Urządzenia termoelektryczne

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE
SEMINARIUM
Termoelektryczne urządzenia chłodnicze
Teoretyczne podstawy działania
Anna Krzesińska
I M-M sem. 2
1
Spis treści
Termoelektryczność......................................................................................................3
Efekt Seebecka.............................................................................................................4
Efekt Peltiera.................................................................................................................5
Ogniwo Peltiera.........................................................................................................5
Efekt Thomsona............................................................................................................6
Zastosowanie modułów termoelektrycznych.................................................................6
Podsumowanie..............................................................................................................6
Bibliografia.....................................................................................................................8
2
Termoelektryczność
Zjawisko termoelektryczne to efekt bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego,
występującego między dwoma punktami, lub odwrotnie - czyli transformacja różnicy
temperatur na napięcie elektryczne.
Jest ono wykorzystywane do ogrzewania, chłodzenia, pomiaru temperatury.
Bardzo łatwo jest sterować napięciem elektrycznym i można je dokładnie rejestrować,
dlatego też urządzenia wykorzystujące zjawisko termoelektryczne pozwalają na precyzyjną
kontrolę temperatury i automatyzację procesów chłodzenia i ogrzewania.
Termoelektryczność
jest
znana
od
dawna.
Dzięki
lepszemu
poznaniu
własności
chemicznych wielu materiałów oraz rozwojowi technologicznemu może być ona w pełni
wykorzystywana.
Zjawisko termoelektryczne może wystąpić wówczas, gdy mamy dwa różne materiały - jeden
z niedoborem elektronów, drugi z ich nadmiarem. Ponadto oba materiały mają różne
temperatury (występuje gradient temperatur). Następuje wówczas przepływ elektronów,
co generuje prąd o niewielkim natężeniu.
Zjawisko termoelektryczne zachodzi w tzw. termoelementach (termoparach).
Termopara (rys. 1.) to element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych metali,
zwykle w postaci przewodów spojonych na dwóch końcach. Wykorzystywane są jako czujnik
temperatury. Jedno złącze termopary umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy
drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatur
między miejscami złączy powstaje różnica potencjałów i płynie prąd.
Rys. 1. Schemat termoelementu.
W zależności od kierunku transformacji zjawiska termoelektrycznego wyróżnia się trzy jego
rodzaje: zjawisko Seebecka, zjawisko Peltiera, zjawisko Thomsona.
3
Efekt Seebecka
W 1821 roku fizyk Thomas Johann Seebeck, odkrył zjawisko termoelektryczne, nazwane
później jego nazwiskiem. Występuje przy spełnieniu dwóch warunków:
•
Układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki (jeden z niedoborem elektronów,
drugi z ich nadmiarem), zwykle połączone ze sobą przewody,
•
Występuje gradient temperatury.
Efekt Seebecka polega na tym, że w obwodzie składającym się z dwóch różnych metali
pojawia się różnica potencjałów między złączami, jeżeli oba złącza pozostają w różnych
temperaturach. Stanowi on podstawę działania termopary.
W warunkach idealnych wielkość powstającego napięcia (V) jest wprost proporcjonalna
do różnicy temperatur (T1, T2) między złączami, oraz do różnicy współczynnika Seebecka
(SA, SB) (współczynnik termoelektryczny, charakterystyczny dla danego materiału) pomiędzy
materiałami wykonania styków.
Rys. 2. Schemat termopary.
V - napięcie elektryczne powstające między złączami
SA, SB - współczynniki termoelektryczne
T1, T2 - temperatury złącz
4
Efekt Peltiera
W 1834 roku francuski fizyk Jean Charles Athanase Peltier odkrył zjawisko termoelektryczne
odwrotne do efektu Seebecka, mianowicie:
pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze wydzielana lub pochłaniana jest
energia. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania na drugim powstaje
różnica temperatur. Możliwe jest odwrócenie temperatur złącz poprzez zmianę kierunku
przepływu prądu.
Właściwość
odkryta
termoelektrycznych,
przez
tzw.
Peltiera
Ogniw
umożliwiła
Peltiera,
szeroko
na
przygotowanie
stosowanych
w
modułów
chłodnictwie
przemysłowym oraz laboratoryjnym, szczególnie tam, gdzie wymagana jest wysoka czułość.
Poniżej przedstawiono wzór na strumień ciepła, (tzw. ciepło Peltiera) jaki uzyskuje się
w modułach wykorzystujących to zjawisko.
