【摘要】：熱電系統(tǒng)由于其低效率而未被廣泛使用,其效率受到熱側(cè)相關(guān)熱設(shè)計的影響。本文主要關(guān)注點是通過使用蒸氣腔散熱器,提高熱電系統(tǒng)性能,通過提供低的總傳熱熱阻,有效的熱擴散能力,使得溫度均勻地分布,避免形成與熱電模塊的熱側(cè)相關(guān)的熱點區(qū)域,提高了系統(tǒng)熱性能。本文進行了以下研究工作:1)熱電模塊建模:本研究中,依據(jù)帕爾貼效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和熱傳遞,采用MATLAB對熱電堆性能進行模擬計算;以40 mm x 40 mm的熱電模塊TEC1-12710作為研究對象,其冷端溫度為290K,冷熱段溫差為0 K—70 K,可變輸入電流0.1 A—15 A;基于熱電模塊熱側(cè)的傳導(dǎo)熱損失、高溫和熱阻主要的問題被闡述出來。2)研究熱電堆熱端采用蒸氣腔的散熱效果�；谖盒竞驼羝麉^(qū)域的連續(xù)性方程,蒸氣腔所包含的壁面、多孔吸液芯、蒸汽區(qū)三部分的能量守恒方程,推導(dǎo)出蒸汽腔數(shù)學(xué)模型;采用正交各向異性法獲得蒸氣腔的有效導(dǎo)熱系數(shù)和擴散和傳導(dǎo)熱。3)模擬分析:采用COMSOL Multiphysics軟件作為模擬平臺,模擬不同參數(shù)的蒸氣腔換熱器,輸入熱量80 W—400 W,對流換熱系數(shù)100W/m~2K—2000 W/m~2K,不同的厚度和換熱面積。分析和比較了傳統(tǒng)的銅和鋁固態(tài)金屬導(dǎo)熱板。本文得到的模擬結(jié)果如下:1)結(jié)果表明,熱電模塊的效率與導(dǎo)熱和溫度差具有很強的相關(guān)性。對于傳熱熱阻小于0.1 K/W,在輸入較小電流時COP會超過2.40。相似的,對于熱阻在0.001 K/W—0.1 K/W之間,熱側(cè)溫度可以降低到310 K—335 K。這表明低的熱阻和小溫差使得COP將顯著的增加。2)在輸入任何熱量下,蒸汽腔底面和頂面之間的溫度上升百分比都小于與之作比較的導(dǎo)熱板。對于160 W的輸入量,銅的溫度上升百分比為48.46%,而鋁為76.76%,高于蒸汽腔的溫度上升。這意味著蒸氣腔有著較好的熱傳導(dǎo)性能,使得蒸氣腔底面和頂面具有較小溫差。3)在80 W、160 W和240 W的熱輸入下,蒸汽腔的總熱阻為0.27 K/W—0.28 K/W。然而,在相同熱輸入的情況下,導(dǎo)熱板熱阻相近,例如銅為0.326 K/W,鋁為0.458 K/W,表明蒸氣腔總熱阻比銅導(dǎo)熱板低17%,總熱阻比鋁導(dǎo)熱板低41%。這表明熱阻低的蒸汽室對提高熱電模塊性能有重要意義。4)增加面積比將降低總熱阻;對于150 mm×150 mm的蒸氣室,其總熱阻為0.163 K/W,而銅和鋁分別為0.266 K/W和0.427 K/W,這意味著蒸汽腔熱阻比傳統(tǒng)的銅和鋁導(dǎo)熱板可以減少38.72%和61.82%。這表明增加蒸汽腔的面積比的重要性,它可以通過提供更低的熱阻來增加其熱擴散能力。5)模擬得到的橫向?qū)嵯禂?shù)在1480—1944 W/(mK)的范圍內(nèi),這表明溫度沿頂面均勻分布,與銅(401 W/mK)和鋁(171 W/mK)導(dǎo)熱板相比,可以克服熱點區(qū)域的問題,取決于厚度、輸入熱流密度和蒸汽腔的面積比。研究發(fā)現(xiàn),采用熱電模塊熱側(cè)蒸汽腔散熱器可獲得比傳統(tǒng)的銅和鋁導(dǎo)熱板高26.15～56.15%的COP。本研究還提出了蒸汽腔的有效熱擴散能力和有效熱傳導(dǎo)熱阻。該研究將為熱電模塊用于蒸汽強的設(shè)計和應(yīng)用提供指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

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本文編號：2764625