Файл: В.А. Старовойтов Термоэлектрическая холодильная машина.pdf

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение устройства, принципа действия и работы термоэлектрической холодильной машины.

2. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

2.1. Изучение настоящих методических указаний и на их основе технических средств лабораторного стенда.

2.2.Изучение работы ХМ в различных режимах.

3.УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ

Поскольку работа не предусматривает проведения каких-либо расчетов, отчет должен содержать данные об исполнителях (Ф.И.О., шифр группы) и таблицу экспериментальных данных.

Кроме того в отчет должны войти изображения, соответствующие рис. 1, 2 и 3.

4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Как в промышленности, так и в быту нередко приходится прибегать к охлаждению материалов ниже температуры окружающей среды независимо от их агрегатного состояния. Так как достижение низких температур требует отвода тепла от охлаждаемых веществ к окружающей среде, то, согласно второму закону термодинамики, он возможен лишь при определенных затратах внешней энергии [1, c. 727]. Это могут не только широко распространенные механическая и тепловая энергии, но и электрическая.

Устройства для получения искусственного холода называются холодильными машинами или установками (паро- и газокомпрессионные, абсорбционные, пароэжекторные и др.). Однако в последнем случае для непосредственного получения холода из электроэнергии используется термоэлектрический эффект, поэтому и холодильная машина, реализующая его, называется термоэлектрической (ТЭХМ).

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин зависит от физических свойств материалов термоэлементов. Одним из основных свойств материалов термоэлементов является их

2

электропроводность. Количественной мерой электропроводности материала является, как известно, величина удельного электрического сопротивления ρ или удельная электропроводность σ = 1/ρ . Материалами, используемыми в термоэлементах, являются полупроводники.

Величина удельной электропроводности полупроводников в большей мере зависит от инородных примесей, температуры, давления, освещения. Примеси, введенные в материал полупроводника, могут воздействовать на него по-разному: повышать или снижать электропроводность, однако это является основным и наиболее доступным средством изменения показателей полупроводниковых материалов.

Теория термоэлектрических холодильных машин базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу обычно относят три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье и Томпсона. Эти эффекты связаны с взаимным превращением тепловой энергии в энергию электрического тока.

Термоэлектрические эффекты. Эффект Зеебека. Сущность эф-

фекта Зеебека состоит в следующем: если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Тг (горячий спай), а на другом (холодном спае) температуру Тх, то при условии Тг ≠ Тх на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е, а при замыкании цепи в ней появляется электрический ток. Такую цепь называют термоэлементом, термопарой или термоэлектрическим преобразователем.

ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяется по уравне-

нию

Тх

где α — коэффициент дифференциальной термоЭДС. Он зависит в основном от физических свойств материала и его температуры. При небольших разностях температур ∆ Т = Тг - Тх можно считать α равным его некоторому среднему значению в интервале oт Тг до Тх.

В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из элементов с одинаковым типом проводимости, их термоЭДС оказываются противоположно направленными:

где α р, α n – коэффициенты термоЭДС дырочного и электронного проводников.

При различном типе проводимости материалов их термоЭДС суммируются

поэтому термоэлементы составляют, как правило, из элементов с электронной и дырочной проводимостью.

ТермоЭДС в цепи, составленной из последовательно соединенных пар дырочных и электронных полупроводников, определяется по формуле

Эффект Пельтье. Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте соединения выделяется или поглощается некоторое количество теплоты. Тепловой поток Qπ , называемый теплотой Пельтье, определяется по уравнению

где π - коэффициент Пельтье; I - сила тока.

Выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит от направления тока и термотока, который возник бы при нагревании места соединения проводников. При совпадении направления теплота Пельтье поглощается, при противоположных направлениях выделяется. При наличии нескольких спаев выделение теплоты на одном спае всегда сопровождается поглощением ее на другом и наоборот.

Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока из одногопроводника в другой, различна. Это наглядно подтверждается на примере контакта электронного полупроводника и металла. Предположим, что направление тока соответствует направлению перехода электронов из полупроводника в металл. Так как энергетический уровень свободных электронов полупроводника значительно выше уровня электронов металла, то при переходе из полупроводника в металл электроны, сталкиваясь с атомами металла, отдают им свою избыточную энергию. Это

4

приводит к выделению теплоты Пельтье и повышению температуры спая. При противоположном направлении тока весь процесс идет в обратном направлении и теплота Пельтье поглощается.

Эффект Томпсона. Эффект Томпсона заключается в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, на котором есть градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется (или поглощается) некоторое количество теплоты, которое называют теплотой Томпсона. Знак теплоты Томпсона зависит от направления тока. В том случае, когда направление градиента температуры совпадает с направлением тока, теплота Томпсона выделяется.

Когда направления градиента температуры и тока противоположны, теплота Томпсона поглощается. Тепловой поток Томпсона определяется по выражению

где τ — коэффициент Томпсона.

Физическая сущность эффекта Томпсона заключается в том, что энергия свободных электронов растет в зависимости от температуры. Наличие разности температур вдоль материала приводит к тому, что электроны на горячем конце приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие этого возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На горячем конце накапливается некомпенсированный положительный заряд, на холодном — отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов приостанавливает его совсем. Эта разность потенциалов неодинакова для различных материалов и при соединении их в термопару приводит к возникновению термоЭДС.

Так же протекают описанные выше явления в материалах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце скапливается некомпенсированный отрицательный заряд, а на холодном — положительно заряженные дырки, поэтому в термопаре, состоящей из элементов с проводимостью р- и n-типов, термоЭДС складываются. Для металлов изменение температуры практически не влияет на плотность носителей зарядов. В веществах со смешанной проводимостью эффект Томпсона практически равен нулю.

5

Взаимосвязь между термоэлектрическими эффектами. При за-

мыкании электрической цепи термопары, в которой создана и поддерживается постоянная разность температур, одновременно возникают все три термоэлектрических эффекта. Кроме этого в термопаре при наличии разности температур происходит передача теплоты от горячего конца к холодному за счет теплопроводности, а электрический ток вызывает выделение теплоты Джоуля.

Для определения взаимосвязи между рассматриваемыми эффектами пpeдcтaвим термопару в виде замкнутой цепи и рассмотрим ее как тепловую машину, рабочим веществом которой служит электронный газ. Схема и цикл в s-Т-диаграмме такой машины показаны на рис. 1. Будем считать, что необратимые процессы теплопроводности и выделения теплоты Джоуля отсутствуют. Участки 1-4 и 2-3 в цикле 1-2-3-4 соответствуют протеканию некоторого количества электричества через контакты между элементами термопары. Участки 1-2 и 3-4 характеризуют изменение количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковые элементы термопары I и II. Теплота Пельтье на участке 2-3 выделяется, на участке 3-4 - поглощается. Теплота Томпсона выделяется на участке 3-4 и поглощается на участке 1-2.

Рис. 1. Схема и цикл короткозамкнутой термоэлектрической цепи

Работа цикла 1—2—3—4, которую совершает термоЭДС при протекании данного количества электричества qi в соответствии с первым законом термодинамики, равна разности теплоты, подведенной и отве-