تأثير الحرارية والتبريد ، وتأثير بلتيير

تزيد الكفاءة الاقتصادية لاستخدام الثلاجات الحرارية بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من آلات التبريد كلما زاد حجم الحجم المبرد. لذلك ، فإن الأكثر عقلانية في الوقت الحالي هو استخدام التبريد الكهروحراري للثلاجات المنزلية ، وفي مبردات السوائل الغذائية ، ومكيفات الهواء ، بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام التبريد الحراري الكهربي بنجاح في الكيمياء والبيولوجيا والطب ، وعلم القياس ، وكذلك في البرد التجاري (الحفاظ على درجة الحرارة في الثلاجات) ، والنقل التبريد (الثلاجات) ، وغيرها من المناطق

تأثير الحرارية

تأثير الحدوث معروف على نطاق واسع في الفن. thermopower في الموصلات الملحومة ، يتم الاحتفاظ بالاتصالات (الوصلات) بينهما في درجات حرارة مختلفة (تأثير Seebeck). في حالة مرور تيار ثابت عبر دارة من مادتين مختلفتين ، يبدأ أحد الوصلات في التسخين ، ويبدأ الآخر في البرودة. وتسمى هذه الظاهرة تأثير الحرارية أو تأثير بلتيير.

التين. 1. الرسم البياني الحرارية

في التين. 1 يُظهر رسم تخطيطي للحرارية المزدوجة. يشكّل اثنان من أشباه الموصلات n و m دائرة تمر عبرها التيار المباشر من مصدر الطاقة C ، بينما تصبح درجة حرارة الوصلات الباردة X منخفضة ، وتصبح درجة حرارة الوصلات الحارة G أعلى من درجة الحرارة المحيطة ، أي تبدأ الحرارية في أداء وظائف آلة التبريد.

تنخفض درجة حرارة الوصلة بسبب حقيقة أن الإلكترونات التي تنتقل من فرع من المزدوجات الحرارية (م) إلى أخرى (ن) ، تحت تأثير الحقل الكهربائي ، تدخل في حالة جديدة ذات طاقة أعلى. تزداد طاقة الإلكترونات بسبب الطاقة الحركية المأخوذة من ذرات فروع الفرن الحراري في أماكن الاقتران ، ونتيجة لذلك يتم تبريد هذا التقاطع (X).

في الانتقال من مستوى طاقة أعلى (فرع ن) إلى مستوى طاقة منخفضة (فرع ر) ، تعطي الإلكترونات جزءًا من طاقتها إلى ذرات تقاطع المزدوج الحراري ، والتي تبدأ في التسخين.

في بلدنا في أواخر 1940s ومطلع 1950s الأكاديمي A.F. Ioffe وأجرى طلابه بحثًا مهمًا جدًا يتعلق بتطوير نظرية التبريد الكهروحراري. بناءً على هذه الدراسات ، تم تصميم واختبار سلسلة من أجهزة التبريد لأول مرة.

كفاءة الطاقة من المبردات الحرارية أقل بكثير من فعالية أنواع أخرى من المبردات ، ومع ذلك ، فإن البساطة والموثوقية وعدم وجود ضوضاء تجعل استخدام التبريد الحرارية واعدة للغاية.

كفاءة التبريد الحرارية

اختيار المواد للعناصر

تعتمد كفاءة المزدوجات الحرارية ، فضلاً عن الحد الأقصى للانخفاض في درجة الحرارة عند التقاطعات ، على كفاءة (عامل الجودة) لمادة أشباه الموصلات z ، والتي تتضمن الموصلية الكهربائية co ، والمعامل الكهرحراري α والتوصيل الحراري κ. هذه القيم مترابطة ، لأنها تعتمد على تركيز الإلكترونات الحرة أو الثقوب. يتم تقديم مثل هذا الاعتماد في الشكل. 2.

يمكن ملاحظة من الشكل أن الموصلية الكهربائية σ تتناسب مع عدد الموجات الحاملة n ، ويميل thermoEMF إلى الصفر مع زيادة n ويزيد بتناقص n. تتكون الموصلية الحرارية k من جزأين: الموصلية الحرارية للشبكة البلورية κp ، والتي هي مستقلة عملياً عن n ، والتوصيل الحراري الإلكتروني ،e ، بما يتناسب مع n.

فعالية المعادن والسبائك المعدنية منخفضة بسبب انخفاض معامل thermoEMF ، وفي العوازل بسبب الموصلية الكهربائية المنخفضة للغاية.مقارنة بالمعادن والمواد العازلة ، فإن كفاءة أشباه الموصلات أعلى بكثير ، مما يفسر استخدامها على نطاق واسع في الوقت الحاضر في العناصر الحرارية. فعالية المواد يعتمد أيضا على درجة الحرارة.

يتكون الحرارية المزدوجة من فرعين: سلبي (نوع n) وإيجابي (نوع p). نظرًا لأن المادة التي تحتوي على نفاذية الإلكترون لها emf سالبة وتكون المادة ذات الموصلية بالفتحة لها علامة إيجابية ، فيمكن الحصول على طاقة حرارية أعلى.

التين. 2. الاعتماد النوعي للطاقة الحرارية ، الموصلية الكهربائية والتوصيل الحراري على تركيز الناقل

مع زيادة الطاقة الحرارية ، يزيد z.

بالنسبة للعناصر الحرارية ، يتم استخدام المواد الحرارية الحرارية المنخفضة الحرارة في الوقت الحالي ، والمواد الأولية منها البزموت والأنتيمون والسيلينيوم والتيلوريوم. الحد الأقصى للكفاءة z لهذه المواد في درجة حرارة الغرفة هو: 2.6 · 10-3 ° С-1 للنوع n ، 2.6 · 10-1 ° С-1 للنوع p.

في الوقت الحاضر ، نادراً ما يستخدم Bi2Te3 ، لأن المحاليل الصلبة Bi2Te3-Be2Se3 و Bi2Te3-Sb2Te3 التي تم إنشاؤها على أساسها تحتوي على قيم z العليا. تم الحصول على هذه المواد ودراستها لأول مرة في بلدنا ، وعلى أساسها تم إنتاج السبائك TVEH-1 و TVEH-2 للفروع ذات الموصلية الإلكترونية و TVDH-1 و TVDH-2 للفروع ذات الموصلية الثقبية [1].

تستخدم المحاليل الصلبة ثنائية سي في درجة حرارة أقل من 250 كيلو. أقصى قيمة z = 6 · 10-3 ° C-1 تصل إلى T≈80 ÷ 90 K. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن كفاءة هذه السبائك تزيد بشكل كبير في المجال المغناطيسي.

يتم تصنيع فروع أشباه الموصلات حاليًا بثلاث طرق: تعدين المساحيق ، الصب مع التبلور الموجه والرسم من الذوبان. طريقة تعدين البودرة مع الضغط البارد أو الساخن للعينات هي الأكثر شيوعًا.

في أجهزة التبريد الحرارية ، كقاعدة عامة ، يتم استخدام العناصر الحرارية ، والتي يتم فيها إنشاء الفرع السلبي بالضغط الساخن والفرع الإيجابي بالضغط البارد.

التين. 3. الرسم البياني الحرارية

القوة الميكانيكية للمزدوجات الحرارية ضئيلة. لذلك ، في عينات من سبيكة Bi2Te3-Sb2Te3 المصنّعة بالضغط الساخن أو البارد ، تبلغ قوة الضغط 44.6-49.8 ميجا باسكال.

لزيادة قوة الحرارية ، يتم وضع لوحة الرصاص التخميد 3 بين لوحة التبديل 1 (الشكل 3) وفرع أشباه الموصلات 6 ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام جندى الإنصهار المنخفض 2 و 4 و SiSb 5. تظهر الاختبارات أن الأجهزة الكهروحرارية لها مقاومة صدمة اهتزاز تصل إلى 20 جم ، ومبردات كهربائية حرارية ذات قدرة تبريد منخفضة تصل إلى 250 جم.

مقارنة أجهزة التبريد الحرارية مع طرق التبريد الأخرى

أجهزة التبريد الحرارية لديها العديد من المزايا على أنواع أخرى من أجهزة التبريد. تستخدم السفن حاليًا أجهزة تكييف الهواء أو أجهزة التبريد بالبخار في أنظمة تكييف الهواء. في موسم البرد ، يتم تسخين أماكن السفينة بواسطة سخانات كهربائية أو بخار أو ماء ، أي يتم استخدام مصادر منفصلة للحرارة والبرودة.

باستخدام الأجهزة الكهرحرارية في فصل الشتاء الدافئ ، من الممكن تبريد المبنى ، وفي البرد - لتسخينه. يتم تغيير وضع التدفئة إلى وضع التبريد عن طريق عكس التيار الكهربائي.

بالإضافة إلى ذلك ، تشمل مزايا الأجهزة الكهربائية الحرارية: الغياب التام للضوضاء أثناء التشغيل ، والموثوقية ، ونقص المواد العاملة والنفط ، والوزن الأصغر والأبعاد الكلية في نفس قدرة التبريد.

