第八章热电制冷
制冷原理与设备 第3版课件4-4
4.4 热电制冷
热电制冷具有其显著特点： 不用制冷剂 无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱 可制成低温医疗器具 可对仪器进行冷却 可做成零点仪
4.4 热电制冷
4.4.1 热电效应
单级热电堆
将数十个乃至数百个热电电 偶串联，将冷端排在一起， 热端排在一起，组成热电堆， 称单级热电堆，
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 热电堆的冷端放到被冷却系 统中去吸热降温，这就是单 级热电堆式半导体制冷器热 的工作原理。
4.4 热电制冷
为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式半导体制冷。它 是由单级热电联结而成。联结的方式有串联、并联及串并联。其中二级、三 级热电堆式半导体制冷最为常见
热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外 磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损 失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和 汤姆逊(Thomson)效应。热电制冷又称作温差电制 冷，或半导体制冷 .
ห้องสมุดไป่ตู้
4.4 热电制冷
单级热电堆
4.4 热电制冷
4.4.2 热电制冷工作原理
多级热电堆式半导体制冷器原理图 a) 串联二级热电堆 b) 并联二级热电堆 c) 串、并联三级热电堆
热电制冷材料的设计及性能研究
热电制冷材料的设计及性能研究随着气候变暖，空调、冰箱等冷却设备的使用日益增加，对环境的影响也越来越大。
因此，热电制冷技术备受关注，它可以将废热转化为冷量，减少能源消耗，降低温室气体排放。
而热电制冷材料则是热电制冷技术的关键所在。
本文将介绍热电制冷材料的设计及性能研究。
一、热电材料的基本原理热电材料的基本原理是“塞贝克效应”，即在两种不同材料连接处，如果一个材料中的电子向另一个材料移动，则在这个连接处会产生电压。
这种现象叫做“塞贝克电压”，而产生这种电压的材料就叫做“热电材料”。
热电材料的性能通常用两个参数来表示：热电系数和电阻率。
热电系数是指当两端温度差为1K时，在材料中产生的电压与中间温度的比值。
电阻率则是指材料单位长度内的电阻。
二、热电材料的现状与发展目前，热电材料已经得到了广泛的应用，例如汽车座椅、废热利用等。
但是，现有的热电材料的热电系数较低，效率不高，需要进行进一步的研究和开发。
近年来，研究人员提出了一种新的热电材料设计方法，即采用纳米结构来增强热电性能。
这种方法通过控制材料的晶粒大小和形状，增加界面散射和量子反跳的现象，来提高材料的热电性能。
三、常见热电材料及其性能1.硅锗合金硅锗合金是目前最常用的热电材料之一。
它的热电系数较高，可达到200μV/K，但电阻率较大，约为50μΩ·cm。
硅锗合金的应用范围广泛，可以用于废热利用、能量回收和制作温差发电模块等。
2.铋碲化物铋碲化物是一种新型的热电材料，具有较高的热电系数和较低的电阻率。
它的热电系数可达到380μV/K，而电阻率只有3μΩ·cm。
铋碲化物的应用领域包括电力电子、热电制冷等。
3.碲化锑碲化锑也是一种常用的热电材料，具有较高的热电系数和较低的电阻率。
它的热电系数可达到250μV/K，而电阻率只有6μΩ·cm。
碲化锑的应用范围包括电源管理、热电制冷等。
四、热电材料的性能测试方法1. Seebeck系数Seebeck系数是指当两个电极之间存在温度梯度时，电子从一个电极向另一个电极移动时产生的电压差与温度梯度之比。
第8讲-1 吸收制冷与热电制冷 16张
1 2 Q0 = (a p − a n ) ITc − I R − KΔT , 2
1 2 a p − a n ITc − I R − Q0 2 ΔT = . K
(
)
Q H = Q0 + N 0
QH ε'= = 1+ ε N0
《能源与动力装置基础——制冷原理与空气调节》
热电制冷装置与一般制冷装置的显著区别在于： 不使用制冷剂，没有运动部件，容量尺寸宜于小型 化，使用直流电工作。 由于不使用制冷剂，消除了制冷剂泄漏可能对人 体造成的毒害。在一些场合，例如在密闭的工作室 内，采用热电制冷是十分合宜的。 由于不使用制冷剂，在热电制冷器运行时，无噪 音、无振动、无磨损。因此工作可靠，维护方便，使 用寿命长。对于潜艇等特殊环境，对噪音和振动有比 较高的要求，维护操作亦力求简便。热电制冷装置是 比较理想的冷源。 热电制冷器的容积尺寸宜于小型化，这是一般制 冷技术所办不到的。小型热电制冷器的制冷量一般在 几瓦到几十瓦之间，它的效率与容量大小无关，只取 决于热电堆的工作条件。
《能源与动力装置基础——制冷原理与空气调节》
二、热电制冷原理
在半导体材料中，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。电子 在p型中的能量比在金属中低，而电子在n型中的能量 比在金属中高。因此，电子从金属中流入p型半导体 中，能量降低，放出热量。而电子从p型半导体中从 流入金属中，能量增加，吸收热量。而在n型中的情 况正好相反。
《能源与动力装置基础——制冷原理与空气调节》
三、系统间的类似
《能源与动力装置基础——制冷原理与空气调节》
《能源与动力装置基础——制冷原理与空气调节》
四、基本计算 珀尔贴热 珀尔贴系数
热电制冷
热电制冷————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：热电制冷热电效应（Peltier–Seebeck效应）是温度差与电压之间的直接转换，反之亦然。
当每边有不同的温度时，热电装置产生的电压。
反之，当施加给它电压时，它会产生一个温差。
在原子尺度，温度梯度导致材料中的载流子从热端向冷端扩散，类似于古典的气体受热膨胀，因此产生电流。
这种效应可以用来发电、测量温度或改变物体的温度。
