Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.

[holodilshik.livejournal.com]

Оригинал взят у holodilshik в Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.

Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.

Ролик 1

Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.

Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.

Батарея Пельтье


Источник: http://podberi-holodilnik.ru/aimg/content/c90791135f6df6227ac4e26cd52e7fd9e7d55e76.gif

Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.

Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.

НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Также холодильники на основе эффекта Пельтье применяются в космосе. Более подробно можно почитать в статье Космические холодильники.

Comments

[holodilshik.livejournal.com]

Вы не правы. Развитие техники и инженерной мысли идет постоянно. И изобретения, которые вчера казались неприменимыми - завтра могут быть широко применены.
Вдобавок всегда есть ограничения применения определенных технологий. Те же элементы Пельтье несмотря на низкий КПД и прочие минусы используются в технике, пусть не широко, но все же. И ни я ни вы на данный момент не можем как повернется развитие того же материаловедения в период 10 лет. Новые материалы могут сделать качественный рывок в развитие тех же элементов Пельтье. И придет и окупаемость и эффективность.
А может и не придет, придумают что-то новое. Но это не значит, что не нужно эти явления изучать и пытаться найти им практическое применение.

[ed-jan-lt.livejournal.com]

Я не прав в чём? В том что надо выбирать устройства не с худшим КПД, а с лучшим?
Есть надежда, что с годами человечество отупеет настолько, что начнёт вместо лучших решений применять худшие?! )))
А может, как иногда бывает, гранты будет распределять человек не сильно разбирающийся в вопросе, ему можно будет надевать лапши на уши и убедить что эта идея - лучше всех?

Компрессорная система охлаждения работает на законе сохранения энергии. Теоретически можно добиться КПД близкого к бесконечности. (Строго говоря этот показатель нельзя называть КПД, скорее - коэффициент эффективности равный соотношению затрат энергии к полученной пользе). Если систему довести почти до идеала, тогда почти за бесплатно будет создаваться разница температур и тепловая энергия будет переносится от тела хладагенту, а от хладагента - в окружающее пространство. Затраты энергии здесь используются только на преодоление трения в системе циркуляции и сжатия\разряжения хладагента и трение\нагрев в самом электродвигателе компрессора. Если трение стремится к нулю, КПД - стремится к бесконечности. На современных кондиках он уже сейчас составляет порядка 400-500%.

В эффекте Пельтье наоборот - непосредственно электрическая энергия преобразуется в тепловую. Т.е. коэффициент эффективности больше 1 быть не может. К тому-же половина этой энергии расходуется на нагрев, т.е составляет чистые потери. Т.е. даже теоретически, КПД это устройства не может быть выше 50%.
Вы и правду верите, что когда то в будущем, когда удастся создать идеальное устройство Пельтье и его коэффициент эффективности будет почти 50%, оно заменит компрессоры у которых уже сегодня коэффициент больше 500% ??

[fecal-hero.livejournal.com]

посмотрите на кельвинаторы.
как думаете, почему их делают на элементах пельте?

сколько вы получите "минуса" традиционной установкой на фреоне?

для каждой задачи, свое решение: охлаждать дом - компрессор.
охлаждать пробирку (и держать заданное значение) - эл. Пельте.

Хорошо, а вот вам еще пример, РИТЭГ. Не дураки же его делали.

[ed-jan-lt.livejournal.com]

Причём тут кельвинаторы и прочие микроскопические приспособления лабораторного типа?!
Автор бредит идеей создания холодильных машин на эффекте Пельтье.
Цитирую:
"Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей)... "

[fecal-hero.livejournal.com]

А, я думал разговор о технологии в целом, извиняюсь.

безусловно, элемент Пельте как холодильная машина неэффективен.

[holodilshik.livejournal.com]

Вы думали правильно. Не обращайте внимания. Товарища не в ту сторону увело.
Разговор в целом о интересном эффекте, его описании и возможном применении.

[holodilshik.livejournal.com]

Извиняюсь, не было доступа к компьютеру вчера. Не мог ответить, а с телефона не удобно.
Давайте по порядку:
1) Решения бывают разные и не всегда КПД является определяющим в принятиии того или иного технического решения. Кроме этого влияют еще куча факторов: стоимость, габариты, возможность управления, долговечность и еще уйма. Элементы Пельтье даже несмотря на низкий COP находят свое применение, пусть и не широкое. Но это не значит, что они не нужны. Вам ниже привел человек пример.

2) по поводу фреоновых холодильных машин. У них тоже есть огромная куча минусов. И я, как человек, имеющий с ними дело каждый день не могу назвать эти системы верхом технического развития.
По поводу КПД холодильных установок. Здесь имеет место распространенное заблуждение. Холодильная машина нe преобразует энергию, поэтому говорить о ее КПД просто безграмотно. Оперируют понятием COP - холодильный коэффициент (это отношение холодопроизводительности к затраченной электроэнергии). Он нужен всего навсего, чтобы оценить ЭФФЕКТИВНОСТЬ работы холодильной машины. ВСЕ!
Вы просто немного недопонимаете. Холодильная машина это просто проводник, как насос для воды, только насос гонит воду, а холодильная машина "прогоняет" через себя тепло. Она отбирает тепло из охлаждаемого объема и за счет фазовых переходов сбрасывает его в окружающую среду.
Одна и таже установка на разных режимах работы - разные температуры кипения/конденсации дает разный COP. Одна и таже машина! как тут можно оценить КПД? Мы одни и теже ХМ можем сравнить только на одном режиме на одинаковом фреоне. Холодильная машина для получения холода просто ест энергию из сети, она ее никак не преобразует по идее.
Разберитесь в основах холодильной технике. Там не все так очевидно как кажется.

Я здесь вообще не писал, про замену парокомпрессорных машин на термоэлектрические машины. Просто в некоторых задачах их применение более оправданно.

[ed-jan-lt.livejournal.com]

Т.е. вы бы выбрали установку, которая жрёт больше чем любая аналогичная модель, выдаёт - одни слёзы, стоит как космический корабль, но зато - ни у кого такой нет??
До свидания. Говорить с вами не о чем.

[holodilshik.livejournal.com]

Я вам все кажется объяснил. То что вы не понимаете фундаментальных понятий кпд и холодильный коэффициент - это уже понятно.
Повторяю Вам: я не утверждал, что эффект Пельтье самый эффективный способ получения холода. Я показал ролик и объяснил почему так. Людям интересно. Все.
До свидания.

[holodilshik.livejournal.com]

Да и с Новым годом.) )
Предлагаю прекратить наш спор.
Больше положительных эмоций в Новом году.