多级热电制冷器的效率计算

描述

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。

热电制冷器

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。

热电制冷器

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热电制冷器热电制冷器热电制冷器热电制冷器热电制冷器热电制冷器。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

热电制冷器  (1)

多级电堆的制冷量就是最末一级电堆冷端的吸热量

热电制冷器

热端散热量就是第一级电堆的热端散热量,即

热电制冷器

总的消耗电功耗为

热电制冷器

总的制冷系数为

热电制冷器

考虑到I级的制冷量等于II级的散热量,即有

热电制冷器

I级的制冷系数为热电制冷器,II级的制冷系数为热电制冷器,III级制冷系数为热电制冷器

热电制冷器

热电制冷器

得到

热电制冷器

(9)式子进行变换后得到总的制冷效率如下

热电制冷器

热电制冷器就是第一级TEC的散热量热电制冷器热电制冷器就是最末一级电堆冷端的吸热量。根据(9)式。

热电制冷器

将(12)代入到(10)中可以计算得到总制冷效率

热电制冷器

(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,

热电制冷器

则(13)式子变为

热电制冷器

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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