温差电致冷箱中热电位置对性能的影响

工程科学与技术，国际期刊22（2019）177完整文章温差电致冷箱温差电位置变化M. Mirmanto，S.Syahrul，Yusi Wirdan机械工程系，马塔兰大学，Jl。Majapahit No.62，Mataram，NTB 83125，Indonesia阿提奇莱因福奥文章历史记录：接收日期：2018年2018年9月15日修订2018年9月17日接受2018年9月21日在线提供关键词：冷却箱COP位置热电A B S T R A C T对热电致冷器箱在不同位置下的性能进行了实验研究。冷却箱的冷却系统包括热电模块型号TEC 1 -12706、散热器风扇、内部散热器、容积为360 ml的水瓶。热电的位置分别在顶部、底部和墙壁上。内冷却箱尺寸为215mm×175 mm × 130 mm，冷却箱壁厚为50 mm。的实验在开放环境温度下进行约18，000s使用的电源是常数约为38.08 W。结果表明，随着放置时间的延长，热电偶的COP值逐渐降低，本研究中热电偶放置的最佳位置是在墙体上©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍冷却系统对于许多应用是至关重要的过程，从食品和饮料的保鲜到电子、工业和医疗领域中的冷却温度控制器，例如用于外科手术或保持药品处于良好状态。应用冷却系统的简单装置是冰箱，然而，一些冰箱使用压缩系统，例如家用冰箱。该压缩系统具有较高的性能系数（COP），但其紧凑性仍然较低，并且由于其由大部件组成而较重，并且其消耗高功率。因此，当考虑到便携式目的、重量轻、功率小、紧凑、易于维护和耐用性时，压缩系统是不合适的。对于这些要求，热电冷却系统（TEC）可以取代。然而，热电制冷系统存在局限性它的COP太低，甚至低于1。基于蒸汽压缩的制冷机具有较高的制冷系数，适合大容量的制冷，但便携性较差。TEC也可以由直流（DC）电源作为光伏电池或电池供电。TEC的应用包括热电制冷、电子和汽车冷却系统、热电空调、光电-热电混合冷却系统、主动建筑冷却系统、淡水生产和冷却*通讯作者。电子邮件地址：m. unram.ac.id（M. Mirmanto）。由Karabuk大学负责进行同行审查。系统用于医疗目的。在TEC的设计中，制冷量和COP是两个重要的指标。整个系统的COP与热电模块（TE）的COP显著不同。有几种方法可以用于增强TEC性能。它们可以分为（i）TE设计，（ii）热设计和（iii）设置TEC的操作条件，赵和谭[1]。在过去的几年里，已经进行了许多类型的研究和研究，以提高TE性能，各种文章和报告已经提供了评估TEC的性能。然而，到目前为止，研究人员已经实现的COP为此，对TEC的研究需要进一步广泛和深入的调查。这里报道的一些研究仍然获得小于1的COP，例如Dai et al.[2]，Min and Row[3]，Abdul-Wahab et al.[4]，Vián and Astrain[5]，Jugsujinda et. [6]，Martínez et al.[7]，Ohara et al.[8]，and Anantaet al. [9]。Dai等人[2]对光伏组件驱动的热电制冷器进行了研究实验结果表明，在室温5 ~ 10 °C范围内，COP值约为0.3。然而，他们解释说，冰箱将有潜力在偏远地区或缺乏电力供应的户外条件下冷藏疫苗，食品和饮料Min和Row[3]对热电制冷器的性能进行了研究，并根据COP和冷却能力对其进行了评估他们发现，在冰箱室温为5 °C和环境温度为25 °C的情况下，COP约为0.3-0.5。