 |
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
Qп = p I, где
p — коэффициент Пельтье;
I — сила тока.
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: 1 — корпус: 2 — крышка; 3, 8— крыльчатки; 4 — резистор; 5 — электродвигатель; 6 — термоохпаждающий агрегат; 7 — радиатор тепла; 9 — радиатор холода; 10 — соединительный шнур; 11 —переключатель
б — электрическая схема: М—электродвигатель: S —выключатель; R — резисторы; G — источник питания
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
 |
Холодильник «Чайка» ТЭХ-40 |
| Тип холодильника | Термоэлектрический | Разность температур окружающей среды и в холодильной камере, С | 20 |
| Объем низкотемпературной камеры, дм3 | 40 | ||
|---|---|---|---|
| Потребляемая мощность, Вт | 79 | Габаритные размеры, мм | 586х476х460 |
Устройство холодильника.
Внешняя облицовка (корпус) холодильника вместимостью 40 дм3 выполнена из листовой стали толщиной 0,8 мм и оклеена синтетической пленкой, внутренняя обшивка — из листового алюминия толщиной 3 мм. Пространство между облицовками заполнено теплоизоляцией (пенополиуретаном). Обе облицовки соединены рамкой из ударопрочного полистирола. Внутри камеры холодильника установлены полочки. Уплотненная профильной резиной дверца с самозащелкивающимся замком открывается вниз и может служить столиком.
Рис. 1 Внешний вид и устройство холодильника «Чайка»
В задней стенке холодильника размешен блок питания, состоящий из двух термоэлектрических батарей. В каждой батарее последовательно соединено 60 термоэлементов. Рядом с термоэлектрическими батареями установлены алюминиевые блоки-теплопереходы, отдающие теплоту, отводимую батареями из шкафа через ребристые радиаторы наружному воздуху. Прилегающие к плоскости термоэлектрических батарей поверхности деталей покрыты анодной электроизоляционной пленкой и смазаны теплопроводной пастой.
На горячей стороне термоэлектрических батарей на ребристых радиаторах расположено по 18 алюминиевых пластин размером 140х180х2 мм. Шаг ребер 4 мм. От радиатора теплота отводится осевым вентилятором типа К-95 подачей 40 м3/ч.
Электродвигатель с вентилятором, воздуховоды, блок электропитания и терморегулятор размещены на задней стенке холодильника под съемной крышкой из полистирола.
Блок электропитания термоэлектрических батареи, работающий по схеме двухполупериодного выпрямителя, состоит из силового трансформатора, двух германиевых диодов Д1 и Д2 типа Д-305, дросселя Др, двух конденсаторов емкостью до 50 мкФ и двух реле МКУ-48С с кнопкой.
В камере термоэлектрического холодильника ТЭХ-40 поддерживается температура 2…5°С, регулируемая терморегулятором РТ (ТРХ-2А) по схеме изменения напряжения, подаваемого на термоэлектрические батареи ТБ. В такой схеме первичная обмотка силового трансформатора разделена на две секции.
Рис. 2 Электрическая схема холодильника «Чайка»
При включении холодильника кнопкой К срабатывает промежуточное реле 2Р. Контактом 2Р1 оно переключается на самопитание, а контактом 2Р2 включает двигатель вентилятора ДВ и подготавливает цепь 1Р для автоматической работы. При повышении температуры в шкафу tшк реле температуры РТ включает 1Р. Контакт 1Р1 разомкнется, а контакт 1Р2 замкнется, т. е. включатся обе секции трансформатора Тр. Термобатарея ТБ работает на полную мощность (73 Вт).
При достижении tшк = 2°СРТ отключает 1Р. При этом контакт 1Р2 отключает одну секцию трансформатора, а через контакт 1Р1 питается только одна секция. Холодопроизводительность батареи вдвое уменьшается, и температура в шкафу возрастает до 5°С.
От аварийного перегрева термоэлектрические батареи защищает биметаллический терморегулятор ТР, установленный на крайнем ребре радиатора. Реле температуры отключает холодильник при температуре радиатора 70°С. В камере достигается температура 5°С примерно через 3 ч после включения. В цепи питания холодильника от электросети установлен предохранитель, рассчитанный на силу тока 2 А.
Статья подготовлена по материалам книги «Холодильники от А до Я» С.Л. Корякин-Черняк