Chaos

Bilans energetyczny termoelektrycznego urządzenia chłodniczego daje się opisać następującymi zależnościami :

L+Q_o =Q

gdzie L stanowi pracę prądu elektrycznego doprowadzonego do chłodziarki, Q_o - wy-

dajność chłodniczą oraz Q — ciepło odebrane na „gorących" końcach termoelementu chłodniczego.

Wielkości Q oraz Q_o składają się z następujących pozycji: ciepła Peltiera, ciepła .Youle'a oraz ciepła przewodzonego przez materiał termoelementów.

Ciepło Peltiera (efekt Peltiera) obliczyć można ze wzoru:

Q_p=
I=TEI

gdzie
jest współczynnikiem Peltiera, I - natężeniem prądu oraz E — współczynni­kiem siły termoelektrycznej.

Ciepło przewodzone przez gałąź termoelementu Q
przepływa z „gorącego" końca gałęzi termoelementu o temperaturze T do „zimnego" końca mającego temperaturę T_o. Ciepło to można obliczyć korzystając z ogólnych zależności dla ustalonego przewodzenia ciepła.

Ciepło Joule'a jest równe

Q_j = I² R

gdzie R oznacza opór elektryczny przewodów termoelementu. Ciepło to wydziela się wewnątrz gałęzi termoelementu i, w przypadku gdy są one izolowane od wymiany ciepła na zewnątrz, można udowodnić, że dopływa po połowie do zimnych i gorących końców.

Biorąc pod uwagę kierunki przepływu ciepła wyrażamy wartości Q oraz Q_o w następujący sposób:

Q = Q_p + ½ Q_j - Q

Q_o = Q_po - ½ Q_j - Q

gdzie Q_p oraz Q_po oznaczają wartości efektu Peltiera przy temperaturach T oraz T_o. Praca prądu elektrycznego jest więc równa

L=Q_p- Q_po + Q_j

Współczynnik wydajności chłodniczej określony jest zależnością:

Chłodziarka termoelektryczna może być zoptymalizowana tak, aby uzyskać maksimum wartości
. Wymaga to odpowiedniego doboru wymiarów geometrycznych gałęzi termoelementu oraz natężenia prądu zasilającego chłodziarkę.

Maksymalną wartość współczynnika wydajności chłodniczej opisuje wzór:

-oznacza współczynnik wydajności chłodniczej dla obiegu Carnota, zaś:

Cechą charakterystyczną chłodziarki termoelektrycznej jest również fakt, że istnieje ograniczenie różnicy temperatur
jaką można w danej chłodziarce uzyskać.

Maksymalna wartość tej różnicy:

Baran

Do zalet chłodzenia termoelektrycznego można zaliczyć:

-brak płynu roboczego (czynnika chłodniczego) i oleju smarnego; -brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem (przy podciśnieniu);

-brak części ruchomych i cicha praca (z wyjątkiem konstrukcji z wymuszonym nadmuchem powietrza za pomocą wentylatora);

-mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej;

-możliwość zasilania prądem stałym i zmiennym (za pośrednictwem przetwornika)-możliwość pracy rewersyjnej, czyli szybkiego i łatwego przejścia z trybu chłodzenia w tryb ogrzewania i odwrotnie (poprzez zmianę biegunowości prądu zasilającego);

-wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury; płynna regulacja wydajności w zakresie od 0 do Qo max;

-brak bezwładności (proces chłodzenia rozpoczyna się niezwłocznie po włączeniu zasilania);

-niska wrażliwość na wstrząsy i drgania, możliwość pracy bez zmiany parametrów przy dowol­nej orientacji w przestrzeni, jak również w próżni i pod wysokim ciśnieniem;

-brak obsługi podczas pracy;

-wysoka niezawodność;

-większość chłodziarek termoelektrycznych wytrzymuje przeciążenia prądowe i napięciowe: krótkotrwale (impuls do 5 s) 2 do 3 * l_rob, a w dłuższym czasie do 1,6 *I_rob; konstrukcyjna prostota i elastyczność, w tym możliwość dopasowania kształtu agregatu termo­elektrycznego do formy chłodzonego obiektu;

-możliwość miniaturyzacji (rozmiary modułów poniżej 1 mm) i zabudowy chłodziarki bezpo­średnio w podzespołach aparatury radioelektronicznej;

-wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych.

Do niedostatków chłodzenia termoelektrycznego należy zaliczyć:

• niską efektywność energetyczną w trybie chłodzenia:

• ograniczenie zastosowania w zakresie wydajności chłodniczych powyżej 1 kW. co jest podyk­towane w głównej mierze względami ekonomicznymi;

• konieczność wykorzystania przetwornika prądu zmiennego w prąd stały oraz wrażliwość na pulsacje napięcia.

Praktyczne zastosowania

Jedno- i wielostopniowe moduły są używane w laboratoriach w procesach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury. Służą do budowy komór klimatycznych. Znajdują swoje miejsce w medycynie przy analizach tkanek, w niektórych rodzajach terapii (hipotermia). Z użyciem elementów Peltiera budowane są urządzenia jako wzorce temperatury o dokładności lepszej niż 0,01°C. W zastosowaniach domowych spotyka się przenośnie lodówki samochodowe, schładzarki do piwa, wina, termostaty do akwarium.

Dla celów militarnych i kosmicznych wykonuje się nawet moduły o mocach rzędu kilowatów.

W elektronice użytkowej mają zastosowanie do chłodzenia procesorów naszych komputerów domowych oraz elementów półprzewodnikowych w niektórych wzmacniaczach najwyższej klasy. Ciekawym przykładem jest też detektor promieniowania podczerwonego. Detektory promieniowania podczerwonego ze względu na szumy powinny pracować w niskich temperaturach. Skutecznym sposobem zapewniającym temperatury elementu czynnego rzędu -30...-80°C jest użycie wielostopniowego modułu termoelektrycznego. W ten sposób wykonuje się miniaturowe detektory o objętości rzędu kilku, kilkunastu cm³. Dostarczana do termoelementu moc elektryczna wynosi 0,5...3W.

---