Термоэлектрические холодильники
Общие сведения.
Эффект термоэлектрического охлаждения, открытый французским физиком Ж. Пельтье в 1834г., заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте их соединения выделяется или поглощается некоторое количество теплоты, которое пропорционально силе тока.
Тепловой поток, называемый теплотой Пельтье, определяется по уравнению
p — коэффициент Пельтье;
Выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит от направления тока и термотока, который возник бы при нагревании места соединения проводников. При совпадении направления тока в проводниках теплота Пельтье поглощается, а в противном случае выделяется. Если спаев несколько, выделение теплоты на одном спае всегда сопровождается поглощением ее на другом, и наоборот.
Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в том, что средняя энергия, электронов, участвующих в переносе тока из одного проводника в другой, различна. Это наглядно подтверждается на примере контакта электронного полупроводника и металла.
Предположим, что направление тока соответствует направлению перехода электронов из полупроводника в металл. Так как энергетический уровень свободных электронов полупроводника значительно выше уровня свободных электронов металла, при переходе из полупроводника в металл электроны, сталкиваясь с атомами металла, отдают им свою избыточную энергию.
Это приводит к выделению теплоты Пельтье и повышению температуры спая. При противоположном направлении тока весь процесс идет в обратном направлении и теплота Пельтье поглощается.
Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не находил практического применения из-за отсутствия достаточно эффективных материалов термоэлементов, и только после ряда открытий в области полупроводниковой техники появилась возможность эффективно использовать это явление на практике.
Холодильники с термоэлектрическим охлаждением не имеют движущихся и трущихся частей, бесшумны в работе, позволяют точно регулировать температуру, надежны.
Термоэлектрические холодильники в основном применяются в автотранспорте. Их технические характеристики приведены в табл. 1.
Таблица 1. Техническая характеристика термоэлектрических холодильников
| Параметр | ХАТЭ-12 | ХАТЭ-12М | ХАТЭ-24 У4 | «Холодок» | ХТЭП-13,8ПР |
|---|---|---|---|---|---|
| Номинальное напряжение, В | 12 | 12 | 24 | 12 | 12 |
| Потребляемая мощность: — в основном режиме — во вспомогательном режиме — в режиме нагрева | 50 — — | 65 30 — | 170 — — | 35 25 40 | 45 30 50 |
| Разность температур окружающей среды и в холодильной камере, °С | 18 | 19 | 28 | 26 | 26 |
| Температура в камере в режиме нагрева, °С | — | — | — | 60 | 60 |
| Объем холодильной камеры, дм3 | 12 | 12 | 8 | 9,2 | 13,8 |
| Габаритные размеры, мм | 390х480х260 | 410х500х280 | 580х260х360 | 326х237х380 | 316х322х394 |
| Масса, кг | 6 | 7 | 15 | 6 | 6,8 |
Принципиальная схема бытового термоэлектрического холодильника показана на рис. 1а.
Рис. 1. Схема термоэлектрического холодильника (а) и схема работы термоэлемента (б)
Термобатарея, состоящая из двух различных полупроводниковых термоэлементов n и р, размещается в толщине одной из стенок холодильной камеры так, чтобы холодные спаи были обращены в холодильную камеру, а горячие — в более теплую окружающую среду. Спаи термоэлементов выполняются в виде коммутационных пластин, хорошо проводящих электрический ток. Эти пластины обычно соединяются с ребристыми радиаторами которые увеличивают поверхность и, следовательно, интенсивность передачи тепла холодным спаям из холодильной камеры и от горячих спаев в окружающую среду.
К конечным элементам термобатареи подключается источник постоянного тока. При этом в зависимости от назначения холодильника в качестве источника постоянного тока может служить электрический аккумулятор (батарея) или генератор постоянного тока. В стационарных условиях эксплуатации постоянный ток питания термобатареи получается обычно с использованием выпрямителя, подключаемого к сети переменного тока.
При направлении постоянного тока, указанном на рис.1.б стрелками, ток со стороны холодных спаев термобатареи оказывается направленным от термоэлемента n к термоэлементу р, а со стороны горячих спаев наоборот— от р к n. Разность направления движения зарядов постоянного тока через два термоэлемента из различных материалов и вызывает перепад температур на их концах.
