Физические эффекты в холодильниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Джоуля - Томсона эффект

2. Эффект Пельтье и термоэлектрический модуль

3. Эффект Ранка - Хильша

Список литературы

Введение

Холодильник -- электрическое устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере, применяется обычно для хранения пищи или предметов, требующих хранения в прохладном месте (лекарства, косметика). Бытовой холодильник имеется практически в каждой семье. Работа холодильника основана на использовании теплового насоса, переносящего тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду. Существуют также промышленные холодильники, объём рабочей камеры которых может достигать десятков и сотен кубометров, и используются, например, на предприятиях общественного питания, мясокомбинатах, промышленных производствах.

Холодильники могут подразделяться на 2 вида: среднетемпературные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента. Первые двухкамерные холодильники были выпущены фирмой Дженерал Электрик. Объём холодильника обычно измеряется в литрах.

Хотя помещения для хранения продуктов, наполняемые льдом, появились ещё несколько тысяч лет назад, первое бытовое охлаждающее устройство появилось только в середине XIX века. Работало оно при заполнении льдом, периодически требующим замены. В 1856 году австралиец Джеймс Харрисон создал первый холодильник, работающий с использованием компрессора. Он использовался для охлаждения пива. В 1857 году был создан первый железнодорожный вагон-холодильник. Первый бытовой холодильник был создан в 1913 году. Как и промышленные холодильники, он работал с использованием принципа теплового насоса. В первых бытовых холодильниках в качестве охлаждающей жидкости использовались достаточно токсичные вещества. Первая получившая широкое распространение модель холодильника была произведена фирмой General Electric в 1927 году.

1. Джоуля - Томсона эффект

Изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель -- местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (Дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой (адиабатически).

Д. -- Т. э. был обнаружен и исследован английским учёными Дж. Джоулем (См. Джоуль) и У. Томсоном в 1852--62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась температура в двух последовательных сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 1). Значительное трение газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) делало скорость газового потока ничтожно малой, так что при дросселировании кинетическая энергия потока была очень мала и практически не менялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внешней средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе Дp = p1 -- р2, равном 1 атмосфере (1,01 105 н/м2), измеренная разность температур ДT = T2 -- T1 для воздуха составила -- 0,25°С (опыт проводился при комнатной температуре). Для углекислого газа и водорода в тех же условиях ДТ оказалась, соответственно, равной -1,25 и +0,02°С.

Д. -- Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (ДТ < 0), и отрицательным, если газ нагревается (ДТ > 0).

Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества, Д. -- Т. э. свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия (обнаружение этих сил было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, температура расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к Д. -- Т. э., сложнее, т.к. газ не изолирован энергетически от внешней среды. Он совершает внешнюю работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внешнего давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетического баланса в опытах Джоуля -- Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающей до дросселя объём V1, равна p1V1. Эта же порция газа, занимая за дросселем объём V2, совершает работу p2V2. Проделанная над газом результирующая внешняя работа A = p1V1 -- p2V2 может быть как положительная, так и отрицательная. В адиабатических условиях она может пойти только на изменение внутренней энергии газа: A = U2 -- U1. Отсюда, зная уравнение состояния газа и выражение для U, можно найти ДT.

Величина и знак Д. -- Т. э. определяются соотношением между работой газа и работой сил внешнего давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул.

Для идеального газа, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие между собой, Д. -- Т. э. равен нулю.

В зависимости от условий дросселирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться. Температура, при которой (для данного давления) разность ДT, проходя через нулевое значение, меняет свой знак, называется температурой инверсии Д. -- Т. э. Типичная кривая зависимости температуры инверсии от давления показана на рис. 2. Кривая инверсии отделяет совокупность состояний газа, при переходе между которыми он охлаждается, от состояний, между которыми он нагревается. Значения верхних температур инверсии (Ti, max, рис. 2) для ряда газов приведены в таблице.

Д. -- Т. э., характеризуемый малыми значениями ДT при малых перепадах давления Др, называют дифференциальным. При больших перепадах давления на дросселе температура газа может изменяться значительно. Например, при дросселировании от 200 до 1 атмосферы и начальной температуре 17°С воздух охлаждается на 35°С. Этот интегральный эффект положен в основу большинства технических процессов сжижения газов.

Рис. 1. Схема опыта Джоуля -- Томсона. В теплоизолированной трубке создаётся стационарный проток газа. После прохождения газа через дроссель его давление p, уд. объём V и температура Т изменяются.

Рис. 2. Кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект Джоуля -- Томсона положителен (ДT < 0), вне кривой -- отрицателен (ДТ > 0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю.

2. Эффект Пельтье и термоэлектрический модуль

В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье, который в 1834 г. обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников (Рис.1).Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p- или n-). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале p-n перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Tc) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (p-n или n-p переходу).

Рис.1 Схема действия эффекта Пельтье.

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qс), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Qh). Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (Рис.2). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах - от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки, например, селен и сурьму. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая и она изображается снизу.

