Термоэлектрическое охлаждение - все впереди

Д.А.Тайц, к.ф.-м.н. 

В солидном томе 1900 г. «Итоги 19-го века» сравниваются  экономические показатели стран, вступающих в 20 век, и, прежде всего наиболее промышленных: Великобритания, Германия, Франция, Австро-Венгрия, США. По основным, индустриально значимым показателям: уголь, грузоперевозка, железные дороги, механизация (паровые машины), продовольствие – США вполне на уровне Европы, и в то же время по такому «несущественному» признаку, как объем линий телеграфной связи и годовое количество телеграмм на душу, Америка во много раз превосходит Европу.


Конечно, в те времена не имели ни малейшего понятия, что именно этот косвенный показатель – наиболее значимый признак интенсивного обгоняющего развития, а, тем более, что он перейдет в пятидесятикратное превосходство по телефонизации по отношению к СССР или двукратное для Европы 50-х годов.Экономисты и политики всегда стремились найти критерий, по возможности простой, но наиболее полно отражающий достигнутый уровень развития промышленности и экономики. Этому долгие годы безоговорочно для СССР служили «выплавка чугуна и стали на душу населения». Поисками комплексного параметра,  отражающего состояние промышленности, эффективность производства, уровень и качество жизни занималось в 50-е годы культурное отделение ООН.

Известный теплофизик проф. В.С.Мартыновский, работавший в ЮНЕСКО, сообщил, что среди набора ответственных критериев «уровня и перспективы» помимо производства бумаги на душу населения рассматривалось… производство искусственного холода на каждого жителя (в пересчете на «лед»). Этот параметр, помимо удобства его оценки, полагался наиболее обобщающим.[1]

Критерий «холода» ставил США далеко впереди и означал не только количество потребляемого льда для коктейля. Холодильная промышленность – это индустрия, создание машин и устройств для реализации не материальных изделий или энергии, но некоего эфемерного «невещественного» исчезающего после своего производства, не сохраняемого продукта, всемерно влияющего на качество и уровень всего создаваемого. Холодильная промышленность – это индустрия продовольствия, сельское хозяйство, транспорт, медицина, химическая промышленность, научное приборостроение. Без развитой промышленности, приспособленной для широкого использования холодильной техники невозможны существование современных крупных городов, предприятий и даже концентрации людей, нацеленных для решения задач («Силиконовая  долина», науко-города).

Производство холодильных машин и все, что с ним связано (фреоны, теплоносители, гидравлическое оборудование, теплообменные аппараты) – значительная структурно выделенная часть промышленности, поэтому возможное радикальное изменение в методе получения холода, если бы оно случилось, затронуло бы Америку в большей степени, чем, скажем, Европу, где доля техники холодильного оборудования не столь значительна.

А такая возможная угроза переориентации базы холодильной техники нависла над США в начале 50-х годов. Виновником стал акад. А.Ф.Иоффе. Невозможно не удивляться редкому сочетанию в одном лице физика-теоретика, экспериментатора, инженера-организатора науки, главы физической школы, изобретателя. Уже в 30-х годах Иоффе начал активно изучать «никчемные» материалы, которые не были ни полноценными изоляторами, ни проводниками, а точнее и тем, и другим – то, что впоследствии получило имя «полупроводники». Мало того, он понял перспективу энергетического значения «непригодного» термоэлектрического эффекта Пельтье, то есть того явления, какое, по словам академика, прозябало «на задворках курсов физики вместе с люминесценцией и пьезоэлектричеством». Работая в Германии, он обратил внимание на публикацию Альтенкирха (1911 г.), поставившего задачу технического применения, в частности, термоэлектрического эффекта Пельтье. Немецкий исследователь сумел приблизительно вычислить коэффициенты эффективности и предложить расчетные формулы энергетики термоэлемента. Был сделан вывод о бесперспективности для практических целей. Впоследствии, для всех занимавшихся проблемами термоэлектричества были обязательными ссылки на Альтенкирха, хотя, как заметил А.Ф.Иоффе, единственный экземпляр труда в Публичке оставался неразрезанным.

Благодаря работе в Ленинградском Физтехе и в Институте Полупроводников Академии Наук (ИПАН), в конце 60-х годов получение холода на основе термоэлектрического эффекта Пельтье стало реальностью, мировой приоритет этого направления был бесспорен. Эффект Пельтье был извлечен из задворков физики, ознаменовав собой, казалось, начало эпохи безмашинного холода.

В течение 15-летнего послевоенного периода разработаны и доведены до возможности реализации инженерные и технологические решения для устройств электронного охлаждения.

Созданный новый тип холодильников использует явление Пельтье – выделение или поглощение тепла на границе (спае) двух разнородных проводников при прохождении тока.

Техническое воплощение (не только лабораторное) стало возможным благодаря синтезу специальных полупроводниковых материалов, более близких к металлам, чем классическим полупроводникам (четырехкомпонентные сплавы на основе теллуридов висмута).

