热电制冷技术PPT课件

一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热 分析计算中处于次要地位，其数值与帕耳帖效 应相比甚微，作为工程或设计计算，可以忽略 不计。
焦耳效应：单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积：
wenku.baidu.com
QJ

I 2R

I2
l
S
傅里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的 面积和该方向的温度梯度的乘积成正比:
1、五种效应
塞贝克效应：塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温 度不同，其 周围就会出现磁场，进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存 在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。
如图所示,由a、b两种不同材料构成的电路, 若两个接点A、B之间存在温差△T，则在点 C、 D 之间会产电动势Eab.Eab的大小与接点间的 温度正比：
QK KT
2、热电制冷的产冷量
在制冷热电偶中，一个结点上放热，而另一个结点上吸热，因此两个结点间有 温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。因热电偶内流动的电流产生焦耳热， 使局部温度升高，温度升高就使更多的热流向冷结点，起了增加从热结点至冷结点 总热量的作用。若热在电流为I的导体上达到平衡，则传导给冷结点的纯热流可用一 维傅里叶方程来表示：
式中 ab 称为帕尔贴系数
汤姆逊效应：若电流通过有温度梯度的导体，则在导体与周围环境之间将进行能量 交换，这种现象称为汤姆逊效应。实验得出单位长度吸收或放出的热与电流和温度 梯度的乘积成比例：
QT
I
dT dx
QT—每单位长度导体的吸（放热）率，也 称汤姆逊热 τ —比例常数，称为汤姆逊系数； I—通过导体的电流； dT/dx—温度梯度
5、热电制冷的基本公式
一对电偶消耗的电功率为：
N0 UI I 2R I (P N )T
一对电偶的制冷系数定义为为：单位电功率所能吸收的热量：


Q0 N0

( P
N
)ITC

1 2
I
2R

KT
I 2R I (P N )T
一对热电偶在热端放出的热量：
QH

Qhc

1 2
QJ
QK

1 2
I 2R
KT
由传导给冷结点的总热量影响了帕尔贴制冷，因此，把它减掉就得到了单个 热电偶的纯产冷量：
Q0

( P
N
)ITC

1 2
I
2R

KT
3、制冷原理
若我们把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当做电流来看，则每种材料载流子的势能不 同。因此，为满足能量守恒的要求，载流子通过结点时必然与其周围环境进行能量交换。这就是 帕尔贴效应。如右图，n型材料有多余的电子，有负温差电势。p型材料电子不足，有正温差电势。 当电子从p型穿过结点至n型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这 一点可用温度降低来证明。反之，当电子从n型流至p型材料时，结点的温度就升高。
Q0

N0

( P
N )ITH

1 2
I 2R
KT
使制冷器获得最大的制冷量是设计追求的指标之一。从制冷量的计算式可知， 当工作温度、半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的大小只与电流有关。帕 耳帖热越大，焦耳热越大，则制冷量越大。帕耳帖热与电流成正比，焦耳热与电流 的平方成正比，故存在着使制冷量最大的电流，求导，得到最佳电流和最大制冷量：
根据前面关于热点效应的讨论，显然对于热电材料的特性可得以下结论 （1）为了产生大的制冷效能，温差电动势要相当高，它是所选电偶材料的函数，该 电动势是随温度变化的塞贝克电压。 （2）电阻率要低，否则电阻产生的热可能超过制冷效能。 （3）要维持冷热节点之间有一个大的温差，导热系数要低。
热电制冷技术的 发展与应用
BY：袁丽芬 能动B22
2120301172 西安交通大学
目录
制冷原理 应用方向 优势与劣势 发展
Company Logo
一、制冷原理
热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是在1834年发现的帕尔 贴效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。总的 热电效应的包含五中不同的效应。其中塞贝克、帕尔贴和汤姆逊三种 效应表明热和电能相互转换开始直接可逆的。另外两种效应是热的不 可逆效应，即焦耳和傅里叶效应。
右图所示的连接方法在实际中无用，因此要用左图的连接方法代替。在上面的一个接头处， 电流方向是n到p,温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头，电流方向是p到n，温 度上升并且放热，因此是热端。
把若干对半导体热电偶在电路上串联起来。而在传热方面则是并联的，这就 构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下 面是热端。借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一 定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中取吸热降温，这就是热电制冷器的工 作原理。
I Q0 m ax

TC
R
Q0m ax

(TC )2
2R
KT
同时，性能系数对电流求导，则可得制冷系数取最大时的最佳电流：
IOP (
T
1 1 ZT
1) R
2
max

TC TH TC

1
1 2
Z (TH
TC )
TH TC
1
1 2
Z (TH
TC )
1
4、热电制冷与机械压缩式制冷的比较
热电制冷是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷 压缩机的作用，冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端及其热 交换器相当于冷凝器。通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆 的冷端想热端运动，相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端， 通过热交换器吸热，同时产生电子-空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中吸热和蒸 发。在热电堆的热端，发生电子-空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于 制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
Eab abT
式中α ab称为塞贝克系数，又称为材料对的 温差电动势率，
帕尔贴效应：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热 或放热现象。帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程。直流电回路时，回路的一端吸 收热量，另一端则放出热量。吸热量称为帕耳帖热，它正比于电流 I:
Qp ab I ab abT