脉冲热电制冷系统实验与数值研究

摘要

热电制冷系统具有结构简单、无运动部件、可调性强和体积小等特点，因此在电子温度精确控制、制冷系统小型化和建筑余热回收等领域得到了广泛应用。近年来，脉冲电流驱动模式对热电制冷系统的瞬态强化作用受到广泛关注，但对其制冷过程仍缺乏深入的理论分析与实验研究。热电制冷系统在脉冲驱动模式下运行时，受到脉冲波形、脉冲振幅、脉冲时间、热端散热方式等多种因素的影响，非稳态热电制冷过程包含了多种复杂的物理参数及参数的变化规律，因此对热电制冷系统在脉冲电流工况下运行过程进行分析并以此提高热电制冷系统的性能具有重要意义。　　本研究采用理论与实验相结合的研究方法对脉冲式热电制冷系统进行研究，研究了脉冲振幅、脉冲时间及脉冲波形对热电制冷系统性能的影响以及制冷器在连续脉冲电流下的性能，本文的主要研究内容和结果如下：　　首先，介绍了热电制冷系统的基本工作原理；基于控制体积模型将热电制冷系统进行区域划分，分别建立了热电制冷器和制冷器热端散热器的传热模型，再将两个模型进行耦合建立了热电制冷系统基于瞬态热电效应的非稳态数学模型，采用有限差分法对模型进行数值求解并编程计算。　　其次，开展实验并利用实验数据验证了热电制冷系统模型的准确性。在焓差实验室搭建了研究热电制冷系统的试验平台，分别测试了热电制冷系统在稳定电流和在脉冲电流工况下的制冷性能。结果显示，在稳态电流工况下，片冷端温度平均相对误差为2.2%，制冷系数平均相对误差为3%；在脉冲电流工况下，冷端温度平均相对误差为2.0%，制冷系数平均相对误差为3.4%，说明本文所建立的热电制冷系统模型的精度较高。　　最后，利用验证后的模型，研究了脉冲驱动模式与热电制冷特性的耦合机制。对比了方形、斜升形、斜降形、指数上升形及指数下降形共五种脉冲波形电流对热电制冷系统瞬态过冷特性的影响，分析了不同脉冲振幅及脉冲驱动时间对热-电转化效率及热电过冷效应的影响，研究了热电制冷系统的冷端温度及其制冷系数在连续脉冲模式驱动下的变化规律。研究结果表明：　　五种脉冲波形电流中，指数上升形脉冲波电流能使热电制冷系统表现出最强的瞬态过冷效应。在该波形脉冲电流工况下，随着脉冲振幅增大，热电制冷系统冷端温度逐渐降低，且降低趋势逐渐趋于平缓。冷端瞬态温度最低可降至-12.4℃，较稳态所能达到的最低温度-10.5℃下降了2.3℃。从提高热-电转化效率的目的出发，同样基于指数上升形脉冲波电流，存在最优脉冲振幅使得热电制冷系统制冷系数最大。系统能获得最大制冷系数为0.23089比稳态工况下所能获得得最大制冷系数0.22860提升了1%。在热电脉冲过程中，可通过适当延长脉冲驱动时间以强化脉冲过冷效应及提高热-电转化效率，但脉冲驱动时间不宜过长，否则会使得热电制冷脉冲过冷效应失效。　　在连续脉冲模式驱动下，第一个脉冲周期后，热电制冷系统冷端的过冷温度会降至最低，随着脉冲次数的增加，过冷温度会稍有升高；热电制冷系统冷端温度最终会不断上下波动呈周期性变化；在连续脉冲模式驱动下，亦存在一个最优脉冲振幅使得热电制冷系统制冷系数最大。　　本文基于热电制冷系统的瞬态过冷效应，采用模拟与实验相结合的方法对制冷系统的性能进行分析研究，发现应用瞬态过冷效应能有效提高热-电转化效率和强化热电过冷效应。研究结果为热电制冷系统运行过程提供理论预测，为热电制冷系统的设计优化提供参考。

目录

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2热电制冷研究现状

1.2.1热电材料研究现状

1.2.2热电制冷系统优化研究现状

1.2.3基于瞬态过冷效应的热电制冷性能研究现状

1.3本文研究内容

第 2 章 热电制冷特性

2.1热电效应

2.1.1塞贝克效应

2.1.2帕尔贴效应

2.1.3汤姆逊效应

2.2热电制冷原理

2.2.1帕尔贴效应的应用

2.2.2热电制冷的基本计算公式

2.3热电芯片物性参数的获取

2.3.1估算法

2.3.2通断电法

2.4热电芯片瞬态过冷效应

2.5本章小结

第 3 章 基于瞬态制冷的热电制冷系统模型建立

3.1热电制冷系统数学模型

3.1.1热电制冷芯片数学模型

3.1.2热电制冷芯片热端散热系统数学模型

3.2热电制冷芯片模型和散热器模型耦合求解

3.3本章小结

第 4 章 实验验证热电制冷系统模型

4.1瞬态热电模型试验平台搭建

4.1.1实验用热电芯片选用

4.1.2实验所用散热系统选用

4.1.3数据测量及测点布置

4.2实验步骤

4.2.1稳定电流工况实验步骤

4.2.2脉冲电流工况实验步骤

4.3热电制冷系统瞬态模型验证

4.3.1稳定电流工况模型验证

4.3.2脉冲电流工况模型验证

4.4本章小结

第 5 章 热电制冷脉冲过冷性能分析

5.1稳定电流下热电制冷芯片制冷特性

5.1.1稳定电流对制冷能力的影响

5.1.2热端环境温度对制冷能力的影响

5.1.3稳定电流下热电芯片制冷系数变化规律

5.2脉冲电流下冷端温度的影响因素

5.2.1脉冲振幅对过冷温度的影响

5.2.2脉冲时间对过冷温度的影响

5.2.3脉冲波形对过冷温度的影响

5.2.4连续脉冲过程对过冷温度的影响

5.3脉冲电流下制冷系数的影响因素

5.3.1脉冲振幅对制冷系数的影响

5.3.2脉冲时间对制冷系数的影响

5.3.3连续脉冲过程对制冷系数的影响

5.3.4脉冲波形对制冷系数的影响

5.4本章小结

结论与展望

结论

本文后续工作展望

参考文献

致谢