分段式热电制冷器的性能优化分析

摘要

能源问题与环境问题的日益突出使发展环保高效的制冷技术愈发重要。热电制冷因无制冷剂、无运动部件、体积小、工作寿命长等优点而受到越来越多的关注。然而，制冷量与制冷温差过小限制了热电制冷技术的广泛应用。分段式热电发电器因能提高发电效率而得到大量研究，而目前对分段式热电制冷器的相关研究多是只在固定分段数目下针对单个物性参数分布的研究，没有讨论分段数目与物性参数梯度等因素的交互影响。然而，分段数目与分段长度是分段式热电制冷器与传统的热电制冷器产生性能差异的关键因素。本文出于提升制冷性能的目的，系统地研究了分段式热电制冷器的制冷特性及变化规律，获得了最佳物性参数梯度范围、最佳分段数目与最佳分段长度比。 本文基于实际热电臂的几何参数，建立不同分段数目的一系列分段式热电单元的模型，利用ANSYS Workbench模拟软件，分别研究分段数目与其它因素（物性参数梯度，边界条件，热电臂长度）对最大制冷量，最大制冷温差与最大制冷系数的交互影响。并在最佳分段数目条件下，进一步分析物性参数梯度的影响，获得可显著提高制冷性能的最佳物性参数梯度。建立一系列具有不同分段长度比的热电单元模型，获得性能最优的热电单元分段长度比。 研究表明，分段式热电制冷器的分段数目对导热系数梯度有较大影响，增加热端导热系数有利于提高最大制冷量与最大温差，在各种工况下的最佳分段数目均为二段，热电臂的最佳长度为1mm。进一步优化二段热电制冷单元的物性参数梯度，获得最优物性参数梯度的范围为1＜Sh/Sc＜2.5，λh/λc＞＞1或ρh/ρc＞＞1，最大制冷量与最大温差相比传统的热电单元可分别提高95%与94.7%。非均匀分段结构可获得更大的制冷量，最佳分段长度比为0.6。本研究为后续关于分段式热电制冷器的结构设计与性能优化提供了参考。

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