天基望远镜探测器组件热电制冷系统设计与试验

天基空间望远镜探测器必须采用主动制冷方式以满足其噪声抑制需求.为此,采用热电制冷为核心技术,开展了探测器热电制冷器封装设计、热电制冷器热排散系统设计、热电制冷控制系统设计,并从抑制寄生漏热、降低热电制冷器热排散路径热阻两方面进行了优化,以减小热电制冷器输入功率及辐射散热面积.根据帕尔帖效应、焦耳效应、傅里叶效应,获得了净制冷量、热端散热热阻、热端边界温度等环境特性参数与热电制冷器输入电流、电压、功率等工作特性参数间的关系,并分析了制冷热负荷、热端散热热阻与热电制冷器输入功率间的敏感度.研制了望远镜鉴定产品,并开展了真空热平衡试验.试验结果表明系统设计合理有效,能够将探测器制冷至-75℃温度水平,稳定度可达到±0.2℃.基于环境条件及热电制冷器工作参数等试验数据,对比并修正了热分析模型.研究结果可为类似空间望远镜热电制冷系统的研制提供参考和借鉴.     

光伏热电耦合系统热阻分析及优化

建立了光伏-热电耦合利用系统的数学模型,并从热阻分析的角度对耦合系统进行了分析优化。对系统各部分热阻进行了敏感度分析,发现了冷却系统热阻为复合系统的控制热阻,并分析了各部分热阻对系统表现的影响。针对耦合系统的控制热阻,研究了冷却系统换热系数对系统总输出功率的影响,发现受迫风冷更加适用于不聚光的光伏热电耦合系统。比较了光伏热电一体化系统与原耦合系统,发现一体化可以提高复合系统的表现。     

膜蒸馏与热电制冷耦合传质通量分析

分析了膜蒸馏与热电制冷耦合关系,获得耦合的充要条件为热电制冷器应提供充足制冷量及较大温差。通过拟合温差和传质通量及冷端冷负荷分析,建立了热电制冷与膜蒸馏过程耦合的热量平衡方程及耦合特性参数方程,定义了耦合特性参数、耦合工况。理论分析表明,随着制冷温度的增大,膜蒸馏通量预测值的最大值先增大后减小,当制冷温度为279.65 K、热腔入口工质温度为362.15 K时取得最大值65.99 kg/(m~2·h)。本文为热电制冷膜蒸馏实验研究奠定了基础。     

单级多单元热电制冷机制冷率优化

以不可逆单级多单元热电制冷机为研究对象,综合考虑热电单元内部效应、热电单元尺寸、热电材料物性随温度变化的特性、外部有限速率传热不可逆性,建立了较完备的有限时间热力学模型。在有限速率传热、有限尺寸(给定换热器总热导率、热电单元总数等)约束下,同步优化工作电流、热电单元尺寸和换热器热导率分配,得到装置的最大制冷率,并分析了重要参数对最大制冷率及最优变量的影响,所得结果可为热电制冷机设计提供指导。     

热电制冷式温湿度调节机的散热技术研究

基于热电制冷的温湿度调节机的制冷和除湿性能主要受其热端散热性能的制约。为了探究热电制冷式温湿度调节机热端散热性能的影响因素,该研究在实际项目的基础上设计了三组实验,分别用于探究风机安装方式,风速大小以及散热翅片间距对其散热性能的影响。结果表明,在所研究的六种风机安装方式中,单风扇单侧吹风的安装方式在实际工程中可以达到相对最佳的散热效果,且其最适宜的风速为5 m/s,最佳散热翅片间距为4 mm,于实际工程来说具有重要的参考意义。     

平板磁制冷和热电磁复合制冷微元循环数值研究

本文借助COMSOL多物理场耦合软件,构建了二维瞬态平板磁制冷微元模型和热电磁复合制冷微元模型,考察了热电臂厚度、电流、运行频率、外界对流换热系数对复合制冷性能的影响。模拟结果显示,在大多数工况下热电磁复合模型的比制冷功均大于磁制冷模型的比制冷功率;改变不同几何和运行参数对复合制冷性能有不同的影响。在研究工况范围内,改变热电臂厚度(0.05～0.5 mm)、电流(0.4～0.8 A)、运行频率(0.5～4 Hz)和对流换热系数(500～2000 W·m^-2·K^-1),热电磁复合制冷微元模型相比于平板磁制冷微元模型,制冷功率密度最大提高分别为2.05倍、2.12倍、2.68倍、1.87倍。本研究对后续开展热电磁复合制冷系统机理研究提供重要指导。     

焊料层对热电制冷器性能的影响分析

热电制冷器广泛应用于热电制冷和热电发电等领域。建立了热电制冷器热电性能的三维有限元模型,进行多物理场耦合计算,考虑热电材料对温度的依赖性,对两种型号的热电制冷器中焊料层部分的结构尺寸进行了不同工况下的研究分析,对比不同焊料厚度和截面边长对热电制冷器最大温差及热电转换效率的影响。结果表明,焊料层截面边长和厚度对热电制冷器的最大温差影响显著,截面边长为热电壁尺寸的0.95～1.007 86范围内热电制冷器的最大温差能提升10 K,并且在0.970 59～0.975范围内达到最佳;厚度为0.08～0.093 3 mm时既能满足经济性又能使热电制冷器的最大温差提高13 K。     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

基于遗传算法混合工质热泵多参数优化

本文将人工智能之一的遗传算法应用于混合工质热泵系统,在对热泵进行模拟的基础上构造了系统性能函数,对冷凝压力、蒸发压力以及回热度进行了多参数的优化,得到了使系统COP最大时的各参数的最佳值。发现在进行制冷/热系统多参数组合优化时,遗传算法全局寻优以及收敛能力与传统的优化方法相比,性能有了较大的提高。     

燃气热泵(GHP)系统制冷工况的数值模拟与分析

通过建立天然气发动机驱动热泵系统的数学模型,研究了制冷工况下,点火提前角、压缩比、过量空气系数,发动机转速等参数对天然气发动机及整个热泵系统运行性能的影响,为天然气发动机的优化设计提供一定的理论依据,并且预测了燃气热泵的性能,证明了该系统具有较好的部分负荷特性.