Efeito termoelétrico e refrigeração, efeito Peltier

A eficiência econômica do uso de refrigeradores termoelétricos em comparação com outros tipos de máquinas de refrigeração aumenta quanto mais, menor o volume do volume refrigerado. Portanto, o mais racional atualmente é o uso de resfriamento termoelétrico em geladeiras domésticas, em refrigeradores de líquidos alimentares, condicionadores de ar, além disso, o resfriamento termoelétrico é usado com sucesso em química, biologia e medicina, metrologia, bem como em frio comercial (manutenção da temperatura nos refrigeradores) , transporte de refrigeração (refrigeradores) e outras áreas

Efeito termoelétrico

O efeito da ocorrência é amplamente conhecido na técnica. thermoEMF em condutores soldados, os contatos (junções) entre os quais são mantidos em diferentes temperaturas (Efeito Seebeck) No caso em que uma corrente constante é passada através de um circuito de dois materiais diferentes, uma das junções começa a aquecer e a outra começa a esfriar. Esse fenômeno é chamado efeito termoelétrico ou Efeito Peltier.

Fig. 1. Diagrama do termopar

Na fig. 1 mostra um diagrama de um termopar. Dois semicondutores n e m formam um circuito ao longo do qual a corrente direta passa a partir da fonte de energia C, enquanto a temperatura das junções frias X se torna mais baixa e a temperatura das junções quentes G se torna mais alta que a temperatura ambiente, ou seja, o termopar começa a desempenhar as funções de uma máquina de refrigeração.

A temperatura da junção diminui devido ao fato de que, sob a influência de um campo elétrico, os elétrons que se deslocam de um ramo do termopar (m) para outro (n) entram em um novo estado com uma energia mais alta. A energia dos elétrons aumenta devido à energia cinética retirada dos átomos dos ramos do termoelemento nos locais de sua conjugação, como resultado do qual essa junção (X) é resfriada.

Na transição de um nível mais alto de energia (ramo n) para um nível baixo de energia (ramo t), os elétrons dão parte de sua energia aos átomos da junção do termopar, que começa a aquecer.

Em nosso país, no final da década de 1940 e no início da década de 1950 Acadêmico A.F. Ioffe e seus alunos conduziram pesquisas muito importantes relacionadas ao desenvolvimento da teoria do resfriamento termoelétrico. Com base nesses estudos, uma série de dispositivos de resfriamento foi projetada e testada.

Eficiência energética de refrigeradores termoelétricos significativamente menor que a eficácia de outros tipos de resfriadores, no entanto, a simplicidade, a confiabilidade e a falta de ruído tornam o uso do resfriamento termoelétrico muito promissor.

Eficiência de refrigeração termoelétrica

Seleção de material para itens

A eficiência do termopar, bem como a diminuição máxima de temperatura nas junções, dependem da eficiência (fator de qualidade) da substância semicondutora z, que inclui a condutividade elétrica σ, coeficiente termoelétrico α e condutividade térmica κ. Esses valores estão inter-relacionados, pois dependem da concentração de elétrons ou orifícios livres. Essa dependência é apresentada na Fig. 2)

Pode-se observar pela figura que a condutividade elétrica σ é proporcional ao número de portadoras n, o termoEMF tende a zero com o aumento de n e aumenta com a diminuição de n. A condutividade térmica k consiste em duas partes: a condutividade térmica da rede cristalina κp, praticamente independente de n, e a condutividade térmica eletrônica κe, proporcional a n.

A eficácia dos metais e ligas metálicas é baixa devido ao baixo coeficiente de termoEMF e nos dielétricos devido à baixa condutividade elétrica.Comparado aos metais e dielétricos, a eficiência dos semicondutores é muito mais alta, o que explica seu amplo uso atualmente nos termoelementos. A eficácia dos materiais também depende da temperatura.

O termopar consiste em dois ramos: negativo (tipo n) e positivo (tipo p). Como um material com permeabilidade a elétrons tem uma fem negativa e um material com condutividade de furo tem um sinal positivo, pode-se obter um maior poder térmico.

Fig. 2. Dependências qualitativas de termopoder, condutividade elétrica e condutividade térmica na concentração de portadores

Com um aumento no termopoder, z aumenta.

Para termelementos, atualmente são usados ​​materiais termoelétricos de baixa temperatura, cujos materiais de partida são bismuto, antimônio, selênio e telúrio. A eficiência máxima z para esses materiais à temperatura ambiente é: 2,6 · 10-3 ° С-1 para o tipo n, 2,6 · 10-1 ° С-1 para o tipo p.

Atualmente, o Bi2Te3 é raramente usado, uma vez que as soluções sólidas Bi2Te3-Be2Se3 e Bi2Te3-Sb2Te3 criadas em sua base têm valores z mais altos. Esses materiais foram obtidos e estudados pela primeira vez em nosso país, e com base na produção das ligas TVEH-1 e TVEH-2 para galhos com condutividade eletrônica e TVDH-1 e TVDH-2 para galhos com condutividade de furo foram dominadas [1].

Soluções sólidas Bi-Se são usadas na faixa de temperatura abaixo de 250 K. O valor máximo z = 6 · 10-3 ° C-1 atinge T80 a 90 K. É interessante notar que a eficiência dessa liga aumenta significativamente em um campo magnético.

Atualmente, os ramos de semicondutores são fabricados por três métodos: metalurgia do pó, fundição com cristalização direta e extração do fundido. O método de metalurgia do pó com prensagem a frio ou a quente de amostras é o mais comum.