تُظهر البيانات المقارنة على أجهزة chladon لغرف التزويد على السفن أنه ، بنفس سعة التبريد ، تكون كتلة آلة التبريد الحرارية أقل من 1.7 إلى 1.8 مرة.

وتبلغ أحجام المبردات الحرارية لأنظمة تكييف الهواء حوالي أربعة وكتلة أقل بثلاث مرات من مبردات chladone.

التين. 4. دورة لورنتز

تشمل عيوب أجهزة التبريد الحراري انخفاض ربحيتها وزيادة التكلفة.

إن فعالية تكلفة الثلاجات الحرارية مقارنة بالبخار تقل بنسبة 20-50٪ تقريبًا [1]. يرتبط ارتفاع تكلفة أجهزة التبريد الحراري بارتفاع أسعار مواد أشباه الموصلات.

ومع ذلك ، هناك مجالات حيث يمكنهم الآن التنافس مع أنواع أخرى من أجهزة التبريد. على سبيل المثال ، بدأوا في استخدام الأجهزة الكهربائية الحرارية لغازات التبريد والسوائل. من أمثلة الأجهزة من هذه الفئة مبردات المياه الصالحة للشرب ، ومكيفات الهواء ، ومبردات الكواشف الكيميائية ، إلخ.

بالنسبة لمثل هذه المبردات ، ستكون دورة النموذج هي دورة لورينتس الثلاثية (انظر الشكل 4). يتم تحقيق اقتراب دورة النموذج بطريقة بسيطة ، لأن هذا لا يتطلب سوى تعديل دائرة التبديل ، والتي لا تسبب صعوبات هيكلية. يسمح لك ذلك بزيادة كفاءة آلات التبريد الحرارية في بعض الحالات أكثر من الضعف. لتنفيذ هذا المبدأ في جهاز التبريد بالبخار ، يجب تطبيق نظام ضغط متعدد المراحل معقد.

استخدام الأجهزة الحرارية كما "محسن نقل الحرارة". في تلك الحالات التي يكون فيها من الضروري إزالة الحرارة من المساحة الصغيرة إلى البيئة ، ويكون سطح التلامس الحراري محدودًا ، يمكن أن تعمل البطاريات الحرارية الموجودة على السطح على تكثيف عملية نقل الحرارة بشكل كبير.

كما أظهرت الدراسات [2] ، يمكن لاستهلاك الطاقة صغير نسبيًا زيادة تدفق الحرارة بشكل ملحوظ. يمكن تكثيف نقل الحرارة حتى من دون استهلاك الطاقة. في هذه الحالة ، أغلق thermopile.

وجود اختلاف في درجة الحرارة سيؤدي إلى Seebeck thermoEMF، والتي سوف توفر الطاقة للبطارية الحرارية. باستخدام الأجهزة الحرارية ، يمكن عزل أحد وسائط التبادل الحراري ، أي استخدامه كعزل حراري مثالي.

هناك ظرف مهم ، والذي يحدد أيضًا المنطقة التي تكون فيها المبردات الحرارية الحرارية قادرة على التنافس مع أنواع أخرى من المبردات حتى في كفاءة الطاقة ، وهو أن انخفاض قدرة التبريد ، على سبيل المثال ، المبردات البخارية تؤدي إلى انخفاض في معامل التبريد الخاص بها.

بالنسبة للمبرد الحراري ، لا تحترم هذه القاعدة ، وفعاليتها مستقلة عملياً عن قدرة التبريد. بالفعل في الوقت الحالي ، بالنسبة لدرجات الحرارة Tx = 0 درجة مئوية و Tk = 26 درجة مئوية وأداء عدة عشرات من واط ، فإن كفاءة الطاقة في آلة كهروضوئية قريبة من كفاءة آلة التبريد بالبخار.

اعتماد واسع النطاق التبريد الحرارية سوف يعتمد على التقدم المحرز في إنشاء مواد أشباه الموصلات المتقدمة ، وكذلك على الإنتاج التسلسلي للبطاريات الحرارية ذات الكفاءة الاقتصادية.

المراجع.

1. تسفيتكوف يو. ن. ، أكسينوف إس. س. ، شولمان ف. م. أجهزة التبريد الحرارية للسفن - لام: بناء السفن ، 1972.— 191 صفحة.

2. Martynovsky V. S. دورات ودارات وخصائص المحولات الحرارية - M: Energia ، 1979. - 285 صفحة.

اقرأ أيضا عن هذا الموضوع:تأثير بلتيير: التأثير السحري للتيار الكهربائي