Кратко — эффективность термоэлектрического $Пельтье$ охладителя определяется четырьмя «жёсткими» конкурентными процессами: полезным переносом тепла за счёт эффекта Пельтье и тремя потерями/пассажами — джоулевым нагревом, обратно протекающей теплопроводностью через материалы и контактными $электрическимиитепловыми$ сопротивлениями. Массообмен $переносвещества$ внутри самого модуля практически не участвует; слово «массообмен» важно лишь в системе отвода тепла $воздух/вода$ с горячей стороны — он лимитирует температуру горячей поверхности и потому систему в целом.

Детали и формулы $коротко$

Пельтье $полезный$ эффект: при токе I через p–n структуру на холодной стороне отводится тепло Q_P = α Tc I, где α — средний коэффициент Пельтье $Seebeck$, Tc — абсолютная температура холодной стороны. Это «первичный» охлаждающий вклад.Джоулево тепло: RJoule = ½ I^2 R $водностороннембаланседлядвухконтактов/двухтиповносителейполучаетсячлен½I^{2}RввыражениидляQc$ — растёт как I^2 и при больших токах быстро «съедает» эффект Пельтье.Теплопроводность $паразитныйпоток$: K·ΔT — теплопоток от горячей к холодной стороне по материалам модуля; он прямо уменьшает полезное охлаждение.Контактные сопротивления:
электрическое связанное с контактами/пайкой увеличивает эффективное R → больше джоулева нагрева;тепловое контактное сопротивление ухудшает отвод тепла с горячей стороны $повышаетT_{h}ot$, снижая разницу температур, уменьшая Q_P и COP.Внутренний баланс $упростённо$:
Qc = α Tc I − ½ I^2 R − K ΔT,
V = α ΔT + I R,
P_in = V I,
COP = Qc / P_in.Фигура качества материалов: Z = α^2/$\rho \kappa$ $единица1/K$, обычно оценивают ZT. Чем выше ZT, тем эффективнее материал.

Когда Пельтье «проигрывает» компрессорным системам

При больших холодопроизводительностях. Компрессорные циклы дают гораздо большие тепловые потоки $сотниватт—киловаттыивыше$ при значительно лучшем КПД (COP обычно >2–4 и выше в бытовых/промышленных системах), тогда как Пельтье целесообразен в диапазоне от долей до десятков ватт.При больших перепадах температур ΔT и/или при требовании выдерживать большие ΔT под нагрузкой. Практические ΔT с полезной нагрузкой у Пельтье ограничены $хотяпринулевойнагрузкемодулидают\Delta Tmax50–70K,приполезнойнагрузкерабочее\Delta Tзначительнониже$. Для ΔT > 30–40 K и больших Q компрессор обычно эффективнее.По энергоэффективности и стоимости эксплуатации. На больших системах стоимость электроэнергии делает компрессор экономичнее. Пельтье часто имеет COP значительно ниже компрессора для типичных условий.По стоимости при больших мощностях. На крупные холодильные мощности компрессорные установки дешевле в расчёте «$/Вт» и эффективнее.По долговременной работе при высокой нагрузке: сильное джоулево нагревание, деградация контактов и падение ΔT делают Пельтье менее надёжным/эффективным в тяжёлых режимах.

Где Пельтье удобен/конкурентен

Малые мощность и компактность, точная локальная стабилизация температуры (оптика, электроника, термостабилизация лазеров, мини-холодильники для напитков, переносные охладители).Бесшумность, отсутствие движущихся частей и фреонов, простота управления.Когда важна скорость реакций и точность положения температуры, или когда габариты и вибрация критичны.

Практические ориентиры

Для небольших охлаждаемых мощностей до десятков ватт и малых ΔT Пельтье может быть приемлем и удобен.Если требуется высокая энергоэффективность (низкие затраты энергии на отвод тепла), большие мощности или большие ΔT — лучше компрессор или холодильный цикл с фазовым переходом теплоносителя.

Короткое резюме

КПД Пельтье определяется отношением полезного Пельтье-переноса к потерям: джоулева нагрева + паразитная теплопроводность + потери в контактах и слабость материалов (низкий ZT).Пельтье уступает компрессорным холодильникам при больших мощностях, больших ΔT и когда важен высокий коэффициент полезного использования энергии; выигрывает при малых локальных нагрузках, компактности, бесшумности и простоте.