Файл: Курсовая на тему Термоэлектрическое охлаждение элементов и устройств ЭВС . РС-71.docx

Одним из перспективных способов получения искусственного холода является термоэлектрическое охлаждение. Термоэлектрические охлаждающие батареи обладают рядом достоинств: простотой устройства, отсутствием рабочего вещества, бесшумностью работы, компактностью.

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эфректа Пельтье, заключающегося в том, что при прохождении постоянного тока по замкнутой цепи из разных проводников на спаях возникает разность температур.

При термоэлектрическом охлаждении наибольший эффект достигается при использовании полупроводниковых элементов.

Он состоит из полупроводникового термоэлемента и батареи элементов. Каждый термоэлемент состоит из двух последовательно соединенных полупроводников прямоугольной или круглой формы. Полупроводники с помощью медных пластин образуют спаи. Отдельные термоэлементы соединяются последовательно в батареи. При прохождении через батарею электрического тока, спаи на одной из ее сторон нагреваются, а на другой — охлаждаются. В бытовом холодильнике холодные спаи термобатареи устанавливают в задней внутренней стенке холодильной камеры. Перепад температур между горячими и холодными спаями составляет до 45—50CG.

В качестве полупроводниковых термоэлементов применяют сплавы свинца и теллура, теллура и сурьмы, окислы металлов и чистые химические элементы: германий, кремний, селен и их соединения. В настоящее время термоэлектрическое охлаждение применяется в бытовых холодильниках и автономных кондиционерах.

Недостатками термоэлектрического охлаждения являются в основном большой расход электроэнергии и высокая стоимость термоэлектрических охлаждающих батарей.

Применение термоэлектрического охлаждения Холодильные системы для электроники и телекоммуникаций:

термостабилизация элементов электронной техники — эго необходимое условие улучшения их параметров. Термоэлектрический метод во многих случаях как нельзя лучше подходит для этих целей с точки зрения стоимости и эффективности. Традиционно термоэлектрическое охлаждение используется для термостабилизации электронных блоков, размещаемых в специальных шкафах; заданная температура с определенной точностью поддерживается во всем объеме шкафа;
температурная стабилизация лазерных диодов для волоконно- оптических систем - важнейшее быстро развивающееся направление термоэлектрического охлаждения. Очевидно, это связано с бурным развитием систем телекоммуникаций, в первую очередь - с расширением сетей Интернет;
необходимость охлаждения интегральных микросхем (микрочипов) вызвана тенденцией микроминиатюризации элементов электроники. При микроминиатюризации быстро возрастают плотности потоков тепла, которые требуется отвести. Эти плотности достигают сотен Вт/см². Здесь термоэлектрический метод также является практически безальтернативным методом термостабилизации;
температурная стабилизация параметрических усилителей, приемников излучения, электронных блоков для систем ночного видения, микропроцессоров вычислительных систем и систем автоматики и т. п., - все это области применения термоэлектрического охлаждения.

Лабораторное и научное оборудование с использованием термоэлектрических охладителей:

охлаждаемые инфракрасные детекторы, рефрактометры, лазерные коллиматоры,. фотоумножители, ПЗС матрицы, интегральные схемы, электронные платы, спектрофотометры, термопрограмматоры;
охлаждаемые камеры и мешалки;
детекторы точки замерзания жидкостей и точки росы;
эталоны абсолютно черного тела;
ячейки для электрофореза и осмометры;
нализаторы загрязнения воздуха;
приборы для определения температуры застывания нефти.

Процессы и способы охлаждения

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене — это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Охлаждение бывает естественным и искусственным.

Естественным охлаждениемназывается теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой — наружным воздухом и водой естественных водоемов. Однако при таком охлаждении температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Поскольку температура окружающей среды для большинства стран, в том числе и Российской Федерации, зависит от времени года, то использование окружающей среды в летний период для охлаждения пищевых продуктов не дает желаемых результатов. Выйти из положения можно, если заготовить зимой лед и разместить его в ледниках (погребах), тогда летом погреба можно использовать для охлаждения и хранения продуктов. Для получения более низких температур применяют смесь льда с поваренной солью. Однако лед или смесь льда с солью воспринимают тепло охлаждаемых продуктов, изменяют свое агрегатное состояние и теряют охлаждающую способность. Поэтому таким способом охлаждения можно пользоваться только кратковременно, так как запасы льда ограничены. Учитывая большую трудоемкость, связанную с заготовкой водного льда, сложность получения низких температур, высокое содержание микроорганизмов в водном льде и другие факторы, естественное охлаждение заменяют искусственным.

К искусственному относится охлаждение эвтектическим и "сухим" льдом, а также с помощью кипящих жидких газов и термоэлектричества. Достоинством искусственного охлаждения является возможность поддержания заданного режима хранения в любое время года.

Охлаждение с помощью холодильных машин называется машинным охлаждением.

Под низкими температурами, как правило, понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

фазовый переход вещества — плавление, кипение (испарение), сублимация;
адиабатическое расширение газа;
дросселирование реального газа и жидкостей;
термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

Фазовый переход вещества. Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Наиболее доступным веществом, применяемым для получения низких температур, является водяной лед, который при атмосферном давлении плавится при 0°С и имеет относительно большую удельную теплоту плавления (335 кДж/кг). Более низкую температуру плавления получают, смешивая лед с некоторыми солями.

Плавлениемназывают переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Скрытая теплота плавления, или просто теплота плавления, — это количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимациейназывается переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу.

Теплотойсублимацииназывается количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

Кипениемназывается процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости.

Подобно тому, как температура льда в течение всего периода его таяния остается неизменной, температура жидкости, нагретой до точки кипения, также остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар называется испарением. Испарение происходит только с поверхности жидкости.

В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования. Температура конденсации так же, как и температура кипения, зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура — увеличивается давление, и наоборот.

Адиабатическое расширение газа. Процесс, протекающий без теплообмена между рабочим телом (газом) и окружающей средой (стенками цилиндра), называетсяадиабатным. Известно, что внутренняя энергия тела определяется скоростью движения молекул и атомов. В нагретом теле скорость движения большая, в менее нагретом — меньшая. Если сжатому газу в цилиндре предоставить возможность расширяться, то газ будет совершать работу. Его молекулы, ударяясь о поверхность поршня, будут отдавать часть кинетической энергии, а их скорость отскока от поверхности поршня будет уменьшаться. Следовательно, работа в цилиндре осуществляется за счет уменьшения кинетической энергии молекул газа. Температура газа при этом будет понижаться. Учитывая, что процесс расширения газа происходит за доли секунды, теплообмен между газом и стенками цилиндра принято считать равным нулю. Все быстро протекающие процессы можно считать адиабатными. Если воздух, сжатый до 5 МПа при температуре 27 °С, адиабатически расширить до давления 0,2 МПа, то его температура понизится до -155°С.