Termoelektryczne urządzenia chłodnicze Teoretyczne podstawy działania

Transkrypt

1 TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE Seminarium Termelektryczne urządzenia chłdnicze Teretyczne pdstawy działania Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2

2 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 Spis treści Termelektrycznść... 2 Zjawisk Seebecka... 3 Zjawisk Peltiera... 4 Zjawisk Thmsna... 4 Budwa gniwa Peltiera... 5 Zasada działania gniwa Peltiera... 6 Zastswanie mdułów termelektrycznych... 6 Wady i zalety urządzeń chłdniczych z mdułami Peltiera... 7 Pdsumwanie... 7 Bibiligrafia

3 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 Termelektryczne urządzenia chłdnicze Teretyczne pdstawy działania TERMOELEKTRYCZNOŚĆ Zjawisk termelektrycznści plega na bezpśredniej transfrmacji różnicy temperatur między dwma punktami układu ciał, na napięcie elektryczne i dwrtnie. Pwstanie siły elektrmtrycznej, a w knsekwencji przepływ prądu na pwierzchni stycznści dwóch ciał (metali lub półprzewdników) jest mżliwe dzięki różnicm kncentracji elektrnów swbdnych. A B Ry s. 1. Pwstawanie pdwójnej warstwy ładunków w miejscu stycznści dwóch metali na > nb Zakładając, że mamy dwa różne stykające się ze sbą metale (Rys.1): A i B, a kncentracje ich elektrnów wynszą dpwiedni: na i nb. Elektrny swbdne przy pwierzchni stycznści mgą w bezładnym ruchu przechdzić d sąsiednich metali. Zakładając, że kncentracja elektrnów w metalu A jest większa niż w metalu B, t więcej elektrnów przejdzie z metalu A d B. W związku z tym przy pwierzchni metalu B pwstanie nadmiar elektrnów (ładunek ujemny), a w A niedbór (ładunek ddatni). W ten spsób twrzy się przy pwierzchni pdwójna warstwa ładunków, która wywłuje różnicę ptencjałów mającą charakter siły elektrmtrycznej, a jej wartść jest tym większa, im dległść metali w szeregu ptencjałów termelementów, a także temperatura w miejscu styku. Zjawisk termelektrycznści wykrzystuje się d grzewania, chłdzenia raz d pmiaru temperatury. W zależnści d kierunku transfrmacji zjawiska termelektryczneg, wyróżnia się trzy jeg rdzaje: zjawisk Seebeck a, Peltiera i Thmsna. 2

4 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 Zjawisk Seebecka Prekursrem termelektrycznści był Thmas Seebeck (Rys. 2), który w w 1821 rku dknał dkrycia wkrótce nazwaneg d jeg nazwiska efektem Seebecka. Efekt Seebecka jest t zjawisk termelektryczne, które mże wystąpić, gdy spełnine są dwa warunki: układ zawiera dwa różne metale lub półprzewdniki jeden z niedbrem elektrnów, a drugi z ich nadmiarem zwykle w pstaci przewdów płącznych ze sbą przez lutwanie (tzw. termelement); występuje gradient temperatury. Ry s. 2. Thmas Seebeck Jeśli więc mamy d czynienia z twartym bwdem złżnym z dwóch różnych przewdników w pstaci drutów i spiny, którą będziemy utrzymywać w innej temperaturze niż wlne kńce, t w bwdzie tym pwstanie siła elektrmtryczna, a p jeg zamknięciu ppłynie prąd (Rys.3). Ry s. 3. Schemat pisujący zasadę działania zjawiska Seebecka Napięcie teg prądu kreślne jest wzrem: V= (Sb SA) ( T2 T1), gdzie SA i SB są t współczynniki charakterystyczne dla wybranych substancji. 3

5 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 Zjawisk Peltiera W przypadku urządzeń chłdniczych wykrzystujących zjawisk termelektrycznści pdstawą działania jest efekt dkładnie dwrtny d efektu Seebecka, a mianwicie efekt Peltiera. W 1834 rku francuski fizyk Jean Charles Peltier zabserwwał, że p utwrzeniu bwdu z dwóch rdzajów drutów miedzianeg i bizmutweg raz p pdłączeniu ich d źródła energii elektrycznej, jedn ze złącz nagrzewa się, a drugie chładza. P umieszczeniu złącza, które ulegał chłdzeniu w izlwanym pjemniku trzymał bardz nisk wydajną ldówkę. Ry s. 4. J. Ch. Peltier Ry s. 5. Schemat pisujący zasadę działania zjawiska Peltiera Strumień ciepła Peltiera, czyli p prstu ciepł Peltiera wyraża się wzrem: Q = π I, gdzie π t współczynnik Peltiera, a I natężenie prądu. Zjawisk Thmsna Efekt Thmsna (Rys. 6) jest trzecim pd względem dkrycia i ważnści zjawiskiem termelektrycznym, jednak również występuje w przypadku chłdnictwa termelektryczneg. Efekt ten mówi, że jeśli mamy przewdnik lub półprzewdnik w którym występuje gradient temperatury, t pdczas przepływu prądu stałeg przez ten element wydzielana lub pchłaniana jest pewna ilść ciepła. Ry s. 6. Wiliam Thmsn 4

