基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究

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1、基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究【摘要】随着科学技术的不断发展,冰箱行业也日趋壮大，冰箱制冷效率的提高直接影响着人们生活。本文从半导体制冷空调器的特点、提高半导体制冷空调效率的途径及试验分析等几个方面进行了分析。【关键词】半导体制冷；效率；提高中图分类号：TB6文献标识码：A一、前言近年来，由于半导体的应用领域越来越广泛，基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究问题引起了人们的重视。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强半导体制冷在冰箱制冷的运用，对我国冰箱制冷工程有着重要意义。二、

2、半导体制冷空调器的特点8半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比,具有以下优点结构简单,没有机械传动机构,故工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便,可靠性高；不使用制冷剂,故无泄漏、无污染；直流供电,电流方向转换方便,可冷热两用；重量、尺寸较小,便于安装；热惯性小,负荷可调性强,调节和控制方便；工作状态不受重力场的影响；百瓦级的小功率空调器的成本与压缩制冷空调的成本相差不大；而十瓦级的微型空调器的成本远低于压缩制冷,具有压缩制冷无法替代的优势。半导体制冷空调具有如上所述众多的优点,但是半导体制冷空调器的制冷效率较低,它的制冷效率只有机械制冷效

3、率的30%。因此限制了半导体制冷空调在民用领域的应用。三、提高半导体制冷空调效率的途径半导体制冷空调器最大的不足是制冷效率较低,这限制了半导体制冷空调器的推广和应用。提高半导体制冷空调器的效率,要从影响制冷效率因素的分析入手,找出有效的解决方法。热电制冷的关键问题是材料问题,但近20年该方面的研究进展表明,半导体材料优值系数的提高非常困难,因此对半导体材料的探索仍需要很长的时间。目前,在高优值系数的材料何时出现还是个未知数的情况下,解决好热电堆热端散热问题,对系统制冷效率的提高起到至关重要的作用。半导体制冷热端散热方式有很多种,包括空气自然对流、空

4、气受迫对流、水冷散热、环流散热、利用物质的熔化潜热散热等。半导体制冷空调器的散热方式要根据具体的使用情况来选择,并且要对散热系统进行优化设计,以保证热端处于良好的散热状态8四、试验论证1、研究内容及技术方案针对现有采用半导体制冷的小型制冷装置，由于半导体冷端的冷量不能得到有效的传递，导致半导体元件的冷端温度处于偏高状态，进而继续影响冷端的冷量传递，造成小型制冷装置的制冷效率低下。现对对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。2、散热系统的设计（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据

5、公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=（35+4×30）/5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃~60℃，故我们选择氨作为热管工质。（2）热管内径的确定：根据公式：计算得到携带极限所需管径为：dv=1.6mm式中，在31℃下氨的物性值为：r=1134.87kJ/kg；QL=592.2kg/m3；Qv=9.6kg/m3；o=0.024N/m；Qent=30W根据公式8计算得到声速极限对应的管径为：dv=0.13mm式中：Pv=12.4bar；Qc=30W一般情况下，热

6、管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制热管传热的控制因素。综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：3、理论分析（1）保温箱Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。（2）半导体制冷片：假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。（3）散热器近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。由于有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。（4）模拟计算设冰箱内部的温度函数为T

7、（t）。理论结果分析：由图像可知，两种散热方式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了∆COP=1.55%。8图14、实验方案设计在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。实验过程中共使用两个温度传感器：第一个温度传感器的一端放在半导体制冷片的冷端表面，并加以固定，以测定冷端温度。第二个传感器放在热管散热器的翅

8、片部分，并加以固定，以测定散热器温度。首先，我们测定热管的散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片。