9Cr2Mo冷轧辊加热过程的数值模拟

    1 引言

    热电制冷的基础是固体的热电效应,热电制冷与其他制冷方法有明显的不同。这种制冷方法以电子为能量载体,不用制冷剂,不存在环境问题。热电制冷器的特点是 结构简单、除风扇外无任何运动部件,因而噪声很小、基本无摩损问题、可靠性好、寿命长;热电堆的体积仅数十立方毫米至数立方厘米,重量仅数克至数十克;启 动快、控制灵活,只要接通电源,即可迅速制冷,制冷量可通过调节电流方便调节;改变电流方向即可改变热流方向,而改变电流方向可不用机械装置;热电制冷不 需要流体运动去载能,而电子的运动与地球重力无关。由于以上特点,热电制冷器广泛应用于航空航天、军事、通讯、遥感遥测、医疗以及空调、冷冻冷藏等各领 域。这种制冷方法的发展较慢,其基本原因是热电制冷器的效率较低,提高热电制冷器的效率一直是其主要发展方向。目前的研究工作主要是进行电压、电流和换热 的优化[1]、[2],而改进工艺是另一个提高效率的重要途径。

    2 热电制冷器的制冷工作特性

    热电制冷器由热电堆、冷端换热器及热端换热器组成,其中热电堆是制冷器件。由于热电堆是由多对电偶组成,且对电流而言,各电偶对是串联的;而对热流,各电 偶对是并联的。分析热电堆的性能时,只需分析电偶对的制冷性能即可。在满足尺寸条件和电流条件的前提时,一对电偶的最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系 数分别为[3]:

    式中:

    K₁—电偶对的导热率, W/K;

     R₁—电偶对的电阻,Ω;

    α_pn—电偶对的温差电势率, V/K

    v_T—冷热端温差, K;

    T_h—热结点温度, K;

    T_c—冷结点温度, K;

    T_{c min}—最低冷结点温度, K;

    T_m—冷、热端的平均温度;

    Z_pn—电偶对的优值系数;

    R_p—电偶元件的面长比, m

    电偶对的优值系数为:

    由此可知电偶对的性能主要取决于冷、热端温度和优值系数,而冷、热端温度和电偶对的优值系数不仅与元件的物理性质,也与电堆的加工制造工艺有关。

    3 影响电堆性能的工艺因素及产生原因

    电偶组成电堆时,由于存在传热温差、热电制冷元件与导电金属之间的焊缝电阻、杂散热交换等因素,使电堆的性能低于电偶的理论性能。