POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE Termoelektryczne urządzenia chłodnicze Teoretyczne podstawy działania Monika Wilczyńska Inżynieria Mechaniczno Medyczna Studia Magisterskie sem. 01 Dokument ten jest rozbudowanym o komentarz własny konspektem z prezentacji seminaryjnej przeprowadzonej na przedmiocie: Techniki niskotemperaturowe w medycynie. Prezentację przedstawiono 20 maja 2013 roku.
SPIS TREŚCI 1. Zjawisko Termoelektryczne i jego natura... 2 A. Zjawisko SEEBECKA... 3 B. Zjawisko PELTIERA... 4 C. Zjawisko THOMSONA... 5 2. Schematy ogniw i ich zastosowanie... 6 3. Podsumowanie... 9 4. Bibliografia... 10
1. Zjawisko Termoelektryczne i jego natura. Zjawisko termoelektryczne jest to efekt bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego występującego między dwoma punktami układu ciał na różnicę temperatur między tymi punktami, lub odwrotnie: różnicy temperatur na napięcie elektryczne. A B Zakładając, że mamy dwa różne stykające się ze sobą metale A i B, a koncentracje ich elektronów wynoszą odpowiednio: na i nb. Elektrony swobodne przy powierzchni styczności mogą w bezładnym ruchu przechodzić do sąsiednich metali. Zakładając, że koncentracja elektronów w metalu A jest większa niż w metalu B, to więcej elektronów przejdzie z metalu A do B. W związku z tym przy powierzchni metalu B powstanie nadmiar elektronów (ładunek ujemny), a w A niedobór (ładunek dodatni). W ten sposób tworzy się przy powierzchni podwójna warstwa ładunków, która wywołuje różnicę potencjałów mającą charakter siły elektromotorycznej, a jej wartość jest tym większa, im odległość metali w szeregu potencjałów termoelementów, a także temperatura w miejscu styku. Wykorzystywane może być do: Ogrzewania Chłodzenia Pomiaru temperatury Rozróżniamy trzy podstawowe zjawisko termoelektryczne: A. Seebeck a B. Peltier a C. Thomsona Opisane one zostaną później wraz z odkrywcami tych zjawisk. Ponieważ napięciem elektrycznym łatwo jest sterować i można je dokładnie rejestrować, urządzenia wykorzystujące zjawisko termoelektryczne pozwalają na bardzo precyzyjną kontrolę temperatury i na automatyzację procesów chłodzenia i ogrzewania.
A. Zjawisko SEEBECKA Jednym z pierwszych naukowców zajmujących się zjawiskiem termoelektryczności był Thomas Seebeck, który w 1821 roku dokonał odkrycia zwanego później efektem Seebecka. Wykorzystywane jest w termoparze. Termopara to element obwodu elektrycznego. Termopara jest wykorzystywana, jako czujnik temperatury. Odznaczają się one dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony. Zjawisko Seebecka może wystąpić wówczas, gdy spełnione są dwa warunki: 1) Układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki- jeden z niedoborem elektronów a drugi z ich nadmiarem- zwykle w postaci przewodów połączonych ze sobą lutem. 2) Występuje gradient temperaturowy. Dwa różne metale lub półprzewodniki naładowane elektrycznie Gradient temperaturowy Zjawisko Seebecka W dalszej części opisana zostanie natura zjawiska oraz schemat działania wraz z wzorami pozwalającymi określić otrzymane wartości temperaturowe i napięciowe.
B. Zjawisko PELTIERA Jean Charles Athanase Peltier Odkrył zjawisko termoelektryczne nazwane jego nazwiskiem. Konsekwentnie ogniwo wykorzystujące ten efekt do chłodzenia nazywa się modułem (ogniwem) Peltiera. Polega na wydzielaniu lub pochłanianiu energii, pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania energii na drugim, pomiędzy złączami powstaje różnica temperatur. Jest odwrotne do efektu Seebecka. Jean Charles Peltier zaobserwował, że po utworzeniu obwodu z dwóch rodzajów drutów miedzianego i bizmutowego - oraz po podłączeniu ich do źródła energii elektrycznej, jedno ze złącz nagrzewa się, a drugie ochładza. Po umieszczeniu złącza, które ulegało ochłodzeniu w izolowanym pojemniku otrzymał bardzo nisko wydajną lodówkę. Ciepło pochłaniane przez "zimne" złącze i wydzielane w złączu "gorącym" jest opisywane równaniem: gdzie: AB - współczynnik Peltiera układu Przykładami zastosowania modułu Peltier a są: przechowywanie i transport tkanek oraz preparatów biologicznych chłodzenie nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym m.in. procesorów i kart graficznych komputerów chłodzenie diod laserowych termostaty do akwarium i terrarium przenośne lodówki komory do przechowywania win Dalszy opis zjawiska pojawia się w kolejnym rozdziale. Tam również porównać można poszczególne metody ich charakter i działanie.