由于加热和冷却的方向是取决于施加电压的极性，因此，热电装置是一种有效的温度控制器。
Seebeck效应：温差—→电压 (b) Peltier效应：电压—→温差热电效应（Peltier–Seebeck效应）Seebeck效应：1821年， Seebeck发现，在两种不同金属组成的闭合线路中，如果两接触点的温度不同，其周围使指南针磁铁偏转。
Seebeck最初认为这是由于温差所引起的磁性所致。
进一步实验后，他很快就发现这是由于温差所引起的电流导致的磁铁偏转，而且符合电流感应定律。
更具体地说，温差产生一个电势（电压），它在封闭的回路中产生电流，这种效应被称为Seebeck效应。
Thomas Johann Seebeck, German（1770-1831）Seebeck效应产生的电压与两种材料之间交界处的温度差成正比。
该比例常数被称为Seebeck系数，也通常称为热电势或热电。
该Seebeck 电压不依赖于沿两种材料在两个交界处之间的温度分布。
这种效应是一个热电偶温度计的测温物理基础。
塞贝克效应 (发电)Peltier效应：1834年，法国人Peltier发现，当直流电流通过两种不同导电材料组成的闭合线路时，就会使一个接点变冷，另一个变热。
为了实际应用中加大制冷量，会在两个板块之间安装多组电堆，一块板被冷却，另一块被加热。
Jean Charles Athanase Peltier, French (1785-1845)Peltier效应 (制冷)半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。
热电制冷系统热力学优化分析及节能应用和开发
热电制冷系统热力学优化分析及节能应用和开发一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环境保护的迫切需求，热电制冷系统作为一种高效、环保的制冷技术，正受到越来越多的关注和研究。
热电制冷技术利用热电材料的热电效应实现热能与电能的相互转换，具有无噪声、无振动、无制冷剂泄漏等优点，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，热电制冷系统在能效、成本等方面仍存在一些挑战，限制了其在实际应用中的推广。
本文旨在对热电制冷系统的热力学优化进行深入分析，并探讨其在节能应用和开发方面的潜力。
文章首先介绍了热电制冷技术的基本原理和发展现状，然后重点分析了热电制冷系统的热力学模型和优化方法，包括材料性能优化、系统结构优化、控制策略优化等方面。
在此基础上，文章进一步探讨了热电制冷系统在节能应用和开发中的实际应用案例，如智能家居、数据中心、医疗设备等领域的应用。
通过本文的研究，旨在为热电制冷系统的热力学优化提供理论支持和实践指导，推动热电制冷技术在节能和环保领域的应用和发展。
也希望引起更多研究者和工程师的关注，共同推动热电制冷技术的创新与发展。
二、热电制冷系统热力学基础理论热电制冷，又称热电冷却或佩尔捷效应制冷，是一种基于热电材料（如半导体）中电流和热能之间转换的制冷技术。
这种技术的主要理论基础是热电效应，特别是塞贝克效应和佩尔捷效应。
塞贝克效应描述了当两种不同的导体或半导体连接形成一个闭合回路，并在两个接点处维持不同温度时，回路中将产生电势差的现象。
这个电势差可以通过测量两个接点之间的电压来得到，它的大小取决于两种材料的性质以及接点之间的温度差。
热电制冷系统利用这个效应，通过改变电流方向，使得热量从冷端传递到热端，从而实现制冷效果。
佩尔捷效应则是塞贝克效应的逆过程。
当电流在热电材料中流动时，热量会在材料的两端产生，一端吸热，另一端放热。
通过控制电流的大小和方向，我们可以控制热量在材料两端的分布，从而实现制冷或加热的效果。
热电制冷系统的热力学基础理论主要围绕这两个效应展开。
热电制冷材料的研究进展与应用
热电制冷材料的研究进展与应用随着全球气温不断上升，人类对于环境友好型制冷系统的需求越来越迫切。
采用Peltier效应制冷技术的热电制冷器具有低噪音、高效率、易于控制等优点，成为目前最受关注的新型制冷技术之一。
因此，热电制冷材料的研究和应用一直是热点和难点之一。
本文将重点介绍热电制冷材料的研究进展和应用。
一、热电制冷材料研究进展1. 单晶热电材料单晶热电材料是应用最广泛的一种热电材料。
它的热电性能主要取决于其离子晶体结构的电子运动能力。
目前，Bi2Te3和PbTe等材料是最主流的单晶热电材料。
Bi2Te3具有较高的热电性能，耐腐蚀性好，但其制备成本高，半导体材料纯度和结晶质量要求高；PbTe具有较高的热电性能，易于生产，但其稳定性差，并且受到国际环保法律法规的限制。
2. 纳米热电材料与传统单晶热电材料相比，纳米热电材料具有更好的热电性能。
其中，纳米粒子尺寸的改变是影响热电性能的关键因素之一。
纳米材料具有更大的比表面积和更多的电子界面，因此可以增加载流子数量和提高电子迁移率，从而提高热电效率。
研究表明，在一定的纳米尺寸范围内，纳米粒子的尺寸越小，其热电性能越优秀。
3. 多功能复合材料多功能复合材料是由多种不同材料复合而成的一种材料。
与单晶热电材料相比，多功能复合材料的热电性能更优秀，应用更广泛。
例如，FeSb2/CuSb2复合材料具有优异的热电性能和机械性能，具有很高的应用潜力。
二、热电制冷材料的应用1. 热电制冷器热电制冷器是一种新型的制冷器，具有小体积、低噪音、高能效等特点。
热电制冷器的工作原理是利用Peltier效应，将热电材料加热一侧冷却一侧，从而实现制冷。
这种制冷器目前广泛应用于车载冷藏、光电子器件、計算機制冷装置和航空航天等领域。
2. 热电发电热电发电是将废热转化为电能的一种新型发电方式。
采用热电发电技术可以将冶金、工业制造、石化等领域产生的大量废热转换成电能，从而提高能源利用率。
目前，热电发电技术已经应用于太阳能光伏、风力发电、空气能热泵等领域。
(设备管理)制冷原理与设备课程教学大纲
《制冷原理与设备》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：050028课程名称：制冷原理与设备英文名称：Principles and Equipment of Refrigeration课程类别：专业课学时：58学分：3.0适用对象: 热能与动力工程专业考核方式：考试，平时成绩占总成绩的30%。