Nos dispositivos de resfriamento termoelétricos, como regra, são utilizados termoelementos, nos quais o ramo negativo é feito por prensagem a quente e o ramo positivo por prensagem a frio.

Fig. 3. Diagrama do termopar

A resistência mecânica dos termopares é insignificante. Assim, em amostras da liga Bi2Te3-Sb2Te3 fabricada por prensagem a quente ou a frio, a resistência à compressão é de 44,6 a 49,8 MPa.

Para aumentar a resistência do termopar, uma placa de amortecimento 3 é colocada entre a placa de comutação 1 (Fig. 3) e o ramo de semicondutor 6; além disso, são utilizadas soldas de baixo derretimento 2, 4 e SiSb 5. Os testes mostram que os dispositivos termoelétricos têm resistência a choques de vibração de até 20g, os refrigeradores termoelétricos com baixa capacidade de refrigeração de até 250g.

Comparação de dispositivos de resfriamento termoelétricos com outros métodos de resfriamento

Os dispositivos de resfriamento termoelétrico têm várias vantagens sobre outros tipos de resfriadores. Atualmente, os navios usam ar-condicionado ou refrigeradores a vapor em sistemas de ar-condicionado. Na estação fria, as instalações dos navios são aquecidas com aquecedores elétricos, a vapor ou a água, ou seja, são usadas fontes separadas de calor e frio.

Usando dispositivos termoelétricos na estação quente, é possível resfriar as instalações e, no frio, aquecer. O modo de aquecimento é alterado para o modo de refrigeração, revertendo a corrente elétrica.

Além disso, as vantagens dos dispositivos termoelétricos incluem: a completa ausência de ruído durante a operação, confiabilidade, ausência de uma substância e óleo de trabalho, menor peso e dimensões gerais na mesma capacidade de refrigeração.

Dados comparativos de máquinas chladone para provisionar câmaras em navios mostram que, com a mesma capacidade de resfriamento, a massa de uma máquina de refrigeração termoelétrica é de 1,7 a 1,8 vezes menos.

Os chillers termoelétricos para sistemas de ar condicionado têm um volume de cerca de quatro e uma massa de três vezes menos que os chladone.

Fig. 4. O ciclo de Lorentz

As desvantagens dos dispositivos de resfriamento térmico incluem baixa rentabilidade e aumento de custos.

A relação custo-benefício dos refrigeradores termoelétricos em comparação com o vapor é aproximadamente 20-50% menor [1]. O alto custo dos dispositivos de resfriamento térmico está associado aos altos preços dos materiais semicondutores.

No entanto, existem áreas em que agora eles podem competir com outros tipos de resfriadores. Por exemplo, eles começaram a usar dispositivos termoelétricos para resfriar gases e líquidos. Exemplos de dispositivos desta classe incluem resfriadores de água potável, condicionadores de ar, resfriadores de reagentes químicos, etc.

Para esses resfriadores, o ciclo do modelo será o ciclo triangular de Lorentz (veja a Fig. 4). A aproximação do ciclo do modelo é alcançada de maneira simples, pois isso requer apenas a modificação do circuito de comutação, o que não causa dificuldades estruturais. Isso permite aumentar significativamente, em alguns casos, mais do que o dobro, a eficiência das máquinas de refrigeração termoelétricas. Para implementar esse princípio em um resfriador a vapor, um esquema complexo de compressão em vários estágios teria que ser aplicado.

O uso de dispositivos termoelétricos como “Melhorador de transferência de calor”. Nos casos em que é necessário remover o calor do pequeno espaço no meio ambiente e a superfície de contato térmico é limitada, as baterias termoelétricas localizadas na superfície podem intensificar significativamente o processo de transferência de calor.

Como os estudos [2] mostram, um consumo de energia relativamente pequeno pode aumentar significativamente o fluxo de calor específico. A transferência de calor pode ser intensificada mesmo sem consumo de energia. Nesse caso, feche a termopilha.

A presença de uma diferença de temperatura resultará em Seebeck thermoEMF, que fornecerá energia para a bateria termoelétrica. Usando dispositivos termoelétricos, é possível isolar um dos meios de troca de calor, ou seja, usá-lo como um isolamento térmico perfeito.

Uma circunstância importante, que também determina a área em que os chillers termoelétricos são capazes de competir com outros tipos de chillers, mesmo em eficiência energética, é que uma diminuição na capacidade de refrigeração de, por exemplo, chillers a vapor leva a uma diminuição no coeficiente de refrigeração.

Para um resfriador termoelétrico, essa regra não é respeitada e sua eficácia é praticamente independente da capacidade de resfriamento. Atualmente, para temperaturas Tx = 0 ° C e Tk = 26 ° C e um desempenho de várias dezenas de watts, a eficiência energética de uma máquina termoelétrica está próxima da eficiência de uma máquina de refrigeração a vapor.

Adoção generalizada refrigeração termoelétrica dependerá do progresso na criação de materiais semicondutores avançados, bem como da produção em lote de baterias térmicas economicamente eficientes.

Referências

1. Tsvetkov Yu. N., Aksenov S. S., Shulman V. M. Navio dispositivos de refrigeração termoelétricos - L.: Shipbuilding, 1972. - 191 p.

2. Martynovsky V. S. Ciclos, circuitos e características dos transformadores térmicos - M .: Energy, 1979. - 285 p.

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