WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 29 |

Термоэлектрическое охлаждение. Вам известны термопары – термоэлементы, применяемые в измерительных устройствах. Термопара – два соединенных одним концом проводника из различных металлов. При нагреве места спая возникает ЭДС. Вспомним, что при плотном соединении (контакте) двух металлических поверхностей электроны из металла с меньшей работой выхода будут переходить в металл с большей работой выхода. При этом возникает контактная разность потенциалов, величина которой зависит от температуры.

Если же через цепь, состоящую из спаев двух различных проводников, пропустить электрический ток, то один спай охлаждается, а другой нагревается.

Это явление, называемое термоэлектрическим эффектом, открытым французским физиком Ж. Пельтье в 1834 г. Этот эффект именуется также эффектом Пельтье.

Иначе говоря, эффект Пельтье – выделение или поглощение теплоты в месте контакта двух разнородных проводников в зависимости от направления электрического тока, текущего через контакт. В замкнутой цепи один из контактов нагревается, а другой охлаждается. При изменении направления тока эффект меняет знак.

Количество выделяющейся или поглощающейся теплоты Q пропорционально электрическому току I, проходящему через контакт, то есть:

Q=П•I, где П – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих проводников (веществ).

Причина возникновения эффекта Пельтье объясняется тем, что средняя энергия носителей заряда (электронов), участвующих в электропроводности, в различных проводниках различна и зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизма рассеяния. При переходе от одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет (в зависимости от направления тока).

В первом случае вблизи спая выделяется, а во втором поглощается теплота Пельтье.

На рисунке 5.8 а показан полупроводниковый термоэлемент, включающий полупроводники 1 и 2, а также медные пластины 3.

Рис 5.8 – Полупроводниковый теплоэлемент а – схема: 1 и 2 – полупроводники, З – медные пластины. б – зависимость охлаждающего эффекта T max от температуры горячего спая Из рисунка видно, что со стороны спая "металл-полупроводник" тепло Q0 поглощается, а с противоположной стороны (спай полупроводник-металл) тепло выделяется. Разность температур Тmax (охлаждающий эффект) зависит от температуры горячего спая Тг. На рисунке 5.8 б дан график этой зависимости.

На спае "полупроводник – металл" (рисунок 5.8 а) энергия электронов, переходящих из полупроводника в металл (нижний спай) значительно выше уровня Ферми (некоторый условный уровень энергии системы, в твердом теле – энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами равна 1/2) металла, и электроны отдают свою избыточную энергию (выделяется тепло Qг и спай нагревается). В полупроводник из металла (верхний спай) могут перейти только самые энергичные электроны, вследствие этого электронный газ в металле охлаждается (поглощается тепло Qо, а спай охлаждаться).

Эффект Пельтье используется в термоэлектрических холодильниках, термостатах и т.д.

Он также может быть использован и в нагревательных устройствах.

Все зависит от стороны, используемой для создания устройств. Т в том и в другом случае тоже зависит от интенсивности отвода тепла или холода со стороны нерабочего спая.

На практике (для создания холодильников или нагревателей) удобно применять термоэлектрические модули, которые являются малогабаритными, твердотельными тепловыми изделиями, использующими эффект Пельтье для охлаждения или нагревания (рисунок 5.9) они работают бесшумно и без вибраций. Вес таких модулей – десятки грамм.

Рис 5.9 – Термоэлектрические модули Термоэлектрический модуль представляет собой малогабаритный твердотельный тепловой насос, осуществляющий перекачивание тепловой энергии при прохождении постоянного тока. Конструктивно такой модуль состоит из последовательно соединенных пар полупроводниковых элементов (кристаллов теллурида, висмута "р" и "n" типов), спаянных между параллельными, керамическими пластинами. При подаче постоянного тока требуемой полярности происходит (за счет эффекта Пельтье) нагрев спаев одной пластины и охлаждении спаев другой пластины. При смене полярности первая пластина охлаждается, а другая нагревается. Разность температур между горячей и холодной сторонами модуля составляет более 70о С. Кол-во теплоты, перекачиваемой модулем, достигает 60 Вт.

Холодильные агрегаты на базе термоэлектрических модулей экологически чисты, конструктивно просты и не имеют хладагента. Они не имеют трубопроводов, надежно работают при воздействии статических и динамических нагрузок при любой ориентации в пространстве в условиях вакуума или повышенного давления окружающей среды. Возможно плавное и точное регулирование теплового режима с малой инерционностью при изменении силы тока. Уникальной особенностью устройств с такими модулями является простота перехода из режима охлаждения в режим нагрева и обратно путем изменения полярности тока питания.