先修课程：工程热力学、传热学、流体力学二、课程简介本课程系是热能与动力工程专业的一门专业课，旨在向学生系统介绍制冷原理和制冷装置，使学生掌握各种制冷循环的组成、特点及热力计算方法，并以蒸汽压缩式制冷为主线进行讲解，原理部分侧重理论分析，设备部分则侧重讲解各种制冷设备的结构、特点及选型计算，同时也为学生进一步学习其它专业课程打下基础。
Principles and Equipment of Refrigeration is one of profession course about Thermal Power engineering. In this course, the refrigeration principle and refrigeration equipment introduced to students. Student will command the characteristic in kinds of refrigeration cycle, thermodynamics calculation. and used the steam compress Refrigeration system to explain in detail. the principle part lays emphasis the theories analyzes, equipments the construction, characteristics that part then lay emphasis to explain in detail the cold equipments in every kind of system and choose the type compute.三、课程性质与教学目的制冷原理是热能与动力工程专业的主干课程。
影响热电制冷的因素
热电制冷性能的影响因素关键词：影响热电制冷性能的影响因素热电制冷性能由工作参数和电偶本身的材料特性决定。
（1）欲使最佳由式前面内容可知，应使KR最小，并使电压V满足的条件。
则利用上式，按，求出电偶尺寸优化条件为(1)这时，(KR)取得最小值(2)，按，求出工作电压（或工作电流）的优化值（或），以及在该条件下的制冷系数最佳值，；(3)；(4)(5)式中；(6)(7)Z称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质（温差电动势率、电阻热导率）有关。
Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。
通常，热电偶的优值系数。
当电偶冷端、热端温度分别是，时，依上述计算式(5)可得。
而相同工作温度区间的卡诺制冷系数。
可见，热电制冷的循环效率即使在制冷系数达到最佳值时也只有12%，远不及蒸气压缩式制冷的理论循环效率。
这是由于热电制冷中固体温差电过程的热力学不可逆程度较高。
所以，热电制冷并不是一种能效经济的制冷方式。
（2）欲使制冷能力最佳根据电偶制冷能力的表达式。
可见，电偶的制冷能力与工作电流I有关。
帕尔贴热越大，焦耳热损失越小，则制冷能力越大。
但帕尔贴热与电流成正比，焦耳热与电流的平方成正比，故存在使制冷能力最大的工作电流最佳值。
按的条件，求得(8)该电流下，使得制冷能力最佳。
则有(9)制冷能力表现为制冷量和制冷深度（用制冷温差或冷端温度反映）。
由式(9)可以看出，若冷端负荷减小，则制冷量变小，这时冷端温度将降低或者制冷温差将增大。
到极限情况=0 时，达到最低冷端温度min或最大制冷温差max。
利用式(9)和式(7)得；(10)(11)利用式(10)和式(11)计算不同Z值时，电偶处于制冷能力优化情况下的最大温差和最低冷端温度，见表1。
（3）材料的影响式(5)、(10)和(11)表明，实现工作参数优化后，热电制冷性能――无论是制冷系数还是制冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。
材料是否适合用作热电偶元件，由材料的优值系数z决定。
热源及冷源概述
水池、灰渣泵、喷嘴及循环水管路等
–烟风系统
• 送风系统：鼓风机、冷风道、热风道、消声器
等
• 引风系统：烟道、引风机、除尘器、脱硫（脱
氮）装置、烟囱
• 净化系统：重力除尘器、惯性除尘器、离心力
除尘器、水膜除尘器、静电除尘器、布袋除尘器、 脱硫塔
第八章 热源及冷源
第一节 热源及冷源概述
一.热源概述 1.锅炉
局部锅炉房（分散供热锅炉房）：多为小型锅炉， 热效率低，排放的烟尘和有害物质多
区域锅炉房（集中供热锅炉房）：热效率高， 燃烧排放物较少，节能环保
热电厂：锅炉容量大，热效率在90%以上， 节省燃料，排放有害物质较少
区域锅炉房热
局 部
电
锅
–汽水系统
–蒸汽、热水地供给、排放，凝结水系统和锅 炉出水处理
• 给水系统：给水泵、补给水泵、给水箱、补给水箱、给水 管路、阀门附件等
• 水处理系统：软化设备、除碱设备、除氧设备、中间水箱、
中间水泵、再生系统
• 蒸汽系统：蒸汽母管、支管、分汽缸 • 凝水系统：凝结水箱、凝结水泵及其管路 • 排污系统：连续排污和定期排污管路附件、排污扩容器、
有机热载体锅炉
（5）按燃料：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、余 热锅炉、电加热锅炉、生物质锅炉
（6）按水循环：自然循环、强制循环、混合循环 （7）按燃料在锅炉内部或外部：内燃式锅炉、外燃
式锅炉
（8）按安装方式：快装锅炉、组装锅炉、散装锅炉 （9）按工质在蒸发系统的流动方式：自然循环锅炉、
强制循环锅炉、直流锅炉
厂
炉
房
示
意
第八章热电制冷
（5）设计工作状态的选择
按制冷系数最优还是按制冷能力最优设计热电堆，应综合考虑 负荷的大小、温差的大小、散热方式及具体工作条件而选择。 在相同的设计条件下，按制冷系数优化的原则设计电堆，则能 量转换的效率高，耗电少，热端散热少。但需要的电偶元件多，体 积大，材料成本高。若按制冷能力优化的原则设计电堆，利弊正好 相反。
