تکنولوژی های حال حاضر وسایل نقلیه یخچال دار حمل مواد غذایی- قسمت چهارم تبرید ترموالکتریک

تکنولوژی های حال حاضر وسایل نقلیه یخچال دار حمل مواد غذایی- تبرید ترموالکتریک

مـوضـوع

تـاریـخ

جولای 10, 2020

استفاده از شیوه‌ی تبرید ترموالکتریک در وسایل نقلیه یخچال دار حمل مواد غذایی چند صباحی است مورد توجه قرار گرفته است. این مقاله توضیحی بر چگونگی عملکرد این سیستم تبرید است.

تبرید ترموالکتریک

تجهیزات ترموالکتریک می توانند انرژی الکتریکی را تبدیل به یک اختلاف دما نمایند. این اثر بوسیله «پِلتیر» در سال ۱۸۳۴ کشف شد اما استفاده از آن تا زمان کشف نیمه رساناها بسیار محدود باقی ماند. استفاده از این اثر در کاربرد سرمایشی و تهویه مطبوع اولین بار در دهه ۱۹۵۰ بود.

وسایل ترموالکتریک تجهیزاتی حالت-جامد هستند که چندین مزیت قابل ملاحظه را از خود نشان می دهند:‌ قابل اطمینان، بدون نویز، بدون نیاز به تعمیر و نگهداری و بدون لرزش هستند، به آن دلیل که هیچ قطعه مکانیکی متحرکی ندارند، مشاهدات حاکی از آنست که عمر مفیدی بیش از ۱۰۰,۰۰۰ ساعت دارند، سازگار با محیط زیست هستند زیرا فاقد کلروفلوروکربن یا هر مبرد دیگری هستند، کوچک و سبک هستند، کنترل دمایی بسیار دقیقی (C°۰٫۱) میتوان روی آنها داشت و کاملا برگشت پذیر هستند، بنابراین میتوانند در صورت نیاز کالای موجود در بار را مثلا برای جلوگیری از یخ زدن گرم کنند.

اما، آنها یک ایراد اساسی دارند که تا کنون مانع از بکارگیری آنها در کاربردهای سرمایشی بزرگ-مقیاس مانند ترابری مواد غذایی و ذخیره سازی شده است: ضریب عملکرد آنها در شرایط عملیاتی نوعی که سیکلهای تراکم بخار به کمک کمپرسور مکانیکی راه اندازی می شوند، بسیار پایین تر از ضریب عملکرد این سیکل هاست. در عین حال، کاربرد کولرهای پِلتیر و مدلسازی آنها هنوز حوزه تحقیقاتی فعالی است.

شکل : یک کولر ترموالکتریک

اساس کار سرمایش ترموالکتریک

توضیح تئوری اثر پِلتیر را می توان در منابع بسیاری یافت. اثر سرمایشی ترموالکتریک زمانی ایجاد می شود که یک جریان مستقیم از حداقل یک جفت نیمه رسانای نوع n و p عبور داده شود که این جفت معمولا بیسموت تلوراید (Bi2Te3) است. با عبور جریان مستقیم، الکترونها از یک سطح کم انرژی در ماده نوع p به یک سطح با انرژی بالاتر در ماده نوع n می روند و در نتیجه از محیط گرما جذب می کنند. زمانی که الکترون ها به سطح کم انرژی در ماده نوع p بازگردند در آنسوی دستگاه گرما آزاد می شود.

دو سوی دستگاه بترتیب «پایانه سرد» و «پایانه گرم» نامگذاری و دماهای مربوطه بترتیب با Tc و Th نمایش داده می شوند. گرمای مفید جذب شده بوسیله یک کولر ترموالکتریک (Qc) مرکب از سه جزء است: گرمای پمپاژ شده بوسیله اثر پلتیر که گرمای منتقل شده بوسیله رسانش در عرض نیمه رسانا (بدلیل اختلاف دمای دوطرف) و همینطور گرمای ناشی از مقاومت اجزا (موسوم به گرمایش ژول) از آن کم می شود.

زمانی که جریان الکتریکی افزایش داده شود هر سه جزء گرمایی ذکر شده در بالا افزایش می یابند. در ابتدا افزایش جریان باعث افزایش اثر سرمایشی می شود و این ادامه می یابد تا جایی که یک تعادل نمایان میشود، به این معنی که افزایش بیشتر جریان سرمایش را کاهش می دهد.

تجهیزات ترموالکتریک معمولا با این جریان بیشینه سنجیده می شوند که با Imax نشان داده می شود، و همینطور با ولتاژ حداکثر متناظرVmax و اختلاف دمای بیشینه طرف سرد و گرم Δtmax  . بیشینه گرمای قابل جذب در طرف سرد Qmax در جریان و ولتاژ بیشینه و اختلاف دمای طرفین سرد و گرم برابر با صفر رخ می دهد و خود یک مقدار مشخصه است.

