热电热泵取暖器的研制及性能分析
|
摘要
热电效应发现于19世纪中上期，由于效率低下，在其后100余年期间，热电效应除在热电偶测温方面有所应用，在其它方面鲜有实际应用。20世纪50年代，热电性能较好的半导体材料得以发现，使热电效应进入工程实践，涉及国防、工业、农业、医疗、商业、日常生活等广泛的领域。
分析了热电制冷的基本原理，首先介绍了温差电效应的五种效应即：塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应、焦耳效应及富里叶效应，接着分析了热电制冷的机理、热电制冷的最佳特性分析及热电制冷工况设计及各种冷、热端交换方式。
分析了热电制冷过程的传热性能，帕尔贴热是热电制冷循环的基础。P型与n型半导体内的温度分布及传热机理是不同的，热电制冷器冷、热端温度场是不均匀的。
研制了一台热电热泵取暖器，取暖器的各项指标符合国家标准，测试表明，在标准工况下，其制热系数达到1.3左右，比普通的电取暖器节省30％。同时本文还进行了性能测试及分析。
以中、高档旅馆为例，在建筑能耗分析和废热回收的可行性分析的基础上，进行了利用热电热泵装置回收废热的探讨，利用热电热泵装置回收空气置换过程中的废“热”或废冷，以及利用热电热泵装置回收循环冷却水废热和生活污水废热，用于加热自来水作生活热水，节能潜力很大；同时，消除对环境的“热”污染，达到节能、环保的目的。
Thermoelectric effects , discovered in the mid-upper term of the 19th century ,had been less applied in practical projects during more than 100 years after its discovery because of its inefficiency , but the discovery of materials with high thermoelectric properties made thermoelectric effects be applied in practical projects in 1950's , which involved many fields , such as national defense , industry agriculture , medicine , commerce , daily lives and so on .
On the analysis of fundamental principle of thermoelectric refrigeration , at first , there present five thermoelectric effects which are Peltier effect , Seebeck effect , Joule effect and so on . and there present the mechanism of the thermoelectric refrigeration , the analysis of the best character about thermoelectric refrigeration , the design of the thermoelectric refrigeration and all kind of exchange mode of the cold surface and the heat surface .
Peltier heat is foundation of thermoelectric refrigeration circulation . temperature distributing inside p type and n type and diathermanous mechanism are different .temperature field of the cold surface and heat surface is asymmetric .
Developing a thermoelectric heat pump heater, all kind of index answer for national standard . testing data make clear that its heating performance factor reached 1.3 or so. Compared with conventional electricity heater, its can save energy by 30% or so. And analysis its diathermanous performance.
On the basis of the feasibility analysis of building energy consumption and the feasibility of waste heat recovering ,taking middle or high-grade hotels for example , the methods exploration of waste heat recovering have been conducted by the means of thermoelectric heat pump apparatus ,and it is showed that the latent capacity of energy conservation is very large if we can utilize thermoelectric heat pump apparatus to recovery the waste "hot" of or "cold" energy in air displacing or to heat water of refrigerant compressor unit and waste energy in daily waste water, which , at the same time ,achieve the double goal of energy saving and environment protection by means of removing the "heat" pollution in environment.
分析了热电制冷的基本原理，首先介绍了温差电效应的五种效应即：塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应、焦耳效应及富里叶效应，接着分析了热电制冷的机理、热电制冷的最佳特性分析及热电制冷工况设计及各种冷、热端交换方式。
分析了热电制冷过程的传热性能，帕尔贴热是热电制冷循环的基础。P型与n型半导体内的温度分布及传热机理是不同的，热电制冷器冷、热端温度场是不均匀的。
研制了一台热电热泵取暖器，取暖器的各项指标符合国家标准，测试表明，在标准工况下，其制热系数达到1.3左右，比普通的电取暖器节省30％。同时本文还进行了性能测试及分析。
以中、高档旅馆为例，在建筑能耗分析和废热回收的可行性分析的基础上，进行了利用热电热泵装置回收废热的探讨，利用热电热泵装置回收空气置换过程中的废“热”或废冷，以及利用热电热泵装置回收循环冷却水废热和生活污水废热，用于加热自来水作生活热水，节能潜力很大；同时，消除对环境的“热”污染，达到节能、环保的目的。
Thermoelectric effects , discovered in the mid-upper term of the 19th century ,had been less applied in practical projects during more than 100 years after its discovery because of its inefficiency , but the discovery of materials with high thermoelectric properties made thermoelectric effects be applied in practical projects in 1950's , which involved many fields , such as national defense , industry agriculture , medicine , commerce , daily lives and so on .