材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率α表示。材料相对于 某参考材料的温差电动势率为
由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率αPN 等于αP与αN之差，即
热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的 αP与αN，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将αPN直接简 化记作α，有
Z 称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质 (温差电动势率、电阻、热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的
一个综合参数。 通常，热电偶的优值系数 Z =3 × 10-3 1/K
（2）欲使制冷能力最佳 根据制冷量公式 电偶的制冷能力与工作电流有关，帕尔帖热越大，焦耳热损失越 小，则制冷能力越大。按 求得使制冷能力最大的工作电 流最佳值，即可得到最佳制冷能力：
8.2.2 热电制冷的应用
热电制冷在国防、科研、医疗卫生等领域得到广泛的应用。
它可用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中， 或制作小型温器等。总之，凡恒需要微型制冷的场合，热电制冷
都会发挥很好的作用。
8.3 热电堆设计
热电制冷设备主要由热电堆、电绝缘导热层、冷板和散热器组
成。
由于一对基本电偶的制冷量很小，实际使用中为了满足指定
在微型制冷装置中，能量转换效率不是主要问题，而缩小尺寸
和发挥制冷能力是主要目的。所以，应该按制冷能力最优设计热电 堆。
热电制冷技术 ppt课件
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：
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
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
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。
建筑知识：建筑中热电制冷技术的开发和应用
建筑知识：建筑中热电制冷技术的开发和应用随着全球气温不断升高，气候变化的影响愈发显著，建筑能源消耗的问题也越来越突出。
为解决这一问题，热电制冷技术作为新兴的节能技术在建筑领域开始得到了广泛关注。
热电制冷技术简介热电制冷技术是一种利用热电材料产生的电能来实现制冷的技术。
热电材料是一类可以实现热电效应的材料，即在温度差异的作用下可以产生电能的材料。
通常情况下，热电制冷系统由热源、冷源和热电材料组成。
热源为系统提供热量，热电材料将这些热量转换为电能，再将电能用于驱动冷源完成制冷循环。
热电制冷技术的优势热电制冷技术与传统机械式制冷技术相比，具有一系列优势。
首先，热电制冷技术无需使用制冷剂，因此不会产生环境污染和对臭氧层的破坏。
其次，热电制冷系统具有体积小、噪音低、维护简便等特点，可以在不影响建筑整体外观的前提下进行设计和部署。
此外，由于热电材料的特殊性质，热电制冷技术可以充分利用建筑内外环境的温度差异，将低品质能源转化为高品质能源，从而达到节能减排的目的。
热电制冷技术在建筑中的应用热电制冷技术的应用在建筑领域中主要集中在两个方面：一方面是利用热电制冷技术对建筑的室内空调进行改进和升级，另一方面是将热电制冷技术应用于建筑的立面。
在室内空调改进和升级方面，热电制冷技术通常被用于提高空调系统的效率和稳定性。
由于传统空调系统受限于制冷剂的种类和制冷效率，一般存在能耗高、运转时噪音大等问题。
应用热电制冷技术可以有效改善这些问题，实现低能耗、低噪音、高效率的制冷效果。
在建筑立面应用方面，热电制冷技术主要被用于近年兴起的“能源立面”设计中。
能源立面是一种利用建筑立面进行太阳辐射采集、热能转移和温度调节的新技术。
热电制冷技术可以作为能源立面的核心之一，将建筑表面的热能转化为电能，再用电能驱动冷源实现立面的制冷。
热电制冷技术的前景热电制冷技术由于其具有节能、环保、高效等特点，在未来的发展前景十分广阔。
热电材料的研究不断深入，通过改进材料的热电性能和结构设计，可以提高热电效率和稳定性。
热电制冷
1.0 热电制冷的介绍1.1 热电制冷器，也被称为珀尔帖制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。
通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。
此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。
值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。
所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。
因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。
1.1.1为了给新用户提供一个热电制冷器制冷量的大致概念，我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。
将这个单级热电制冷器放置在散热器上，使其保持在室温。
然后将其连接在一个适当的电池上或者直流电源上，制冷器的冷端温度会降低到大约-40 ℃。
此时，制冷器上将达到相对热平衡状态，而且制冷器两端将达到最大的温差(D T max)。
如果向冷端不断输入热量，冷端温度会逐渐增加，直到与热端温度相同。
这一时刻，制冷器会达到最大制冷量(Q max）。
1.2热电制冷器与传统的机械式制冷器都遵循相同的热力学法则，并且，尽管两者的组成形式有很大不同，但是其工作原理却是相同的。
