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多级热电制冷器的效率计算

秦岭农民 来源:秦岭农民 作者:秦岭农民 2022-07-04 09:27 次阅读

多级热电制冷器

P型和N 型半导体制冷元件与连接片串联的焊接在仪器,组成的制冷单元称为热电堆(也称制冷电堆或半导体制冷堆)。一个或几个热电堆与热交换器结合在一起,构成电制冷器。

如果一个热电堆中只有一个温度相同的冷端和一个温度相同的热端,这种热电堆就称单级热电堆,由它组成的制冷器称单级热电制冷器。

热电制冷装置可以通过调节工作电压来改变它的制冷量和制冷温度。作为小型冷源,易于实现连接和精密控制。如热电制冷的零点仪可以达到±0.001K的精度。

热电制冷装置使用直流电工作,对于工作电压的波动范围有一定要求。如果允许的产冷量损失为1%左右,那么电压的波动吸收不得超过如下表的值。因此,最好采用蓄电池或整流电源

bf2d9a02-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

1多级制冷器

如果制冷器中间还有一个或几个中温端(既是上一级的热端,又是下一级的冷端),则称为多级热电堆,响应的制冷器称多级热电制冷器。多级热电堆可达到较大的制冷温差。

在目前的材料水平上‚半导体单级制冷最大能达到大约的温差70K。半导体单极制冷不仅无法实现更大的温差,而且在较大的温差工作时,它的制冷系数迅速下降,制冷工况迅速恶化。因此在要实现较大温差的场合,一半采用多级制冷。我们这里为了简化计算,以三级制冷器为例进行分析。大于三级以上的制冷器具有相同的推导模式。

bf43b77e-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

图13级TEC制冷器

如上图所示,总温差为△T,三级的温差和制冷系数分别为bf61b846-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngbf74f9e2-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngbf885078-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngbfa14092-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngbfab4e0c-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngbfb73474-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png。当不考虑级间传热温差及各种损失时,多级电堆的总温差为第一级的热端温度与末端一级冷端温度只差,即可得到

bfd386a6-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png  (1)

多级电堆的制冷量就是最末一级电堆冷端的吸热量

bfe1efa2-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

热端散热量就是第一级电堆的热端散热量,即

bfedf00e-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

总的消耗电功耗为

bffca6ee-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

总的制冷系数为

c010039c-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

考虑到I级的制冷量等于II级的散热量,即有

c01c91c0-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

I级的制冷系数为bfa14092-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png,II级的制冷系数为bfab4e0c-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png,III级制冷系数为bfb73474-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

c052fe68-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

c061a404-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

得到

c078111c-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

(9)式子进行变换后得到总的制冷效率如下

c0855ac0-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

c093be12-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png就是第一级TEC的散热量c0a37dfc-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.pngc0afd35e-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png就是最末一级电堆冷端的吸热量。根据(9)式。

c0bcde1e-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

将(12)代入到(10)中可以计算得到总制冷效率

c0d5ea30-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

(13)式子就是三级制冷TEC的制冷效率。当TEC的材料一致,制冷效率相同时,

c0e99d14-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

则(13)式子变为

c0fa94c0-fac4-11ec-ba43-dac502259ad0.png

从上面(9)式可以看到每一级电堆的散热量都比制冷量大很多倍,所以,高温级的热点原件要比低温级的元件热电偶对数大许多倍。从(14)式子看到温度越低,元件的温差电性能越差。总的温差并不是随着级数的增多而按照比例提高的,所以实际上多级电堆级数不宜很多。一般为2~3级。最多8级。

原文标题:多级热电制冷器TEC的制冷效率计算

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审核编辑:汤梓红

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