（物理电子学专业论文）高效率废热回收热电热水器.pdf

摘要 摘要 在2 1 世纪，随着能源需求的增加与储量的减少，我国的能源形势不容乐观。 同时，我们目前主要利用的一次能源，不仅储量越来越少，同时对环境造成了极 为恶劣的破坏，严重影响了人类的健康生活。作为新型补充能源的太阳能、风能 和热核能，受到成本费用、地域、气候、技术等方面的限制，暂时无法满足需求。 这样，更有效的利用好一次能源很有必要。 热电热水器由于其高的制热效率，对节约能源很有帮助。前人设计热电热水 器时，仅根据实验现象定性解释了不同工况下制热效率变化的原因，忽略了与热 电热水器制热效率关系密切的接触效应与散热片性能，这对于完善热电热水器设 计理论是不够的。 本论文重点研究从淋浴废水中回收废热。在前人实验的基础上，通过实验和 数值计算，结合有限元仿真，讨论了散热片结构、换热片结构、接触温差、输入 电流、成本等因素对制热效率的影响。为在不同工况下设计热电热水器提供了理 论依据。 本论文的主要内容如下： 本论文以理论与实验相结合的方式讨论了接触效应、散热片结构、换热装置、 水温、输入电流等因素对总制热效率的影响。根据理论计算，发现在大温差、大 输入电流的情况下，引入直接换热可以提高总制热效率。然后通过在不同工况下 热电热水器制热性能的测试，对计算结果进行了验证。通过对不同输入功率情况 下制热效率的分析，发现高的制热效率需要以高的成本为代价。 为了提高散热片与换热片性能，以提高热电热水器总制热效率和换热片利用 率，使用了a n s y s 的流固耦合功能，对散热片与换热片进行了优化仿真。 本论文结合实验、仿真、数值计算，对热电热水器的制热性能进行了深入的 探讨，为其实用化提供了理论依据。 关键词：能源，热电，温差，制热效率，a n s y s a b s t r a c t i nt h e21 - t hc e n t u r y , w i 也t h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fe n e r g ys o u r c e sa n dt h e d e c r e a s i n go ft h er e s e r v e s ，t h ep o s i t i o no fe n e r g ys o u r s ei sd a n g e r o u st oo u rc o u n t r y a t p r e s e n t ，t h eo n e - o f fe n e r g y , w h i c hw ep r i m a r yu s e , n oo n l yh a v eb e c o m el e s sa n dl e s s ， b u ta l s od o n es e r i o u sd e s t r o yt oe n t i r o n m e n t ，g r e a ti n f l u e n c et h eh e a t h yl i v i n go f h u m a n s o l a re n e r g y , w i n de n e r g ya n dt h e r m o - n u c l e a re n e r g y , b ew a yo ft h e l a t e - m o d e le n e n g ys o u r c e s ，r e s t r i c t e db yc o s t , z o n e , c l i m a t ea n dt e c h n i q u ee t c ，c a n t f i l l f i no u rr e q u i r et e m p o r a r y s ow es h o u l du s et h eo n e - o f fe n e r g ys o u r c e sm o r e e f f e c t i v e w i t hh i 曲h e a t e re f f i c i e n c y , t h e r m o e l e c t r i cw a t e rh e a t e rh e l pt oe c o n o m i z ee n e r g y s o u r c e s w h e nt h ep r e - p e r s o nd e s i g n e dt h e r m o e l e c t r i cw a t e r h e a t e r , o n l ye x p l a i n e dt h e r e a s o n so f w h yt h eh e a t e re f f i c i e n c yw o u l dc h a n g ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o nb yt h e e x p e r i m e n tp h e n o m e n o n , n e g l e c t e dt h ec o n t a c te f f e c ta n dp e r f o r m a n c eo fr a d i a t o r w h i c hg r e a ti n f l u