КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Лекция № 25
Сириус ярко- зеленый ФФГЛ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ТЕРМОМАГНИТНЫЕ И МАГНИТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛА
10-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЙ
Термоэлектрический и термомагнитный методы трансформации тепла разработаны сравнительно недавно (в 50—60 годах) в связи с развитием теории полупроводников и внедрением их в технику. Термоэлектрический метод основан на использовании эффекта Пельтье. Сущность этого эффекта состоит в том, что при пропускании постоянного тока через цепь, составленную из двух разнородных металлов или полупроводников, на одном из спаев тепло выделяется, а на другом - поглощается. Термомагнитный метод основан на применении эффекта Эттингсхаузена. Он проявляется в том, что при пропускании постоянного! тока через полупроводник, находящийся в магнитном поле, в материал®' полупроводника возникает градиент температур, перпендикулярный; направлению поля и электрического тока. Оба эти метода трансформации тепла принципиально отличаются' от всех описанных в предыдущих главах тем, что при их использовании! электрическая энергия непосредственно создает тепловой поток от нижнего температурного уровня к верхнему без применения какого-либо движущегося жидкого или газообразного рабочего тела. Поэтому термоэлектрические и термомагнитные термотрансформаторы не нуждаются в обслуживании и ремонте и могут работать практически неограниченное время. В области сверхнизких температур для трансформации тепла используется метод адиабатного размагничивания парамагнитных солей, основанный на охлаждении этих солей при адиабатном размагничивании. При использовании этого процесса термодинамические характеристики твердого рабочего тела (парамагнитной соли) периодически меняются во времени, но механического перемещения материала не происходит.
10-2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕРМОМАГНИТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛА
Собственные полупроводники К,ак известно, вокруг ядра атома любого вещества расположена система электронных оболочек с соответствующими энергетическими уровнями, на которых может разместиться строго определенное число электронов. Совокупность этих уровней образует энергетический спектр электрона в атоме, состоящий из серий линий, разделенных запретными промежутками, в которых электрон находиться не может. В твердом теле атомы расположены настолько близко, что их внешние электродные оболочки не только соприкасаются, но могут и проникать одна в другую. Электрон, находящийся на внешних валентных оболочках, может без затраты энергии переходить на соответствующий уровень соседнего атома. Электрон может перемещаться в теле, так как образуются коллективные орбиты, а одинаковые энергетические уровни объединяются в общий уровень для всего тела, При этом строго определенное значение энергии, соответствующее данному уровню в изолированном атоме, заменяется целым интервалом энергий — энергетический уровень расщепляется в зону, заключающую столько уровней, сколько атомов имеется в теле. Схема такого расщепления принципиально показала на рис. 10-1; при уменьшении расстояния d между атомами уровни, показанные горизонтальными линиями, переходят, в зонь^ выделенные штриховкой. Величины энергий, допустимых в каждой зоне, показаны для расстояния do отрезками на оси энергий. Так как число атомов в макроскопическом образце вещества очень велико, то число уровней в каждой разрешенной зоне такого, что практически ее Можно считать сплошной. Промежутки между зонами Де имеют ширину того же порядка, что и зоны. При переходе от единичных атомов к твердому телу общее число электронов, могущих разместиться в данной зоне, остается для того же количества атомов тем же, что и для соответствующих уровней изолированных атомов '. Так, если для изолированного атома число электронов, могущих разместиться на данной оболочке, было g, а число атомов в твердом теле N, то каждая зона будет состоять из gN/2 уровней. На каждом уровне в соответствии с принципом Паули (в данной системе не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии) могут находиться только два электрона, вращающихся в противоположных направлениях (энергия которых одинакова, поскольку энергетический уровень один, но спины противоположны). Следовательно, число электронов, которые могут разместиться в данной зоне, равно Ng. 1 Так как общий заряд электронов должен быть равен положительному заряду ядер.
Рис. 10-1. Образование энергетических зон в твердом теле из атомных энергетических уровней. е — энергия; d — расстояние между атомами.
10-3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛА
Теория и расчет полупроводниковых термоэлементов
Рассмотрим электрическую цепь, составленную из двух различных электропроводных материалов А и В (рис. 10-4). Выше было показано, что энергия валентных электронов, определенная для каждого проводящего твердого тела, меняется в зависимости от температуры. Если в данном материале существует градиент температур ДТ~ТГ—Гх, то электроны на его горячем конце приобретают более высокую энергию, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца с температурой Tv>T-s. к холодному с температурой Тх, продолжающийся до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не уравновесит движущую силу, связанную с разностью температур АТ. Установится равновесие, при котором на холодном конце накопится некоторый отрицательный заряд, а на теплом —положительный, соответствующее не' которой э. д. с. Если составить, как показано на рис. JQ-4,а, цепь из двух проводящих стержней, сделанных из одного и того же материала А, ^ то в цепи не возникнет ток, так как термо-э. д. с. обоих стержней А равны и противоположны по направлению. Если же второй стержень изготовлен из другого материала В (рис. 10-4,6) | то в цепи возникнет электрический ток благодаря тому, что термо-э. д. с. обоих стержней различны. Это явление, на котором оснозана работа измерительных термопар, открыто Зеебеком в 182} г. Электродвижущая сила Е термопары определяется по формуле I: <zu)(fr-Tx)t в, (10-1) где аа и аЕ —коэффициенты термо-э. д. с. данных материалов А и В, е/град. У веществ с вырожденными электронами (металлов) энергия носителей тока, как было показано выше, мало зависит от температуры. Величины а у них невелики. Разница в значениях и ав также невелика, так как она определяется в местах спая тем, что энергия электронов, связанная с тепловым движением, у разных металлов при данной Т может только немного различаться. У полупроводников, напротив, э. д. с., получаемая за счет эффекта Зеебека, может быть очень значительна; на этом основана работа термоэлементов, генерирующих электроэнергию за счет тепла. В дырочных полупроводниках (р-тип) возникновение термо-э. д. с. аналогично описанному, но разница состоит в том, что на холодном конце скапливаются положительно заряженные дырки, а на горячем соответствующий отрицательный заряд. На рис. 10-4,6 в этом случае в стержне В знаки электрических зарядов изменятся на обратные и э. д. с. термопары-в соответствии с формулой (10-1) возрастет, так как абсолютные величины iaa и ав будут не вычитаться, а складываться. Поэтому в термоэлементах всегда применяются пары, составленные из разных— дырочных и электронных полупроводников (p-типа и д-типа). Вещества со смешанной проводимостью не используются в термоэлементах, так как в них на холодном конце стержней одновременно кон центрируются и электроны и дырки, заряды которых ™ друга. Рис. 10-4. Схема, иллюстрирующая эффект Зеебека. а — одинаковые проводящие стержни; б — разные проЕодящие стержни; / — теплоприемккк с температурой 7&; 2 — теплоотдатчик с температурой Т ■ 3 — электроизмерительный прибор.
В результате термо-э. д. с. или не возникает cnR HCHpy,OT«PVr центрации и подвижности обоих видов носителейтока пТ' (ГГДа Ж- очень мала. леи тока равны), Или 0на В 1834 г. французский часовщик Пельтье откоыл положныи явлению Зеебека: при пропускании токаJenS?”1' Пр°Тив0' шую из различных проводящих материалов, между места ’ СОстоя- возникает разность -»•* К0Нтакта температуп другой один спай нагревается охлаждается. Есчи спай использовать для „°ТДНЬ'Й тепла от какого-либо'объекта'Т низкой TPvinon'iT— ииье»<тапри ДЛЯ W'Sr^aa^S
Рис. 10-5. Эффект Пельтье в парах полупроводников при различных направлениях тока. о — Т,>Т,; б—Т2<Т,.
ла, работающий непосредственно п СЧ6Т *?лектРического ток" Однако эффект Пельтье (так S как и эффект Зеебека) в мета? лах очень невелик. Выделение или поглощение тепла на контак те двух металлов связано только с тем, что энергия теплового движения электронов несколько различается у разных металлов По- „,л этому энергия электронов участ вующих в токе при переходе из одного металла в другой, должна либо несколько возрасти (что приводит к поглощению тепла), либо умень шиться (что дает выделение тепла). По этой причине до появления полупроводников эффект Пельтье не находил практического применения, несмотря на то что идея его использования для охлаждения бьна известна и экспериментально проверена *. В полупроводниках эффект Пельтье во много раз сильнее и проявляется в наибольшей степени в парах из разнородных проводников — я-типа и /7-типа. Если ток в цепи направлен так, что электроны и дырки движутся к месту спая стержней (рис. 10-5,а), то электрон, перейдя из в о, попадает в свободное место — дырку. При этом исчезают и электрон и дырка. В тепло переходят три вида энергии: 1) затраченная 'В «-полупроводнике на заброс электрона с донор- ного уровня в зону проводимости; 2)^ затраченная в р-полупроводнике на заброс электрона на акцепторный уровень из валентной зоны; 3) энергия теплового движения электрона и дырки. Если направление тока противоположно (рис. 10-5,6), процесс идет в обратном направлении—в месте спая при температуре Т’г поглощается тепло Q2, необходимое для образования пары электрон — дырка. Тепловой поток Q, поглощаемый или выделяемый в данном спае, определяется уравнением (Ю-2) Q=nl, вт, где л коэффициент Пельтье, в\ > — сила тока, а. Коэффициенты Пельтье и термо-э. д. с. связаны соотношением я=(аа—ав)7\ 5, где Т температура спая. гг,„ ' ^кадемик Ленц еще в 1838 г. в Петербурге заморозил воду, используя TfP»°* ■тару из висмута и сурьмы. ' (10-3) В термоэлементах, служащих как для генерации тока, так и для трансформации тепла, наблюдается еще один эффект, предсказанный на базе термодинамических соображений Томсоном и обнаруженный Леру в 1867 г. Этот эффект Томсона заключается в том, что при протекании тока по материалу,,в котором существует разность температур (Тг—Гх), выделяется в единицу времени или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла QT: QT=T(rr—Гх)/, вт, (104) где т — коэффициент Томсона, связанный с термо-э. д. с. а данного вещества соотношением, * z=T~, в/град. (10-5) Эффект Томсона не имеет отношения к неизбежным выделениям тепла Джоуля при.протекании тока через 'вещество с сопротивлением, отличным от нуля. Он возникает в результате.перехода электронов при течении тока -в зоны с другой температурой. Если электрон переходит в зону с более высокой температурой, то он пополняет свою энергию за счет окружающих атомов; происходит поглощение тепла. При переходе из более горячей в более холодную зону электроны отдают часть энергии, что приводит к выделению тепла. Наконец, при анализе работы термоэлементов необходимо учитывать перенос энергии от теплых спаев к холодным вследствие теплопроводности-материала. Для определения характеристик термоэлемента примем в первом приближении, что коэффициент термо-э. д. с. «не зависит от температуры и, следовательно, коэффициент Томсона т = 0. Тогда в стационарных условиях тепловой поток Q, подводимый по ветвям термоэлемента и извне к холодному спаю, будет состоять из трех частей. 1) Тепло, поступающее вследствие теплопроводности, <3тя~2£(2||—Тщ =:(ki +^2) (2"г—Тх), (10-6) где k\ и k2 — коэффициенты, учитывающие теплопроводность каждой ветви термоэлемента, вт/град,. !■ — коэффициент теплопроводности материала ветви,, втщ ■ град; S — сечение ветви, м2; I — длина ветви, м. 2) Половина тепла Джоуля, выделяющегося в ветвях термоэлемента (считая, что другая половина отводится на теплый спай), Qflж==втп; (10-7) где R1 и R2 — электрические сопротивления каждой ветви, ом, D 1 R = ом; Р — удельное сопротивление материала ветви, ом-м. 3) Тепло Qo, подводимое извне от охлаждаемого объекта. Все эти три величины должны в стационарных условиях компенсироваться отводом тепла за счет эффекта Пельтье, равного л/. Следовательго, уравнение теплового баланса для холодного с • термоэлемента будет иметь вид: Пая или д/ = Qo + 0,5 /2(/?i + /?2) 4- (&t + Аг) (Тт—Гх), вт\ дТ = ТГ — 0,5/2 (fa + fa) — Qo ^1 ^2 Qo= л/—0.5/2(/?| + /?г) — (&i +/гг) (7V—Гх), вт. (Ю-8а) ПО-86) Разность температур АТ=ТГ—Тх при прочих равных условиях возрастает по мере уменьшения величины Q0 и достигает максимального значения при Q0 = 0. В этом случае термоэлемент работает сам на себя без полезной холодопроизводительности. Величина ДГмакс. достигаемая в этих условиях, когда Qo = 0, служит одной из характеристик охлаждающего термоэлемента. Чтобы найти холодильный коэффициент, вычислим затрату мощности W на работу термоэлемента. Ока состоит из двух частей — затрачиваемой на джоулево тепло Wдж и на преодоление термо-э. д. с. WT: WT = Ef = (аа—ав) (Гг-Г,)/= (аа—ав) Д77, где АТ = ТГ—Т%. Суммируя, получаем: W=[I(Ri+R2) + {a&-an)AT\'I. (10-9) Определив Q0 из формулы (10-86) и заменив я его значением из ПО-3), получим выражение для холодильного коэффициента: (аа — а в)TZI — 0i5/5 (Ri + Rj)—(&» k2) &T /[/(/?, + /?*)+(*■.—**)&] (10-10) Обозначив разность (aa—ав) через а, (R1+1R2) через R, (fcj+fca) через k, заменив Тх на Т0 и ЛТ=Т0шС—Т'о, получим: а/7"о — 0,5l2R—k (Т0.е —Т«)* _____________________________________________________________ (Ю-11) е— № + а(Го.'-То)1 Разделим числитель и знаменатель выражения (10-11) на / а заменим /Я на Vp, получим: оГо — 0) 5Vp — /г/? (Г0.с ■ Т.)у- 1Р Vp -(- о (7*о.с — 7-,) (10-12) Из выражения (10-12) видно, что чем меньше ве™”а ^’чения больше е. Чтобы найти минимум этой величины, выраз! ль теплопроводности k и сопротивления /? термоэлементм Р ^ и ге0- ные значения для каждого из стержней ветвей р ■ • метрические размеры ветвей. пяиными ХаиХв. Примем удельные теплопроводности соответст Р поперечного удельные сопротивления ра и рв, длины /а — /в I 11 п- (10-13) фотивления ра сечения Sa и SB. Тогда = +,m/град. (10-Н) ___________________________________________________________ х_ друг** * Холодильный коэффициент е здесь, к а к: и м гд 44, 45, Ml случаях, не является к. п. д. В ряде работ по пол> р холодильный коэффициент ошибочно называют к. п. Д. В уравнении (10-20) второй множитель правой части дг w ay / представляет собой.холодильный коэффициент идеального трансфер7' ра тепла, так как он равен — где о>„ — коэффициент работоспосо^0* сти тепла на температурном уровне Т0. °бН°' Первый множнтель этого выражения представляет собпй >1 полупроводникового трансформатора тепла, характеризующий степ Д'
Рис. 10-6. Значения г) термоэлектрического охлаждающего устройства в зависимости от То.
Рис. 10-7. Зависимость максимальной разности температур на термоэлементе от добротности материала г.
приближения к идеальному процессу: 1_ 0,5^1+^'+' Т„ /о г II Tl = То 1 + у 1 г l + Yi+r +1 АТ 1 — 0,5-^г- Т.* То М—\ То М + 1 М— 1 +1 (10-206) Как видно из выражения (10-206), к. п. д. полупроводникового трансформатора тепла повышается с ростом г = гД7’Сг> или M = Y 1“НГ со снижением ДТ и Гср и повышением Т0. Однако даже при ДТ—0 и Tcv/T0=\ к. п. д. rj< 1. Это связано с процессами, неизбежно сопутствующими полупроводниковым термо- 1 рансформаторам: выделением джоулева тепла и обратным током тепла от горячего спая к холодному вследствие теплопроводности материалов термоэлемента. Поэтому даже в идеальном случае ri термоэлемента не может быть равным единице. Полученные в настоящее время значения z полупроводниковых мз териалов не превышают (35) 10-3 град~х. Как предельно возможное значение z, называют величину 1 • 10-2 град~[. В этом последнем случае величина и при Го.с='293°К и Г0 = 253°К составила бы 26,3%; а при о 243 К, Л —24,3%. Практически для имеющихся сейчас материа. эти величины намного ниже. На графике рис. 10-6 приведены крив t. рассчитанные по экспериментальным данным, показывающие завИ^ мость т] от Т0 при Го.с=300°К и 2=2-10-3 град~\ При расчете учи™ валась разность температур на горячих и холодных спаях Д' * г — Д/х от 3 до 7 град. Как видно из графиков, даже при оптимальных величинах Тп знание л не превышает 6%. <0 зна ВЫШежит\а“инЬа (Т° -тТ И3 пСуЩеСТВеННЫх хаРактеР,!ст„к термоэлемента.л*ет служить величина (i 0.е—1 о) макс, достигаемая при Q0=o Такой пе^лыят ;г™Ргда “сь эффеет z, ь Из формулы (10-20а) находим эти условия, приравняв =о После несложных преобразований находим: ' (То.' 7'о)иакс = О.бгТ'д. t едовательно. наиннзшая температура холодного спая равна: т У 1 + 27" осг -1 ‘ о мин — ----- (10-21) (10-22) На графике рис 10-7 показана зависимость (Го с—Г0) Ма„с от г. Естественно, что nj.ii Qo¥=0 величина Т0.с—Т0 резко сокращается. Увеличение интервала рабочих температур при конечной холодо- пронзводительности может быть достигнуто использованием батареи термоэлементов, составленной из нескольких каскадов. В такой каскадной термобатарее теплые спаи термоэлемента, расположенного в области более низких температур, охлаждаются холодными спаями термоэлемента, работающего при более высоких температурах. Рассмотрим, например, трехкаскадную термобатарею (рис. 10-8). Теплый спай первого каскада расположен под холодными спаями второго. Теплые спаи второго каскада термически связаны с холодными спаями третьего. Тепловые спаи третьего каскада отдают тепло в окружающую среду. Между термоэлементами каждого каскада прокладываются тонкие электроизоляционные прослойки; питание каждого каскада производится самостоятельно. Холодопроизводительность каждого каскада (так же как и в каскадных холодильных установках) должна обеспечивать отвод всего тепла от нижних каскадов. Найдем холодильный коэффициент многокаскадного термоэлемента е<п), чтобы сравнить его с величиной е однокаскадного термо
Рис. 10-8. Схема трехкаскадной термобатареи. / — нижний каскад; г —средний каскад; 3 — верхний каскад.