Abdul-Wahab等人[4]研究了一种便携式太阳能热电https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.09.0062215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch--××命名法ADCCOPCPDCdT/dxIikKmOBOTOWPQQcmaxR不安培表，或面积（m2）安培直流性能系数比热（J/kg°C）直流长度上的温度梯度（°C/m）电流（A）段导热系数（W/m°C）热电传导系数（W/°C）空气或水质量（kg）在底部在顶部功率（W）传热量（W）制冷量（W）最大制冷量（W）热电阻（X）温度（°C）谭德TrTw环境温度（°C）热电平均室温（°C）水温（°C）DTTETh和Tc之间的温差，（°C）DT系统Tam和Tr之间的温差，（°C）DTmaxtVVDC最大温差（°C）时间（s）电压表，电压（V）伏特直流电下标akpwwiwo导风塑水内墙外墙178海里Mirmanto等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）177农村冰箱 他们报告说，制冷装置的内部温度在大约44分钟内从27 °C降至5 °C，但获得的COP约为0.16。Vián和Astrain [5]基于具有相变和毛细作用的热虹吸原理，开发了一种用于热电制冷中的Pel- tier颗粒冷侧的热交换器。他们指出，所研究的器件将热阻提高了37%，COP提高了32%（从0.297提高到0.393）。Jugsujinda等人[6]研究了电功率为40 W的热电制冷器冰箱室温从30°C降至4.2 °C仅1小时，最后降至7.4 24小时后在20 °C下。此外，他们发现TEC的COP为3，而冰箱的COP小于1，为0.65。马丁内斯等人[7]进行了不同温度控制系统对耗电量和COP影响的实验研究他们发现，最好的温度控制器只是使用基于空载电压的控制器。采用该控制器后，电冰箱的耗电量比开/关控制器降低了32%，COP提高了64%Ohara等人[8]，提出了一种建模方法，以确定最佳电流以及最佳几何形状，为发展中社区的小型热电疫苗输送系统他们推导出了模块内热电材料两端温度以及制冷室温度的三个能量守恒方程。他们表示，最低温度达到了3.4C，优化的模块几何结构将功耗降低了50%。Ananta等人[9]研究了一个冷却箱的实验性能，该冷却 箱 具 有 提 供 给 TEC 的 电 力 然 而 ， 他 们 获 得 了 约 0.45 的COPMirmanto等人[10-结果表明，当系统以传导传热为主时，COP随观测时间的增加而增加，然后趋于恒定;当系统以主动冷负荷为主时，COP随观测时间的增加而减小。然而，他们的COP仍然低于1。TE和内部散热器的位置，其中自由孔冷却系统采用垂直对流换热方式，对冷却系统的性能影响很大。冷却箱内部的空气循环取决于内部散热器的位置Dai等人[二]《中国日报》通过在墙壁上应用内部散热器对冷却系统进行了调查，但他们没有解释内 部 散 热 器 的 位 置 。 同 样 ， Abdul-Wahab 等 人 [4] ， Vián 和Astrain[5]，以及Ananta等人。[9]在墙上安装了他们的内部同时，Mirmanto等人[10同样，他们也没有描述为什么他们安装了内部散热器和顶部的TE。对于真正的冷却饮用水，这是所谓的USB饮用水冷却器，它已经在广泛的市场，内部散热器和TE被放置在底部，但没有解释在所有关于放置。根据上述文献，尚未研究热电体位置对COP的影响;因此，最近的研究对TE的位置进行了研究。由于在冷藏室内部，内部散热器不受风扇的影响，因此在冷藏室中发生的热传递是自由对流热传递。这种传热模型可能会受到连接的内螺纹位置的影响TE的冷端。本文研究的TE的位置是在顶部（OT），在底部（OB）和在墙上（OW）。从这项研究中，可以知道的最佳位置，这是位置，给出了最佳性能的冷却器盒。2. 实验装置实验测试台如图所示。1.一、它由一个冷却箱，一个TE，一个散热风扇，一个电池，一个多功能测试仪和360毫升的水组成冷却箱由厚度约为50 mm的聚苯乙烯泡沫塑料制成。Mirmanto等人也使用了该冷却箱[10]。 内部冷却器箱尺寸为215 mm175 mm130 mm。所有温度均使用K型热电偶测量，在油浴中根据RTD 100探头校准器进行校准，精度为±0.5 °C。油浴由具有加热器（1500W）和PID控制器的锅制成。使用万用表（型号Professional VichyVc 8145 Dmm Digital Bench Top Multimeter）测量提供给热电的电流和电压。热电和热电偶的位置分别为冷却器箱的OT、OB和OW，见图2。的M. Mirmanto等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）177-184179Fig. 1.试验台示意图。所用TE为TEC 1 -12706，见图3，恒定功率约为38.08 W。安装在外部散热器上的风扇所使用的功率为11.87 V和0.06 A或0.712 W。实验数据用NI DAQ 9714与PC机接口，用LabView程序记录记录数据约18，000 s，并将一瓶360 ml的水放置在冷却箱空间中作为额外的冷却负荷。观察到的温度数据为壁温（内壁和外壁）、冷侧热电温度、热侧热电温度、环境温度、冷却器箱空间温度、水温和瓶温。TE的质量标准和检测条件见表1。3. 数据减少本研究的主要目的是了解热工位置对冷却箱性能的影响的指示符冷却器箱的性能是内部温度和COP。评估COP需要冷却能力，其包括来自空气、来自水和来自流过冷却器箱壁的传导传热率的传热率。 在此基础上对该制冷机的COP进行了实验计算在以下表达式上，也被Vián和Astrain[5]，Jugsujinda等人[6]，Ananta等人[9]，Mirmanto等人[11]使用。COP<$Qc=P<$Qc=VI1其中Qc是冷却能力或总传热率（W），P是供应给热电的功率（W），V是电压（V），I是电流（A）。在这项研究中，有两个COP，提出了，实验COP使用方程。以及基于开尔文温度的卡诺COP。QcQaQwQpQk222180米Mirmanto等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）177图二. 热电位置;（a）OT，（b）OB，（c）OW。表1图三.实验中使用的设备：（a）散热器，（b）Peltier TEC 1 -12706，（c）万用表。COPc¼Tc=10Th-Tc103ThCOPc是卡诺COP，并且对于Eq.（3）在TE规范和测试条件。TE规格型号TEC 1 -12706电压12伏Vmax 15.4 VImax 6AQmax 92 WTmax75°C内部1.98 Ohm+/-10%类型冷却单元测试条件DTTE 34电压11.9 V电流3.2 A功率38.08 WTam26Qa是来自冷却箱内部的空气的传热率（W），Qw是来自水的传热率（W），Qp是来自塑料瓶的传热率（W），Qk是通过冷却箱壁进入冷却箱的传导传热率。然而，本研究的卡诺COP表示为开尔文，Tc是TE的冷侧的温度，而Th是TE热端的温度。然而，TE方程也能够用于预测Qh和Qc，并且表示为：Qh¼aITh0; 5I R-KTh-TcQc¼aITc-0; 5I R-KTh-TcQh 是 从 热 电 体 的 热 侧 流 出 的 传 热 速 率 （ W ） ， a 是 塞 贝 克 效 应（W/A°C），而Qc，在等式（1）中，（5）、是热电冷侧吸收的热量。R是热电阻（X），K是热电介电常数（W/°C），而I是电流（A）。而TE的功率可以写为：P¼VI ¼I2 R aTh-TcI64. 结果和讨论图4示出了由Tr表示的冷却箱室温、由Tc表示的热电冷侧温度的趋势，M. Mirmanto等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）177-184181见图4。 温度随观测时间的变化趋势;（a）OT，（b）OB，（c）OW。热电热侧温度由Th表示，水温由Tw表示，环境温度由Tam表示。Tr从0到2000 s急剧下降，然后几乎保持不变（图5（a））。这种趋势验证了实验设置，因为之前的研究人员也发现了相同的现象，例如Jugsujinda等人[6]，Ananta等人[9]，Mirmanto等人[11]，Tan和Zhao[12]，Gokcek和Sahin[13]。另一方面，同时，TE的热侧温度（Th）急剧增加，然后也变得恒定。增加的Th是由于通过TE的热侧到环境的热耗散。对于位置OT和OB，Tc低于OW的Tc，但是Tr高于OW的Tr，参见图5。这种现象的可能原因是由于热传递机制。对于OT和OB，从空气和水传递到因此，OT和OB的Tc低于OW。当大量热量进入TE的冷侧时，Tc增加，这也被Mirmanto等人发现[11]. 在向TE提供相同功率的情况下，增加冷却箱内部的冷却这种现象也发生在TE的冷侧当TE的冷侧吸收的热量较少时，则Tc较低，反之亦然。由于TE位置，可用于评估和区分冷却箱性能的其他参数是从空气传递的热量、从水传递的最后一个称为传导传热率。从空气和水传递的热量，称为主动热负荷，可以使用方程估计（7）和（8），可以在Incropera et al.[14]第10段。内部散热器不顺利。这是由于冷却箱室内的空气循环。由于密度的差异，空气自行或自然地循环。当热空气的位置在底部（OB）时，热空气只停留在顶层，冷空气也停留在底部，因此，没有空气循环。同样，当TE和热量的位置dEQa¼dtdEQw ¼dtdTa¼ma cpadtdTw1/4mw cpwdtð7Þð8Þ下沉OT，预计下行的冷空气无法流动好.在自然对流中，冷空气在顶部，热空气在其下方，通常空气自然且容易地循环，然而，对此有要求。当自然对流稳定时，空气循环良好，但当条件不稳定时，空气循环可能不发生。因此，在本实验中，冷却箱室温不能降低到更低的值。同时，在OW的位置，空气似乎很容易流通，因为热空气很容易通过远离内散热器的区域上升，而冷空气可以在靠近内散热器的区域直接向下移动。因此，如图5所示，冷却箱室温可以进一步降低并获得较低的值。由于从空气和水到内部散热器的热传递对于OB和OT，使得流向TE的冷侧的热量较少，E是能量（J），Qa和Qw分别是空气和水的传热率（W）。ma和mw是空气和水的质量（kg），cpa和cpw是空气和水的比热（J/kg K）。dTa和dTw是空气和水的温度梯度（°C），而t是时间（s）。使用这两个方程，Eqs。根据公式（7）和（8），获得空气和水的传热速率，并在图6中示出。Qp表示塑料瓶的传热速率，也可以使用方程估计。（7）用p代替下标a。P代表塑料瓶。所有的传热速率，Qa，Qw和Qp随时间的推移而下降。当冷却箱牢固关闭时，冷却箱内的温度继续降低。在冷却箱内的所有温度恒定之后，来自物体的热传递速率减小，但传导热传递增加。Mirmanto等人也观察到物体的传热速率降低[11]，Wang et al.[15]第10段。182米Mirmanto等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）177图五、 热电位置对（a）Tr、（b）Tc、（c）Th、（d）Tw和（e）Tam的影响的比较。图六、 来自几个来源的热传递速率：（a）来自空气的，Q a，（b）来自水的，Q w，（c）来自塑料瓶的，Q p，以及（d）来自传导的，Q k。M. Mirmanto等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）177-184183图6示出了TE的几个位置的来自空气、水、塑料瓶和传导的热传递速率。对于三个位置，传导传热率随时间增加。这是由于冷却箱内的空气温度降低。较低的空气温度提高了空气温度和环境温度之间的温差。较高的温差提高了传导传热速率。这与传导热传递方程一致，该方程表示为：DTQk¼ - kAdxð9Þ该方程可以在Incropera et al.[14]第 10 段。Qk 是传导传热率（W），k是导热系数（W/m K），dT是温差（°C），而dx是冷却器箱壁的厚度。A是冷却器箱壁的面积。温度差可以写为：DT¼Two-Twi10 Ω其中PleaseCheck是温差（°C），T wo和T wi是外部和内部冷却器箱温度（°C）。