e n c et h eh e a t e re f f i c i e n c yo ft h e r m o e l e c t r i cw a t e rh e a t e r w h i c hi sn o t e n o u g ht oc o n s u m m a t et h et h e o r yo fd e s i g n i n gt h e r m o - e l e c t r i cw a t e rh e a t e r 砸s p a p e rp u te m p h a s i su p o nt h ec a l l b a c ko fq u a n t i t yo fh e a t ，o fw h i c hc o m ef r o m t h eo u to fd a t ew a t e ro fs h o w e rb a t h o nt h eb a s eo fp r e - p e r s o n e x p e r i m e n t , u s et h e m e t h o do fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ln u m e r a t i o n , c o m b i n ef i n i t e - e l e m e n ts i m u l a t i o n , d i s c u s st h ei n f l u e n c eb e t w e e nr a d i a t o rc o n f i g u r a t i o n , d i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ei n c o n t a c t , i m p u tc u r r e n ta n dc o s t 、加也t h eh e a t e re f f i c i e n c y , p r o v i d ea c a d e m i ce v i d e n c e f o rd e s i g n i n gt h e r m o - e l e c t r i cw a t e rh e a t e ri nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s 1 1 l ec o n t e n to ft h i sp a p e ra sf o l l o w ： 砸sp a p e rh a v ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h o s ef a c t e r s ，s u c ha sr a d i a t o r c o n f i g u r a t i o n , d i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ei nc o m a c t ，i m p u tc u r r e n ta n dc o s tw i t ht h e h e a t e r e f f i c i e n c y i n t h e o r y a c c o r d i n g t o t h e o r yn u m e r a t i o n , d i s c o v e r e dt h a t p r e - e x c h a n g i n gh e a tc o u l di n c r e a s et o t a lh e a t i n ge f f i c i e n c yo nt h el a r g ed i f f e r e n to f t e m p e r a t u r ea n di n p u tc u r r e n t c o n d i t i o n 。劢t e s t e dt h eh e a t i n gc a p a b i l i t yo f t h e r m o e l e c t r i cw a t e re a t e rh e a t e ro nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，v a l i d a t e dt h er e s u l t o fn u m e r i c a ln u m e r a t i o n o p t i m i z e dt h er a d i a t o ra n de x c h a n g i n gh e a te q u i p m e n tw i t hl i q u i d s o l i dc o u p l i n g a b s l f l ia c t a b i l i t yo fa n s y s ，i no r d e rt oi n c r e a s ei t sc a p a b i l i t y , a n dt h e ni n c r e a s et h et o t a l h e a t i n ge f f i c i e n c yo f t h e r m o e l e c t