Эффективность материала, его пригодность целям преобразования тепла выражается коэффициентом добротности Z. Этот параметр пропорционален предельной возможности снижения температуры (То ‑ температура охлаждаемого тела):

Для добротности Z=2,5×10-3, достигнутой в конце 50-х годов, перепад температур (глубина охлаждения) 65 градусов. Холодильный коэффициент (затрата энергии на единицу холода) для домашнего бытового холодильника оказывается примерно 0,5, а для кондиционера – 0,8. Эти значения существенно меньше, чем то, что получается в холодильных  устройствах компрессионного типа.

Возможность преодоления разрыва в эффективности связана только с повышением добротности полупроводниковых материалов. Следует иметь в виду, что за рубежом до 60-х годов термоэлектрическим охлаждением почти не занимались, там упор делался на исследование генераторов (эффект Зеебека). Русские публикации охотно переводились. Сразу после пионерской работы «Термоэлектрическое охлаждение» (АН СССР, 1956 г.) книга появилась в США. Исследования группы А.Ф.Иоффе подтверждались западными исследователями, и возможности метода охлаждения с энтузиазмом принимались. В одном из самых авторитетных международных журналов холодильной техники ASHRAE-Journal  за 1960-1962 г.г. приводятся прогнозы развития техники холода в связи с открывшимися возможностями использования эффекта Пельтье. Изучив темп роста Z за предшествующие десятилетия, авторы предсказывают достижение величины (5...7)×10-3 к 1975 г. , и это означает, что к этому времени энергетическая эффективность электронного охлаждения сравнится с компрессионным способом получения холода. Последствия этого – повсеместная замена механики и радикальная перестройка целой отрасли машиностроения. Для такого развития событий в инженерно-методическом плане действительно все было готово к 70-м годам, недоставало только прогресса в повышении коэффициента добротности. Вопреки очень интенсивным исследованиям, величина Z в производстве не превзошла 3,1×10-3.

А.Ф.Иоффе проявив свойственный ему дар доведения высших достижений науки до практического применения основал (1959 г.) два конструкторских бюро для работ в невиданной доселе области — полупроводникогого термоэлектрического охлаждения (СКБ ИПАН и СКБ ПП). Поставлены конкретные цели: авиация, космос, приборостроение, быт. Результат последовал незамедлительно. Уже в 1961 г. Появилось промышленное внедрение: термостабилизация, лазерная оптика, охлаждение элементов ЭВМ. Именно эти конструкторские бюро стали родоначальниками нескольких организаций, успешно работающих ныне.

Термоэлектрическое охлаждение сразу нашло свою нишу для использования совместно с устройствами электроники.

Это электронные устройства, в которых необходимо охлаждение локальных источников тепла (микромодулей, лазерных источников), либо охлаждение отдельных вентилируемых узлов в электронных корпусах. В различных странах стали выпускаться переносные автомобильные холодильники объемом 5-20 л. (широкого применения они не находят из-за заметной токовой нагрузки при работе на стоянке).

Область, где термоэлектрические охлаждающие устройства большой холодопроизводительности (до десятков киловатт) успешно применяются и обладают безусловными преимуществами — судостроение. Особенно там, где используются атомные энергетические установки, в первую очередь на подводных лодках. В замкнутых помещениях с регенерируемой атмосферой установки с фреоном крайне опасны, не говоря о вибрации и инфразвуковых шумах, в принципе не устранимых.

Развитие техники электронного охлаждения возможно только при наличии специфической элементной базы — стандартных термоэлектрических модулей. Одним из ведущих производителей (не только в масштабе России) стала фирма «ОСТЕРМ СПБ» (генеральный директор Э.А.Изупак). Серийно производятся ряды модулей в широком спектре размерных энергетических, конструктивно варьируемых параметров. Выпускаются каскадные холодильники (от 2 до 5 каскадов, снижение температуры до -120ºС)

Продукция сертифицирована на соответствие американо-европейским стандартам.

Другая организация — научно-производственная фирма «НПФ-ТЭЛ-прибор» (генеральный директор А.Б.Начкебия) — ведущее предприятие, разрабатывающее термоэлектрические холодильные агрегаты корабельного назначения. Фирма выпускает не просто охлаждающие панели–модули, но законченные установки, включающие блоки питания и автоматику для провизионных камер объёмом от 2 м3 до 20 м3 и более. ТЭЛ-прибор выпускает холодильники судового врача и камбузного стола.

Термоэлектрические охлаждающие панели легко монтируются на стенах или потолке провизионных камер (3 °С или -18 °С), практически не занимая места в камерах и не требуя специального дополнительного пространства для обслуживания. Бесшумность, независимость от ориентации и сил тяжести, простота замены блоков. Существенное достоинство – возможность реализации нужной холодопроизводительности набором нормализованных панелей-блоков. Холодопроизводительность одной панели 400¸800 Вт при холодильном коэффициенте 0,3-0,6 для температур -18 °С и +3 °С соответственно.

