Termoelektryczne urządzenia chłodnicze

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE
Seminarium
Termoelektryczne
urządzenia chłodnicze
Teoretyczne podstawy działania
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem . 2
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
Spis treści
Termoelektryczność .......................................................................................................... 2
Zjawisko Seebecka ............................................................................................................... 3
Zjawisko Peltiera .................................................................................................................. 4
Zjawisko Thomsona ............................................................................................................. 4
Budowa ogniwa Peltiera .................................................................................................. 5
Zasada działania ogniwa Peltiera ................................................................................ 6
Zastosowanie modułów termoelektrycznych ......................................................... 6
Wady i zalety urządzeń chłodniczych z modułami Peltiera .............................. 7
Podsumowanie .................................................................................................................... 7
Bibiliografia .......................................................................................................................... 8
1
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
Termoelektryczne urządzenia
chłodnicze
Teoretyczne podstawy działania
TERMOELEKTRYCZNOŚĆ
Zjawisko termoelektryczności polega na bezpośredniej transformacji różnicy temperatur
między dwoma punktami układu ciał, na napięcie elektryczne i odwrotnie. Powstanie siły
elektromotorycznej, a w konsekwencji przepływ prądu na powierzchni styczności dwóch ciał
(metali lub półprzewodników) jest możliwe dzięki różnicom koncentracji elektronów
swobodnych.
A
+
+
+
+
+
+
-
B
Ry s. 1 . Powstawanie podwójnej warstwy
ładunków w miejscu styczności dwóch metali
na > nb
Zakładając, że mamy dwa różne stykające się ze sobą metale (Rys.1): A i B, a koncentracje ich
elektronów wynoszą odpowiednio: n a i nb . Elektrony swobodne przy powierzchni styczności
mogą w bezładnym ruchu przechodzić do sąsiednich metali. Zakładając, że koncentracja
elektronów w metalu A jest większa niż w metalu B, to więcej elektronów przejdzie z metalu A
do B. W związku z tym przy powierzchni metalu B powstanie nadmiar elektronów (ładunek
ujemny), a w A niedobór (ładunek dodatni). W ten sposób tworzy się przy powierzchni
podwójna warstwa ładunków, która wywołuje różnicę potencjałów mającą charakter siły
elektromotorycznej, a jej wartość jest tym większa, im odległość metali w szeregu potencjałów
termoelementów, a także temperatura w miejscu styku.
Zjawisko termoelektryczności wykorzystuje się do ogrzewania, chłodzenia oraz do pomiaru
temperatury. W zależności od kierunku transformacji zjawiska termoelektrycznego, wyróżnia
się trzy jego rodzaje: zjawisko Seebeck’a, Peltiera i Thomsona.
2
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
Zjawisko Seebecka
Prekursorem termoelektryczności był Thomas Seebeck (Rys. 2), który
w w 1821 roku dokonał odkrycia wkrótce nazwanego od jego nazwiska
–
efektem
Seebecka.
Efekt
Seebecka
jest
to
zjawisko
termoelektryczne, które może wystąpić, gdy spełnione są dwa
warunki:

układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki - jeden z
niedoborem elektronów, a drugi z ich nadmiarem - zwykle w
postaci przewodów połączonych ze sobą przez lutowanie (tzw.
termoelement);