C. Zjawisko THOMSONA Wiliam Thomson, Lord Kelvin. Zostało odkryte w 1856 roku. Polega na wydzielaniu się lub pochłanianiu ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego (tzw. ciepła Thomsona) w jednorodnym przewodniku, w którym istnieje gradient temperatury. Ilość wydzielonego/pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury, natężenia prądu i czasu jego przepływu, a także od rodzaju przewodnika. Zjawisko Thomsona dotyczy jedynie wydzielania i pochłaniania ciepła nie powoduje wydzielania się sił termoelektrycznych. Jest to zjawisko dotyczące jedynie efektów cieplnych przepływu prądu elektrycznego (niezależnych od ciepła Joule'a-Lentza i o innej naturze). Należy również dodać, że nie jest to jedyne odkrycie Thomsona. Jego nazwisko stało się publicznie znane w związku z przedsięwzięciem kładzenia pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. W roku 1848 odkrył istnienie temperatury zera bezwzględnego, cztery lata później wraz z Jamesem Joulem zademonstrował fakt ochładzania się rozprężającego się gazu. Sformułowana przez niego w roku 1854 druga zasada termodynamiki wyklucza istnienie tak zwanego perpetuum mobile drugiego rodzaju, czyli silnika cieplnego wykorzystującego tylko ciepło pochodzące z jednego zbiornika ciepła, (czyli pracującego bez wykorzystywania różnicy temperatur). W roku 1856 odkrył jedno ze zjawisk termoelektrycznych, zwane zjawiskiem Thomsona, którym zajmujemy się w owej pracy seminaryjnej. Rok później odkrył zjawisko magnetooporowe. W roku 1862 wraz z Joulem opisał zjawisko Joule'a-Thomsona. Praca nad urządzeniami wykorzystywanymi na morzu doprowadziła do skonstruowania miernika pływów, urządzenia prognozującego oraz ulepszonego kompasu, a także do uproszczenia metody określania pozycji statku na morzu. W swych badaniach zajmował się teorią potencjału sprężystości oraz hydrodynamiką. Skonstruował i udoskonalił wiele przyrządów, np. mostek elektryczny i elektrometr absolutny. Kolejny rozdział poświęcony jest opisaniu natury zjawisk i przybliżeniu ich budowy.
2. Schematy ogniw i ich zastosowanie. 3. Zjawisko Seebecka-, Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie, to na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku zacznie się ich ukierunkowany ruch. Jeżeli końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku, będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1). Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze. W przedstawionym obwodzie A i B są różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem: Gdzie: S A i S B to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji. Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień Celsjusza).
Zjawisko Peltiera-, Gdy do złącza przyłożone zostanie pole elektryczne (w zaznaczonym kierunku), to elektrony będą przechodziły z pasma przewodnictwa półprzewodnika do metalu, przy czym będą zmuszone w sąsiedztwie styku oddać zgromadzoną energię potencjalną o wartości ΔW (ΔW=Q=AB e). Energia ta to ciepło Peltiera, pochłaniane / wydzielające się w sąsiedztwie złącza podczas transportu przez nie ładunku równego jednemu elektronowi. Jeżeli pole elektryczne E skierowane jest przeciwnie, to z metalu do półprzewodnika mogą przejść jedynie elektrony o odpowiednio wysokiej energii kinetycznej (tzw. gorące elektrony). Zubożenie obszaru przyległego do złącza w wysokoenergetyczne elektrony prowadzi do obniżenia średniej energii elektronów w paśmie, a w konsekwencji do obniżenia temperatury sieci krystalicznej, od której tę energię pobierają, dochodząc do równowagi termodynamicznej(okolica złącza ochładza się). Energia, wydzielana wynosi: ΔW=WC-WF+ΔWK Energię kinetyczną elektronów można określić ze wzoru: ΔWK=(r+2)kT gdzie: r=0-2 (w zależności od mechanizmu rozpraszania nośników ładunku), k stała Boltzmanna (stała fizyczna pojawiająca się w równaniach określających rozkłady energii molekuł) T temperatura.
