Термоэлектрические тепловые насосы.

Принцип действия термоэлектрического теплового насоса основан на свойстве поглощения или выделения теплоты в местах контактов (спаев) двух разных металлов или полупроводников при прохождении через них постоянного тока, причем при изменении полярности эффект меняет знак, одна сторона этой пластины нагревается, а другая – охлаждается рис.3.18. Это явление носит название эффекта Пельтье.

Рис. 3.18. Элемент Пельтье Рис. 3.19. Термоэлектрический генератор

Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье состоит из материалов с различными коэффициентами Т.И. Зеебека p - и n-полупроводников рис. 3.19. При снятии нагрузки ток прекращается, и схема функционирует как термопара. Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию.

При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект - место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву).

Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Например, существует термоэлектрический тепловой насос, обеспечивающий подогрев воздуха в помещении (при его рециркуляции) за счет низкопотенциальной тепловой энергии наружного воздуха. Наружный и внутренний воздух проходит через индивидуальные каналы, между которыми располагаются спаи полупроводниковых элементов (например, висмут - теллур). При прохождении через спаи электрического тока на них выделяется или поглощается теплота, за счет чего обеспечивается подогрев внутреннего воздуха за счет более глубокого охлаждения наружного, или, при изменении полярности, охлаждение внутреннего и подогрев наружного воздуха. Термоэлектрический тепловой насос основан на эффекте Пельтье.

Реальные тепловые насосы собираются из большого числа эле­ментов, соединенных последовательно, а в тепловом отношении как последовательно, так и параллельно, следовательно возникают проблемы одновременного получения теплового контакта и электрической изоляции соединения.

Несмотря на проблемы отыскания недорогих и эффективных полупроводниковых материалов и их тщательной сборки, эти уст­ройства нашли два интересных применения, в которых значения КОП близки к достигнутым в абсорбционном цикле.

Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Это абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам.

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность - ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии. То есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области можно удалить лишь 0,5 Дж тепла. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительных тепловых насосов.

Основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно, когда требуется не очень сильно охладить что - либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, - например, различные узлы и детали электронной аппаратуры. Самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных 5 - 30 Вт в переносных автомобильных холодильниках.

Преимущества использования термоэлектрических модулей:

- отсутствие трущихся и изнашивающихся частей;

- экологичность;

- отсутствие рабочих жидкостей и газов;

- бесшумность;

- компактность;

- высокая надежность;

- плавное и точное регулирование холодопроизводительности и температурного режима;

- устойчивость к механическим воздействиям;

- возможность работы в любом пространственном положении;

- легкость перехода из режима охлаждения в режим нагрева.

Основные области применения термоэлектрического теплового насоса:

- промышленная электроника и телекоммуникации;

- термоэлектрические сборки и кондиционеры разного назначения;

- в производстве полупроводниковых интегральных микросхем;

- в лазерной технике;

- в медицинской технике;

- в транспорте.

Применение термоэлектрических тепловых насосов: различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической.