Внимание. Запрещается превышать предельную скорость вращения вала, которая для данного детандера равна 95000 об/мин. На индикаторе выводится значение об/мин.

11. Проанализируйте полученные результаты.

12. Выключите лабораторное оборудование и компрессорную станцию после проведения лабораторных работ.

13. Подготовьте отчет.

Лабораторная работа №2 «Изучение устройства и принципа действия холодильной установки и систем кондиционирования на основе термоэлектрических элементов Пельтье»

Эффект Пельтье − термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников и полупроводников) на контакте, помимо теплоты, которая выделяется на электрическом сопротивлении спая, происходит выделение дополнительной теплоты Пельтье Q _P при пропускании тока в одном направлении и её поглощение при пропускании тока в обратном направлении.

Величина выделяемой теплоты Q _P и её знак зависят от вида контактирующий веществ, силы тока и времени его прохождения:

Здесь  – коэффициент Пельтье для данного спая, В;  – разность термоэлектрических коэффициентов (термоэдс) проводников, В/К; T абсолютная температура, К. Приэтом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении теплоты Пельтье:

При поглощении теплоты Пельтье она считается отрицательной и, соответственно,

Вместо теплоты Пельтье часто используют физическую величину, определяемую как тепловую энергию, ежесекундно выделяющуюся на контакте единичной площади. Эта величина, получившая название − мощность тепловыделения (плотность теплового потока, Вт/м²), определяется формулой:

где  − плотность тока; S − площадь контактов.

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется по коэффициенту термоэдс, измерение которого проще.

На рисунках 1 и 2 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Рис. 1. Выделение теплоты Пельтье (контакт А)

Рис. 2 Поглощение теплоты Пельтье (контакт А).

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви − термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником . Рисунок 1 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение теплоты Пельтье , а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение − . В результате происходит изменение температур спаев:

.

На рисунке 2 изменение знака источника питания меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак теплоты Пельтье и соотношение между температурами контактов:

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупроводника n-типа или два полупроводника р-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье () и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от кристаллической решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье () и понижение температуры.

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (п-тип) и дырочных (р-тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде теплоты. Эта ситуация рассмотрена на рисунке 3, где изображены энергетические зоны (_св − зона проводимости, _v − валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

Рис. 3. Выделение теплоты Пельтье на контакте полупроводников
р и п − типов

На рисунке 4 (_св − зона проводимости, _v − валентная зона) иллюстрируется поглощение теплоты Пельтье для случая, когда ток идет от п к р − полупроводнику ()

Рис. 4. Поглощение теплоты Пельтье на контакте полупроводников
р и п − типа

Здесь электроны в электронном идырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (генерации носителей заряда). На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Для того, чтобы эффект Пельтье был заметен на фоне общего разогрева, связанного с выделением теплоты на сопротивлении контакта, необходимо выполнение условия: . В результате получаются следующие соотношения, которые необходимо учитывать при проведении экспериментов:

где R − сопротивление участка термоэлектрода длины l, на котором происходит выделение теплоты;  − удельное электросопротивление.

Коэффициент Пельтье, определяющий количество теплоты Пельтье, выделяющейся на контакте, зависит от природы контактирующих веществ и температуры контакта:

где  и  абсолютные коэффициенты термоэдс контактирующих веществ.

Если для большинства пар металлов коэффициент термоэдс имеет порядок 10^-5 – 10^-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1,5∙10^-3 В/К). Для полупроводников с разным типом проводимости  имеют разные знаки, вследствие чего .

Необходимо отметить, что коэффициент термоэдс сложным образом зависит от состава и температуры полупроводника, при этом, по сравнению с металлами температурная зависимость  для полупроводников выражена значительно сильнее. Знак  определяется знаком носителей заряда. Не существует общих эмпирических, и тем более, теоретических формул, которые охватывали бы термоэлектрические свойства полупроводников в широком интервале температур. Обычно термоэлектродвижущая сила  полупроводника, начиная со значения  = 0 при T = 0, растет сначала пропорционально T, затем рост замедляется, часто  остается постоянной в некотором интервале температур, а в области высоких температур (более 500÷700 К) начинает убывать по закону .

Другой отличительной чертой полупроводников является определяющая роль примесей, введение которых позволяет не только во много раз изменять величину, но и менять знак .

В полупроводниках со смешанной проводимостью вклады в термоэдс дырок и электронов противоположны, что приводит к малой величине  и .

В частном случае, когда концентрации (п) и подвижности (и) электронов и дырок равны (п_е= п_р и u_e= u_p) величины  и  обращаются в ноль:

Рис. 5. Схема термоэлектрического модуля (ТЭМ)

В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.

Единичным элементом термоэлектрического модуля является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с р- и п- типами проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах − от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности − от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур − одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональна величине тока, протекающего через ТЭМ. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Современные однокаскадные термоэлектрические охладители позволяют получить разность температур до 74 − 76 К.

Для получения более низких температур применяются многокаскадные модули, представляющие собой несколько однокаскадных модулей с последовательным тепловым соединением между собой. Например, серийно производимые фирмой Криотерм четырехкаскадные ТЭМ позволяют развивать разность температур до 140К.