تجهیزات رایج ترموالکتریک مشخصات متنوعی متناظر با بازه وسیع کاربردهایشان دارند؛ ابعاد آنها مربع هایی با اندازه mm ۳-۶۰ با ضخامت نوعی mm ۴ و معمولا شامل ۱۲۷ ترموکوپل است. بیشینه نرخ پمپاژ گرما بین mW ۲۰۰ تا W ۲۰۰ متغیر است. کولرهای پلتیر به قیمت حدودی ۰٫۵ دلار بر هر وات در بازار یافت می شوند. بیشینه اختلاف دمایی که می تواند بین دو سمت یک کولر پلتیر نوعی ایجاد شود C° ۷۰ است اما چینش متوالی میتواند اختلاف دمای تا  C° ۱۳۰ و دماهایی تا حد  C° ۱۰۰- را ایجاد نماید.

تعریف ضریب عملکرد کولرهای ترموالکتریک مشابه همین تعریف برای سیکلهای مکانیکی تراکم بخار است. این تعریف، نسبت نرخ گرمای دفع شده از محیط به کمک وجه سرد تجهیز تقسیم بر میزان توان الکتریکی مصرف شده مورد نیاز برای انجام این کار است.

یخچالهای پلتیر کنونی ضرایب عملکردی کمتر از ۰٫۵ دارند؛ اما تکنولوژی های جدید کولرهای ترموالکتریک در حال بررسی هستند. برای مثال یک شرکت آمریکایی دستاوردهای بسیار خوبی داشته و از تکنولوژی جدید موسوم به چاه کوانتومی بهره برده است. با استفاده از این تکنولوژی، یک ماژول با ابعاد حدودی ۵ سانتی متر در ۵ سانتی متر که از نیمه رسانای Si/SiGe استفاده می کند توانسته به ظرفیت سرمایشی ۱۰۲ W و ضریب عملکرد ۲٫۸۵ در اختلاف دمای C° ۳۰ دست یابد.

کولرهای ترموالکتریک حال حاضر برای بسیاری از کاربردهایی که ظرفیت سرمایشی کمی نیاز دارند و به ضریب عملکرد بالایی احتیاج ندارند مناسب هستند، مانند خنک کاری قطعات کامپیوتر. اما به نظر می رسد که این تکنولوژی برای کانتینرهای یخچالی مناسب نباشد چرا که میزان سرمایش مورد نیاز و اختلاف دمای طرفین سرد و گرم هر دو بسیار بالاتر از آنی است که یک ضریب عملکرد منطقی حاصل شود.

در نتیجه مصرف انرژی چنین واحدی بسیار بالاتر از تجهیزات معمول خواهد بود. اما مشخصا تکنولوژی های جدیدی مثل کولر چاه کوانتومی ترموالکتریک که پیش از این معرفی شد این امکان را به این تکنولوژی خواهد داد که سرانجام در ترابری یخچالی استفاده شود؛ اما این تکنولوژی هنوز در مرحله توسعه است و احتمالا سالهای زیادی زمان لازم است تا راه خود را به بازار بیابد.

شکل : کولر ترموالکتریک برای خنک کاری تجهیزات الکترونیکی در کامپیوتر

تولید توان ترموالکتریک

چنانچه در طرفین یک ماژول ترموالکتریک اختلاف دما ایجاد شود، خودبخود جریان الکتریکی در آن برقرار می گردد. این اثر برعکس اثر پلتیر است و بنام اثر سیبِک شناخته می شود که در سال ۱۸۲۱ کشف شد. بنابراین اگرچه سرمایش ترموالکتریک در حال حاضر مقرون به صرفه نیست،‌ اما اثر معکوس آن که منجر به تولید توان می شود می تواند مورد بهره برداری قرار گیرد. مهمترین کاربرد این اثر میتواند بازیابی گرمای هدر رفته از اگزوز خودرو باشد. محققان زیادی این ایده را بررسی کرده و مشاهده نموده اند که یک ژنراتور ترموالکتریک که با گرمای اگزوز راه اندازی شود می تواند بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ وات تولید توان نماید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و اطلاع از شرایط خرید محصولات امگا می‌توانید با شماره تلفن ۵۶۲۳۱۰۰۲-۰۲۱ و یا دیگر پل‌های ارتباطی با ما تماس بگیرید. همچنین می‌توانید با دنبال کردن صفحه اینستاگرام اومگا از آخرین اخبار و رویدادها نیز مطلع شوید.

بیـشتــر بـخـوانـیــــد

مطالب و مقالات مشابه در وبسایت امگا

Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email