3.2 Уравнение теплового баланса термоэлектрического теплового насоса

Т ермоэлектрический тепловой насос на эффекте Пельтье работает по довольно простому принципу: с двух сторон специальной полупроводниковой пластины подается небольшое постоянное напряжение. При такой схеме одна сторона нагревается, а другая охлаждается. Вся суть эффекта заключается в пластине элемента Пельтье, которая состоит из двух слоев. Каждый слой в зоне проводимости имеет разные уровни энергии электронов. Под действием внешнего напряжения электрон переходит в более высокоэнергетическую зону проводимости и приобретает энергию. При этом процессе место контакта полупроводников охлаждается (при обратном направлении тока происходит обратный эффект). Главным достоинством такого элемента является простота его конструкции, отсутствие подвижных частей и потоков жидкости или газа. Это дает полную бесшумность в работе, компактные размеры и высокую стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и напряжение для работы требуется всего несколько вольт. Однако такой термоэлектрический элемент имеет существенный недостаток: у него относительно невысокая эффективность, практически в 1,5 раза ниже, чем у компрессионных испарительных тепловых насосов. Поэтому практическое применение элементов Пельтье ограничено и широко применяется лишь в переносных автомобильных холодильниках.

Уравнение теплового баланса

Тепло, поступающее на холодные спаи ветвей за счет эффекта Джоуля и механизма теплопроводности, а также тепловой поток от охлаждаемого объекта поглощаются на холодном спае за счет эффекта Пельтье. Тепло, поглощаемое термоэлектрическим модулем, называется холодопроизводительностью - Qc.

3.3 Устройство и основные характеристики термоэлектрический модуля (тэм)

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ)  является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.