••«пппип с идни^аикаднши термоэлемента, работающего в том же температурном интервале Г0.с—То- Пусть для первого каскада холодопроизводительность равна Qo и холодильный коэффициент ej. Потребляемая электрическая мощность этого каскада w — Qo ‘ е\" Холодопроизводительность второго каскада должна составить: Q2=Q0 + tf71=Q0+^ и для третьего каскада Q-=Q"(,+v)(,+i> (10-23а) (10-236) Количество тепла Q, отдаваемого в окружающую среду, АЛ Вместе с тем Q=Q.(l + ^)(1 + i)(l + Q=W + Q0=Q{\ + ^j, (Ю-23в) (10-24) где w=W:1;+ 1№>1& — #щая мощность, потребляемая всеми тремя каскадами; е—холодильный коэффициент всей батареи из трех каскадов. Из урав'нений (10-23в) и (10-24) получаем: 1 (10-25) 1 + 7- 1 + 1Л Ез) Общий холодильный коэффициент будет наибольшим, если отдельные коэффициенты si, £2 и ез будут равны между собой. Тогда 1 —. (10-26а)
Рис. 10-9. Зависимость холодильного коэффициента s от разности температур Т0.0—Щ для однокаскадногоt{/) и двухкаскадного (2) термоэлементов.
Ш>) =. Обычно на практике применяют не более трех каскадов. На рис. 10-9 показана зависимость е от ШЩТо.с'—Tq для одно- и двухкаскадной батареи. Из рисунка видно, что преимущества двухкаскадного элемента проявляются как в величине е, так и в получении максимальной АТ при,Q0=0, причем они больше сказываются при малых величинах г. _ При использовании термобатареи в качестве теплового насоса выведенные выше зависимости сохраняют свое значение. Коэффициент трансформации {л зависит от температурного интервала, от добротности z материала и числа кас кадов. Коэффициент полезного действия полупроводникового теплового насоса определяется как отношение коэффициентов трансформации действительного и идеального трансформаторов при заданных температурах верхнего теплоприемника Тт и нижнего источника тепла i0.c. по формуле. Ч г— где ДТ=ЙГг—Щ}.о, или, что то же самое, по формуле Воте л и— ПО Д Б гд£ q_полезный тепловой поток, получаемый посредством термотрансформатора, йг; С0(?.— коэффициент работоспособности получаемого тепла, ^ — подведенная электрическая мощность, вт. При Го.с = 300°К величина \х характеризуется следующими показателями в зависимости от z (табл. 10-I). К. п. д. термоэлектрических тепловых Так, в рассмотренных примерах л при "т%. для АТ = 30 02—23%. Дальнейшее вышение ^насосов г] зависит от АТ. 'Ю град составляет 17%,' для‘ДТ=30 град^-2^1 град~\ Для АТ = «оп/ п-> "ънейшее по- приводит к снижению л- Область применениятер- АТ Коэффициент- трансформации Для ДТ = 50 граО— Таблица 10-1 ^ в зависимости
моэлектрических трансформаторов тепла пока ограничена; по мере улучшения добротности полупроводниковых материалов и снижения их стоимости, а также конструктивного усовершенствования эта область будет расширяться. Область температур, в которой применяются термоэлектрические трансформаторы тепла, находится в пределах —80 — — 100°С для холодильных агрегатов и в пределах +100°С для теплонасосных. Нижняя граница определяется свойствами полупроводниковых материалов: верхняя граница—тем, что применение тепловых насосов для температур выше 100° С практически целесообразно. В настоящее время разработаны и внедряются в промышленность различные термоэлектрические трансформаторы тепла — кондиционеры воздуха, домашние и другие холодильники, термостаты, вакуумные ловушки, холодильники для сельского хозяйства, гигрометры, медицинские приборы и др. [Л. 54].
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 922; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |