Теплонасос

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Термоэлектрический тепловой насос, или Пельтье-тип теплово­го насоса, достаточно известен. Он нашел одно или два примене­ния, где хорошо удовлетворяет предъявленным требованиям.

Нагрев и охлаждение спаев между разнородными материалами вызывают протекание электрического тока. Обратный эффект состоит в том, что пропускание электрического тока через такие спаи вызывает поток тепла. Элементарный термоэлектрический теп­ловой насос получается при соединении полупроводников р - и "-типа, как показано на рис. 2.24. В этом случае протекание тока в указанном направлении вызывает поток тепла от спая п/р к под­водящим ток электродам.

Тепловой поток связан с коэффициентом Зеебека 5. Показатель добротности термоэлектрических материалов имеет вид S2/kp, где k — теплопроводность; 1/р — электропроводность. Этот показатель зависит от температуры, поэтому материалы должны быть выбра­ны в соответствии с рабочим интервалом температур.

Тепловой баланс одного плеча теплового насоса (см. рис. 2.24):

1[4]1 (L/A) Ш

Q — STjI -

2 L/A

Четыре члена справа отражают соответственно термоэлектри­ческий теплонасосный эффект, джоулев нагрев полупроводника, поток тепла за счет теплопроводности от горячего спая к холодному и джоулев нагрев спая. Отметим, что если пренебречь последним членом, то для заданных I и LJA величина Q не зависит от разме­ров устройства. Это позволяет реализовать его миниатюризацию до размеров в несколько миллиметров.

Так

Рис. 2.24. Схема термоэлектри­ческого элемента.

Рис. 2.25. Термоэлектрический стабилизатор точки плавления льда. / — охлаждающий модуль (тепловой иасос); 3 — отвод тепла; 3 — слой льда; 4- 5 — трубка с образцами; 6 — герметичная камера; 7 — микровыключатель.

Реальные тепловые насосы собираются из большого числа эле­ментов, соединенных последовательно, а в тепловом отношении как последовательно, так и параллельно, откуда возникают пробле­мы одновременного получения теплового контакта и электрической изоляции соединения.

Несмотря на проблемы отыскания недорогих и эффективных полупроводниковых материалов и их тщательной сборки, эти уст­ройства нашли два интересных применения, в которых значения КОП близки к достигнутым в абсорбционном цикле.

Пример 1. Охлаждение флуоресцентных ламп для поддержания оптимального давления. Применение описанного устройства здесь удобно благодаря его малому размеру и подводу электропитания к самой лампе. Небольшое увеличение расхода электроэнергии Окупается существенным улучшением светоотдачи [7].

Пример 2. Поддержание нулевой температуры холодного спая термопар (рис. 2.25). Здесь термоэлектрическая система подходит идеально, поскольку она реверсивна и обеспечивает строго пропор­циональное управление. Кроме того, в отличие от других холодиль­ных систем ее легко миниатюризовать *.