Как устроены и работают термоэлектрические холодильники, их достоинства и недостатки

Термоэлектрический холодильник — охлаждающий прибор, работающий на принципе поглощения тепла в контакте разнородных материалов при прохождении через него тока определенного направления.

Термоэлектрическое охлаждение — понижение (повышение) температур в электрической цепи на основе эффекта Пельтье.

Достоинства термоэлектрических холодильников:

• простота конструкции;

• бесшумность работы;

• отсутствие движущихся частей и изнашивающихся деталей;

• отсутствие хладоагентов;

• отстувие веществ, вызывающих коррозию;

• практически неограниченный срок службы;

• невысокая стоимость при массовом производстве;

• экологическая безопасность;

• высокая экономичность;

• небольшие вес и габариты.

Недостаток термоэлектрических холодильников: необходимость непрерывного электропитания (отключение его приводит к быстрому повышению температуры в рабочем объеме).

При приложении постоянной разности потенциалов к цепи, состоящей из двух проводников, имеющих разную зонную структуру, в местах контактов выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла, как следствие перехода носителей заряда из одного проводника в другой, при этом они теряют часть энергии, преодолевая энергетический барьер (происходит охлаждение), либо приносят с собой добавочную потенциальную энергию (переходящую в кинетическую), «скатываясь» с барьера (происходит нагревание).

Термоэлектрическое охлаждение осуществляется с применением полупроводниковых термоэлементов. При непрерывном рассеянии тепла с горячих спаев термоэлементов на холодных их спаях будет стационарно поддерживаться пониженная температура.

С увеличением силы тока температура снижается до тех пор, пока не наступает динамическое равновесие поглощенного тепла Пельтье с потоком тепла, поступающего с горячих спаев вследствие теплопроводности веществ и за счет части тепла, выделяющегося на холодном спае.

Модуль Пельтье для холодильника

Контактирующая пара для достижения наибольшего эффекта охлаждения изготавливается из полупроводников, обладающих разными знаками коэффициентов термоэдс и имеющих максимальную термоэлектрическую эффективность в рабочем интервале температур.

Виды и технические характеристики термоэлементов: Разновидности модулей Пельтье

Полупроводниковый термоэлемент — устройство, непосредственно преобразующее тепловую энергию в электрическую или осуществляющее охлаждение (нагревание). В первом случае разность температур, возникающая на спаях ветвей термоэлемента при пропускании через него теплового потока, вызывает появление в цепи термоэдс, в результате чего на внешней нагрузке выделяется полезная электрическая мощность. Во втором случае электроны и дырки, движущиеся в ветвях термоэлемента под действием приложенной постоянной разности потенциалов, переносят теплоту с одного спая на другой, вызывая, соответственно, охлаждение одного и нагрев другого спая.

Термоэлементы для термоэлектрических холодильников путем последовательного соединения объединяются в термобатарею в виде плоской плиты (при использовании полупроводников в форме прямоугольных параллелепипедов) или цилиндра (при применении полупроводниковых шайб), при этом горячие и холодные спаи оказываются разнесенными в разные стороны.

Радиаторами батареи, забирающими и отдающими тепло, служат пластины (медные, алюминиевые), которыми коммутируются термоэлементы. В других случаях применяются специльные металлические радиаторы, изолированные от термобатареи (термоблока) слюдяными пластинками, покрытыми смесью алюминиевой пудры с силиконовым лаком.

Подлежащий охлаждению предмет иногда припаивается или приклеивается непосредственно на холодный радиатор батареи.

В иных случаях для размещения объекта изготавливается термоизолированная камера в виде двух, вставленных друг в друга, металлических кожухов (из меди, алюминия), пространство между которыми заполняется теплоизоляционным материалом (обычно пенопластом). Для отбора тепла из рабочего объема холодный радиатор соединяется с внутренним кожухом.

Повышение мощности термоэлементов ограничено вредным влиянием переходных сопротивлений, а также резким возрастанием теплового напора на их спаях. Поэтому важное значение в проблеме использования термоэлементов в холодильных установках имеют вопросы рассеивания выделяемого ими тепла.

Отвод «откачанного» из объема и выделенного на батарее тепла от горячих спаев осуществляется путем естественного теплообмена с воздухом (для повышения эффективности радиатор изготавливают ребристым) или испарением циркулирующей воды.

В стационарных термоэлектрических холодильниках предпочтение отдается охлаждению проточной водой. Для отвода тепла может быть использована вторая термоэлектрическая батарея (таким каскадированием достигается более глубокое общее термоэлектрическое охлаждение).

Холодильные термоэлементы (и термобатареи) могут работать либо в режиме максимальной холодопроизводительности (основная задача — охлаждение, количество потребляемой электроэнергии не играет роли) или максимального холодильного коэффициента (т. е. наивыгоднейшего для данной разности температур соотношения между холодопроизводительностью и потребляемой электрической мощностью).

Холодопроизводительность (при заданной разности температур) прямо пропорциональна потребляемой термоэлементом или батареей термоэлементов электрической мощности.

Электрический комплект термоэлектрической системы охлаждения BH Peltier Semiconductor - BHCYD821D0809

Для питания термоэлектрических холодильников используют сильноточные источники небольшого постоянного напряжения. Меняя величину тока через термоэлектрический холодильник, можно легко регулировать температуру на рабочих спаях термобатареи. Изменением направления тока термобатарея превращается в нагреватель. Эти возможности позволили создать полупроводниковые термостаты.

Первые термоэлектрические холодильники были разработаны в 1950-х годах XX века. Они были созданы для использования в астрономии, ядерной физике, электронике, вакуумной технике, метрологии, медицине и во многих других областях науки, техники, сельского хозяйства и быта.

Термоэлектрические холодильники обладают существенными преимуществами перед другими методами охлаждения. Охлаждение криостатными смесями, обдувом охлажденным воздухом, твердой углекислотой и т. п. технически и эксплуатационно трудно и неудобно, охлаждение водой не всегда достаточно, применение жидкого азота, дросселирование жидкой углекислоты затрудняют контроль температуры и автоматизацию.

В науке и технике, где часто необходимо охлаждение малых объемов (до нескольких литров), способ термоэлектрического охлаждения (нагревания) во многих случаях оказывается единственно пригодным.

Так, например, для определения типа проводимости образца полупроводника по знаку коэффициента термоэдс используется термозонд, на острие которого через две минуты после включения тока (20 А, 1,4 Вт) устанавливается температура -17°С. А при помощи термоэлектрических микротомов достигается охлаждение до -20° С, что позволяет получать срезы мозговой ткани толщиной 4 - 6 микрон.

Используя обратимость эффекта Пельтье, осуществляют термостабилизацию (изменение полярности приложенного напряжения превращает холодный спай в горячий) при температуре, более низкой, чем окружающая.

Термоэлектрический модуль для 40-литрового настольного холодильника LG Objet (размер 55 x 55 x 4,5 мм). Режим охлаждения без обычного компрессора и хладагента. Холодильник LG Objet может снизить температуру охлаждения до 3°C, в то время как в традиционных небольших холодильниках температура ограничена до 8°C. Температуру можно контролировать с точностью до градуса, что обеспечивает лучшую сохранность продуктов.

В последнее десятилетие стали очень популярны различные переносные устройства (автохолодильники, сумки-холодильники, термобоксы), работающие с помощью термоэлектрического охлаждения. Для использования в автотранспорте и в качестве различных переносных устройств термоэлектрические холодильники наиболее экономичны, а иногда и незаменимы.

В будущем такой способ охлаждения будет широко использоваться в системах кондиционирования воздуха в помещениях, в мощных холодильных машинах, рефрежираторах и т. п. 

Переносной термоэлектрический холодильник MOBICOOL Q40 на 40 литров. Он может быть подключен к электрической сети, а также в гнездо прикуривателя автомобиля.

В отличие от термоэлектрического холодильника термоэлектрический генератор — устройство для непосредственного (безмашинного) преобразования тепловой энергии в электрическую.

При прохождении теплового потока через через термоэлемент на нем возникает разность температур, что ведет к появлению термоэдс в ветвях термогенератора, а при замыкании на внешнюю нагрузку — к выделению на ней полезной электрической мощности.

Источниками тепла могут служить специально сжигаемое топливо или тепловые отходы газов, использованных в двигателях, тепловое излучение реакторов, доменных печей, теплоцентралей и др.

Подробнее про термогенераторы и особенности их использования смотрите здесь:

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите

Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов GMZ Energy

Андрей Повный