πAB - współczynnik Peltiera
I - natężenie prądu
Ogniwo Peltiera
Ogniwo Peltiera to półprzewodnikowy element termoelektryczny wykorzystujący zjawisko
Peltiera do przekazywania ciepła. Jest ono złożone z dwóch równolegle osadzonych płytek
ceramicznych, pomiędzy płaszczyznami których znajdują się naprzemiennie ułożone
półprzewodniki typu „n” oraz typu „p”. Półprzewodniki połączone są ze sobą blaszkami
miedzianymi szeregowo pod względem elektrycznym.
Rys. 3. Ogniwo Peltiera (schemat i model).
Półprzewodniki typu „p” wykazują w swojej strukturze brak elementów do całkowitego
obsadzenia górnego poziomu energetycznego, natomiast półprzewodniki typu „n” posiadają
zbyt wiele elektronów na tym poziomie energetycznym.
5
Gdy przepływa prąd, elektrony przemieszczają się, co w jednym przypadku wymaga
dostarczenia energii, a w drugim jej wydzielenia.
Moduły można ze sobą łączyć, co pozwala na uzyskanie większej wydajności.
Efekt Thomsona
W 1856 roku William Thomson, brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk oraz
przyrodnik, odkrył zjawisko termoelektryczne.
Efekt Thomsona polega na tym, że jeśli mamy jednorodny przewodnik lub półprzewodnik,
w którym występuje gradient temperatury, to podczas przepływu prądu stałego przez ten
element wydzielana lub pochłaniana jest pewna ilość ciepła, zwana Ciepłem Thopmsona.
Dla materiałów o mieszanym typie przewodności wykorzystywanych w termoelementach,
efekt Thomsona jest tak niewielki, że można go nie uwzględniać w obliczeniach.
Zastosowanie modułów termoelektrycznych
Moduły termoelektryczne są stosowane do procesów i urządzeńwymagających precyzyjnej
regulacji temperatury. Ponadto używa się ich do:
•
przechowywania i transportu tkanek oraz preparatów biologicznych,
•
budowy komór klimatycznych,
•
chłodzenia generatorów wysokiej mocy,
•
termostatów do akwarium i terrarium,
•
chłodzenia nagrzewających się elementów elektronicznych, procesorów, kart
graficznych,
•
budowy przenośnych lodówek,
•
budowy komór do przechowywania win.
Podsumowanie
Urządzenia
chłodnicze
wykorzystujące
układy
termoelektryczne
w
porównaniu
do tradycyjnych urządzeń wykazują przewagę pod kilkoma względami. Posiadają wiele zalet:
•
brak płynu roboczego (czynnika chłodniczego), oleju smarnego - czysta praca,
•
brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem,
•
brak części ruchomych - cicha praca,
•
mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej,
6
•
możliwość zasilania prądem stałym i zmiennym (za pośrednictwem przetwornika),
•
możliwość pracy rewersyjnej przez zmianę biegunowości prądu,
•
wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury,
•
brak bezwładności (rozpoczęcie chłodzenia bezpośrednio po włączeniu zasilania),
•
niska wrażliwość na wstrząsy i drgania,
•
możliwość pracy w dowolnej orientacji w przestrzeni, w różnych warunkach (w próżni,
przy wysokim ciśnieniu),
•
nie wymaga obsługi podczas pracy,
•
wysoka niezawodność,
•
prosta konstrukcja, możliwość dopasowania kształtu agregatu termoelektrycznego do
formy chłodzonego obiektu,
•
miniaturyzacja (moduły rozmiarów <1 mm),
•
wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych.
Są również pewne wady, które ograniczają zastosowanie modułów termoelektrycznych:
•
niska efektywność w trybie chłodzenia,
•
wrażliwość na pulsacje napięcia,
•
ograniczenie zastosowania przy wydajnościach chłodniczych powyżej 1 kW.
Rozwiązania wykorzystujące termoelektryczność w niedługiej przyszłości staną się poważną
alternatywą dla standardowych urządzeń klimatyzacyjnych.
7
Bibliografia
•
Filin S. „Termoelektryczne urządzenia chłodnicze”, IPPU MASTA, Gdańsk 2002;
•
Tauc J. „Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne i termoelektryczne w
półprzewodnikach”, wyd. PWN, Poznań 1966;
•
http://pl.wikipedia.org;
•
http://www.matint.pl;
•
http://www.ac4u-klimatyzacja.pl;
•
http://www.energosilesia.pl;
•
www.peltier.pl.
8