r i cw a t e rh e a t e ra n du s i n gq u o t i e t yo f e x c h a n g i n gh e a t e q u i p m e n t t h i s p a p e r c o m b i n e d e x p e r i m e n t , s i m u l a t i o na n d n u m e r i c a l n u m e r a t i o n ， p e r f o r m a n c e , d r a s t i c a l l yr e s e a r c ht h eh e a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h e r m o - e l e c t r i cw a t e r h e a t e r , a n dp r o v i d e dt h e o r ye v i d e n c e sf o ri t sd e s i g n i n g k e yw o r d ：e n e r g y8 0 u 1 c 宅8 ，t h e r m o e l e c t r i c ，d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e ，h e a t i n g e f t i c i e n c ya n s y s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型盘! 数目期：伽p 年岁月，矿日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：举：数导师签名：堑乏毯 臼期：知o 年岁月，彦日 第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 上世纪初，人们在利用电磁能的科学试验时，发现了某些金属材料具有热电 效应，最著名的有塞贝克发现的温差发电效应即在两种不同金属构成的回路中， 如果两个接头处的温度不同，回路中有一电动势存在，这种现象后来被称为塞贝 克效应。还有帕耳帖发现的温度反常现象即当直流电通过两种不同导电材料构成 的回路时，接点处将产生吸热或放热效应。这两种效应在由p 型半导体与1 1 型半 导体组成的热电偶中更为显著。这里所说的帕耳帖效应即热电模块的热泵功能， 当热电模块高温端与低温端的温差越小时，这种效应越明显。在生活中，淋浴使 用过的废水温降大概在8 1 0 度，其温度高于供水温度，却往往不加利用的丢弃， 不仅浪费了能量，而且对环境造成了热污染。基于此，前人利用热电模块的热泵 功能，设计了废热回收热电热水器，把高温废水作为热电模块冷端热源，在不同 工况下，其效率在1 5 0 2 5 0 之间【l 】，远大于目前大面积使用的电热水器、燃气 热水器等，但比起压缩式热泵热水器大概4 0 0 的效率，并没有竞争优势。提高热 水器的制热效率有两条途径，一是提高热电材料的优质系数z t ；二是在现有热电 材料的基础上，尽量优化设计热电热水器。本课题的主要工作是使用数值计算、 仿真与实验相结合的方法，得到热电热水器设计原理。 1 2 研究现状 1 2 1 目前热水器市场形势 目前市场上流行的热水器有比较常见的三大热水器电热水器、燃气热水 器、太阳能热水器和新兴的压缩式热泵热水器等。 电热水器按储水方式可分为储水式和即热式两种，储水式电热水器安全性能 较高，安装也较简单，使用方便。但缺点是体积较大，使用前需要预热，等待时 间长，一次性使用水量受到容量限制。另外，洗完后没用完的热水会慢慢冷却， 造成浪费。同时由于水进行了高温加热，结垢现象比较严重，不清理即影响加热 电子科技大学硕士学位论文 效率，又影响热水器寿命，清理的话比较麻烦，特别对于水质较硬的地方，需要 频繁的清理；即热式热水器具有即开即热、体积小巧、水温恒定等诸多优点，但 缺点是功率比较大，线路要求高，一般功率都至少要求6 k w 以上，在冬天要保证 足够量的热水进行洗浴，按照3 6 0 l h 的舒适流量，4 0 的温升，需要1 6 k w 的功 率，这是普通家庭电表、电线无法承受的。同时无论是储水式还是即热式热水器， 其制热效率都小于1 0 0 。 燃气热水器能保证高的加热功率，可以满足冬季对高功率的需求，没有线路 问题的制约，但安全性较差，使用频率、环境、管道质量、使用人员、甚至天气 都可能导致灾难性的后果。 太阳能热水器安全、节能、经济。但缺点是使用受天气、地域的影响， 且会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌，同时由于太阳能热水器安装 在室外，多数在楼顶、房顶，因此相对于电热水器和燃气热水器比较难维护。 虽然出现辅助电加热功能的太阳能热水器，在没有阳光的时候以电能作为补 充，解决了天气因素对太阳能热水器的使用限制，但由于电热水器的本身制 约，依然不够理想。 作为一个新兴的热水器品种，热泵热水器为热水器行业带来了极大的冲 击，其利用逆卡诺原理，在较高的温度下对介质进行等温压缩排出热量，再 进行绝热膨胀达到较低的温度，然后经过等温膨胀，从环境中吸取热量，对 环境制冷，最后再绝热压缩，回到起点。