Если направление постоянного тока изменить на противоположное, то в верхних спаях термобатареи ток будет идти от р к n и они будут уже нагреваться, а не охлаждаться, как ранее. Таким образом, изменяя направление питающего постоянного тока, можно легко изменить режим работы термобатареи с охлаждения на нагревание воздуха в среде ограниченного объема.
Аппарат термоэлектрического охлаждения представляет собой батарею (рис. 2, а) состоящую из отдельных последовательно спаянных между собой полупроводниковых термоэлементов. Термоэлемент (рис. 2, б) имеет два полупроводника в виде прямоугольных или цилиндрических брусков. Один из полупроводников сделан из сплава свинца и теллура другой — из сплава теллура и сурьмы. Применяются также сплавы висмута и селена.
Рис. 2. Аппарат термоэлектрического охлаждения:
а — термобатарея; б — термоэлемент
Полупроводники последовательно соединены спаянными с ними медными пластинками. При прохождении постоянного тока через спаи одни из них (верхние или нижние в зависимости от направления тока) будут поглощать, а другие выделять некоторое количество тепла. Таким образом, тепло переносится электрическим током, т.е. движущимися электронами.
Холодильник ХАТЭ-12М
Холодильник состоит из корпуса 1 (рис. 3, а), крышки 2 и соединительного шнура 10. Для подключения холодильника к источникам электроэнергии автомашин различных марок применяют переходное устройство, которое надевают на вилку соединительного шнура. В крышку вмонтированы вентилятор и термоохлаждающий агрегат 6, состоящий из радиатора 7 тепла и радиатора 9 холода. Вентилятор состоит из электродвигателя 5, на концах вала которого закреплены крыльчатки 3 и 8.
Рис. 3. Холодильник ХАТЭ-12М:
| а — общий вид: | б — электрическая схема: |
| 1 — корпус: | М—электродвигатель: |
| 2 — крышка; | S —выключатель; |
| 3, 8— крыльчатки; | R — резисторы; |
| 4 — резистор; | G — источник питания |
| 5 — электродвигатель; | |
| 6 — термоохпаждающий агрегат; | |
| 7 — радиатор тепла; | |
| 9 — радиатор холода; | |
| 10 — соединительный шнур; | |
| 11 —переключатель |
С помощью переключателя 11, расположенного на крышке холодильника, меняют один режим на другой: в одном случае напряжение подается через резистор 4, а в другом — термоагрегат непосредственно присоединяется к источнику питания.
Термоэлектрическая батарея, включенная в электросеть постоянного тока напряжением 12 В, создает перепад температур между рабочими поверхностями. Крыльчатка 3 (при включенном электродвигателе) охлаждает радиатор тепла, а крыльчатка-8 перемешивает воздух в холодильной камере.
Электрическая схема холодильника показана на рис.3, б. В комплект поставки холодильника входят две загрузочные сетки, два ключа, переходное устройство.
Холодильник ХАТЭ-24 У4
Этот холодильник устанавливают в кабине грузовых автомобилей. Он предназначен для охлаждения и краткосрочного хранения пищевых продуктов и напитков.
Снаружи корпус холодильника выполнен из листовой стали и покрыт искусственной кожей черного цвета. Изнутри корпус сделан из пищевого алюминия. Теплоизоляция — формованный пенополистирол. Крышка холодильника может служить подлокотником.
Холодильники «Холодок» и ХТЭП-13,8ПР
Эти переносные холодильники предназначены для эксплуатации в автомобилях. Холодильник выполнен в виде ларя с ручкой для переноса. Холодильная камера металлическая оснащена ложементом, который предотвращает перемещение крупной тары (бутылок) в частично заполненном холодильнике. В основании холодильника имеется место для укладки соединительного шнура.
Холодильник имеет три режима работы: основной, вспомогательный и нагрева. При основном режиме работы разность температур окружающей среды и в холодильной камере 26°С, при температуре окружающей среды 32 °С.