在机械式制冷单元中，首先使用压缩机增加液体的压力，使制冷剂在体系中循环流动。
然后，制冷剂在冷冻区固化，在随后的升华过程中吸收热量使冷冻区温度降低。
而在冷冻区被吸收的热量被运输到压缩机，并通过制冷剂压缩这个过程将热量传递给环境。
相对的，在热电制冷系统中，掺杂的半导体材料就充当了液态制冷剂的作用，而冷凝器被散热器所取代，压缩机被直流电源所取代。
通过在热电制冷器上加载直流电源，使半导体中的电子发生运动。
在半导体材料的冷端，热量被电子运动所吸收，这些电子运动到材料的另外一端，即热端。
由于材料的热端连接在散热器上，热量也就从材料体内传到散热器上，然后再被输送到环境中。
1.3尽管商业化的热电制冷器在1960年前后才有所发展，但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。
热电制冷技术研究与应用
热电制冷技术研究与应用发布时间：2021-06-30T02:36:06.935Z 来源：《现代电信科技》2021年第4期作者：李守英[导读] 热电制冷又称之为半导体制冷或温差电制冷，热电制冷最初由法国物理学家帕尔帖研究发现，当直流电通过不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，达到制冷目的。
（山东省城市服务技师学院山东省烟台市 264000）摘要：随着我国工业水平的发展，热电制冷技术被广泛应用。
热电制冷技术是一种主要基于帕尔贴效应的新型制冷技术，由于其具有结构简单、制冷迅速、寿命长等优点，热电制冷技术受到了越来越多的关注。
通过对国内外相关文献的研究，对热电制冷技术的原理进行了阐述，并对热电制冷的应用和性能优化两方面的发展进行了综述。
关键词：热电制冷；技术研究；应用引言热电制冷又称之为半导体制冷或温差电制冷，热电制冷最初由法国物理学家帕尔帖研究发现，当直流电通过不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，达到制冷目的。
半导体制冷系统与传统的机械制冷系统相比具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、制冷迅速等优点，而且不需制冷剂、对环境无污染，因此，目前在电子、医学、工业、航空以及日常生活等领域中被广泛应用。
同时在应对温室效应及臭氧层破坏现象方面热电制冷技术作为有效的节能环保技术。
其技术是直接将电能转化为热能，并易于与相应控制系统相结合使用是一种低成本的制冷方法。
但半导体制冷由于制冷系数低和制冷量小的不足限制了它在大型设备上的广泛应用。
若对新型复合材料研究开发应用提高其热电性能和进一步优化改善系统的散热条件，半导体制冷系数和制冷能力会尽可能的提高，热电制冷将能够解决一些大功率器件及恶劣环境下的微电子设备的冷却问题。
1工作原理热电制冷又称为半导体制冷或温差电制冷。
一般来讲，总的热电制冷是由塞贝克、珀尔贴、汤姆逊、焦耳和傅里叶5种效应组成，前3种表明电能和热能的转换是直接可逆的，后2种表明热量传递具有方向性且不可逆，热电制冷主要基于珀尔贴效应，在半导体材料中按电流载体的不同分为电子型的N型半导体和空穴型的P型半导体，当通以直流电流时，N型半导体中的电子由负极流向正极，P型中的空穴由正极流向负极。
第八章热源及冷源
• 2．除灰系统--灰渣运输系统
• 包括：灰渣浇湿、运输、堆放等过程。
• 3．锅炉房送风排烟系统
• 送、引风系统--给锅炉送入空气，从炉内引出燃烧后的烟气 • 烟气净化系统--去除锅炉烟气中的尘粒和有害物质（二氧化硫等）。
• 4．锅炉房汽水系统
• 5.锅炉房热工监测与控制系统
1 燃料供应设备
•
其作用是保证供应锅炉连续运行所需要的符 合质量要求的燃料，包括： • （1）燃料的储存设备，如煤场、煤仓、储 油罐、工作油箱等。 • （2）燃料的运输设备，如皮带输送机、埋 刮板输送机、多斗提升机、油泵、输油管道、输 气管道、过滤器、调压器等。 • （3）燃料的加工设备，如破碎机、分离器、 型煤机等
热力管网分类管网布置原则1平行于道路中心线并在车道以外铺设?2易于检修和维护?3穿过非建筑区的管网沿公路铺设?4线路避开滑坡地震断裂地下水位高等危险区域?5可以和给水管道通信电缆等一起铺设在综合管沟里?6不可在腐蚀性介质下方管道铺设方式热水采暖系统与管网的连接?1直接连接2混水连接a混水器连接
第八章
2 送、引风设备
•
送、引风设备的作用是给炉子送入燃烧所 需的空气，或给磨煤系统输送热空气干燥剂， 并从炉膛内引出燃烧产物——烟气，以保证锅 炉正常燃烧。送、引风设备包括送风机、引风 机、冷风道、热风道、烟道和烟囱等。
3 除灰渣设备
•
除灰渣设备的作用是将锅炉的燃烧产物— —灰渣连续不断地清除，并运送到灰渣场。除 灰渣设备包括马丁除渣机、螺旋除渣机、刮板 除渣机、沉灰池、渣场、渣汁、桥式抓斗起重 机、推灰渣机等。
二。热力管网
• 从锅炉房、直燃机房、供热中心等出发，从热源通往建
筑物热力入口的供热管道。多个供热管道形成管网。
热电制冷原理
热电制冷原理热电制冷原理是一种基于热电效应的制冷技术，在电子设备冷却、低温制冷和航天等领域有着广泛的应用。
热电材料通过热电效应转换电能和热能，从而使材料产生温度差，实现制冷的目的。
本文将详细介绍热电制冷原理。
1. 热电材料的基本原理热电材料包括N型半导体和P型半导体两种材料组成，其中N型半导体的电子浓度较高，P型半导体的空穴浓度较高。
当N型半导体和P型半导体通过p-n结连接起来时，电子流从N型半导体流向P型半导体，同时空穴流从P型半导体流向N型半导体，产生热电效应，将热能转换成电能。
这种效应叫做Seebeck效应。
Seebeck效应的具体表现是，当两个不同温度的金属连接在一起时，两者之间的电势差会产生变化，这种电势差称为Seebeck电势。
Seebeck电势的大小与材料的Seebeck系数有关，Seebeck系数越大，Seebeck电势越大。
著名科学家康普顿是第一个发现了热电效应可以实现制冷的原理。
他发现，当热电偶连接在一个热源和一个制冷器之间时，制冷器可以变得更加冷。
这就是热电制冷的基本原理。