这个过程的一端制冷，另一端制热， 实现了从低温热源“搬运 热量到高温端，其制热效率远大于1 0 0 ，外晃温 度在5 2 5 时制热效率可以达到3 0 0 5 0 0 ，远高于目前任何一种热水器，同 时该系统无排放物，不存在传统热水器的安全隐患；缺点是占用空间较大， 在低温下容易结霜，且效率严重降低，目前适用于华南一带，在冬季环境温 度低于一5 的北方地区目前无法使用，运行维护复杂，初始投入较高，由于 有转动部件，压缩机容易损坏，水结垢问题不容忽视。 1 2 2 散热器及换热器现状 在热力学中，散热就是热量的传递，有三种主要方式：热传导、热对流和热 辐射。在本论文涉及的换热过程中，散热器主要通过热对流的方式与水进行热量 交换，同时通过热传导的方式与热电模块进行能量交换，热辐射在低温情况下不 予考虑。 2 第一章绪论 散热器的散热效率与散热器材料的热导率、散热器的有效散热面积、散热方 式有关。散热器材料的热导率越高，其从高温热源的瞬时吸热能力越强，能够更 快的带走热量；一般情况下，通过改变散热器的形状，增大散热器的散热面积是 提高散热效率的有效手段，要实现这一点，一般通过在散热表面增加翅片的方式， 辅以表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积【2 - 3 1 ，其实际效果还与散热方式有关， 对表面的加工处理在强制对流时还可以增加流体的扰动，降低流体表面热边界层， 增大散热效率。 纯铝散热器是早期最为常见的散热器，其制造工艺简单，成本低，在目前已 经占有很大的市场。为增加翅片的散热面积，纯铝散热器最常用的加工手段是铝 挤压技术，评价一款纯铝散热器性能最重要的指标是散热片的翅片高与翅片间距 的比值，比值越高，说明有效散热面积越大，铝挤压技术越先进。铝质材料的缺 点是质地较软。 由于铜的热传递系数为铝的1 6 9 倍，在相同条件下，纯铜散热器能更快地将 热量从热源中带走，不过由于铜的成本高、质量重、加工困难，不容易做到大的 散热面积，限制了纯铜散热器的使用。 目前最常用的散热器材料是铜与铝合金，铜有很高的热导率，传热能力强， 但不易加工，热容低，价格高：铝合金易于加工，成本低，但传热能力较差。两 种材料均存在传热能力与散热能力不匹配的问题。鉴于两种材料的性能，目前市 场上部分高端散热器往往采用铜铝结合的制作工艺，采用铜底座铝合金翅片的方 式，结合两种材料的优势，取得散热能力的一个均衡点。 由于对流换热本身对换热表面结构的敏感，在强制对流时还需要考虑通过流 体压降损耗，在恒定流量的加热过程中，因为流体速度对单位面积换热能力的影 响，更需要考虑翅片结构对流体通过速度的影响。在加工翅片的过程中，大的散 热面积不是唯一的追求目标，需要在压降损耗、散热面积、单位表面散热能力之 间进行优化。目前常见的翅片形状有：矩形、针形、波浪形、锯齿形、t 形、e 形、 花瓣形和其它变异形状【3 】，其基本原理都是增大散热面积和促进流体扰动，以增大 总的换热效率。 换热器是合理利用与节约能源、开发新能源的关键设备。据统计，在现代石 油化工企业中，换热器投资占3 0 , - 4 0 。在制冷机中，蒸发器和冷凝器的重量占 机组重量的3 0 0 0 , , , 4 0 ，动力消耗占总动力消耗的2 0 0 0 , - 3 0 。可见换热器对企业投 资、金属耗量以及动力消耗有着重要的影响。目前投入用的换热器有管壳式换热 器和板式换热器。 3 电子科技大学硕士学位论文 管壳式换热器有管程强化换热和壳程强化换热两种，管程的强化换热通常是 对光管进行加工得到各种结构的异形管，如螺旋槽纹管、横槽纹管、波纹管、低 螺纹翅片管( 螺纹管) 、螺旋扁管、多孔表面管、针翅管，通过这些异形管进行传 热强化；壳程的强化传热中，管束的主要作用是支撑壳体，使流体产生期望的流 型与速度，得到期望的换热效果，如折流板式换热器、折流杆式换热器、空心环 管壳式换热器、刺孔膜片管换热器、螺旋椭圆扁管换热器、变截面管换热器等【2 - 3 】。 板式换热器在最近几十年来发展很快，种类越来越多，技术性能越来越好， 应用范围越来越广，同时向大型化、小型化、专用化、多元化、装置化发展。由 于在生产中存在的热交换千变万化，因此需要的换热器必然各式各样，但从承受 高温、高压、超低温及耐腐蚀能力上看，管壳式换热器的数量和使用场所在2 0 世 纪8 0 、9 0 年代仍居主要地位。随着全焊、钎焊、板壳式等新型结构板式换热器的 发展，以及新技术、新工艺、新材料在板式换热器中的应用，板式换热器在许多 应用领域逐渐取代了管壳式换热器。 在板式换热器的设计过程中，为了增大传热系数，主要的方法是“薄膜化促 进传热技术技术，即降低流体表面热边界层厚度。当单纯的提高流速时，也可 以降低热边界层厚度，增大换热系数，但必然会增加流道压强损耗，固只能在一 定范围内使用，不够理想。代替的方法有利用结构的突变增大流体扰动，减薄热 边界层厚度。在实际使用中，流体的相态、雷诺数、相变等都会影响到传热，需 要根据实际情况采用合适的方法。 1 2 3 散热器及换热器设计研究现状 随着近代计算机技术的兴起，计算机辅助工程在现代工程设计中发挥了越来 越重要的作用，为一些涉及大规模数值计算相关学科提供了极大的支持。