On the analysis of fundamental principle of thermoelectric refrigeration , at first , there present five thermoelectric effects which are Peltier effect , Seebeck effect , Joule effect and so on . and there present the mechanism of the thermoelectric refrigeration , the analysis of the best character about thermoelectric refrigeration , the design of the thermoelectric refrigeration and all kind of exchange mode of the cold surface and the heat surface .
Peltier heat is foundation of thermoelectric refrigeration circulation . temperature distributing inside p type and n type and diathermanous mechanism are different .temperature field of the cold surface and heat surface is asymmetric .
Developing a thermoelectric heat pump heater, all kind of index answer for national standard . testing data make clear that its heating performance factor reached 1.3 or so. Compared with conventional electricity heater, its can save energy by 30% or so. And analysis its diathermanous performance.
On the basis of the feasibility analysis of building energy consumption and the feasibility of waste heat recovering ,taking middle or high-grade hotels for example , the methods exploration of waste heat recovering have been conducted by the means of thermoelectric heat pump apparatus ,and it is showed that the latent capacity of energy conservation is very large if we can utilize thermoelectric heat pump apparatus to recovery the waste "hot" of or "cold" energy in air displacing or to heat water of refrigerant compressor unit and waste energy in daily waste water, which , at the same time ,achieve the double goal of energy saving and environment protection by means of removing the "heat" pollution in environment.
引文
[1] 钟广学，编著．半导体致冷器件及其应用．北京：科学出版社，1989，11
[2] 徐德胜，编著．半导体制冷与应用技术(第二版)．上海：上海交通大学出版社，1998
[3] 张华俊，陈浩，王俊等．半导体热电堆发电的发展及展望．节能，2001，(10)：4-7
[4] 袁都奇．热电发电机的性能优化与比较．宝鸡文理学院学报(自然科学版)，2002，22(4)：292-294
[5] 张华俊，陈洁，王俊等．冷、热端温度对半导体热电堆发电性能影响的初步研究．太阳能学报，2001，22(2)：148-152
[6] H.Glosch.A thermoelectric converter for energy supply.Sensors and Actuators,1999, 74:246-250
[7] D.M.Rowe,Thermoelectric, an environmentally-friendly source of electrical power, Renewable Energy, 1999, 16: 1251-1256
[8] P.Yodovard. The potentional of waste heat thermoelectric power genernation from diesel cycle and gas turbine cogneration plants. Energy sources,2003, (3): 213-224
[9] 王剑峰，胡熊飞．热电驱动制冷系统的性能系数．低温与特气，1996，(1)：42-43
[10] 卢希红，熊丽红，李茂德等．半导体制冷技术的研究与发展，能源研究与信息，1998，14(4)：41-47
[11] 宣向春，王维扬．半导体制冷器的进展．半导体技术，1999，24(1)：14-18
[12] S.B.Riffat,xiaoli Ma. review thermoelectrics: a review of present and potential applications. Applied thermal Engineering 2003, 23:913-935
[13] 宣向春，王维扬．半导体制冷器材料的发展．低温与特气，1997，(4)：11-17
[14] 胡淑红，朱铁军，赵新兵等．热电材料：古老的课题，新的研究方法．功能材料，2001，32(2)：113-114
[15] 刘宏，王继扬，张承乾等．电子晶体-声子玻璃及热电材料研究的最新进展．高技术通讯，2001，(5)：104-107
[16] 朱文，杨君友，张同俊等．热电材料的最新进展．金属功能材料，2002，9(4)：20-23
[17] D.D.L.Wijigaards ,S.H.Kong, M.Bartek, R.F.Wolffenbuttel. Design and fabrication of on-chip integrated polySiGe and polySi Peltier devices. Sensors
and Actuators,2000, 85:316-323
[18] 宣向春，王维杨等．半导体制冷器“无限级联”温差电对工作参数的理论分析．制冷学报，1998，(2)：34-38
[19] 宣向春，王维扬．锥状电臂半导体制冷器工作参数的理论分析．低温与特气，1999，(2)：20-22
[20] 宣向春，王维扬．半导体制冷器工作参数的理论分析．低温工程，1998，(1)：26-30
[21] 张华俊，董晓俊，陶文铨．风冷热电空调器的研制．半导体学报，2001，22(2)：220-223
[22] 马国远，郁永章．电动汽车用热电空调系统的探讨．探讨与研究，2000，(6)：11-16
[23] 罗勇，王兰，焦永刚等．浅谈半导体冷藏柜的节能技术．节能，2001，(4)：17-18
[24] 洪启丰，张士连．用于加压仓温度控制的热电空调装置．制冷技术，1987，(3)：16-22
[25] 洪启丰．加压仓热电空调器的设计和应用．制冷学报，1985，(2)：25-30
[26] 龚定农，关鹏来，邓昭锦．半导体制冷冷敷仪的研制及应用．制冷，1998，64(3)：73-75
[27] 董生怀，张顺新，程花蕊．应用半导体制冷技术实现温度控制器快速检测．制冷，1998，64(3)：83-84
[28] 李瑞云，王俊，林兰英．半导体制冷恒温浴槽．半导体学报，1999，20(8)：733-736
[29] 马国远．地下水源热电热泵的应用研究．暖通空调，2001，31(3)：9-11
[30] 李大志，朱香琴，李国瑞．半导体制冷低噪声放大器结构设计．低温与超导，1999，27(2)，16-19
[31] 迟泽涛，贾立业，马兴成．半导体制冷去湿．制冷学报，1997，(3)：43-46
[32] M.Bojic, Thermoelectric cooling of a train carriage by using a coldness-recovery device,Energy,1997, (5): 493-500
[33] T.Hara, Cooling performance of solar cell driven thermoelectric cooling prototype headgear, Applied Thermal Engineering, 1998, 18: 1159-1169
[34] Y.J.Dai, R.Z.Wang , L.Ni. Experimental investigation and analysis on a thermoelectric refrigerator driven by solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells,2003, 77:377-391
[35] S.A.Omer, S.B.Riffat, Xiaoli Ma. Experimental investigation of a thermoelectric refrigeration system employing a phase change material integrated with thermal diode (thermosyphons).Applied Thermal Engineering,
2001, (21): 1265-1271
[36] G.Bale.Cooled CdZnTe detectors for X-ray astronomy.Nuclear Instruments and Methods in Physics,1999, 436:150-154
[37] G.Min.Cooling performance of integrated thermoelectric microcooler Solid-State Electronics,1999, 43: 923-929
[38] N.L.Gregory, T.D.W.Claridge,M.Leonard.Thermoelectric cooling for NMR Sample temperature control. journal of magnetic resonance, 1997, 124: 228-231
[39] S.B.Riffat , Xiaoli Ma.Thermoelectrics: a review of present and potential applications.Applied Thermal Engineering, 2003, (23): 913-935
[40] 许启明．半导体制冷和泵热循环机理的研究．低温工程，1996，89(1)：17-21
[41] 罗勇，胡定科，焦永刚等．浅谈低温热管散热器的研制．节能，2000，16(3)：32-33
