы (обратные системы Ренкина с использованием сжатия / расширения). Из-за этой более низкой эффективности термоэлектрическое охлаждение обычно используется только в средах, где твердотельная природа (отсутствие движущихся частей ), низкие эксплуатационные расходы, компактный размер и нечувствительность к ориентации перевешивают чистую эффективность.
Хотя эффективность ниже, чем у обычных средств, она может быть достаточно хорошей при условии, что
.Однако, поскольку низкий ток также означает небольшое количество перемещаемого тепла, для всех практических целей коэффициент полезного действия будет низким.
Охладитель напитков с питанием от USB. Термоэлектрические охладители используются для приложений, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены как для небольших холодильников для напитков, так и для подводных лодок или железнодорожных вагонов. Элементы ТЕС имеют ограниченный срок службы. Их здоровье можно измерить по изменению их сопротивления переменному току (ACR). По мере изнашивания охлаждающего элемента ACR будет увеличиваться.
Элементы Пельтье обычно используются в потребительских товарах. Например, они используются в кемпингах, портативных холодильниках, охлаждающих электронных компонентах и небольших инструментах. Их также можно использовать для удаления воды из воздуха в осушителях. Электрический охладитель для кемпинга / автомобиля охладитель обычно может снизить температуру до 20 ° C (36 ° F) ниже температуры окружающей среды, которая составляет 25 ° C, если температура автомобиля достигает 45 ° C под солнцем. Куртки с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. Термоэлектрические охладители используются для увеличения радиаторов микропроцессоров.
Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они проходят тысячи циклов, прежде чем эти промышленные продукты будут выпущены на рынок. Некоторые из приложений включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или охладители, промышленную электронику и телекоммуникации, автомобильную промышленность, мини-холодильники или инкубаторы, военные шкафы, IT-шкафы и многое другое.
Элементы Пельтье используются в научных устройствах. Они являются обычным компонентом термоциклеров, используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР ), обычного молекулярно-биологического метода, который требует быстрого нагревания и охлаждения реакционная смесь для денатурационных циклов отжига праймеров и ферментативного синтеза.
Со схемой обратной связи элементы Пельтье могут использоваться для реализации высокостабильных регуляторов температуры, которые поддерживают заданную температуру в пределах ± 0,01 ° C. Такая стабильность может использоваться в точных лазерных приложениях, чтобы избежать дрейфа длины волны лазера при изменении температуры окружающей среды.
Эффект используется в спутниках и космических аппаратах для уменьшения разницы температур, вызываемой прямыми солнечными лучами с одной стороны корабля, путем рассеивания тепла. над холодной затененной стороной, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. С 1961 года на некоторых беспилотных космических аппаратах (включая марсоход Curiosity ) используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека. Эти устройства могут прослужить несколько десятилетий, так как они работают за счет распада высокоэнергетических радиоактивных материалов.
Элементы Пельтье также используются для создания камер Вильсона для визуализации ионизирующего излучения. Просто пропуская электрический ток, они могут охлаждать пары ниже -26 ° C без сухого льда или движущихся частей, что упрощает создание и использование камер Вильсона.
Детекторы фотонов, такие как ПЗС в астрономических телескопах, спектрометрах или очень дорогих цифровых камерах, часто используются охлаждается элементами Пельтье. Это уменьшает количество темноты из-за теплового шума. Темный счет происходит, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловыми колебаниями, а не фотон. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они появляются в виде пятен (или «пиксельного шума»).
Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компонентов компьютера, чтобы поддерживать температуру в пределах проектных или поддерживать стабильную функционирует при разгоне. Охладитель Пельтье с радиатором или водяным блоком может охладить микросхему до температуры значительно ниже окружающей.
В волоконно-оптических приложениях, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, охладители Пельтье используются вместе с термистором в цепи обратной связи для поддержания постоянной температуры и, таким образом, стабилизации длины волны устройства.
Некоторое электронное оборудование, предназначенное для военного использования в полевых условиях, имеет термоэлектрическое охлаждение.
