热电制冷系统性能优化及水冷热电空调的实验研究

摘要

热电制冷技术凭借其制冷迅速、负荷可调性强、环境友好等特性，己成功应用于航天、军事、电子等领域。如今以环保和节能的紧迫性为背景，借助新材料和其它相关技术的渗透和促进，热电制冷技术迎来了新的发展机遇和动力，应用领域不断拓展。但热电制冷技术的研究目前主要集中于提高热电材料的性能上，而针对系统性能优化尤其是运行参数的研究相对欠缺，这制约着热电制冷技术的应用发展。 本文对理想热电制冷系统建立了无量纲热力学模型，结合模型分析了优值系数、工作电流和热、冷端温度比值三个基本参数对系统性能的影响，并基于目前热电材料性能及系统运行温度范围，讨论了理想系统最大制冷量和最大制冷效率工况，对实际系统设计工况的选择给出建议。 论文对实际热电制冷系统的分析，通过引入了冷、热侧热阻、热媒流量及热媒初始温度三个实际运行参数，建立了完善的系统热力学稳态模型。在统一的冷、热侧换热条件下，数值研究了各运行参数对热电制冷系统性能的作用。 搭建了水冷热电空调实验系统，详细介绍了实验装置四大部件的设计选型，研究实验系统各运行参数与性能参数间关系，并利用实验测试值验证了模型的可靠性。 研究结果表明，提高热电材料优值系数z和降低热、冷端温度比值t，可提升制冷效率和制冷量并同时扩大系统工作电流区域，并且优值系数、温度比值均对制冷效率的影响更大；与系统冷侧相比，热侧换热能力的完善更有利于提高系统性能，并在较高输入功率时有助于制冷量的释放，较低输入功率时有助于制冷效率的提高；就水冷热电空调制冷工况而言，基于目前热电模块性能，当换热器尺寸与家用壁挂空调室内机相当时，要保证制冷效率ε>1并兼顾经济性，其设计功率不宜超过1kW；水冷热电空调可在冷却空气同时充分回收利用废热兼具热水器效用，推广应用前景更为广阔。 本文研究成果对于热电制冷技术的应用，以及水冷热电空调器的开发均有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景和目的

1.2热电制冷技术概述

1.2.1发展概述

1.2.2热电制冷系统分类

1.3热电制冷技术应用现状

1.3.1热电制冷技术在空调中的应用

1.3.2热电制冷技术在其它领域的应用

1.4热电制冷技术研究现状

1.4.1热电制冷材料研究现状

1.4.2热电制冷器结构研究现状

1.4.3热电制冷系统优化研究现状

1.4.4目前研究工作的局限性

1.5本文主要研究内容

第二章理想热电制冷系统性能分析

2.1理想热电制冷系统

2.1.1热电制冷原理

2.1.2热电单元物理模型

2.1.3理想热电制冷系统的热力学模型

2.2理想热电制冷系统极限工况分析

2.2.1最大制冷效率工况分析

2.2.2最大制冷量工况分析

2.2.3热电制冷装置设计工况分析

2.3理想热电制冷系统的热力学分析

2.3.1理想热电制冷系统热力学模型无量纲化

2.3.2理想热电制冷系统工作电流优域

2.3.3优值系数对理想热电制冷系统性能影响分析

2.3.4热冷端温度比值和电流对理想热电制冷系统性能影响分析

2.4理想热电热泵系统热力学分析

2.5关于热电优值系数的讨论

2.6本章小结

第三章实际热电制冷系统性能分析

3.1实际热电制冷系统稳态模型

3.1.1物理模型

3.1.2热力学稳态模型

3.1.3初始条件处理及计算步骤

3.2传热热阻对热电制冷系统性能影响分析

3.2.1传热过程分析

3.2.2数值计算初始条件

3.2.3冷、热侧热阻对系统制冷量的影响

3.2.4冷、热侧热阻对系统制冷效率的影响

3.3热媒流量对热电制冷系统性能影响分析

3.3.1数值计算初始条件

3.3.2冷、热侧热媒流量对系统制冷量的影响

3.3.3冷、热侧热媒流量对系统制冷效率的影响

3.3.4冷、热侧热媒流量对系统热媒进出口温差的影响

3.4热媒初始温度对热电制冷系统性能影响分析

3.4.1冷、热侧热媒初始温度对系统制冷量的影响

3.4.2冷、热侧热媒初始温度对系统制冷效率的影响

3.4.3冷、热侧热媒初始温度对系统消耗功率的影响

3.5本章小结

第四章水冷热电空调的实验设计

4.1实验研究目的

4.2实验系统设计

4.2.1实验装置简介

4.2.2空气处理过程概述

4.2.3热交换系统的设计选型

4.2.4风系统的设计选型

4.2.5水系统的设计选型

4.2.6电源转换控制与电路布置

4.3实验测试仪器的选用与校准

4.4实验方案设计

4.5本章小结

第五章实验与数值计算结果的分析应用

5.1数值计算参数的确定

5.2实验测试和数值计算结果的比较分析

5.2.1改变送风速度的比较

5.2.2改变冷却水流量的比较

5.2.3改变输入电流的比较

5.2.4改变热侧初始水温的比较

5.2.5实验测试与计算结果分析

5.3实验数据的处理与应用

5.3.1制冷工况

5.3.2热泵工况

5.4本章小结

第六章总结及后续工作

6.1本文研究总结

6.2后续工作

参考文献

附录1水冷热电空调模型求解应用程序

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果