基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究

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1、基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,冰箱行業(yè)也日趨壯大,冰箱制冷效率的提高直接影響著人們生活。本文從半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的特點、提高半導(dǎo)體制冷空調(diào)效率的途徑及試驗分析等幾個方面進行了分析?!娟P(guān)鍵詞】半導(dǎo)體制冷;效率;提高中圖分類號:TB6文獻標(biāo)識碼:A一、前言近年來,由于半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究問題引起了人們的重視。雖然我國在此方面取得了一定的成績,但依然存在一些問題和不足需要改進,在科學(xué)技術(shù)突飛猛進的新時期,加強半導(dǎo)體制冷在冰箱制冷的運用,對我國冰箱制冷工程有著重要意義。二、

2、半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的特點8半導(dǎo)體制冷空調(diào)器與壓縮式制冷空調(diào)器相比,具有以下優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單,沒有機械傳動機構(gòu),故工作時無噪聲、無磨損、無震動、壽命長、維修方便,可靠性高;不使用制冷劑,故無泄漏、無污染;直流供電,電流方向轉(zhuǎn)換方便,可冷熱兩用;重量、尺寸較小,便于安裝;熱慣性小,負(fù)荷可調(diào)性強,調(diào)節(jié)和控制方便;工作狀態(tài)不受重力場的影響;百瓦級的小功率空調(diào)器的成本與壓縮制冷空調(diào)的成本相差不大;而十瓦級的微型空調(diào)器的成本遠(yuǎn)低于壓縮制冷,具有壓縮制冷無法替代的優(yōu)勢。半導(dǎo)體制冷空調(diào)具有如上所述眾多的優(yōu)點,但是半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的制冷效率較低,它的制冷效率只有機械制冷效

3、率的30%。因此限制了半導(dǎo)體制冷空調(diào)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。三、提高半導(dǎo)體制冷空調(diào)效率的途徑半導(dǎo)體制冷空調(diào)器最大的不足是制冷效率較低,這限制了半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的推廣和應(yīng)用。提高半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的效率,要從影響制冷效率因素的分析入手,找出有效的解決方法。熱電制冷的關(guān)鍵問題是材料問題,但近20年該方面的研究進展表明,半導(dǎo)體材料優(yōu)值系數(shù)的提高非常困難,因此對半導(dǎo)體材料的探索仍需要很長的時間。目前,在高優(yōu)值系數(shù)的材料何時出現(xiàn)還是個未知數(shù)的情況下,解決好熱電堆熱端散熱問題,對系統(tǒng)制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用。半導(dǎo)體制冷熱端散熱方式有很多種,包括空氣自然對流、空

4、氣受迫對流、水冷散熱、環(huán)流散熱、利用物質(zhì)的熔化潛熱散熱等。半導(dǎo)體制冷空調(diào)器的散熱方式要根據(jù)具體的使用情況來選擇,并且要對散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,以保證熱端處于良好的散熱狀態(tài)8四、試驗論證1、研究內(nèi)容及技術(shù)方案針對現(xiàn)有采用半導(dǎo)體制冷的小型制冷裝置,由于半導(dǎo)體冷端的冷量不能得到有效的傳遞,導(dǎo)致半導(dǎo)體元件的冷端溫度處于偏高狀態(tài),進而繼續(xù)影響冷端的冷量傳遞,造成小型制冷裝置的制冷效率低下?,F(xiàn)對對其整體結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計、半導(dǎo)體選擇和功率計算等,最終實現(xiàn)對半導(dǎo)體冰箱制冷效率的提高。2、散熱系統(tǒng)的設(shè)計(1)工質(zhì)選擇:實驗測得熱管兩端溫度分別為35℃和30℃,根據(jù)

5、公式Tv=(T1+nT2)/(1+n)(其中T1為熱源溫度,T2為冷源溫度)可得工作溫度為Tv=(35+4×30)/5=31(其中n值取4)。通過查表可知氨的適合工作溫度為-40℃~60℃,故我們選擇氨作為熱管工質(zhì)。(2)熱管內(nèi)徑的確定:根據(jù)公式:計算得到攜帶極限所需管徑為:dv=1.6mm式中,在31℃下氨的物性值為:r=1134.87kJ/kg;QL=592.2kg/m3;Qv=9.6kg/m3;o=0.024N/m;Qent=30W根據(jù)公式8計算得到聲速極限對應(yīng)的管徑為:dv=0.13mm式中:Pv=12.4bar;Qc=30W一般情況下,熱

6、管的沸騰極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攜帶極限,因此,沸騰極限不會成為限制熱管傳熱的控制因素。綜合分析,最終確定每根熱管關(guān)鍵參數(shù)如表1:3、理論分析(1)保溫箱Pin恒定。忽略降溫過程冰箱內(nèi)部氣體壓強變化,取:考慮到冰箱中擺放的物品在兩種散熱方式下只改變比熱容,故假設(shè)冰箱中未放物品,取工作溫度t=273K和t=298K下的平均比定壓熱容。(2)半導(dǎo)體制冷片:假設(shè)半導(dǎo)體片各處制冷功率相同,并正常工作。(3)散熱器近似取300K條件下鋁片的導(dǎo)熱系數(shù),并假設(shè)鋁片上各點的溫度相同。由于有風(fēng)扇作用,假設(shè)散熱器與外溫溫度T0的空氣直接換熱。(4)模擬計算設(shè)冰箱內(nèi)部的溫度函數(shù)為T

7、(t)。理論結(jié)果分析:由圖像可知,兩種散熱方式下冰箱的最低溫分別為0℃和-5℃,由此可計算出正常工作時箱體實際漏熱率分別為Q鋁片=3.87W和Q熱管=4.65W,故冰箱的制冷效率分別為COP鋁片=7.74%和COP熱管=9.29%,因此理論上冰箱效率提高了∆COP=1.55%。8圖14、實驗方案設(shè)計在測定半導(dǎo)體制冷冰箱效率時,我們進行了兩個部分的實驗測試。實驗一:熱管散熱與散熱片散熱性能的定性對比。實驗過程中共使用兩個溫度傳感器:第一個溫度傳感器的一端放在半導(dǎo)體制冷片的冷端表面,并加以固定,以測定冷端溫度。第二個傳感器放在熱管散熱器的翅

8、片部分,并加以固定,以測定散熱器溫度。首先,我們測定熱管的散熱性能。先測定室內(nèi)溫度,接好電源及實驗設(shè)備。接通半導(dǎo)體制冷片。

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