Mirmanto等人[11]也发现了传导传热率的增加，但在已发表的论文中很少解释因此，这种传热率是本研究中的重要参数，需要将其暴露出来，以便为TE冷却器盒设计人员提供更多信息，以便他们设计出更好的TE冷却器盒。从总传热率（冷却能力），见图。 7，可以看出，热电放置位置的影响是明确的。对于OT，水的最大传热速率几乎为0.6 W，对于OB，它几乎是0.4 W，而对于OW，它大约是1 W.因此，根据数据，OW是一个更好的位置。同样，塑料、空气和水的最大传热速率OW高于OT和OB。因此，可以推断，在本实验条件下，最佳TE位置是OW所有这些的原因是由于空气容易在OW的冷却箱室内循环指示冷却器箱的性能的最后一个参数是COP，其可以使用等式（1）来估计（1）对于实验COP，和Eq.（3）对于卡诺COP，并在图中呈现。8.第八条。实验结果表明，COP在起始点附近急剧上升这一趋势对于三种不同的 TE 位置是相同的。然而， 这一趋势与Mirmanto等人[11]的发现相反，但与Jugsujinda等人[6]、Zhao和Tan[1]的结果一致。差异的可能原因是，在Mirmanto等人。[11]主导传热速率为传导传热，而在本研究中，主导传热速率为传热见图7。 TE位置对总传热率或冷却能力Q c的影响。图8.第八条。TE位置对COP的影响;（a）实验COP，和（b）卡诺COP。由物体（水）发出。因此，在Mirmanto等人[11]中，实验COP增加，因为总传热速率随时间增加。对于OT和OB，卡诺COP随时间显著下降，甚至接近停滞，而对于OW，卡诺COP与前人研究的卡诺COP趋势一致。图8（b）仅仅是仅基于温度的COP的计算结果，使得COP趋势取决于温度趋势。如图5所示，Tc急剧下降，然后增加，最后达到常数，特别是对于OT和OB，而对于OW，Tc急剧下降，然后达到常数。为了丰富本文中给出的信息，图9中给出了另一个变量DT。三个不同TE位置的DT在开始时刻附近急剧增加，然后趋于恒定。而对于OW，DT低于另外两个位置。D T的变化趋势支持图1中给出的实验传热率. 7，如理论所述，较高的DT具有较低的Qc。OB的DT是最高的;因此，最低的Qc属于具有OB的较冷箱。DT和Qc之间的关系由等式表示。（11），这也是由Mirmanto等人使用。[11]解释他们的发现DT.QC¼QCmaxDTmax-DT=DTmax11其中Q cmax是TE（W）吸收的最大热量，DT max是最大温差（°C）。这两个参数在TE规范中提供，对于TEC 1 -12706，可参见表1。根据等式（11）增加DT使Qc减小。因此，基于图。第7章看起来更好然而，OW的DT系统高于其他系统;见图。 9（b）. 较高的DT系统是较好的，因为它意味着由内表面吸收的传热速率较大。因此，增加DT系统可以提高热电制冷箱的性能。TE的DT如图所示。对于如图9（a）所示的系统，并且对于如图9（b）所示的系统，可以写为：DTTE¼Th-Tc12Th184海里Mirmanto等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）177图9.第九条。DT对于三个不同的TE位置;（a）基于TE，（b）基于系统。DT系统1/4Tam-Tr13005. 结论通过对热电制冷箱的热电位置的研究，了解热电位置对制冷箱性能的影响。TE的位置为OT、OB和OW，功率与TE相同从实验数据和分析中发现了一些问题所用两个装置的温度趋势冷却能力随时间而降低。随着时间的延长，导热系数增大.总传热率（Qc）随观测时间的延长而减小，但对于OB的TE位置，Qc随时间的变化趋势变差。实验COP随温度的升高而急剧下降，时间为OW，公平为OT，更公平为OB。理论性能系数随时间的变化趋势为OW下降，其它两种趋势有升有降，但基本保持不变。最小的DTTE是使用OW位置的冷却箱获得的。DT系统越大，表明冷却箱的性能越好。在本实验条件下，TE和散热器的最佳位置是在壁上。确认作者要感谢马塔兰大学机械工程系的设施。引用[1] D. 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