Термоэлектрические малогабаритные модули имеют широкий спектр применения в различных областях, включая автомобильные и бытовые холодильники, кондиционеры, медицинское и фармацевтическое оборудование, лабораторные и научные приборы и т.д.

На рисунке 5.10 показан общий вид автохолодильника «Вояж». На выносках: внизу – строение термоэлектрического модуля, выше – холодильное устройство, собранное из модулей (модуля) с вентилятором для отвода тепла со стороны горячего спая.

Рисунок 5.10 – Автохолодильник «Вояж» 5.2.2 Криогенные температуры в технике Криогенные температуры в технике применяют для разделения газов.

Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колонках на азот и кислород.

Применение жидкого азота и кислорода многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

Низкие температуры применяются в электронике и радиотехнике для подавления аппаратных шумов.

Так, для лазерной локации Луны, американские ученые применили твердотельный рубиновый лазер. Для повышения КПД его квантрон охлаждался до температуры 77 К. Импульс от этого лазера высветил на поверхности Луны пятно диаметром 4 км. При помощи специального лазернорадарного отражателя, установленного астронавтами космического корабля "Аполлон-11", часть лазерного луча, принятая отражателем с некоторым усилением направлялась на Землю. Отраженный сигнал – луч был принят через 2,6 секунды и имел диаметр 16 км. Он был ослаблен приблизительно в раз. Для опознания столь слабого сигнала на фоне различных шумов на приемном устройстве был установлен охлаждаемый до низких температур фотоумножитель.

Следующее направление технических применений криогенных температур связано со сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость – это свойство многих проводников, которое заключается в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры, характерной для данного материала.

Чудесные свойства сверхпроводников уже известны давно. В наше время появились сверхпроводящие соединения с критической температурой, которая составляет около 160 К. По современным понятиям – это высокотемпературная сверхпроводимость. Сравните – ртуть при температуре 4,15 К переходит в сверхпроводящее состояние, свинцовая проволока с сечением 1/70 квадратного мм при температуре 1,8 К становится сверхпроводящей.

Сверхпроводимость применяется для создания сильных магнитных полей, необходимых для ускорителей заряженных частиц, магнитогидродинамических генераторов, энергетических установок для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и многообразных лабораторных исследований.

Сверхпроводящие магниты – соленоид с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведенный в ней электрический ток циркулирует практически не изменяясь сколь угодно долго и его магнитное поле остается стабильным. Ток, текущий по сверхпроводящему кольцу, создает мощное магнитное поле. А в мощных магнитах нуждаются многие области науки и техники.

Исчезновение электрического сопротивления у сверхпроводников имеет и другое важное значение: возможность по новому подойти к вопросу накапливания и хранения электроэнергии.

Установлено, что электрический ток в кольце, изготовленном из сверхпроводящего материала, может циркулировать сколь угодно долго, практически не изменяя своей величины.

Его можно подавать в сеть именно тогда, когда в этом появится потребность. Они могут служить своеобразными аккумуляторами электроэнергии.

Сейчас стараются располагать источники энергии не очень далеко от места потребления. При использовании сверхпроводящих линий электропередач одна и та же станция без потерь могла бы обеспечить электроэнергией днем Москву, а ночью Владивосток.

В Японии разрабатывают проект "парящего" на магнитной подушке поезда, который сможет развивать огромную скорость.

Такой поезд можно сделать реактивным, а "взлет" и "посадку" осуществлять простым включением и выключением магнитного поля.

Конечно, надо будет строить и направляющие для таких поездов. Или может быть, например, магнитные дорожки.

Тормозом для широкого применения сверхпроводимости является трудность, а порою и невозможность на современном этапе развития науки и техники, создания линий и устройств, функционирующих на столь низких температурах, получение и применение которых связано со многими сложностями. Так, например, сверхпроводящие устройства могут выйти из строя.

Допустим, что по причине недостаточно жесткой конструкции от удара или действия электромагнитных сил сдвинулись проводники или из-за случайного изменения магнитного потока где-то кратковременно возникли вихревые токи, приводящие к их нагреву.

Сопротивление проводника возрастает. Тепло начинает выделяться пропорционально квадрату силы тока (закон Джоуля – Ленца). Мгновенно нагреются соседние участки проволоки и сверхпроводимость ее лавинообразно будет исчезать и зона нормальной проводимости распространится по всей обмотке. Мгновенный ее нагрев может привести к аварии.

При этом охлаждающий элемент (например, жидкий гелий) мгновенно превратится в газ, объем его увеличится в несколько сот раз, давление поднимется настолько, что может разрушить криостат.

Эта задача разрешима за счет конструктивно-технологических приемов, но она все же есть.

Предел мечтаний и желаний – это создание материалов, сохраняющих свои сверхпроводящие свойства при комнатных или более высоких температурах.

5.3 Холод в медицине 5.3.1 Применение холода для лечения больных В одном из самых ранних, источников медицинских знаний на земле – древнем папирусе Смита, которая была написана за 2,5 тысячелетия до н.э., рассказывается о применении холодных компрессов при лечении открытых переломов. О холодных примочках, применяемых при ранениях груди, описана в «Иллиаде» Гомера. "Холод и помогает, и убивает" – утверждал Гиппократ: в зимнюю стужу от переохлаждения люди могут умереть, а целенаправленное использование холода может облегчить их страдания.

Несмотря на то, что привычное для нашего понятия слово "холод" для лечебных целей жрецы и лекари использовали еще с древних времен, только благодаря современному развитию работ по низким температурам стало возможным целенаправленное применение холода в области медицины.

Поэтому мы ограничиваемся рассмотрением некоторых примеров применения криогенной температуры в медицине.

Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота (соответственно равными 80К и 77,4 К ) начало находить важные применения в медицине.

Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, производят оперативное лечение мозговых опухолей, урологических к других заболеваний к консервацию живых тканей для длительного хранения.

Рассмотрим некоторые примеры применения криогенных температур.

Холод используется при нейрохирургических операциях. Осуществлены множество операций на мозге человека по поводу болезни Паркинсона, торсионной дистонией, атетозома, рассеянным склерозом и т.д.

Первую нейрооперацию провел профессор Э.И.Кандель в институте нейрохирургии имени Н.Н.Бурденко в 1962 г. В ее подготовке принимали участие академики Б.В.Петровский и П.Л.Капица.

Для проведения нейрохирургических операций в Институте физических проблем имени С.И.Вавилова АН СССР под руководством академика А.И.Шальнова было разработано несколько моделей медицинского криоинструмента.

На рисунке 5.11 показан один из видов нейрохирургического криоинструмента. Он состоит из тонкой металлической трубки I (канюли). Внутри канюли находится холодопровод 2 и концентрически расположенная трубка для отвода испарившегося газообразного азота. По перефирии канюли расположены вакуумные полости, обеспечивающие инструменту тепловую изоляцию.

Рис 5.11 – Нейрохирургический криоинструмент Института физических проблем им. С.И. Вавилова Академии наук России 1 – канюля; 2 – трубчатый холодопровод; 3 – активированный уголь; – отпайка; 5 – активный наконечник; 6 – пенопластовый резервуар для жидкого азота; 7 – ледяной шар Пенопластовый резервуар для жидкого азота вмешает до 100 мл жидкого азота. На конце канюли размером 2х2 мм нет тепловой изоляции ( 5активный наконечник), что способствует образованию, "ледяного шара" диаметром 8мм. Длина рабочей полости канюли 124 мм, диаметр 2 мм, масса инструмента 150 г.

Вот как описывает процесс нейрооперации по поводу лечения болезни Паркинсона, выраженного расстройством двигательных функций, в институте неврологии Академии медицинских наук СССР.

На уровне головы больного, лежащего на операционном столе, размещены рентгеновские аппараты. Осциллограф, предназначенный для регистрации биотоков мозга, и другая медицинская аппаратура соединены с ЭВМ, расположенной в Институте проблем управления АН СССР.

Снимается небольшой кусочек кости черепа. Длинная тонкая канюля осторожно вводится в мозговую ткань. Как ориентироваться в святой святых человека, как провести канюлю через еще недостаточно изученные структуры На основе законов стереометрии ведутся расчеты при этом условная координатная сетка мозга сопоставляется с координатной сеткой стереотаксического прибора. Лучи рентгеновских аппаратов контролируют положение канюли. В особо сложных ситуациях анализируется на ЭВМ, и хирургу поступает рекомендация на уточнение "прицела".

Канюля достигла точки, в которой скрестились рентгеновские лучи.

Pages:     | 1 |   ...   | 18 | 19 || 21 | 22 |   ...   | 29 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.