在涉及 流体力学的散热、换热领域，以往的设计过程通常需要先加工各种模型，经过试 验测试然后定型，这样，无论成本还是周期都难以接受；目前国外在计算机仿真 辅助设计领域已经有长足的发展，建立了计算机仿真得到的数据库，其仿真结果 与实际工况之间误差很小，设计精度很高；而国内厂家由于起步晚，无论技术还 是资金实力都有不小的差距，即便一些有能力做研发的厂家也因为知识产权无法 得到保护而望而却步。所以，目前为止国内厂家一般是通过现有换热器进行一些 热工测试后形成选型曲线，这种方法往往误差较大，效率较低。值得欣慰的是， 计算机仿真高效、省钱、灵活的优势被越来越多的厂家认同，已经用于一些较为 4 第一章绪论 简单的模型的计算，相信不久的将来，会赶上国外同行。 1 2 4 热电材料发展现状 今年来，随着能源需求量的增加和储量的减少，热电材料在制冷、制热、发 电方面的前景使其吸引了越来越多的注意。新兴纳米技术的加入，为热电材料优 质系数的提高开辟了新的道路，使其摆脱了热电材料优质系数长期以来原地徘徊 的窘进。 目前商用热电材料n 型为b i ，t e 2 ，s e 。，( t e l 。掺杂) ，z t 约为0 9 ，p - 型为 i 2 t e 3 ) o - 2 5 ( s b 2 t e 3 ) 0 7 5 掺杂，z t 约为l 。其他研究成果中，3 0 0 k 时p - b i 2 t e a - s b 2 t e a 超晶格薄膜z t 值可以达到2 4 ，n b i ，t s b ，t e 勰s e o ”超晶格薄膜z t 可以达到 1 4 ，p - a g o 5 8 c u o 2 9 t i o 9 4 t e 材料z t 可以达到1 7 ，只是制备的困难限制了其大面积 推广。在4 1 3 k 时，n b i t e 基热压材料z t 可以达到1 1 8 。6 7 0 k 时，h a l f - h e u s l e r 合金、i 型锗基笼状物、z n 。趴z r 可以达到1 3 ，8 0 0 k 时，量子纳米点块体合金 a g p b ( m ) s b t e ( 2 恤) z t 可以达到2 2 ，1 2 0 0 k 时，锗硅合金z t 值可以达到1 。 最近理论和计算方法的进步必将在新材料的设计中扮演重要的作用，由于优 化材料口必将涉及材料电子特性的改变，对电子带结构的根本理解很有必要。鉴 于决定品质因素z t 的三个特性之间的紧密关系，需要从理论研究寻找出路。目前， 理论研究与实验重点聚焦于“声子玻璃电子晶体的研究 4 - 9 。 1 3 研究方法概述 研究的方法为结合数值计算、仿真与实验，更深入的了解热电热水器的工作 原理，各个制约因数对性能影响的机理，进一步实现高效率和低成本的最佳设计。 使用有限元仿真软件a n s y s 对散热片与换热片进行仿真优化。接触效应与散 热片综合等效热导、输入电流、水温等因素对制热效率的影响通过实验与数值计 算相结合的方式进行研究。 a n s y s 是基于有限元法的多物理场分析仿真软件，可以进行三维流固耦合进 行热流体分析，热电耦合进行热电仿真分析。适用于处理传统理论解析方法很难 处理的非规则结构。参数化建模后，设定材料属性和边界条件，然后通过改变感 兴趣部分的相关参数，可以较好的得到这部分参数的改变对性能的影响。 由于特殊结构散热片、换热片加工成本较大，这里对于仿真得到的结果未进 行实验验证。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本论文的工作 由于废热回收热电热水器在节约能源方面的前景和目前设计理论方面的欠 缺，其制热效率还有极大的提升空间，本论文通过数值计算与实验相结合的方法， 找到各个制约因素与热电热水器制热效率的关系，完整热电热水器设计理论。 首先，使用数值计算方法，拟合不同工况下热电热水器的制热效率，同时论 证直接换热装置的存在对总制热效率的影响。 其次，使用有限元仿真软件a n s y s 的流固耦合功能，以水为换热介质，在恒 定流量的情况下，得到散热器和换热器结构尺寸与换热能力关系曲线，为选型提 供依据，同时作为下一步实验数据处理的参考。 再次，设计了一个简化热电热水器，加工模具、购买热电模块、散热器、换 热器、电源、流量计、温度计等实验相关设备，搭建实验平台；在不同流量不同 输入功率的情况下测量热电热水器两端加热段与直接换热段的进出口温度，经过 数据处理，得到不同工况下的制热效率，以及找到各种因素与制热效率的关系。 最后，返推得到实际使用工况情况下可以得到的制热效率，同时简要论述了 制热效率与成本的关系。 6 第二章基本理论与仿真软件简介 第二章基本理论与仿真软件简介 2 1 热电效应基本理论 2 1 1 塞贝克效应 在由两种不同金属构成的回路中，如果两个接触点存在温差，则会在回路中 产生一电动势，这种现象即塞贝克效应，此电动势与温差有如下关系： a u = 口。丁 ( 2 - 1 ) 其中= ( 一吒) 为两种金属的相对塞贝克系数。 2 1 2 珀尔帖效应 当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，两接触点将分别产生吸热和 放热效应，这种现象即帕尔帖效应，热量与电流的关系为： q = 万。， ( 2 2 ) 其中n 0 6 为帕尔帖系数，n 3 v d 、为2 0 ! p n t 。 