INSTALATII FRIGORIFICE TERMOELECTRICE

INSTALATII FRIGORIFICE TERMOELECTRICE

Efectele termoelectrice, care apar in conductoarele strabatute de curent electric in prezenta unui gradient de temperatura, sunt rezultatul interdependentei intre curentul electric si curentul caloric. Exista trei efecte termoelectrice: efectul Seebeck, efectul Thomson* si efectul Peltier.

Efectul Seebeck consta in aparitia unei tensiuni termoelectrice in conductori de natura diferita, ale caror suduri (1 si 2, fig. 3.63) se gasesc la temperaturi diferite. Acest fenomen a fost pus in evidenta de catre Thomas Seebeck in anul 1821. Tensiunea Seebeck depinde de natura conductorilor si de gradientul de temperatura si este data de relatia:

in care S_a si S_B sunt coeficientii termoelectrici absoluti (coeficientii Seebeck) corespunzatori materialelor din care sunt realizati conductorii, iar T₁ si T₂ sunt temperaturile celor doua suduri. Efectul Seebeck are aplicatii la confectionarea termocuplelor, dispozitive care sunt folosite la masurarea temperaturilor. Materialele din care sunt confectionate termocuplele se aleg in functie de intervalul de temperatura, de precizia necesara, de cost, durata de viata etc.

In 1834 Jean Peltier a descoperit ca, trecand un curent electric prin sudura realizata din doua metale diferite, in functie de sensul curentului, se absoarbe sau se cedeaza o cantitate o cantitate de caldura, proportionala cu cantitatea de electricitate ce traverseaza jonctiunea, acesta fiind denumit efectul Peltier. In cazul schemei din fig. 3.64, sudura (4) se raceste (este sudura rece), in timp ce sudura (3) se incalzeste (aceasta fiind sudura calda).

Efectul Peltier este redus in cazul utilizarii metalelor, el putand fi amplificat prin utilizarea semiconductorilor de tip p si n (fig. 3.65). Acestia sunt obtinuti din semiconductori carora li se adauga impuritati.

Fluxul de caldura schimbat prin efect Peltier cu mediul inconjurator in punctul de jonctiune a doi semiconductori este:

in care este coeficientul Peltier al cuplului format din cei doi semiconductori, si sunt coeficientii Peltier ai celor doua materiale (P=S·T), iar I este intensitatea curentului electric sAt

Efectul Peltier este diminuat de doua fenomene auxiliare:

• incalzirea semiconductorilor la trecerea curentului electric, prin efect Joule-Lenz;

transferul de caldura prin conductie de la sudura calda la cea rece

Fluxul de caldura din cauza efectului Joule-Lenz este:

Pentru calculul puterii frigorifice se admite ca jumatate din aceasta caldura se transmite sudurii calde si jumatate sudurii rece.

Transferul de caldura de la sudura calda la cea rece este dat de relatia:

in care k este coeficientul global de transfer de caldura de la sudura calda la cea rece sW/Kt, T este temperatura sudurii calde, iar T₀ este temperatura sudurii reci. Coeficientul global de transfer de caldura se poate determina cu relatia:

in care l si l sunt coeficientii conductivitate termica ai celor doua materiale sW/m·Kt, s₁ si s₂ sunt sectiunile celor doua brate ale elementului Peltier sm²t, iar l este lungimea smt.

Tinand cont de cele mentionate mai sus, puterea frigorifica va fi:

Puterea frigorifica maxima se obtine punand conditia , care ne conduce la valoarea optima a intensitatii curentului:

iar puterea frigorifica maxima va fi:

Temperatura minima a sudurii reci se obtine atunci cand fluxul de caldura datorat efectului Peltier compenseaza caldura transferata prin conductie si cea produsa de efectul Joule-Lenz:

Introducand relatia pentru intensitatea optima a curentului electric si tinand cont de relatiile de mai sus, rezulta diferenta de temperatura maxima ce se poate obtine prin efect Peltier:

relatie care permite determinarea temperaturii sudurii reci in functie de temperatura sudurii calde.

Eficienta frigorifica a elementului Peltier se defineste ca fiind:

unde P este puterea consumata:

Astfel, eficienta frigorifica va fi:

Fluxul de caldura cedat de catre sudura calda se determina din relatia:

Eficienta frigorifica maxima rezulta punand conditia , relatie din care rezulta intensitatea curentului electric:

in care:

• 
• (eficacitatea termocuplului).

Inlocuind intensitatea curentului in relatia eficientei frigorifice, in final obtinem eficienta frigorifica maxima:

adica o eficienta mai mica decat cea a ciclului Carnot invers delimitat de temperaturile T si T₀.

Un sistem de racire utilizand un element Peltier este construit, in principiu, conform schemei din fig. 3.67. Se observa ca elementul (3) este montat intre radiatoarele (2) si (4), unul aflandu-se in spatiul care trebuie racit, iar cel de al doilea in exteriorul acestuia. Ventilatoarele (1) si (5) asigura circulatia aerului peste radiatoare, imbunatatind conditiile in care are loc transferul de caldura; in plus, ventilatorul din spatiul racit asigura, prin circulatia aerului, uniformizarea temperaturii in intregul volum.

Un material curent utilizat pentru realizarea elementelor Peltier este Bi₂Te₃; pentru semiconductorul de tip n, coeficientul Seebeck este , iar pentru semiconductorul de tip p coeficientul Seebeck este .

Temperatura minima realizata cu un singur element Peltier poate atinge valori de pana -30⁰C; temperaturi mai scazute se realizeaza prin montarea in serie a mai multor elemente Peltier.

Principalele dezavantaje ale utilizarii elementelor Peltier pentru racire sunt legate in primul rand de costul ridicat al acestora, dar si de fragilitatea elementelor, care nu rezista socurilor mecanice.