В процессе разработки возникла необходимость решения необычной в практике холодильной техники задачи: развести без существенных потерь разнонаправленные тепловые потоки на разных температурных уровнях. Дело в том, что источник холода (плоскость поглощения тепла) и источник тепла в установках любой производительности, будь то 0,1 Вт или 20 кВт, разделены расстоянием 3-4 мм! В компрессионных установках испарители и конденсаторы разделены расстоянием в тысячи раз большим, например, в домашнем холодильнике примерно 1 м, в промышленных холодильниках 10-20 м и более.

Мало того, в ничтожном зазоре между зонами, генерирующими теплопереход, имеет место очень высокая плотность съема и подвода тепла – около 4 Вт/см2 .

Энергетическая напряженность, высококонцентрированная нагрузка на средства теплообмена потребовали разработки эффективных, компактных специфических устройств. Таким образом, к настоящему времени в науке, технике электронного охлаждения все есть, чтобы пойти на смену «механического холода», по крайней мере в области умеренно низких температур (до -50 °С). Однако «дело за малым»: поиски полупроводниковых материалов нужной добротности. Усилия физиков и металлургов за последние 50 лет не дали заметного продвижения этой проблемы.

Техника, технология, состав материалов термопары, предназначенной для реализации эффекта Пельтье по сути не пробвинулась с 50-х годов 20-го века. Термоэлемент неэффективен, потому что полученный холод Пельтье гасится потоком теплопроводности от горячих спаев и джоулевым теплом в ветвях термопары. Стало ясно, что требуется радикальное изменение структуры вещества, наделение его необычайным свойством: сохранив высокую ЭДС, сделать его электропроводным, но не теплопроводным. Как это ни банально, но модное и чаще не к месту употребляемое слово НАНОТЕХНОЛОГИЯ возрождает надежды на революцию и в холодильной технике.

Для любого теплофизика формула цикла Карно – символ и знамение идеала, направление устремления и поиска. Все предшествующее развитие энергетики показывает постепенное приближение к идеалу Карно, а главное не запрещает надеяться на улучшение, оставляя горизонт недоступным. Если в знаменитой формуле Альтенкирха (1911 г) устремить к нулю коэффициенты теплопроводности и электросопротивления (признаки трения и потерь), то они обращаются в КПД обратимого, «обратного» цикла Карно.

Поэтому все впереди. И очень возможно, что жарким летом наш внук, достав из кармана холодильник Пельтье размером с нынешний мобильник, за одну-две минуты получит пару кубиков льда.



[1] Знаменательно, что великий ученый-провидец в предисловии к 8 тому энциклопедии Брокгауза дает перечень 33 направлений «условий, средств и способов развития заводско-фабричных дел, определяющих ныне трудолюбие, богатство и экономическую силу страны».

На первом месте вода – необходимая для жизни, паровых машин, химии, лаборатории. На втором – «лед и холодильные приспособления». Топливо (твердое, жидкое, газообразное) – четвертое место (Д.И.Менделеев, сентябрь 1891 г. Энциклопедический справочник Брокгауза и Эфрона, т.8).

Назад

Материалы из архива

1.2006 Ядерные материалы: проблемы собственности

А.И.Иойрыш, д.ю.н., профессор, заслуженный юрист РФ, руководитель проблемной группы мирного использования атомной энергии Института государства и права РАН; В.Г.Терентьев, д.т.н., профессор, лауреат Государственной премии СССР, начальник отделения законотворческой деятельности ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ» Росатома; А.Б.Чопорняк, к.ю.н., начальник отдела законотворческой деятельности ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ» Росатома До принятия закона «Об использовании атомной энергии» юридические лица в сфере своей хозяйственной деятельности заключали договора поставки и купли–продажи, в том числе и в отношении ядерных материалов, в соответствии с действующим ГК РФ.

12.2007 РЕТРО энергичного АТОМА - «сказка - быль, да в ней намек»

По случаю 87-й годовщины плана ГОЭЛРО, 41-го по счету празднования дня Энергетика и в честь тридцатилетия атомной энергетики Украины. Может быть, нам все-таки, следует научиться обращать внимание на кажущиеся мелочами обстоятельства. Во-первых, говорят, что мелочей не бывает вовсе. Во-вторых, на практике убедились, что любое хорошее с виду начинание губится именно мелочами.

3.2009 Качественный аудит госкорпораций обеспечит сокращение их расходов

Анатолий Аксаков, депутат Госдумы: - Жесточайший контроль необходим… за деятельностью… всех госкорпораций и компаний, которые созданы на бюджетные средства. Такие компании, являясь, как правило, самыми неэффективными и непрозрачными, в то же время по любому чиху получают дополнительные финансовые вливания. Если наводить порядок в стране, то начинать надо с госкорпораций: доходы их топ-менеджеров зачастую выше, чем заработки в частных компаниях, а эффективность ниже.