6 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 BUDOWA OGNIWA PELTIERA Mduł Peltiera (gniw peltiera)(rys. 7) składa się z dwóch płytek ceramicznych, twrzących dwie płaszczyzny, które zapewniają sztywnść mechaniczną, są dsknałą izlacją elektryczną i dbrze przewdzą ciepł. Pmiędzy nimi znajdują się półprzewdniki ( p i n) w pstaci słupków nazywanych gałęziami termelementu, które płączne są ze sbą mstkami z miedzi. Słupki pd względem elektrycznym płączne są ze sbą szeregw, a pd względem cieplnym równlegle. Ry s. 7. Budwa gniwa Peltiera ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PELTIERA Jeżeli bwód składa się z elementów jednakwym typie przewdnści, występujące w nich siły termelektryczne psiadają przeciwne zwrty, natmiast przy różnych typach 5

7 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 przewdnści, siły te się sumują. Z uwagi na t termelementy twrzy się z użyciem materiałów różnych typach przewdnictwa: p i n. W strukturze półprzewdnika p brakuje elektrnów aby w pełni "bsadzić" górny pzim energetyczny. Natmiast w półprzewdniku n występuje nadmiar elektrnów. W mmencie przepływu prądu (elektrny płyną d półprzewdnika typu p d n) elektrny stają się ładunkami nadmiarwymi, więc muszą zwiększyć swją energię ksztem energii cieplnej z tczenia. Ochłdzeniu ulega złącze, w którym elektrny przechdzą z przewdnika niższym pzimie Fermieg d przewdnika wyższym. Kiedy prąd płynie w dwrtnym kierunku elektrny spadają na niższy pzim energetyczny, c pwduje wydzielenie ciepła, wbec czeg jedna ze strn mdułu mże działać jak chłdnica, a druga nagrzewnica P zmianie kierunku przepływu prądu na przeciwny, zjawisk ulega dwróceniu, a ilść dprwadzneg ciepła zależna jest d natężenia płynąceg prądu. ZASTOSOWANIE MODUŁÓW TERMOELEKTRYCZNYCH Mduły termelektryczne znajdują szerkie zastswanie w: przechwywaniu i transprcie tkanek raz preparatów bilgicznych, kmrach klimatycznych, chłdzeniu nagrzewających się elementów elektrnicznych, w tym m.in. prcesrów i kart graficznych kmputerów, chłdzeniu generatrów wyskiej mcy, chłdzeniu did laserwych, termstatach d akwarium i terrarium, przenśnych ldówkach, kmrach d przechwywania win, innych prcesach i urządzeniach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury. Ry s. 8. Mduł termelektryczny 6

8 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 WADY I ZALETY URZĄDZEŃ CHŁODNICZYCH Z MODUŁAMI PELTIERA Zalety Wady brak pły nu rbczeg brak części ruchmych i cicha praca mniejsza masa i rzmiary przy tej samej wy dajnści chłdniczej mżliwść pracy rewersyjnej wy ska dkładnść utrzy mywania i regulwania temperatury brak bsługi niezawdnść prstta miniaturyzacja niska efektywnść energetyczna w trybie chłdzenia graniczenie zastswania w zakresie wy dajnści chłdniczych pwy żej 1 kw kniecznść wy krzystania przetwrnika prądu zmienneg w prąd stały wrażliwść na pulsacje napięcia PODSUMOWANIE Pdsumwując, urządzenia chłdnicze wykrzystujące układy termelektryczne w prównaniu d tradycyjnych urządzeń sprężarkwych wykazują przewagę pd kilkma względami. Urządzenia sprężarkwe zawierają czynnik chłdzący, który jest szkdliwy dla śrdwiska. W urządzeniach termelektrycznych nie występuje żadne chłdziw. W ddatku praca urządzeń termelektrycznych jest cicha, a w przypadku sprężarkwych generwany jest dść duży hałas spwdwany pracą silnika sprężarki. Pnadt, silnik sprężarki włączając i wyłączając się pwduje skkwą regulację temperatury, której wahania zawierają się w szerkim paśmie tlerancji. W urządzeniach termelektrycznych występuje bardz płynna regulacja, a także dzięki bardz wąskiej tlerancji wahań temperatury wyska precyzja. Dzięki niewielkim rzmiarm mdułów termelektrycznych, mżliwe jest uzyskanie urządzeń 3 razy mniejszej masie i 50% mniejszych rzmiarach. Niestety wydajnść tych urządzeń siąga wartści rzędu 30% wydajnści urządzeń sprężarkwych, pdczas gdy zaptrzebwanie mcy jest większe. Kszty eksplatacyjne bu typów urządzeń są zbliżne, pdbnie jak kszty prdukcyjne, jednak jedynie w przypadku maswej prdukcji urządzeń termelektrycznych. 7

9 Anna Hutnik Anna Krpacka IMM II st., sem. 2 BIBLIOGRAFIA 1. Filin S. Termelektryczne urządzenia chłdnicze, IPPU Masta, Gdańsk 2002; 2. Tauc J. Zjawiska ftelektryczne i termelektryczne w półprzewdnikach, wyd. PWN, Pznań 1966; 3. Ulrich H.J. Technika Klimaty zacyjna ; 4. Zalewski W. Pmpy ciepła sprężarkwe, srpcy jne i termelektryczne. Pdstawy teretyczne i bliczeniwe, wyd. IPPU MASTA 2001; 5. Zalewski W. Pdstawy teretyczne i przy kłady zastswań. Pmpy ciepła Wy dawnictw Plitechniki Krakwskiej, Kraków 1998; zacja.pl;