Вспомогательный режим работы рекомендуется использовать с целью уменьшения потребляемой мощности, а также для эксплуатации холодильника при окружающей температуре воздуха 25°С и ниже во избежание замораживания продуктов. В режиме нагрева температура внутри камеры достигает 70°С.
В камере установлен датчик температуры. При достижении температуры 70°С холодильник отключается. Переход с основного режима охлаждения на вспомогательный осуществляют вручную переключателем режимов, а переход в режим нагрева — изменением полярности питающего напряжения. В случае выхода из строя электровентилятора холодильник автоматически отключается.
Термоэлектрические холодильники «Холодок» и ХТЭП-13.8ПР в отличие от термоэлектрического холодильника ХАТЭ-12М имеют температуру внутри холодильной камеры на 6°С ниже, а удельную потребляемую мощность (отношение потребляемой мощности к объему холодильной камеры и перепаду температур) — на 45% меньше. Кроме того, они работают в режиме нагрева.
В отличие от зарубежных термоэлектрических холодильников температура внутри холодильной камеры описываемых холодильников ниже в среднем на 5 °С, а средняя потребляемая мощность — на 10%.
Статья подготовлена по материалам книги издательства СОЛОН-Пресс Серии Ремонт №35 «Ремонт холодильников» Д. А. Лепаев, В. В. Коляда 2005
Всего хорошего, пишите to Elremont © 2006
Источник
Ремонт термоэлектрических холодильников своими руками
По вопросам ремонта и другим техническим вопросам сюда. Ремонт бытовой и офисной техники.
Ремонт автомобильного термоэлектрического холодильника Ezetil. Кубань Краснодар.
Чтобы понять что представляет собой в ремонте термоэлектрический холодильник, привожу серию фотографий его внутреннего устройства.
1. Внешний вид термоэлектрического холодильника Ezetil.
2. Внутренний охладитель — холодный радиатор. В качестве радиатора, примерен алюминиевый радиатор, а для быстрого охлаждения холодильной камеры служит вентилятор. Вся конструкция держится на двух болтах, обведенных красными линиями.
3. Наружный охладитель — горячий радиатор. По площади в два раза больше внутреннего, холодного радиатора, алюминиевый. Для быстрого и большего охлаждения, так же применен вентилятор. Это позволяет эксплуатировать холодильниу при достаточно высоких температурах воздуха.
Между двумя алюминиевыми радиаторами, посажен на термопасту и зажат термоэлектрический модуль элементов Пельтье. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).
Термоэлектрический модуль элементов Пельтье вид с плоскости.
Термоэлектрический модуль элементов Пельтье, вид с торца.
Термоэлектрический модуль находится между двумя термопроводными тонкими и хрупкими керамическими пластинами из из оксида или нитрида алюминия. При сборке, радиаторы сильно стягивать нельзя, полопаются керамические пластины.
Вот схематическая конструкция термомодуля Пельтье.
Вот внутренняя конструкция термомодуля Пельтье.
Классические 12 Вольтовые элементы Пельтье — это 127 полупроводниковых элементов, обычно из теллурида висмута и германида кремния, включенных последовательно и спаянных перемычками.
Модули Пельтье паяются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С , так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*
2 =254 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку.
Все детали модуля Пельтье, очень хрупкие, как сами элементы, так и керамические теплопроводные изолируюшие пластины.
Для работы модуля необходимо, чтобы через него протекал постоянный ток. Пульсации постоянного тока не должны превышать 5 %. Если уровень пульсаций будет выше, параметры модуля будут хуже.
На модули обычно подается напряжение питания, примерно 75 % от величины Umax.
При использовании модуля Пельтье необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны.
Вот стандартные характеристики большинства модулей.
Температура горячей стороны 25° C 50° C
Максимальная разность температур 66° C 75° C
Максимальный ток потребления 6,4 А 6,4 А
Максимальное напряжение 14,4 В 16,4 В
Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся и механических частей, шума, газов и жидкостей. Меняя местами плюс и минус напряжения питания возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.
Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильниках.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.
С ув. Белецкий А. И. 10.08.2014г. Кубань Краснодар.
Источник