[42] 张建成．半导体制冷的热管式散热器传热研究．东南大学学报(自然科学版)，2000，30(5)：38-41
[43] 白晓亮．半导体制冷的散热与热管散热器的设计．制冷，1998，65(4)：46-49
[44] 陈玉忠．微型热电制冷散热器工作状态特性分析．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2002，16(1)：62-68
[45] 吴丽清，陈金灿，严子浚等．汤姆逊效应对半导体制冷器性能的影响．半导体学报，1997，18(6)：448-453
[46] 王宏杰，杜家练，陈金灿．半导体制冷系统性能特性优化．制冷，1999，18(4)：54-58
[47] 姚志彪．半导体制冷装置的实验研究．流体机械，1996，(12)：48-52
[48] 王宏杰，陈金灿．耦合半导体制冷系统性能特性的优化分析．半导体学报．2001，22(7)：938-942
[49] 简弃非，梁荣光，张勇．半导体制冷效率及空间冷量传递特性实验研究．华南理工大学学报(自然科学版)，2001，29(5)：72-75
[50] 卢希红，熊丽红，李茂德．小型半导体制冷器的实验研究。能源研究，1998，(5)：7-10
[51] 卢希红，李茂德，潘葆炯．半导体制冷器温度场的数值分析．能源研究与信息，2001，17(1)：18-21
[52] 卢希红．散热强度对半导体制冷性能的影响的分析研究：同济大学硕士学位论文．上海：同济大学物理研究所，2002，27-29
[53] 文立军，莫瑞华．电制冷中央空调的废热利用．制冷，2002，21(4)：64-65
[54] 张益民．空调废热回收．应用能源技术，2001，(4)：19-20
[55] 国家经贸委资源节约与综合利用司．2001年资源利用节约综合利用工作要点．环保与节能，2001，1
[56] 罗清海．热电热泵热水器的研制及热力分析：湖南大学硕士学位论文．湖南：湖南大学，2002，6，1-82
[57] 张华俊，陶文铨，冯倩莹等．风冷热电空调器的实验研究．1999，27(2)：48-51
[2] 徐德胜，编著．半导体制冷与应用技术(第二版)．上海：上海交通大学出版社，1998
[3] 张华俊，陈浩，王俊等．半导体热电堆发电的发展及展望．节能，2001，(10)：4-7
[4] 袁都奇．热电发电机的性能优化与比较．宝鸡文理学院学报(自然科学版)，2002，22(4)：292-294
[5] 张华俊，陈洁，王俊等．冷、热端温度对半导体热电堆发电性能影响的初步研究．太阳能学报，2001，22(2)：148-152
[6] H.Glosch.A thermoelectric converter for energy supply.Sensors and Actuators,1999, 74:246-250
[7] D.M.Rowe,Thermoelectric, an environmentally-friendly source of electrical power, Renewable Energy, 1999, 16: 1251-1256
[8] P.Yodovard. The potentional of waste heat thermoelectric power genernation from diesel cycle and gas turbine cogneration plants. Energy sources,2003, (3): 213-224
[9] 王剑峰，胡熊飞．热电驱动制冷系统的性能系数．低温与特气，1996，(1)：42-43
[10] 卢希红，熊丽红，李茂德等．半导体制冷技术的研究与发展，能源研究与信息，1998，14(4)：41-47
[11] 宣向春，王维扬．半导体制冷器的进展．半导体技术，1999，24(1)：14-18
[12] S.B.Riffat,xiaoli Ma. review thermoelectrics: a review of present and potential applications. Applied thermal Engineering 2003, 23:913-935
[13] 宣向春，王维扬．半导体制冷器材料的发展．低温与特气，1997，(4)：11-17
[14] 胡淑红，朱铁军，赵新兵等．热电材料：古老的课题，新的研究方法．功能材料，2001，32(2)：113-114
[15] 刘宏，王继扬，张承乾等．电子晶体-声子玻璃及热电材料研究的最新进展．高技术通讯，2001，(5)：104-107
[16] 朱文，杨君友，张同俊等．热电材料的最新进展．金属功能材料，2002，9(4)：20-23
[17] D.D.L.Wijigaards ,S.H.Kong, M.Bartek, R.F.Wolffenbuttel. Design and fabrication of on-chip integrated polySiGe and polySi Peltier devices. Sensors
and Actuators,2000, 85:316-323
[18] 宣向春，王维杨等．半导体制冷器“无限级联”温差电对工作参数的理论分析．制冷学报，1998，(2)：34-38
[19] 宣向春，王维扬．锥状电臂半导体制冷器工作参数的理论分析．低温与特气，1999，(2)：20-22
[20] 宣向春，王维扬．半导体制冷器工作参数的理论分析．低温工程，1998，(1)：26-30
[21] 张华俊，董晓俊，陶文铨．风冷热电空调器的研制．半导体学报，2001，22(2)：220-223
[22] 马国远，郁永章．电动汽车用热电空调系统的探讨．探讨与研究，2000，(6)：11-16
[23] 罗勇，王兰，焦永刚等．浅谈半导体冷藏柜的节能技术．节能，2001，(4)：17-18
[24] 洪启丰，张士连．用于加压仓温度控制的热电空调装置．制冷技术，1987，(3)：16-22