Gdańsk 2013 Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników (n i p) połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera). Podczas przepływu prądu jedno ze złącz ulega ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o niższym poziomie Fermiego do przewodnika o wyższym. Po zmianie kierunku przepływ prądu na przeciwny, zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz). Przy określaniu wartości współczynnika Peltiera nie uwzględnia się roli metalu elektrody, ponieważ efekt Peltiera jest w przypadku półprzewodników wyższy o rząd wielkości niż w przypadku metali.
Zjawisko Thomsona- Różnica temperatury w materiale prowadzi do wystąpienia gradientu koncentracji nośników i odpowiadającego mu prądu dyfuzji. Ten ostatni prowadzi do powstania rozkładu ładunku przestrzennego. Jeżeli pole od ładunku w objętości jest skierowane przeciwnie niż pole zewnętrzne, to ostatnie wykonuje pracę przeciwko polu wewnętrznemu, co prowadzi do wydzielania dodatkowego ciepła. Jeżeli kierunki obu pól są zgodne, to pole wewnętrzne wspomaga dryft nośników kosztem cieplnej energii sieci, co prowadzi do jej ochłodzenia. Przyczyną zjawiska Thompsona jest różny stopień zagęszczenia elektronów swobodnych wzdłuż przewodnika, na którego długości występuje gradient temperatury. Zjawisko to wraz ze zjawiskiem Peltiera wykorzystuje się w metrologii wielkości nieelektrycznych do pomiaru temperatury Efekt Thomsona mówi, że jeśli mamy przewodnik lub półprzewodnik, w którym występuje gradient temperatury, to podczas przepływu prądu stałego przez ten element wydzielana lub pochłaniana jest pewna ilość ciepła. Ilość wydzielonego/pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury, natężenia prądu i czasu jego przepływu, a także od rodzaju przewodnika. Dotyczy jedynie wydzielania i pochłaniania ciepła nie powoduje wydzielania się sił termoelektrycznych. Jest to zjawisko dotyczące jedynie efektów cieplnych przepływu prądu elektrycznego. Relacja Thomsona: relacja łączącą ze sobą trzy współczynniki zjawisk termoelektrycznych: gdzie: różnica współczynników Thomsona przewodników, z których jest wykonane spojenie, współczynnik Seebecka (względna siła termoelektryczna), - współczynnik Peltiera, gradient temperatury.
4. Podsumowanie Podsumowując, urządzenia chłodnicze wykorzystujące układy termoelektryczne w porównaniu do tradycyjnych urządzeń sprężarkowych wykazują przewagę pod kilkoma względami: Urządzenia sprężarkowe zawierają czynnik chłodzący, który jest szkodliwy dla środowiska. W urządzeniach termoelektrycznych nie występuje żadne chłodziwo. W dodatku praca urządzeń termoelektrycznych jest cicha, a w przypadku sprężarkowych generowany jest dość duży hałas spowodowany pracą silnika sprężarki. Ponadto, silnik sprężarki włączając i wyłączając się powoduje skokową regulację temperatury, której wahania zawierają się w szerokim paśmie tolerancji. W urządzeniach termoelektrycznych występuje bardzo płynna regulacja, a także dzięki bardzo wąskiej tolerancji wahań temperatury wysoka precyzja. Dzięki niewielkim rozmiarom modułów termoelektrycznych, możliwe jest uzyskanie urządzeń o 3 razy mniejszej masie i o 50% mniejszych rozmiarach. Niestety wydajność tych urządzeń osiąga wartości rzędu 30% wydajności urządzeń sprężarkowych, podczas gdy zapotrzebowanie mocy jest większe. Koszty eksploatacyjne obu typów urządzeń są zbliżone, podobnie jak koszty produkcyjne, jednak jedynie w przypadku masowej produkcji urządzeń termoelektrycznych.
5. Bibliografia [1] Filin S. Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, IPPU Masta, Gdańsk 2002; [2] Tauc J. Zjawiska fotoelektryczne i termoelektryczne w półprzewodnikach, wyd. PWN, Poznań 1966; [3] Ulrich H.J. Technika Klimatyzacyjna ; [4] http://www.peltier.pl; [5] http://www.wikipedia.pl;