2 1 3 焦耳效应 电流通过电阻会产生热量，单位时间内产生的热量与电阻、电流的关系如下： q = ，2 r ( 2 - 3 ) 2 1 4 傅里叶效应 单位时间内通过某均匀介质的热量与介质的热导率成正比、 梯度成正比、与传热面积成正比： q = 竽( 瓦椰= 脚 7 与法向方向的热 ( 2 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 2 1 5 热电材料的性能参数优质系数刀 刀：壹丁( 2 4 ) r 其中口为塞贝克系数，仃是材料的电导率，鬈为材料的热导率，一般都将z t 作为 评价材料温差电转换效率的标准。提高材料的制热效率，关键在于寻找高优值的 材料。 2 1 6 热泵制热原理 热电热水器的核心原理是利用热电模块的热泵效应。作为热电模块的基本组 成单元，热电偶包含一个口为正值的p 型电臂与一个口为负值的n 型电臂，这两 个电臂由一个塞贝克系数可以忽略为0 的金属导体相互连接。每个热电偶的电臂 之间电串联以便有足够的热泵能力与适当的电阻。为不失一般性，这里分析单独 的一个热电偶并假定其电臂截面积不变。 在分析中，忽略接触效应的影响。热电偶的电阻仅考虑热电臂的电阻，热电 偶与两端热源的热阻忽略，仅考虑两个电臂的热阻。忽略热电偶通过周围环境、 对流、辐射的热流损耗，材料属性与温度无关。 这里的目的是找到制热效率与热电偶两端温度的关系，制热效率为热电偶热 端放热量与输入功率损耗的比值。 帕尔帖效应源于电流中的热量传输。在两个不同性的金属的节点处发生放热 或吸热。在每个电臂中，帕尔帖电流传导热量而不是产生热量。在每个电臂中总 热流为： q p = o c 乒t - 1 p a pd “r ， q n = 一仅n i t 一1a 。d 聂t ( 2 - 6 ) 其中a 为热电臂截面积。由于为负，帕尔帖热流均为正值。在热端的放热量为： q h = ( q p + q ) l ，= o ( 2 7 ) 在每个电臂内部，单位长度焦耳效应产生热量为1 2 p a ，根据能量守恒，这 里满足： 啾l 万d 2 t = 等，啾万d 2 t = 警 ( 2 - 8 ) 8 第二章基本理论与仿真软件简介 由于汤姆逊效应数值较小，这里忽略不计。 边界条件为：当x 卸时，t _ t h ；当x 名，。时，t - t c ，这样，根据式( 2 - 8 ) 可 知： 似警= 掣掣1 + 毪竽 协9 ， 这里r = 瓦一互，带入式( 2 6 ) ，结合式( 2 7 ) 可以得到热端制热量： q = ( 一q ) z + 寺，2 r k a t ( 2 - 1 0 ) 这里总的热导与电阻为： k = 争乃+ 丢乃，r = 冬岛+ 冬岛( 2 - 1 1 ) 输入功率损耗不仅仅为焦耳功率，还需要额外的电流来抵消塞贝克电势的影 响，总功率损耗为： w = ( 一 z ) a t + i r ) ( 2 1 2 ) 结合式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 2 ) 得到热电模块制热效率为： 弘q p h = a i t 6 j + 2 尺1 2 + i 口2 r ，- t k a t ：螋u 1 ( 2 13 ) p j 2 尺+ 口，t 由式( 2 1 3 ) 可知，当q c 为正值时，制热效率大= j ：1 0 0 ，同时，在u i - - 定的情 况下，q 越大，制热效率越大。目前增大q 的主要途径有增大材料的优质系数z t 与降低温差r 。 当言= o 时，制热效率有最大值，此时对应的电流为最优输入电流，其表达 式如下： ，：一坐!( 2 1 4 ) r ( m - 1 ) 、 其中m = ( 1 + 0 5 ( 乃+ z ) ) 2 。 最大值制热效率为： 。：三罂+ 1 ( 2 - 1 5 ) 2 赢肯+ 电子科技大学硕士学位论文 式( 2 1 5 ) 中第一项为卡诺效率，第二项是热传导、焦耳效应导致的效率降低。 2 2 热传递基本理论 热量的传递是一种最基本的能量流动，是各个系统中能量涨落最重要的元素， 热传递包括三种形式，热传导、对流、热辐射。 热传递：热量在系统内部或系统之间进行流动的方式，它是固体中热量传输 的主要方式，在静态的液体或气体层中层层传递，在流动时通常与对流同时发生。 各种物体的热传导性能不同，一般金属热传导能力很好，玻璃、木材、塑料、毛 皮、液体、气体热传导能力较差，石棉热传导能力极差，一般作为绝热材料。 对流：液体或气体中高温部分与低温部分之间通过循环流动传递热量的过程， 是液体与气体中热传递的主要方式。对流根据动力可以分为自然对流与强迫对流， 自然对流是流体因为温度的不同导致密度的不同，在重力的作用下的热传递过程， 强迫对流是由外力导致的一种热传递过程。 热辐射：具有温度的物体能以发射电磁波的形式进行热传递，这种方式即热 辐射。热辐射能不依靠介质进行热传递，这点有别于热传导、对流。热辐射发射 的电磁波的能量与发热物体的温度紧密相关，温度越高，电磁波波长越短，频率 越高，能量越强。热辐射是远距离传热的主要方式，我们每天感受到的太阳的热 量就是通过热辐射的方式从太阳发射到地球的。 2 3 流体力学与传热学基本理论 2 3 1 雷诺数 流体流动中惯性力与粘性力的比值，流体力学中表征粘性影响的相似准数， 记作r e 。 