热电制冷的主要原理是通过Seebeck效应将热量从制冷器内部传送到制冷器外部，从而使制冷器内部的温度下降。
一旦制冷器内部的温度低于环境温度，导热的热电材料开始工作，将热量从制冷器外部吸收，并将热量传输到制冷器内部。
这样，制冷器内部的温度会继续下降，最终达到所需的低温状态，实现制冷。
3. 热电制冷的具体实现热电制冷的具体实现需要使用一些特殊的热电材料，包括硒化铟、铋铵碘化物等。
这些材料的主要特点是Seebeck系数较大，能够实现高效的热电转换。
在热电制冷系统中，需要使用两个热电模块，一个用于制冷，一个用于加热。
当制冷模块接收到电流时，内部的热电材料会形成一个热池和冷池。
在热池中，热量被吸收并转换为电能，同时在冷池中，热量被释放出来。
当电流反转时，热池和冷池也会相应地反转，从而实现制冷和升温两个效果。
在实际应用中，热电制冷技术常常应用于嵌入式电子设备的高效制冷。
热电制冷调研报告
热电制冷调研报告热电制冷（thermoelectric refrigeration）是一种利用热电效应实现制冷的技术，其主要原理为将电能转化为热能和冷能，通过在不同温度的两侧产生温差从而达到制冷的目的。
与传统的压缩式制冷技术相比，热电制冷具有体积小、无振动、噪音低、可靠性高以及无需使用臭氧破坏大气层等优点，因此受到了广泛的关注和研究。
热电制冷技术主要由三个基本元件组成，即热电堆、冷却系统和热源。
其中，热电堆是核心组件，由多个热电偶连接而成，通过Peltier效应将电能转化为冷能。
冷却系统用于散热，从而实现制冷效果。
热源则提供供给热电制冷系统的热量。
整个系统通过电子控制器来控制和监控，以确保热电制冷系统的稳定运行。
热电制冷技术在实际应用中有着广泛的潜力。
首先，热电制冷技术可以应用于小型制冷设备，如电子冷却、微型冰箱、车载冷藏系统等。
其体积小、重量轻的特点使得这些设备更加便携和灵活。
其次，热电制冷技术在低温制冷方面有着独特的优势，可以满足一些特殊领域的需求，例如医疗、生物学、实验室和航天等领域。
此外，热电制冷技术还可以应用于可再生能源领域，通过将废热转化为可用能源，提高能源利用效率。
然而，目前热电制冷技术还存在一些挑战和问题。
首先，热电材料的热电效应相对较低，制约了热电制冷系统的性能和效率。
其次，热电材料的成本较高，制约了热电制冷技术的商业化应用。
此外，热电制冷系统的制冷效果受到温度差的限制，难以实现较低的制冷温度。
为了推动热电制冷技术的发展和应用，我们可以采取以下几个措施。
首先，加大对热电材料的研究和开发力度，提高热电效应并降低材料成本。
其次，优化热电制冷系统的设计和结构，提高系统的性能和效率。
此外，还可以探索热电制冷技术与其他制冷技术的结合，提高综合制冷效果。
总之，热电制冷技术作为一种新型的制冷技术，具有广泛的应用前景和潜力。
随着材料科学和制冷技术的进步，相信热电制冷技术将会在未来得到更加广泛的应用和推广。
汽车热电制冷
热电制冷热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕米尔效应）的一种制冷方法。
1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。
这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。
这就是热电制冷的依据。
半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。
图1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。
用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。
此时，一个接点变热，一个接点变冷。
如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。
热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。
但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。
热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动。
其实，声波的传播也会引起温度的波动。
当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。
热声效应，即声场中的时均热力学效应。
根据能量转换观点可将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。
其相应的机械装置分别为热声压缩机和热声制冷机。
热声压缩机和热声制冷机在原理上是一致的，只是由于某些参数不同而导致了运行结果的迥异。
人们在很早以前就发现了热声效应。
1777年,Higgins在实验中发现：当把氢焰放到一根两端开口大管子的适当位置时会在管子中激起声波振动。
由此演化而来的Rijke管现在已经在大学课堂上广泛用作演示热声效应的装置了。
另一种较早的热声装置Sondhauss管也是在十九世纪就提出来了。
制冷与低温技术原理(2.2.1)--热电制冷
热 电 制 冷 (thermoelectric refrigeration )
利用热电效应 ( 即帕尔帖效应 ) 的一种制冷方 法
小型手提式电冰箱
西安交通大学制冷与低温工程系
1
热电制冷元件
Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering
西安交通大学制冷与低温工程系
6
Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering
热电制冷
最大制冷温差
在不改变热电对材料及几何尺寸的前提下，增加冷、
热端之间的温差时，制冷量降低，因而在确定冷、热
端 之 间 的 最 大 温Qc差时0， 取
KT
1 2
I 2R
西安交通大学制冷与低温工程系
5
Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering
热电制冷
消耗功率：
N Qh Qc I 2R IT
制冷系数：
ITc KT IT
1 2
I
2
R
I 2R
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Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering
西安交通大学制冷与低温工程系
9
Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering
热电制冷
最大制冷系数 制冷量和输入功率均随电流变化，并在某一电流下两者之比Qc / N
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设热结点的温度是TH，冷结点的温度TO，回路中的电流强度为IO。
电臂的几何参数用横截面积A、长度L、面长比r（r=A/L）表示；电
臂的材料特性用热导率λ，电阻率ρ表示。 加在电偶两端的电压V1，一部分用来克服电臂电阻R 引起的电压降
V，一部分用来克服西伯克温差电动势VPN，即
冷端的帕尔帖吸热量为：
在微型制冷装置中，能量转换效率不是主要问题，而缩小尺寸
和发挥制冷能力是主要目的。所以，应该按制冷能力最优设计热电 堆。
（6）设计计算步骤
第一种情况： 若已给定电源电压Vt，确定热电堆的元件尺寸和需用电偶数目n。 首先计算一个电偶的电臂电阻R 和热导K 值：
令：
故：
按最大制冷能力设计，加在一个电偶上的电压为V1，工作电流最 佳值为Iopt 则：
热电堆的设计思想和设计步骤：
（1）设计已知条件
制冷量QO，由热负荷确定； 欲达到的制冷温度Tc，由使用要求给定；
冷却介质温度Ta；
热结点与冷却介质的传热温差△TH，由热端散热方式（如空气自 然对流散热、空气强制对流散热、液体对流散热等不同的散热方式）
及传热系数hH [(W/m2.K)]决定；
冷结点与被冷却对象的传热温差△TO，由冷端传热方式（如紧密 接触导热、冷却空气、冷却液体…)及传热系数hO[(W/m2.K)] 决定。
材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率α表示。材料相对于 某参考材料的温差电动势率为
由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率αPN 等于αP与αN之差，即
热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的 αP与αN，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将αPN直接简 化记作α，有
时，需要从外界吸收热量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸
收或放出。
材料的帕尔帖效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔帖系数π 表示
对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔帖系数π NP有
温差电动势率α与帕尔帖系数π 之间存应
电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。
设电偶串连，则需要的电偶数目为
那么，一个电偶的制冷量等于热电堆的总制冷量除以电偶数目
所以，P型电臂的面长比为
N型电臂的面长比由电偶元件的最佳尺寸关系确定
取两个电臂的长度均为L，则电偶两臂的横截面积分别为
第二种情况： 若已知电偶元件尺寸（rP、rN），求电源电压Vt及需用电偶数目n。 首先计算出电偶的电臂电阻R 和热导K 值：
再计算出一个电偶的制冷量Qo及其电压降V1：
则所需电偶数n及电源电压V1分别为：
本项目以太阳能为动力，将太阳能光电转换技术与半导体制 冷技术相结合，利用半导体制冷片既可制冷又可制热的特点，以 及车辆高速行驶时便于散热的有利条件，为在驾驶舱恶劣环境下 工作的人们提供舒适的空调小环境，既达到了岗位空调的目的， 又符合以人为本，建设节约型社会的宗旨。
为了获得更低的制冷温度（或更大的温差）可以采用多级热 电制冷，它由单级电堆联结而成。前一级（较高温度级）的冷端 是后一级的热端散热器。
由于热电制冷的每一级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级 的热电偶数目要比低温级大得多。而且，随着温度的降低，元件的 温差电性能变差，总的温差△T 并不是随级数的增多成比例提高的。 所以实际上多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为2~3级，最多 达8级。 多级热电堆的连接方式有串联、并联和串并联三种型式：
（2）工作参数确定 热端温度：TH =Ta +△TH
冷端温度：TO =Tc —△TO
冷热端温差：△T=TH—TO （3）热电堆级数
按△T确定热电堆采用几级制冷。单级电堆的最大温差为50K
左右。温差更高时，就要考虑采用多级电堆。 （4）元件尺寸及其连接方式
电偶元件的最佳尺寸关系为
电偶元件的材料选定后，一定的工作温度范围内，具有相同面 长比r 的电偶元件，其制冷量不受自身体积大小的影响。因此，如 果元件长度L大，则横截面积A也大，使重量增加。所以，为了减轻 重量和节省半导体材料，应尽量减小横截面积A。 如果选定了电偶元件的长度L，又由制冷量确定了电臂的面长比
的冷量要求，需要将许多电偶连接成电堆，如图所示。 连接时，必须将所有的冷结点放在一侧，所有的热结点放在
另一侧。电偶可以串连。也可以并联。电偶臂之间的缝隙用绝缘
树脂注塑充填或用合成树脂泡沫材料充填，使得整个热电堆形成 一个刚性整体。
热电制冷设备的电路图
热电堆设计的基本任务：
根据使用要求确定电堆的元件(电偶)数目、连接方式、消耗电功 率以及确定各部分的结构尺寸
第八章
热电制冷
8.1 热电制冷原理及分析
8.1.1 热电效应
