Ключевые слова: машина, охладитель, устройство, высокая надежность, холодильник
Теплообмен, являясь одним из наиболее распространенных процессов в природе, связывает между собой процессы охлаждения и нагревания [3]. Развитие науки и техники за последние годы характеризуется широким использованием методов искусственного охлаждения. Сравнительно недавно наиболее эффективно искусственный холод производили фреоновые холодильные машины, которые практически полностью удовлетворяли все потребности. Но в последнее время появились качественно новые требования к холодильникам, которые не могут быть удовлетворены фреоновыми устройствами. Важными факторами для холодильника становятся габаритные и весовые характеристики, величина энергопотребления, возможность надежной работы под воздействием статических и динамических перегрузок, большой срок службы и другое. Многие из них не могут быть удовлетворены компрессионными холодильниками. Поэтому вполне понятен тот большой интерес, который проявляется к новой отрасли холодильной техники — технике термоэлектрического охлаждения [2].
Принцип работы термоэлектрических машин базируется на термоэлектрических явлениях переноса энергии в электрических и тепловых полях. К этим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.
Эффект Зеебека — возникновение электродвижущей силы ЭДС (термо-ЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников [1]. Проще говоря, если соединить два любых материала между собой в один контур и подвергнуть их контакты разности температуры, то в контуре потечет ток.
Эффект Пельтье — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.
Эффект Томсона — выделение или поглощение в объеме проводника дополнительной теплоты при наличии в проводнике с током перепада температур [1].
Таким образом термоэлектрические охлаждающие устройства — это устройства для переноса тепловой энергии от теплопередатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой, применяются для охлаждения и поддержания необходимой температуры термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, а также в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, медицинских приборах и во многом другом. Термоэлектрический метод охлаждения позволяет осуществит понижение температуры в малом объеме при незначительных габаритах и массе всего устройства.
Кроме термоэлектрических охлаждающих устройств существуют другие типы промышленных холодильных машин, такие как компрессионные — в них охлаждение происходит за счет работы мотора-компрессора, конденсатора и испарителя, работающих с хладогентом, абсорбционные — в их основе лежит поглощение некоторых паров хладагентов каким-либо веществом с последующим выпариванием их и эжекторные холодильные машины, в которых для получения холода используется испарение жидкости [5]. Но всех их применяют как раздельные источники теплоты и холода, в отличие от термоэлектрических охлаждающих устройств, которые способны как охлаждать, так и обогревать, в зависимости от поставленного режима.
И это далеко не все достоинства, данные устройства содержат в себе ряд других преимуществ:
− простота конструкции, которая в свою очередь обеспечивает высокую надежность и не влияет на работоспособность при переворачивании;
− способность работать эффективно в условиях значительных ускорений, перегрузок, крене, дифференте, в вакууме;
− полное отсутствие шума при работе, так как в них нет движущихся и трясущихся частей;
− компактность, которая позволяет устанавливать устройства в любом месте;
− малые массы и габариты;
− отсутствие хладагента и масла;
− возможность использования низкопотенциальной тепловой энергии;
− экологическая безопасность;
− удобство в управлении.
Несмотря на такое количество достоинств, термоэлектрические охладители так же имеют свои недостатки. Основными из них являются низкая экономичность и высокая стоимость, связанная с высокими ценами на полупроводниковые материалы [1].
В качестве полупроводниковых термоэлементов в термоэлектрических охлаждающих машинах используются сплавы свинца, теллура и сурьмы, окислы металлов и чистые химические элементы, германий, кремний, селен и их соединения [4].
Термоэлектрические охладители уже получили широкое применение и используются в различных сферах жизни. Например, в различных бытовых приборах, на предприятиях торговли и питания: в переносных холодильниках, стационарных охладителях — фильтрах воды, в охладителях — нагревателях питания. Эксплуатируются автомобильные холодильники, охладители сидений и шлемов, термоэлектрические блоки для транспортных кондиционеров. Так же созданы термоэлектрические охладители приемников лучистой энергии: микротермостаты для охлаждения фотосопротивлений и болометров, термоэлектрических охладитель для радиационных балансомеров и для фотоумножителей. Успешно применяются и в медицине, например: микрохолодильник для лечения кожных заболеваний, холодильник для пластической хирургии, термоэлектрический криоэкстрактор катаракты и многое другое [2].
После описаний, представленных выше, стоит задуматься над некоторыми вопросами. Нужно ли широко внедрять термоэлектрические охладители?
Смогут ли они в полном объеме заменить другие типы холодильных машин? Ответы на эти вопросы пока не однозначны. Несомненно, термоэлектрические охладители имеют массу преимуществ в отличии от других типов охлаждающих устройств. Они удовлетворяют главные требования, предъявляемые к судовым машинам и механизмам: высокая надежность, малые масса и габариты и бесшумность. Но существенные недостатки, указанные выше, не позволяют пока использовать их повсеместно.
Путь совершенствования один: необходимо создавать новые полупроводниковые материалы, отличающиеся сравнительной дешевизной, которые не будут уступать по качеству прежним материалам, а также серийно производить эффективные в экономическом плане термобатареи.
Литература:
1. Чернов А. И., Коробцов В. Г. Испытание термоэлектрического охладителя жидкости. — СПб.: СПбГМТУ, СПб., Лоцманская ул., 10, 2011. — 36 с.
2. Коленко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. — Ленинград: Л. Наука, 1967. — 286 с.
3. Кошкин Н. Н. Холодильные машины. — Ленинград: Машиностроение, 1976. — 462 с.
4. Термоэлектрическое охлаждение // Основы электроакустики. URL: http://audioakustika.ru/node/1152 (дата обращения: 24.01.2020).
5. Типы холодильных машин // Все лекции. URL: http://vse-lekcii.ru/zheleznodorozhnyj-transport/hladotransport/tipy-holodilnyh-mashin (дата обращения: 24.01.2020).
