טיוטה:קירור תרמואלקטרי

שגיאות פרמטריות בתבנית:מקורות
פרמטרי חובה [ נושא ] חסרים

כיצד פועלים מקררים תרמו-אלקטריים?

בשנות ה-30 של המאה ה-19, גילה פיזיקאי צרפתי בשם Jean Peltier, כי בזמן שמעבירים זרם חשמלי דרך מעגל חשמלי המורכב משני חומרים בעלי דרגת מוליכות שונה, האלקטרונים נעים בכיוון אחד, בהתאם ליכולת של החומרים השונים למסור אלקטרונים. בגדול נהוג להתייחס למוליך שמוכן למסור יותר אלקטרונים כ-N Type ולמוליך שמוכן יותר לקבל אלקטרונים או פחות מוכן למסור אותם, כ-P Type. באחד הניסויים שערך, גילה כי כאשר מחברים שני מוליכים למחצה בשני צמתים ומעבירים דרך המערכת זרם בכיוון מסוים, אחד מהצמתים מתחמם בעוד השני מתקרר. זהו למעשה האפקט העומד בבסיס המקררים התרמו-אלקטריים, שזכה לשם המתבקש: אפקט פלטייה.

דיאגרמת גנרטור תרמואלקטרי

במקררים התרמו-אלקטריים ממקמים את הצומת המתחמם מחוץ למקרר ומחברים אליו גוף המסוגל להוליך חום בצורה איכותית ביותר, הנקרא Heat Sink. ה-Heat Sink מפזר את החום באוויר שמחוץ למקרר. התגלית של פלטייה הביאה לעולם את המושג "מקדם פלטייה" המתאר את כמות החום הנישאת עבור כל יחידת מטען העובר במוליך, כשלכל מוליך ישנו מקדם פלטייה אופייני.

כיצד פועל המקרר הסטנדרטי?

להלן הרכיבים והאלמנטים השונים שחשוב להכיר בבואנו להבין את אופן הפעולה של המקררים הסטנדרטיים:

• מדחס – המדחס הוא המנוע של המקרר. מדובר במנוע בוכנה שתפקידו הוא לדחוס את גז הקירור ולהוביל אותו לכיוון המעבה.
• מעבה – המעבה הוא למעשה צינור מפותל שתפקידו לקבל את הגז לאחר שנדחס באמצעות המדחס. כאשר הגז הדחוס מגיע לצינור המעבה, הוא נמצא בטמפרטורה גבוהה מאוד, אך כשהוא עובר בצינור, הוא מתקרר והופך לנוזל. קוטר הצינור נמוך מאוד על מנת להשאיר את החומר במצב דחוס. המעבה מותקן בחלק האחורי של המקרר ובאופן קבוע נפלט ממנו חום. החום נוצר סביב הצינור המפותל שבו זורם הנוזל הדחוס.
• מאייד – לאחר שהגז הפך לנוזל בצינורות המעבה, הוא מגיע לרכיב המחבר בין המאייד למעבה, הנקרא "מפזר". המפזר אחראי להעביר את הנוזל מהצינורות הדקים יחסית של המעבה, לצינורות העבים יותר של המאדה. כאשר הנוזל נמצא בצינורות המאדה, הוא יכול להתפשט באין מפריע וכך הוא הופך חזרה לגז. המאייד ממוקם בתוך המקרר, בניגוד למעבה, הממוקם מחוץ למקרר.
• גז מזגנים – הכוונה היא לחומר בעל נקודת רתיחה נמוכה יחסית. חומר שנקודת הרתיחה שלו נמוכה מאוד, יהפוך לגז בטמפרטורת החדר.
• צלחת אידוי – הלחות הנמצאת במקרר קופאת באופן טבעי על המאדה ולכן יש אחת למספר שעות להפשיר את הקרח כדי למנוע את ההצטברות שלו על המאדה. הנוזלים המופשרים מגיעים לצלחת האידוי הממוקמת מאחורי או מתחת למקרר.
• גוף חימום להפשרה – גוף החימום ממוקם על המאדה ותפקידו להפשיר את הקרח למניעת הצטברותו על המאדה.