Рис.2 Так выглядят модули Пельтье.

морозильник тепловой насос охлаждение

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока возникает разность температур (dT=Th-Tc) между его сторонами: одна пластина (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. По сути элемент Пельтье является своеобразным тепловым насосом. При использовании модуля Пельтье необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны, например, с помощью воздушного радиатора или водяного теплообменника (водоблока). Здесь надо учесть, что отводить придется не только "перекачиваемую" теплоту, но и добавляемую (примерно 50%) самим модулем. Если поддерживать температуру горячей стороны модуля на уровне температуры окружающей среды, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже. В высококачественных серийных ТЭМ известных производителей, например, ИПФ КРИОТЕРМ (г. Санкт-Петербург), разность температур может достигать 74 град на одном каскаде. Модуль является обратимым, т.е. при смене полярности постоянного тока горячая и холодная пластины меняются местами. Можно использовать модуль в режиме термоциклирования: чередовать режим охлаждения с режимом нагрева с помощью переключателя. Как уже отмечалось, степень охлаждения пропорциональна величине тока, проходящего через ТЭМ, что позволяет при необходимости плавно регулировать температуру охлаждаемого объекта, причем с высокой точностью. Внешний вид различных типов однокаскадного ТЭМ представлен на Рис.3.

Рис.3 Так выглядят модули в жизни.

Для лучшего понимания практического применения ТЭМ при охлаждении процессора все-таки нужно уяснить кое-какую теорию, в которой объясняется, как пользоваться программой KRYOTHERM с сайта компании. В статье №2 приводится пример расчета модуля для охлаждения процессора.

dTmax (град) - это максимальная разность температур между сторонами модуля, достигаемая при идеализированных условиях: при температуре горячего спая Th, поддерживаемой равной 27 град С (ученые выбрали это значение температуры потому, что в градусах по шкале Кельвина - это круглая цифра в 300 град), и при нулевой холодопроизводительности (холодильной мощности) (Qc=0), т.е., якобы, на холодную сторону модуля не поступает никакого тепла (глубокий вакуум, что-ли). Значение dTmax для однокаскадного модуля зависит только от эффективности термоэлектрического вещества. Например, максимальная разность температур для отдельных экспериментальных образцов ИПФ КРИОТЕРМ достигает 76 град. Для многокаскадных модулей значение dTmax зависит не только от эффективности вещества, но и от числа каскадов охлаждения и конфигурации модулей. Максимальная разность температур для двухкаскадных модулей повышенной мощности составляет 83-87 град, а для четырехкаскадных модулей достигает 140 град. Но здесь многокаскадные модули не рассматриваются.

Qmax (Вт) - холодопроизводительность при токе I=Imax и разности температур dT=Th-Tc=0, т.е. считаем, что вся теплота, поступающая на холодную сторону модуля мгновенно и без потерь перекачивается на горячую, причем температура горячей стороны Тh поддерживается равной 27 град С. Величина Qmax традиционно определяется как максимальная, но важно отметить, что на самом деле эта холодильная мощность не является максимальной. Дело в том, что величина Qmax определяется при токе Imax, который является оптимальным для максимальной, а не для нулевой разности температур. При токе несколько большем Imax и при сохранении нулевой разности температур возможно получение холодопроизводительности, большей Qmax примерно на 6 %.

Umax (В) - это напряжение, соответствующее току Imax и разности температур dTmax Imax (А) - это ток, при котором достигается разность температур dTmax.

Что такое СOP? COP (Сoefficient Of Рerformance) - это отношение холодильной мощности модуля к электрической, потребляемой модулем, и характеризует экономичность протекающих процессов, т.е. своеобразный аналог К.П.Д. При заданном значении тока COP практически линейно зависит от разности температур и при более меньших разностях температур он выше. Для термоэлектрических устройств COP в среднем составляет 0.3-0.5, что ниже значений холодильного коэффициента компрессионных машин. Несмотря на отставание по холодильному коэффициенту, во многих случаях применение термоэлектрических модулей является более выгодным, а в ряде случаев и единственно возможным. Более того, теоретически при нулевой разности температур и при малых токах холодильный коэффициент в пределе стремится к бесконечности! На практике это означает, что, если необходимо иметь повышенную экономичность устройства, то предпочтительней использовать большее количество модулей и питать их меньшим напряжением (током).

Какой источник питания необходимо использовать для модулей? Для работы модуля необходимо, чтобы через него протекал постоянный ток. Пульсации постоянного тока не должны превышать 5 %. Если уровень пульсаций будет выше, модуль, конечно, не "умрет", но его параметры будут хуже. Постоянный ток может быть создан как источником тока, так и источником напряжения, но последние используются более широко. Источник тока стремится поддерживать постоянство заданной силы тока, источник напряжения- соответственно напряжения. Подаваемое на модуль напряжение должно выбираться исходя из максимального напряжения модуля Umax и выбранного режима работы (максимальной холодильной мощности или максимального холодильного коэффициента). Максимальный ток (мощность) источника должен выбираться исходя из величины напряжения и сопротивления модуля переменному току. Следует отметить, что рабочая величина тока в стационарном режиме может быть меньше своего первоначального значения примерно на 20-35 %, поскольку благодаря эффекту Зеебека величина тока зависит от разности температур.

