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

7

Тепловой поток, поглощаемый на холодном спае термоэлемента за счет эффекта Пельтье, определяем по уравнению (6) или, учитывая (13) и (4), получаем

Джоулева теплота, выделяющаяся в термоэлементах, равна

где λ — коэффициент теплопроводности ветвей термоэлемента.

Таким образом, холодопроизводительность термоэлемента (количество теплоты, поглощаемой на холодном спае термоэлемента) опре-

8

жим максимального холодильного коэффициента (ε max), режим минимального тока (Imin).

Режим Q0max отличается тем, что рабочий ток в термоэлементе соответствует максимально возможному значению. Режим ε max характеризуется тем, что рабочий ток в термоэлементе меняется в соответствии с изменением разности температур на холодном и горячих спаях. Режим Imin характерен тем, что заданное значение холодопроизводительности и разности температур на холодном и горячих спаях термоэлемента поддерживается при минимально возможном значении рабочего тока.

На рис. 3 показаны зависимости Q0 и ε = f(∆ ) для различных режимов работы термоэлемента. Холодопроизводительность термоэлемента в режиме ε max имеет наименьшее значение и лишь при максимально возможной разности температур ∆ T холодопроизводительности во всех трех случаях становятся практически равными. Из этого следует, что для обеспечения одинаковой холодопроизводительности и разности температур на спаях термобатарея, работающая в режиме ε max, должна иметь наибольшее число термоэлементов. Для всех режимов ε увеличивается при уменьшении ∆ Т на спаях. При ∆ Т для режима Q0max холодильный коэффициент имеет максимальное значение (ε = 0,5), а

9

для двух других ε = ∞ . Значение ε = ∞ показывает, что для получения единицы холодопроизводительности достаточно бесконечно малых затрат электроэнергии. Практического значения эта зависимость не име-

ет, так как в режимах ε max и Imin при ∆ Т → 0 удельная холодопроизводительность также стремится к нулю. Это означает, что для получения

единицы холодопроизводительности необходимо бесконечно большое число термоэлементов. Режим Imin является промежуточным между ре-

жимами Q0max и ε max.

Для получения минимальных затрат электроэнергии режим ε max является наиболее приемлемым. В микроохладителях, где потребляемая мощность не превышает 10-20 Bт, фактор экономии электроэнергии не имеет большого значения, поэтому в них часто используется pежим Q0max . В тех случаях, когда тepмoбатарею необходимо питать от источника слабого тока, наиболее приемлемым может оказаться ре-

жим Imin .

Материалы для термоэлементов. Для термоэлементов в настоя-

щее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными материалами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективность (добротность) для этих материалов в области комнатных температур cocтaвляeт 2,6.10-3 град-1 для

[(2,4— 3,4).10-3 град-1]. На их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТРДХ-1 и ТВДХ-2 - для ветвей с дырочной проводимостью. Твердые растворы Bi—Se применяются в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 6 . 10-3 град-1 достигает при Т ≈ 80-90 К. Интересно отметить, что указанный сплав существенно повышает свою эффективность в магнитном поле Так, например, при Н = 1000 Э и Т = 100 К эффективность z возрастает до 8,5.10-3 град-1.

В настоящее время полупроводниковые ветви изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Наиболее распространенным является метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов. В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяются в основном термоэлементы, у кото-

10

рых отрицательная ветвь изготавливается методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.

Механическая прочность ветвей термоэлементов незначительна. Так, например, у образцов сплава Bi2Te3 - Sb2Те3 , изготовленных по технологии горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6—49,8 МПа. Нижний предел относится к образцам, полученным методом горячего прессования. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной 1 (рис.4) и полупроводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая пластина 3, кроме того, применяются легкоплавкие припои 2, 4 и при-

пой SiSb 5.

Сравнительные характеристики.

Термоэлектрические охлаждающие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами холодильных машин. При помощи термоэлектрических устройств в теплое время года можно охлаждать помещения, а в холодное время — обогревать. Изменение режима охлаждения на режим обогрева

осуществляется путем реверса электрического тока.

Кроме того, к преимуществам термоэлектрических устройств следует отнести: отсутствие движущихся частей; полную бесшумность работы; отсутствие рабочего вещества и масла; меньшую массу и габаритные размеры при той же холодопроизводительности.

К недостаткам термоохлаждающих устройств следует отнести их низкую экономичность и повышенную стоимость. Экономичность термоэлектрических устройств по сравнению с паровыми холодильными машинами приблизительно на 20—50 % хуже.

Практическая реализация ТЭХМ. С учетом вышеизложенного промышленностью освоено несколько типов ТЭХМ, и одним из них является микроТЭХМ, конструкция которого представлена на рис. 5.

ТЭХМ выполнена в виде цилиндрического стакана 5, установленного днищем на «холодные» перемычки («холодные» спаи) батареи термоэлементов 4. Токовод к концевым частям батареи, состоящей из 24 последовательно включенных термоэлементов, осуществляется в помощью винтов 9 - «горячие» перемычки («горячие» спаи), имеющие в процессе работы температуру выше температуры окружающей среды,

11

охлаждаются проточной водой, подаваемой и отводимой через штуцер 1. Таким образом, в нормальном эксплуатационном режиме ТЭХМ выполняет функции обычной холодильной машины, переносящей теплоту от источника низкой температуры к окружающей среде. Охлаждаемым объектом является объем рабочей камеры 6, образованной стенками стакана 5 и крышкой 7. Для уменьшения теплопритоков камера теплоизолирована. Для контроля за температурой в холодильной камере используется полупроводниковый термопреобразователь сопротивления малых размеров с соответствующими выводами 8.

Рис. 5. Термоэлектрическая холодильная машина: 1 - штуцер подвода (отвода) охлаждающей воды; 2 - корпус; 3 - кожух с теплоизоляцией; 4 - термоэлементы; 5 - стакан; 6 - холодильная камера; 7 - крышка с теплоизоляцией; 8 - клеммы полупроводникового термопреобразователя сопротивления; 9 - клемма подвода рабочего тока