r e = p v l i 比 ( 2 - 1 6 ) 其中p 、| i 为流体密度和动力粘度，v 、l 为流场的平均速度与定型尺 寸。对于内流问题通常取通道内平均流速和通道直径，对于不规则流道，l 通常取水力半径的4 倍，水力半径为流道截面积与周长之比。在小雷诺数时， 流体流动时粘性力起主要作用，流体平行于管道内壁有规则地流动，此时流 态为层流；在大雷诺数时，流体流动时惯性力起主要作用，此时流态为紊流。 i o 第二章基本理论与仿真软件简介 流态转变时的雷诺数称为临界雷诺数，由紊流转变为层流的临界雷诺数称为 为下临界雷诺数，由层流转变为紊流的临界雷诺数称为上临界雷诺数，流体 的上临界雷诺数会随流体状态变化，其值大于下临界雷诺数。 当流体的雷诺数小于下临界雷诺数( 2 3 2 0 ) 时，流体的流态为层流；当流 体的雷诺数大于上临界雷诺数时，流体的流态为紊流。当流体雷诺数处于上下 临界雷诺数之间时，流态即可能是层流也可能是紊流，但即便是层流，在小的扰 动下，也可能成为紊流。而且当流体处于有压流动时，由于流道不是理想流道， 上临界雷诺数值不固定，所以通常认为当流体雷诺数大于上临界雷诺数时，就 认为流体处于紊流状态。不同的流动状态下，流体的运动规律流速的分布 等都是不同的，因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 2 3 2 速度边界层 流体在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽略；但在固 体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大 的速度梯度，这一薄层叫做边界层。所以速度边界层的厚度6 通常定义为从 固体壁面到约等于9 9 的外部流动速度处的垂直距离，它随着离流体入口处 的距离增加而增大。 2 3 3 热边界层 当流体被加热或冷却时，在临近物体的薄层区域由很大的温度梯度，设壁面 温度为t l ，流体中心温度为t 2 ，则定义从固体壁面到温度约等于五+ ( 互一五) 9 9 处的垂直距离为热边界层，热边界层的存在影响热交换效率。如果把流体流动方 向定为x 方向，入口处为x = o ，热边界层引遁着的增加而增加，其关系如下： 竺：1 4 0 t x ( 2 1 7 ) 一= 一 z - l ， 2 p t * * 式中为流体粘度，p 为流体密度，几为流体速度。 在对流换热的过程中，热边界层的存在降低了对流换热系数h ，热边界层越厚， 换热系数越低，其关系如下： h ：兰土( 2 1 8 ) 2 考6 其中孝为流体热边界层厚度与边界层厚度之比： 电子科技大学硕士学位论文 乒上1 0 2 6 蚓 协1 9 ) 其中k 为流体导热系数，c 。为流体定压比热。 在相同换热面积的情况下，为了增加换热效率，需要降低热边界层厚度，这 里由两个途径可以达到此目的：( 1 ) 增加流体雷诺数，主要是增加流体速度；( 2 ) 增加流体扰动，主要通过流道结构的变化达到此目的。在对流道的设计时，需要 考虑到不同流道结构时，流体通过流道的阻力是不同的，阻力越大，需要消耗的 功率就越大，这点不可忽视。 2 3 4 压强损失 流体流过管道时的阻力导致的压降， 道壁面摩擦导致的压强损失，粗略地说， 包括：( 1 ) 沿程压降，即流体因为与管 沿程压降正相关于流体速度、流体粘滞 性、流道长度和流体密度，反相关与流道水力半径，根据达西公式，沿程压降可 以表示为： a p , ：五一l p o 2 ( 2 - 2 0 ) d 2 2 4 仿真软件a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能 与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块具有强大的实体建模能力和及网格划分工具。实体建模的方法 由：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，先定义一个模型的最 高级图元，然后利用布尔运算，使用利用这些高级图元直接构造几何模型。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首 先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。a n s y s 还提供了与其他c a d 软件的接口，可以直接导入其他格式的c a d 图形。 a n s y s 程序提供了4 种网格划分的方法，包括延伸划分、映像划分、自 1 2 第二章基本理论与仿真软件简介 由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网 格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适 的单元属性和网格控制，生成映像网格。