Ry s. 2. Thomas Seebeck
występuje gradient temperatury.
Jeśli więc mamy do czynienia z otwartym obwodem złożonym z dwóch różnych
przewodników w postaci drutów i spoiny, którą będziemy utrzymywać w innej temperaturze
niż wolne końce, to w obwodzie tym powstanie siła elektromotoryczna, a po jego zamknięciu
popłynie prąd (Rys.3).
Ry s. 3. Schemat opisujący zasadę
działania zjawiska Seebecka
Napięcie tego prądu określone jest wzorem:
V= (Sb - SA) ·( T2 – T1),
gdzie SA i SB są to współczynniki charakterystyczne dla wybranych substancji.
3
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
Zjawisko Peltiera
W przypadku urządzeń chłodniczych wykorzystujących zjawisko
termoelektryczności podstawą działania jest efekt dokładnie odwrotny
do efektu Seebecka, a mianowicie efekt Peltiera. W 1834 roku
francuski fizyk Jean Charles Peltier zaobserwował, że po utworzeniu
obwodu z dwóch rodzajów drutów – miedzianego i bizmutowego oraz po podłączeniu ich do źródła energii elektrycznej, jedno ze złącz
nagrzewa się, a drugie ochładza. Po umieszczeniu złącza, które ulegało
ochłodzeniu w izolowanym pojemniku otrzymał bardzo nisko wydajną
lodówkę.
Ry s. 4. J. Ch. Peltier
Ry s. 5. Schemat opisujący zasadę
działania zjawiska Peltiera
Strumień ciepła Peltiera, czyli po prostu ciepło Peltiera wyraża się wzorem:
Q = π · I,
gdzie π to współczynnik Peltiera, a I natężenie prądu.
Zjawisko Thomsona
Efekt Thomsona (Rys. 6) jest trzecim pod względem odkrycia i
ważności zjawiskiem termoelektrycznym, jednak również występuje w
przypadku chłodnictwa termoelektrycznego. Efekt ten mówi, że jeśli
mamy przewodnik lub półprzewodnik w którym występuje gradient
temperatury, to podczas przepływu prądu stałego przez ten element
wydzielana lub pochłaniana jest pewna ilość ciepła.
Ry s. 6. Wiliam Thomson
4
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
BUDOWA OGNIWA PELTIERA
Moduł Peltiera (ogniwo peltiera)(Rys. 7) składa się z dwóch płytek ceramicznych, tworzących
dwie płaszczyzny, które zapewniają sztywność mechaniczną, są doskonałą izolacją elektryczną
i dobrze przewodzą ciepło. Pomiędzy nimi znajdują się półprzewodniki ( p i n) w postaci
„słupków” nazywanych gałęziami termoelementu, które połączone są ze sobą mostkami z
miedzi. „Słupki” pod względem elektrycznym połączone są ze sobą szeregowo, a pod
względem cieplnym – równolegle.
Ry s. 7 . Budowa ogniwa Peltiera
ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PELTIERA
Jeżeli obwód składa się z elementów o jednakowym typie przewodności, występujące w nich
siły termoelektryczne posiadają przeciwne zwroty, natomiast przy różnych typach
5
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
przewodności, siły te się sumują. Z uwagi na to termoelementy tworzy się z użyciem
materiałów o różnych typach przewodnictwa: „p” i „n”.
W strukturze półprzewodnika p brakuje elektronów aby w pełni "obsadzić" górny poziom
energetyczny. Natomiast w półprzewodniku n występuje nadmiar elektronów. W momencie
przepływu prądu (elektrony płyną od półprzewodnika typu p do n) elektrony stają się
ładunkami nadmiarowymi, więc muszą zwiększyć swoją energię kosztem energii cieplnej z
otoczenia. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o
niższym poziomie Fermiego do przewodnika o wyższym. Kiedy prąd płynie w odwrotnym
kierunku elektrony spadają na niższy poziom energetyczny, co powoduje wydzielenie ciepła,
wobec czego jedna ze stron modułu może działać jako chłodnica, a druga nagrzewnica Po
zmianie kierunku przepływu prądu na przeciwny, zjawisko ulega odwróceniu, a ilość
odprowadzonego ciepła zależna jest od natężenia płynącego prądu.
ZASTOSOWANIE MODUŁÓW TERMOELEKTRYCZNYCH
Moduły termoelektryczne znajdują szerokie zastosowanie w:
 przechowywaniu i transporcie tkanek oraz preparatów biologicznych,
 komorach klimatycznych,
 chłodzeniu nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym
m.in. procesorów i kart graficznych komputerów,
 chłodzeniu generatorów wysokiej mocy,
 chłodzeniu diod laserowych,
 termostatach do akwarium i terrarium,
 przenośnych lodówkach,
 komorach do przechowywania win,
 innych procesach i urządzeniach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury.
Ry s. 8. Moduł termoelektryczny
6
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
WADY I ZALETY URZĄDZEŃ CHŁODNICZYCH Z MODUŁAMI
PELTIERA
Zalety
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Wady
brak pły nu roboczego
brak części ruchomych i cicha praca
mniejsza masa i rozmiary przy tej samej
wy dajności chłodniczej
możliwość pracy rewersyjnej
wy soka dokładność utrzy mywania i
regulowania temperatury
brak obsługi
niezawodność
prostota
miniaturyzacja
o
o
o
o
niska efektywność energetyczna w trybie
chłodzenia
ograniczenie zastosowania w zakresie
wy dajności chłodniczych powy żej 1 kW
konieczność wy korzystania przetwornika
prądu zmiennego w prąd stały
wrażliwość na pulsacje napięcia
PODSUMOWANIE
Podsumowując, urządzenia chłodnicze wykorzystujące układy termoelektryczne w
porównaniu do tradycyjnych urządzeń sprężarkowych wykazują przewagę pod kilkoma
względami. Urządzenia sprężarkowe zawierają czynnik chłodzący, który jest szkodliwy dla
środowiska. W urządzeniach termoelektrycznych nie występuje żadne chłodziwo. W dodatku
praca urządzeń termoelektrycznych jest cicha, a w przypadku sprężarkowych generowany jest
dość duży hałas spowodowany pracą silnika sprężarki. Ponadto, silnik sprężarki włączając i
wyłączając się powoduje skokową regulację temperatury, której wahania zawierają się w
szerokim paśmie tolerancji. W urządzeniach termoelektrycznych występuje bardzo płynna
regulacja, a także dzięki bardzo wąskiej tolerancji wahań temperatury – wysoka precyzja.
Dzięki niewielkim rozmiarom modułów termoelektrycznych, możliwe jest uzyskanie urządzeń
o 3 razy mniejszej masie i o 50% mniejszych rozmiarach. Niestety wydajność tych urządzeń
osiąga
wartości
rzędu
30%
wydajności
urządzeń
sprężarkowych,
podczas
gdy
zapotrzebowanie mocy jest większe. Koszty eksploatacyjne obu typów urządzeń są zbliżone,
podobnie jak koszty produkcyjne, jednak jedynie w przypadku masowej produkcji urządzeń
termoelektrycznych.
7
Anna Hutnik
Anna Korpacka
IMM II st., sem. 2
BIBLIOGRAFIA
1.
Filin S. „Termoelektryczne urządzenia chłodnicze”, IPPU Masta, Gdańsk 2002;
2.
Tauc J. „Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne w półprzewodnikach”, wyd. PWN, Poznań
1966;
3.
Ulrich H.J. „Technika Klimaty zacyjna”;
4.
Zalewski W. „Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcy jne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne i
obliczeniowe”, wyd. IPPU MASTA 2001 ;
5.
Zalewski W. „Podstawy teoretyczne i przy kłady zastosowań. Pompy ciepła” Wy dawnictwo
Politechniki Krakowskiej, Kraków 1 998;
6.
http://www.wikipedia.pl;
7.
http://www.ac4u-klimaty zacja.pl;
8.
http://www.peltier.pl;
9.
http://www.eres.alpha.pl.
8