热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在无外磁场存在时， 它包括五个效应:导热、焦耳热损失，西伯克(seebeck )效应、 帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊( Thomson )效应。
（1）西伯克(seebeck )效应
由两种不同导体组成的电路中，如果导体的两个结点存在温度 差，则电路中将产生电动势E，这就是西伯克效应。由于西伯克效应 而产生的电动势称作温差电动势。
谢谢大家 ！
Z 值越高，材料越好。也就是说材料的温差电动势α越大，电
阻率ρ，热导率λ越小，材料的热电制冷性能越好。
目前国内制备较好的热电材料，P型的有碲化铋一碲化锑 （Bi2Te3-Sb2Te3）固溶体合金；N型的是碲化秘一硒化秘 （Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能如下：
8.1.4 多级热电制冷器
8.2 热电制冷的特点及应用
8.2.1 热电制冷的特点
（1）结构简单。没有任何机械运动部件，无噪声、无摩擦、可靠
性高、寿命长，而且维修方便。
（2）体积小。 （3）启动快、控制灵活。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工
作电流简单而方便地实现。
（4）操作具有可逆性。既可以用来制冷，又可以改变电流方向用 于制热。 （5）效率低，耗电多，价格很高。在大容量情况下，热电制冷的 效率远不及蒸气压缩式制冷；但产冷量在20W以下，温差不超过 50℃ 时，热电制冷的效率高于压缩式制冷。
（2）帕尔帖(peltire)效应
电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外
界放出热量，这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作 帕尔帖热，用符号Qp表示。
对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。
由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低 能级运动时，便释放出多余的能量；反之，从低能级向高能级运动
由于电偶冷、热端温度不同。沿电臂长度方向导热。假定无热损 失，因温差导热流入冷端的热量为
电臂上的焦耳热效应为
认为焦耳热有一半流入冷端。故冷端从外界吸收的热量即制冷量为
基本热电偶的制冷特性如下： 制冷量： 消耗的电功率：
制冷系数：
8.1.3热电制冷性能的影响因素
（1）欲使ε 最佳 欲使ε 最佳，应使KR最小，并使电压V 满足 的条件，即
第八章 习 题
简答题：
1.简述热电制冷的工作原理及其特点。
2.何为电偶的优值系数？为什么说它是评价电偶热电性能的一个综
合参数？ 3.何为串联型多级热电堆？串联型多级热电堆有什么特点？ 4.何为并联型多级热电堆？并联型多级热电堆有什么特点？ 5.简述热电制冷的特点及其应用。 6.设计中怎样确定热电堆的级数？ 7.电偶元件的最佳尺寸与哪些因素有关？ 8.何为电臂的面长比？简述图8-12热电偶横截面积的不同构成方式 及其特点。
Z 称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质 (温差电动势率、电阻、热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的
一个综合参数。 通常，热电偶的优值系数 Z =3 × 10-3 1/K
（2）欲使制冷能力最佳 根据制冷量公式 电偶的制冷能力与工作电流有关，帕尔帖热越大，焦耳热损失越 小，则制冷能力越大。按 求得使制冷能力最大的工作电 流最佳值，即可得到最佳制冷能力：
这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称扬姆逊热。用
符号QT表示
在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响。由于固体系 统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。 需要指出的是以上热电效应在电流反方向时是可逆的。
8.1.2 基本热电偶的制冷特性
热电制冷器的基本单元是半导体电偶。 组成电偶的材料一个是P型半导体(空穴型)， 一个是N型半导体(电子型)。用金属电桥 (铜板)连接两个半导体电臂P和N，组成电 偶，再用铜导线接到直流电源上构成回路。 电流方向如图所示，当电流从从低能级电 臂N向高能级电臂P运动时，需要从外界吸 收热量，因此在两电臂的节点处产生吸热 制冷现象。 如果改变电流方向，使电流从高能级 电臂P向低能级电臂N运动时，则会在两电 臂的节点处产生放热现象。
可见，制冷能力表现为制冷量QO和制冷深度，即制冷温差△T 或冷端温度TO的大小。冷端温度TO越低或制冷温差△T 越大，则 制冷能力越小。 对应不同的Z 值，电偶处于制冷能力最佳状态下的最大温差 和最低冷端温度值为：
（3）材料对热电制冷性能的影响 实现工作参数优化后，热电制冷性能—无论是制冷系数还是制 冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。
r，则元件所需的横截面积即可确定。
元件的横截面积可以以不同的方 式构成。如图A所示的电偶负荷增加3 倍所采用的三种不同构成方式。 B方式与C方式均属于并联，它 们的电压与图中A相同，但电流及热 流与截面积成正比，是A的3倍。 D方式为串连型，电压与电偶个 数成正比，电压是A的3倍，而电流与 A相同。 B、C、D三者的制冷量、面长比 均相等，B、C适合于大电流的场合； D适合于较高的电源电压的场合。
8.2.2 热电制冷的应用
热电制冷在国防、科研、医疗卫生等领域得到广泛的应用。
它可用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中， 或制作小型温器等。总之，凡恒需要微型制冷的场合，热电制冷