a n s y s 程序的自由网格划分器功能 是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然 后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具 有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、 估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的 离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压 电分析、热电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用， 具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流 迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示 出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 电子科技大学硕士学位论文 第三章理论分析与计算机仿真 3 1 影响热电热水器效率的各个因素 由式( 2 1 3 ) 可知，在热电模块属性与热水温度恒定的情况下，热电模块制热 效率与两端温差丁和输入电流i 模块密切相关。 热电模块两端温差不仅与两端水温有关，还与热电模块与散热片之间的接触 温差、散热片与水之间的换热温差有关，以下称之为接触换热温差。 模块熟端温度t h 模块冷端温度t c 图3 1 热电换热系统温度变化示意图 根据热力学第一定律可知，在没有外力的情况下，热量从高温端向低温端流 动。由图3 1 可知，因为散热片本身散热能力的限制和散热片与热电模块之间存在 接触热阻，冷端水温t 眦高于模块冷端温度t c ，同时模块热端温度t h 高于热端水 温t w h ，这加大了热电模块两端温差。 为了从理论上清楚输入电流和温差与总制热效率关系，使用数值计算的方法 得到其与总制热效率的关系曲线。 使用苏州太冷公司t e c l 1 9 9 1 2 型号热电模块，从理论计算得到模块塞贝克系 数口= o 0 8 v k ，电阻r = i 4 3 q ，热导k = i 4 4 w k ，模块高温端温度3 1 8 k 。使用 公式( 2 1 3 ) 进行计算，在热电模块两端温差分别为1 0 。c 、2 0 、3 0 。c 的情况下 计算制热效率，输入电流与制热效率关系曲线如图3 2 所示。 1 4 第三章理论分析与计算机仿真 不同温差下输入电流与制热效率关系曲线 02 4681 0 输入电流a 图3 2 不同温差下输入电流与制热效率关系曲线 由图3 2 可知，制热效率随着温差增加而降低。同时，随着温差降低，热电模 块最大效率对应的输入电流随之降低。这是因为随着温差的增加，逆向热量随之 增加，且与电流无关，而帕尔帖热与焦耳热与电流正相关，固在小电流时温差对 效率影响更大。 在实际热电热水器设计中，成本与制热效率都是需要考虑的因素，需要在两 者之间寻求某种平衡。由于热水器输出热水在使用后温度一般降低8 1 0 c ，温度 远高于未加热的冷水，而由图3 - 2 可知，在大电流输入的情况下，温差对制热效 率影响变小，这样，可以让两者之间先进行直接换热，然后再使用热电模块的“热 泵功能从冷端向热端进行“抽 热。 为了从理论上验证加入直接换热段对总制热效率的影响，假设热电热水器热 端出水温度为4 5 c ，废热水温降1 0 c 至3 5 c ，冷水进口温度问1 5 ，这样废热 水与需要加热的冷水之间有2 0 的温差，经过直接换热后，废热水水温降低1 0 c ， 冷水进水水温升高1 0 c ，都达到2 5 c ，然后再使用热电模块进行加热，在热电模 块两端接触与换热温差为3 0 c 的情况下与不使用直接换热进行比较。 认为当热电模块热端单位时间传输q l i 的功率到热端水时，o h = k 2 * ( t h t w h ) ， 同时当冷端水单位时间传输q c 的功率到热电模块冷端时，q o = k 3 奉( t 眦一t 。) ，由于热 电模块两端散热片结构、流量、接触方式相同，这里认为k 2 = k 3 。 这里假设k 2 = 5 w 依，在不同输入电流的情况下总制热效率如图3 - 3 所示。 0 o o 0 o o 印 ； m 瓣较壤器 电子科技大学硕士学位论文 锝 较 崧 磊 02468l o 输入电流a 图3 - 3 输入电流与总制热效率关系曲线 假设k 2 = 1 0 w 依，在不同输入电流的情况下总制热效率如图3 - 4 所示。 6 0 0 5 0 0 褥4 0 0 萋3 0 0 船 2 0 0 1 0 0 0 o24681 0 输入电流a 图3 4 输入电流与总制热效率关系曲线 由图3 3 4 可以发现，k 2 越大，制热效率越高，这是因为在相同流体温差下， k 2 越大，热电模块与两端交换热量导致的温差就越小，热电模块两端实际温差就 越小，制热效率就越高。同时可以看到，在小电流输入时，不用直接换热段总制 热效率高，在大电流输入时则相反，之间有一个平衡点，两种方案总制热效率相 同。这是因为，在大电流输入时，温差对制热效率影响较小，而直接换热段对制 热效率的增量大于热电模块加热段因温差增大导致的效率降低量；在小电流输入 时正好相反。同时加入直接换热段可以减少热电模块使用量。 1 6 o o o 0 o o o o o 0 0 诣鲫弘；筋坫m同 第三章理论分析与计算机仿真 3 2 散热片有限元仿真 由图3 3 、3 - 4 可知，接触与换热温差极大的影响热电模块的制热效率