[25] 洪启丰．加压仓热电空调器的设计和应用．制冷学报，1985，(2)：25-30
[26] 龚定农，关鹏来，邓昭锦．半导体制冷冷敷仪的研制及应用．制冷，1998，64(3)：73-75
[27] 董生怀，张顺新，程花蕊．应用半导体制冷技术实现温度控制器快速检测．制冷，1998，64(3)：83-84
[28] 李瑞云，王俊，林兰英．半导体制冷恒温浴槽．半导体学报，1999，20(8)：733-736
[29] 马国远．地下水源热电热泵的应用研究．暖通空调，2001，31(3)：9-11
[30] 李大志，朱香琴，李国瑞．半导体制冷低噪声放大器结构设计．低温与超导，1999，27(2)，16-19
[31] 迟泽涛，贾立业，马兴成．半导体制冷去湿．制冷学报，1997，(3)：43-46
[32] M.Bojic, Thermoelectric cooling of a train carriage by using a coldness-recovery device,Energy,1997, (5): 493-500
[33] T.Hara, Cooling performance of solar cell driven thermoelectric cooling prototype headgear, Applied Thermal Engineering, 1998, 18: 1159-1169
[34] Y.J.Dai, R.Z.Wang , L.Ni. Experimental investigation and analysis on a thermoelectric refrigerator driven by solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells,2003, 77:377-391
[35] S.A.Omer, S.B.Riffat, Xiaoli Ma. Experimental investigation of a thermoelectric refrigeration system employing a phase change material integrated with thermal diode (thermosyphons).Applied Thermal Engineering,
2001, (21): 1265-1271
[36] G.Bale.Cooled CdZnTe detectors for X-ray astronomy.Nuclear Instruments and Methods in Physics,1999, 436:150-154
[37] G.Min.Cooling performance of integrated thermoelectric microcooler Solid-State Electronics,1999, 43: 923-929
[38] N.L.Gregory, T.D.W.Claridge,M.Leonard.Thermoelectric cooling for NMR Sample temperature control. journal of magnetic resonance, 1997, 124: 228-231
[39] S.B.Riffat , Xiaoli Ma.Thermoelectrics: a review of present and potential applications.Applied Thermal Engineering, 2003, (23): 913-935
[40] 许启明．半导体制冷和泵热循环机理的研究．低温工程，1996，89(1)：17-21
[41] 罗勇，胡定科，焦永刚等．浅谈低温热管散热器的研制．节能，2000，16(3)：32-33
[42] 张建成．半导体制冷的热管式散热器传热研究．东南大学学报(自然科学版)，2000，30(5)：38-41
[43] 白晓亮．半导体制冷的散热与热管散热器的设计．制冷，1998，65(4)：46-49
[44] 陈玉忠．微型热电制冷散热器工作状态特性分析．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2002，16(1)：62-68
[45] 吴丽清，陈金灿，严子浚等．汤姆逊效应对半导体制冷器性能的影响．半导体学报，1997，18(6)：448-453
[46] 王宏杰，杜家练，陈金灿．半导体制冷系统性能特性优化．制冷，1999，18(4)：54-58
[47] 姚志彪．半导体制冷装置的实验研究．流体机械，1996，(12)：48-52
[48] 王宏杰，陈金灿．耦合半导体制冷系统性能特性的优化分析．半导体学报．2001，22(7)：938-942
[49] 简弃非，梁荣光，张勇．半导体制冷效率及空间冷量传递特性实验研究．华南理工大学学报(自然科学版)，2001，29(5)：72-75
[50] 卢希红，熊丽红，李茂德．小型半导体制冷器的实验研究。能源研究，1998，(5)：7-10
[51] 卢希红，李茂德，潘葆炯．半导体制冷器温度场的数值分析．能源研究与信息，2001，17(1)：18-21
[52] 卢希红．散热强度对半导体制冷性能的影响的分析研究：同济大学硕士学位论文．上海：同济大学物理研究所，2002，27-29
[53] 文立军，莫瑞华．电制冷中央空调的废热利用．制冷，2002，21(4)：64-65
[54] 张益民．空调废热回收．应用能源技术，2001，(4)：19-20
[55] 国家经贸委资源节约与综合利用司．2001年资源利用节约综合利用工作要点．环保与节能，2001，1
[56] 罗清海．热电热泵热水器的研制及热力分析：湖南大学硕士学位论文．湖南：湖南大学，2002，6，1-82
[57] 张华俊，陶文铨，冯倩莹等．风冷热电空调器的实验研究．1999，27(2)：48-51