Применение термоэлектрического охлаждения Холодильные системы для электроники и телекоммуникаций:

• термостабилизация элементов электронной техники — эго не­обходимое условие улучшения их параметров. Термоэлектрический метод во многих случаях как нельзя лучше подходит для этих целей с точки зрения стоимости и эффективности. Традиционно термоэлек­трическое охлаждение используется для термостабилизации элек­тронных блоков, размещаемых в специальных шкафах; заданная тем­пература с определенной точностью поддерживается во всем объеме шкафа;

• температурная стабилизация лазерных диодов для волоконно- оптических систем - важнейшее быстро развивающееся направление термоэлектрического охлаждения. Очевидно, это связано с бурным развитием систем телекоммуникаций, в первую очередь - с расшире­нием сетей Интернет;

• необходимость охлаждения интегральных микросхем (микро­чипов) вызвана тенденцией микроминиатюризации элементов элек­троники. При микроминиатюризации быстро возрастают плотности потоков тепла, которые требуется отвести. Эти плотности достигают сотен Вт/см². Здесь термоэлектрический метод также является прак­тически безальтернативным методом термостабилизации;

• температурная стабилизация параметрических усилителей, приемников излучения, электронных блоков для систем ночного ви­дения, микропроцессоров вычислительных систем и систем автома­тики и т. п., - все это области применения термоэлектрического ох­лаждения.

Лабораторное и научное оборудование с использованием термоэлектрических охладителей:

• охлаждаемые инфракрасные детекторы, рефрактометры, лазер­ные коллиматоры,. фотоумножители, ПЗС матрицы, интегральные схемы, электронные платы, спектрофотометры, термопрограмматоры;

• охлаждаемые камеры и мешалки;

• детекторы точки замерзания жидкостей и точки росы;

• эталоны абсолютно черного тела;

• ячейки для электрофореза и осмометры;

• нализаторы загрязнения воздуха;

• приборы для определения температуры застывания нефти.

Процессы и способы охлаждения

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене — это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

  Охлаждение бывает естественным и искусственным.

  Естественным охлаждениемназывается теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой — наружным воздухом и водой естественных водоемов. Однако при таком охлаждении температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Поскольку температура окружающей среды для большинства стран, в том числе и Российской Федерации, зависит от времени года, то использование окружающей среды в летний период для охлаждения пищевых продуктов не дает желаемых результатов. Выйти из положения можно, если заготовить зимой лед и разместить его в ледниках (погребах), тогда летом погреба можно использовать для охлаждения и хранения продуктов. Для получения более низких температур применяют смесь льда с поваренной солью. Однако лед или смесь льда с солью воспринимают тепло охлаждаемых продуктов, изменяют свое агрегатное состояние и теряют охлаждающую способность. Поэтому таким способом охлаждения можно пользоваться только кратковременно, так как запасы льда ограничены. Учитывая большую трудоемкость, связанную с заготовкой водного льда, сложность получения низких температур, высокое содержание микроорганизмов в водном льде и другие факторы, естественное охлаждение заменяют искусственным.

К искусственному относится охлаждение эвтектическим и "сухим" льдом, а также с помощью кипящих жидких газов и термоэлектричества. Достоинством искусственного охлаждения является возможность поддержания заданного режима хранения в любое время года.

Охлаждение с помощью холодильных машин называется машинным охлаждением.

Под низкими температурами, как правило, понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

• фазовый переход вещества — плавление, кипение (испарение), сублимация;

• адиабатическое расширение газа;

• дросселирование реального газа и жидкостей;

• термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

Фазовый переход вещества. Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Наиболее доступным веществом, применяемым для получения низких температур, является водяной лед, который при атмосферном давлении плавится при 0°С и имеет относительно большую удельную теплоту плавления (335 кДж/кг). Более низкую температуру плавления получают, смешивая лед с некоторыми солями.

Плавлениемназывают переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Скрытая теплота плавления, или просто теплота плавления, — это количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимациейназывается переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу.

Теплотойсублимацииназывается количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

Кипениемназывается процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости.

Подобно тому, как температура льда в течение всего периода его таяния остается неизменной, температура жидкости, нагретой до точки кипения, также остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар называется испарением. Испарение происходит только с поверхности жидкости.

В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования. Температура конденсации так же, как и температура кипения, зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура — увеличивается давление, и наоборот.

Адиабатическое расширение газа. Процесс, протекающий без теплообмена между рабочим телом (газом) и окружающей средой (стенками цилиндра), называетсяадиабатным. Известно, что внутренняя энергия тела определяется скоростью движения молекул и атомов. В нагретом теле скорость движения большая, в менее нагретом — меньшая. Если сжатому газу в цилиндре предоставить возможность расширяться, то газ будет совершать работу. Его молекулы, ударяясь о поверхность поршня, будут отдавать часть кинетической энергии, а их скорость отскока от поверхности поршня будет уменьшаться. Следовательно, работа в цилиндре осуществляется за счет уменьшения кинетической энергии молекул газа. Температура газа при этом будет понижаться. Учитывая, что процесс расширения газа происходит за доли секунды, теплообмен между газом и стенками цилиндра принято считать равным нулю. Все быстро протекающие процессы можно считать адиабатными. Если воздух, сжатый до 5 МПа при температуре 27 °С, адиабатически расширить до давления 0,2 МПа, то его температура понизится до -155°С.

Применяется в воздушных холодильных машинах.

Дросселирование реального газа и жидкостей. Дросселированием называют процесс создания искусственного сопротивления на пути движения газа или жидкости, который протекает без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой.

Термоэлектрическое охлаждение. Возможность получения холода путем непосредственной затраты электрической энергии было доказано в 1834 г. французским физиком Пельтье, который установил, что при прохождении тока в замкнутой цепи, спаянной из двух разных металлов (термопары), один спай нагревается, а другой охлаждается. Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру и был источником охлаждения, теплый спай необходимо охлаждать, иначе теплота от него будет передаваться путем теплопроводности к холодному спаю. В 1949 г., благодаря работам советских ученых во главе с академиком А. Ф. Иоффе, термоэлектрическое охлаждение стали применять в технике.

Если термоэлементы последовательно соединить в батарею, то верхняя поверхность такой батареи будет холодной, а нижняя — горячей. Разместив верхнюю поверхность батареи в герметичном объеме (шкафу), воздух в шкафу будет охлаждаться, а теплота, выводимая из шкафа, будет передаваться в окружающий воздух через нижнюю поверхность батареи.