Какое напряжение следует подавать на термоэлектрический модуль? Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, величина максимального напряжения для которых составляет примерно 16 В. На эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т. е. примерно 75 % от величины Umax. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным и позволяет обеспечить, с одной стороны, достаточную мощность охлаждения, а с другой стороны, достаточную экономичность (холодильный коэффициент). При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности будет слабым, а потребляемая мощность будет резко увеличиваться. При понижении напряжения питания экономичность будет расти, холодильная мощность будет уменьшаться, но линейно, что очень удобно для организации плавного регулирования температуры. Для модулей с числом пар ветвей отличным от 127, напряжение можно выбирать по тому же принципу, - чтобы оно составляло 75 % от Umax, но при этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны, и возможности источников питания. На модули серии ДРИФТ (199 термоэлектрических пар) рекомендуется подавать напряжение от 12 до 18 В постоянного тока. Такой выбор напряжения питания при условии применения мощных модулей серии ДРИФТ позволяет добиться большой холодильной мощности без снижения холодильного коэффициента, что особенно важно при охлаждении компьютерных процессоров.

Как подобрать подходящий Пельтье? В статье №3 приведен пример выбора модуля, где надо охладить воду. В статье №4 смотрите компьютерную программу "Криотерм" подбора модулей для различных целей.

А здесь можно посмотреть примеры применения модулей Пельтье в различных бытовых устройствах.

Рис. 4 Сборка: процессор, Пельтье, кулер.

Принципиальная возможность применения элементов Пельтье для охлаждения мощных компонентов электроники известна довольно давно. С ростом единичной мощности электронных компонентов в последние годы и, следовательно, увеличением количества выделяющегося тепла задача охлаждения, например, процессоров в компьютерах (Рис. 5), приобретает все возрастающее значение. Кулеры рассчитаны на “спокойную” штатную работу процессоров. Однако все большее количество граждан хотят “разогнать” свое “железо” и тут без элементов Пельтье во многих случаях не обойтись. В последнее время многие все чаще посматривают и в сторону жидкостного (водяного) охлаждения . Но и здесь термоэлектрические модули могут существенно помочь “overclockers”. Ни один, даже самый навороченный кулер, даже с помощью "водянки" в принципе не приблизит температуру на процессоре к температуре окружающей среды.

3. Эффект Ранка-Хильша

Экспериментальными исследованиями Ранка в 1933 г. было установлено, что вихревой поток воздуха у оси и на периферии циклона имеет различную температуру. Спутся 13 лет открытие Ранка было подтверждено Хильшем на примере вихревой трубы. В настоящее время вихревые охладители в силу простоты конструкции и эксплуатации имеют широкий диапазон применения.

Охлаждающей средой, применяемой в вихревых охладителях, могут быть воздух, гелий, природные газы и др. Однако воздух является наиболее распространенным хладагентом.

Рис1. Вихревая трубка

Вихревая трубка труба (Рис.2 ) обычно имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена диафрагма 2. Рядом с ней тангенциально размещен патрубок - сопло 3. В противоположном (горячем) конце трубы расположен дроссельный вентиль 4.

Рис2.

Схема вихревой трубы

где 1 - труба, 2 - диафрагма, 3 - сопло, 4 - вентиль

Вихревой эффект несмотря на довольно продолжительный срок исследований до сих пор не имеет единого, признанного всеми, научного объяснения. Нижеприведенная гипотеза базируется на передаче кинетической энергии в потоке завихренного воздуха.

В сопло 3 подается сжатый воздух. Попадая по касательной в трубу 1 завихряется и приобретает кинетическую энергию. Воздух двигается в вихревом потоке с различной угловой скоростью. У оси трубы скорость вращения больше, чем на периферии. Поэтому внутренние слои воздуха, отдавая кинетическую энергию внешним слоям, охлаждаются до температуры tх и выходят через диафрагму 2. Нагретый до температуры tг воздух выходит через свободный конец трубы. Расход и температура воздуха регулируются дроссельным вентилем 4. Температура охлажденного воздуха зависит от его начальных параметров - давления и температуры, а также от конструкции устройства. При давлении P = 0,4...1 МПа и температуре tн = 20оС воздух может быть охлажден до конечной температуры tх = -80...0оС.

Список литературы

1. "PC: настройка, оптимизация и разгон". 2-е изд., перераб. и доп., -- СПб.: BHV -- Петербург. 2000. -- 336 с.

2. Большая советская энциклопедия. -- М.: Советская энциклопедия. 1969--1978.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- М.: Наука, 1972. - С. 720.

4. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. - М.: Физматгиз, 1959. - Т.1. - С. 464.

5. http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Джоуля%20-%20Томсона%20эффект/

Размещено на Allbest.ru