18. Термоэлектрическое охлаждение.

Метод термоэлектрического охлаждения основан на эффекте Пельтье (1834 г.). Этот эффект заключается в выделении (или поглощении) теплоты Q в месте контакта двух различных проводников, включенных в электрическую цепь, при прохождении через нее тока. Рабочий средой в такой электрической цепи из двух разнородных проводников является электронный газ, который переносит энергию от холодного контакта к теплому.

Кинетику термоэлектрических явлений объясняют на основе статистической теории электронного газа. При движении электронов в металлическом проводнике под действием разности потенциалов их средняя кинетическая энергия различна для разных материалов. При переходе электронов из одного материала в другой этот избыток (или недостаток) энергии выделяется (или поглощается) в виде теплоты Q в зоне контакта. Термическая неравновесность проводника также приводит к диффузии электронов из теплой зоны в холодную, влияя на термоэлектрические явления. Если учесть еще и джоулеву теплоту, то полная картина явлений в проводнике с током оказывается достаточно сложной. Эффект Пельтье у металлов мал, значительно выше он у полупроводников, особенно в парах разнородных полупроводников дырочного (р) и электронного (n) типов. Схема термоэлемента, состоящего из двух последовательно соединенных полупроводниковых ветвей А и В, приведена на рис. 87. При прохождении тока в зоне с низкой температурой T_x поглощается теплота Q_x, необходимая для образования пары электрон–дырка, которая движется в зону с высокой температурой Т₀, где эта пара аннигилирует с выделением теплоты Q₀. Количество теплоты Q_x прямо пропорционально силе тока I и температуре Т_x холодного конца:

Q_x=αIT_x,

где α – коэффициент термоЭДС, зависящий от рода материала. Полная термоЭДС пары проводников А и В определяется разностью абсолютных значений α для каждого проводника α=α_A–α_B.

Уравнение теплового баланса для контакта, находящегося в холодной зоне, при отсутствии теплопритока из окружающей среды имеет вид

(α_A–α_B)IT_x=Q_x+0,5I²R+К(Т₀–T_х),

где Q_x – полезный эффект охлаждения.

Минимально возможная температура T_х может быть достигнута при Q_x=0; тогда соответствующая разность температур

Т₀–T_х=[(α_A–α_B)/T_х–0,5I²R]/K.

Оптимальную силу тока I_opt, соответствующую наибольшей разности температур (Т₀–T_х)_max, можно определить, используя условие максимума д(Т₀–T_х)/дI=0. Тогда I_opt=(α_A–α_B)T_x/R. Подставив I_opt, получим

,

где Ζ=(α_A–α_B)²/(KR) – комплекс, определяющий физические свойства материалов термоэлементов.

Преимущества термоэлектрического охлаждения – простота, отсутствие движущихся частей, высокая надежность. Однако низкие термодинамические характеристики не позволяют пока применять эти устройства для эффективной работы при температуре ниже 170 К.

19. Десорбционное охлаждение.

Процесс физической адсорбции можно использовать для создания систем охлаждения. Метод предложен и впервые осуществлен Ф. Симоном (1928 г.). Рабочая среда находится в газообразном состоянии, а уменьшение энтропии происходит в результате проявления адсорбционных сил, возникающих между поверхностью твердого тела и адсорбируемым газом. Природа этих сил обусловлена ионным взаимодействием. В качестве адсорбентов обычно используют активированный уголь, цеолиты и другие поверхностно-активные материалы. Процесс адсорбции и обратный ему процесс – десорбция – сопровождаются тепловыми эффектами.

Захват молекул газа поверхностью твердого тела (адсорбция) приводит к выделению теплоты, эквивалентной изменению кинетической энергии молекул газа. Отрыв молекул от поверхности адсорбента (десорбция) требует затрат энергии и сопровождается поглощением теплоты. Десорбция, проведенная в адиабатных условиях, приводит к снижению температуры.

На рис. 90 приведена схема аппарата для реализации этого процесса охлаждения. Аппарат состоит из сосуда Дьюара 6, в котором расположен вакуумный кожух 4. Внутри кожуха имеется сосуд 3, заполненный адсорбентом 2 (активированным углем). Охлаждаемая камера 1 предназначена для экспериментальных целей. Сосуд Дьюара заполнен жидким водородом 5, а вакуумный кожух – теплообменным газом (гелием) для установления теплового контакта между жидкими Н₂ и адсорбентом. Охлажденный водородом адсорбент интенсивно поглощает газообразный гелий, поступающий по линии 9. Выделяющаяся теплота адсорбции поглощается жидким водородом; процесс изотермичен. Температура водорода является исходным уровнем процесса (T₀). Откачкой водорода из сосуда 3 вакуумным насосом по линии 7 можно обеспечить Т₀ до 10 К. Затем теплообменный газ удаляется вакуумированием по линии 10, адсорбент адиабатически изолируется, начинается десорбция гелия откачкой его вакуумным насосом через линию 8; в результате в изолированном сосуде 2 (с адсорбентом) температура падает до T_х≈4,0 К при Т₀=14…10 К.

Если вместо водорода использовать жидкий воздух или кислород (T₀≈90 К), а вместо гелия – неон, то в интервале давлений 0,17–1,6 МПа можно достичь температуры Т_х≈68 К (∆Τ=22 К).

Десорбционное устройство просто по конструкции; холодопроизводительность достаточно велика, однако в его классическом варианте (показанном на рис. 90) возможна реализация лишь периодического процесса без регенерации теплоты.