Термоэлектрические явления и их применение. В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье обнаружил, что при прохождении постоянного электрического тока в замкнутой цепи

В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье обнаружил, что при прохождении постоянного электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из двух разных металлов, одно место спая нагревается, а другое охлаждается. Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разную сторону спая обладают различной средней энергией (полной — кинетической плюс потенциальной). Если электроны пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и этот спай В будет нагреваться. В спае Аэлектроны переходят из низкоэнергетической области в область высоких энергий, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки и поэтому спай А будет охлаждаться.

В основе термоэлектрического прибора лежит термоэлемент, представляющий собой последовательно соединенные две полупроводниковые ветви 1 и 2 (см. рисунок 39 б), одна из которых обладает электронной (n), а другая - дырочной (р) проводимостью [10]. При пропускании тока I на одном спае поглощается теплота Пельтье (Q₂^п) при температуре Т₂, а на другом выделяется теплота (Q₀), снимаемая при температуре окружающей среды Т₀. В отличие от Джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока (I), теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и времени t:

Q_П=П·I·t (4.4)

Количество поглощаемой теплоты на холодном спае уменьшается также за счет теплового потока Qт от горячего спая по ветвям проводника:

Q_Т=К(Т₀-Т₂), (4.5)

Важнейшей характеристикой, определяющей эффективность термоэлектрического охлаждения, служит холодильный коэффициент k,равный отношению тепловой мощности Q, поглощаемой холодными спаями, к затрачиваемой электрической мощности N:

k= , (4.6).

а – принципиальная схема эффекта Пельтье; б – термоэлемент; в – термобатарея,

1, 2 – полупроводниковые ветви, 3 – горячие и холодные спаи

Рисунок 39. Принципиальная схема и устройство

термоэлектрического охлаждения

Тепловой насос в системах кондиционирования воздуха

Потребление электроэнергии установками летнего кондиционирования воздуха велико и носит резко выраженный пиковый характер, так как приходится на небольшое число самых жарких дней. Средний годовой коэффициент загрузки установок летнего кондиционирования воздуха составляет всего 15% вместо 65% для круглогодичных систем кондиционирования. Поэтому применение холодильной установки в качестве теплового насоса обеспечивает более равномерное использование мощности установленного оборудования в течение года.

Термин «тепловой насос» в применении к круглогодичному кондиционированию воздуха означает установку, в которой холодильная машина используется как для отопления помещений путем передачи в него тепла, принятого от какого-либо источника, так и для охлаждения и осушения воздуха в помещении отводом от него тепла с дальнейшей передачей его в окружающее пространство [10, 11, 19, 21-23]. В некоторых установках полезное охлаждение и получение тепла могут происходить в таком цикле одновременно. На рисунке 40 приведена принципиальная схема работы холодильной установки в режиме теплового насоса.

1,5 – регулирующие вентили, 2 – конденсатор (испаритель), 3 – компрессор, 4 – испаритель (конденсатор), 6 – ресивер.

Рисунок 40. Схема работы холодильной установки

в режиме теплового насоса

В переходный период годатеплообменный аппарат 4 размещенный снаружи здания служит испарителем, а теплообменный аппарат 2 размещенный в канале приточного воздуха - конденсатором. В процессе работы теплового насоса в этот период года компрессор 3 обеспечивает подачу хладона через вентиль 1 в конденсатор 2, в котором тепло сжатия и конденсации отбирается воздухом подаваемого в купе вагона, и в результате происходит его нагрев.. Далее, жидкий хладон поступает в ресивер 6 и затем в регулирующий вентиль 5 - где он охлаждается до сравнительно низкой температуры (ниже температуры окружающей среды на 10 – 15⁰С (283-288K) ) и далее поступает в испаритель 4. В испарителе за счет подвода тепла от окружающей среды (например, при температуре минус 5⁰С (268K) ) происходит кипение хладагента, а образовавшиеся пары вновь поступают на всасывание в компрессор. Таким образом, в переходный период годатепло поступает от холодного наружного воздуха к воздуху помещения.

В летнем режиме установленный снаружи испаритель, выполняет роль конденсатора, а конденсатор в помещении работает как испаритель. В этом случае компрессор подает хладагент по схеме, показанной штриховой линией. Иногда испаритель выполняют в виде радиационной панели без вентилятора. В тепловых насосах, работающих по схеме «вода-воздух», источником и приемником тепла является вода, а теплоносителем и холодоносителем для кондиционируемого помещения - воздух. Перепад температуры между наружным воздухом и хладагентом принимают равным от 6 до 14° С.(279-287K)

В отличии от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды (бросовое тепло) с более низкой температурой, а часть – получается за счет механической работы, например компрессора.