כדי להמחיש את הרעיון העומד בבסיס שיטת הפעולה של המקרר הסטנדרטי, נסביר תהליך שכולנו מכירים - הרתחה של מים להכנת כוס תה או קפה. כאשר אנחנו מניחים את הקומקום המכיל את המים על הלהבה, המים מתחממים ובשלב מסוים מגיעים לטמפרטורת הרתיחה שלהם העומדת על 100 מעלות צלזיוס. בשלב הזה, מושקעת אנרגיית חום שמובילה לזה שהמים יהפכו לגז. כפי שניתן להבין, השקענו אנרגיה כדי לשנות את מצב הצבירה של המים.

אם לא היינו מבעירים את האש, המים לא היו מתחממים ולא משנים את מצב הצבירה שלהם. תהליך הקירור הסטנדרטי פועל על בסיס עיקרון זה, רק שכיוון התהליך, הפוך. על מנת לקרר את החלל הפנימי של המקרר, לוקחים את גז המזגנים ודוחסים אותו. כאשר הגז נדחס, הוא הופך לנוזל בחסות המדחס. לאחר מכן, כשהוא עובר בצינורות הרחבים של המאייד (רכיב זה נקרא כך כיוון שהוא הלכה למעשה מאדה את הנוזל שעובר בו לאדים), הנוזל הופך שוב לגז, בדיוק כמו שהמים הופכים לגז בקומקום שעל הכיריים. העניין הוא שבמקרה של המקרר הביתי, אין בנמצא להבה שמחממת את הנוזל והחום נשאב מסביבת הצינורות.

בפשטות ניתן להבחין בשני שלבים בפעולת הקירור במקררים הסטנדרטיים כשבשלב הראשון הגז עובר דחיסה שגורמת לו להתחמם ולהפוך לנוזל ואילו בשלב השני הוא נשאב לצינורות עבים יחסית והופך שוב לגז תוך שהוא סופח אנרגיית חום מסביבת הצינורות. מדובר בתהליך מעגלי המתנהל במערכת סגורה, שכן לאחר שהנוזל הפך לגז, הוא נדחס מחדש, הופך שוב לנוזל וחוזר חלילה.

יתרונות הקירור התרמו-אלקטרי

אחד היתרונות המרכזיים של המערכות התרמו-אלקטריות בא לידי ביטוי בעובדה שהן לא כוללות מדחס ולפיכך הן לא רועדות בזמן הפעולה שלהן. זוהי אחת הסיבות בגינן ניתן לראות מקררי יין רבים הפועלים בשיטת הקירור התרמו-אלקטרית, שכן על מנת לשמור על היינות לאורך זמן מבלי לפגוע באיכותם, חשוב ביותר לספק להם סביבה נטולת רעידות במידת האפשר. היעדר המדחס תורם רבות גם כן לפעולה השקטה של המקררים, המתאימים לפיכך בעיקר למסעדות אלגנטיות שבהן האווירה שלווה, שקטה ונינוחה. מקררים העובדים עם לוח תרמו-אלקטרי, יעילים יותר וחסכוניים יותר בחשמל.

בנוסף, הואיל ולא נעשה שימוש בגז מזגנים במערכות הקירור התרמו-אלקטריות, הרי שמדובר במערכת ידידותיות ביותר לסביבה. היעדר חלקים נעים במערכות, מוסיף גם כן לרמת האמינות שלהן כשבאופן כללי מדובר במערכות עמידות מאוד, הדורשות תחזוקה מינימלית: מערכות קירור תרמו-אלקטריות יכולות לעבוד ללא תקלות במשך אלפי שעות. ראה מאמר (אנגלית) Thermoelectric materials - Device efficiency.

קטגוריה:תרמודינמיקה