一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法技术

本发明专利技术提供一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，涉及工业余热回收技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法


[0001]专利技术属于余热回收领域，具体涉及一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法
。

技术介绍

[0002]当今社会面临着能源短缺和环境污染等严峻形势
。
在工业生产中，一次能源
(
如煤
、
原油和核能
)
需要转化为二次能源才能被利用
。
但是，在这个能量传递和转换过程中，由于技术上的限制，不可避免地会导致很多能量以热量形式散失到周围环境中，从而产生大量余废热
。
而传统余热回收技术并不能有效地回收这些余废热，导致极大资源浪费
。
[0003]为解决这个问题，基于塞贝克效应的热电转换技术应运而生，它可以将热直接转化为电
。
热电转换过程不受传热介质限制，适用范围广泛
。
同时，热电模块具有结构简单
、
体积小
、
温度适应范围广
、
稳定性高
、
使用寿命长等特点，可以在复杂工业环境和小空间中长时间工作
。
然而，受制造材料及工作模式限制，热电模块在实际应用时需要配备集热装置和冷却装置才能输出可观发电性能
。
[0004]商业热电模块不安装冷却装置无法在两端形成较大温差，导致输出功率不理想
。
水冷冷却方式具有冷却效率高，冷却能力强等特点，是一种适合用于热电模块冷端的散热方式
。
搭配相应水冷装置，热电模块两端可产生可观温差，从而使得发电性能更好
。
在确定水冷装置结构参数时，其冷却性能主要由冷却水运行速度决定
。
若运行速度过快，则会消耗更多能量；反之，则会影响冷却性能，使得热电模块内部无法形成较大温度梯度，导致输出功率不理想
。
因此，为使热电系统发电性能更佳，需要寻找一种低成本
、
高效且高精度的解决方案
。
目前，水冷条件与热电模块配合问题还没有较好解决方案，现有解决办法成本高且进度缓慢，浪费大量人力和物力，急需一种低成本
、
高效和高精度的解决方案
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，提供提出一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法
。
采用数值计算方法
、
理论分析方法和实验方法，通过分析不同热通量下冷却条件变化对热电模块发电性能影响，得到模块发电性能与冷却条件之间影响规律，并结合实验方法对其进行校正；
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：在
ANASYS Fluent 19.0
软件中建立含单个碲化铋热电模块的简化热电装置的热力学模型；
[0008]步骤2：根据热电模块性能和工作模式设定合理热端热通量范围，并改变水冷条件以优化热电模块发电性能
。
通过模拟计算，确定不同热通量下热电模块最大发电功率和转换效率，并进行公式拟合，揭示热通量与热电模块最大转换效率之间影响规律；
[0009]步骤3：采用理论分析方法，分析热电模块内部能量传递和转换，结合步骤2所得规
律，得到热电模块在不同热通量下，理论最佳水冷条件，即冷却水运行速度；
[0010]步骤4：采用实验方法校正所得冷却水运行速度，将所得水冷条件应用于热电模块上，进行实验测量，根据实验测量结果校正计算所得
Q
other
、
热电模块实际最大转换效率及相应水冷条件
。
[0011]本专利技术实现流程如图1所示
。
[0012]步骤1所述热力学模型如图2所示
。
利用
ANASYS Fluent 19.0
对含单个碲化铋热电模块的简化热电装置进行三维物理建模
。
简化热电装置物理模型包括单个碲化铋热电模块和水冷装置的三维物理模型：
[0013]由单个碲化铋热电模块和水冷装置紧紧贴合构成热电装置，将碲化铋热电材料参数设置为温度的函数
。
设定冷却水为不可压缩流体
。
[0014]步骤2设定冷却水入口速度，合理热通量变化范围，模拟计算中连续性方程
、
湍流方程
、
能量方程和
DO
模型收敛标准
。
得到计算结果如图3和图4所示
。
将计算得到热通量与碲化铋热电模块最大转换效率进行拟合，得到拟合公式
。
[0015]步骤3对热电模块工作时内部能量传递和转换过程进行理论分析
。
[0016]步骤4所述的实验校正流程如图5所示
。
[0017]本专利技术的优点是：可根据水道尺寸
、
水道长度和冷却水入口温度确定最佳冷却水运行速度
。
只需得知热电模块材料参数及热电模块热端热通量就可得到理论最佳冷却条件
。
为以水冷冷却方式为冷端散热方式的热电模块提供新的性能优化方法
。
附图说明
[0018]图1为本专利技术一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法的实现流程示意图；
[0019]图2为本专利技术一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法的实施例模拟计算三维模型结构示意图；其中，1为冷却装置，2为冷却水道，3为水流输入方向，4为热电模块，5为氧化铝绝缘层，6为热电单元，7为平板热源；
[0020]图3为本专利技术一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法的实施例中热电模块热端热通量与最大输出功率及效率的关系图；
[0021]图4为本专利技术一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法的实施例中热电模块输出功率最大时冷却水流运行速度与模块热端热通量关系图；
[0022]图5为本专利技术一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法的实验校正流程示意图
。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和实施例，对本专利技术具体实施方式作进一步详细描述
。
以下实施例用于说明本专利技术，但不限制本专利技术范围
。
[0024]本实施例以单个碲化铋热电模块和水冷装置紧紧贴合构成简化热电装置为例，包括以下步骤：
[0025]步骤
1、
利用
ANASYS Fluent 19.0
对含单个碲化铋热电模块的简化热电装置进行三维物理建模；
[0026]如图2，所述热电装置结构参数包括热电模块边长
a(
单位
mm)
，宽度
b(
单位
mm)
，水
道直径
d(
单位
mm)
，冷却水道长度
L(
单位
m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在
ANASYS Fluent 19.0
软件中建立含单个碲化铋热电模块的简化热电装置的热力学模型；步骤2：根据热电模块性能和工作模式设定合理热端热通量范围，并改变水冷条件以优化热电模块发电性能，通过模拟计算，确定不同热通量下热电模块最大发电功率和转换效率，并进行公式拟合，揭示热通量与热电模块最大转换效率之间影响规律；步骤3：采用理论分析方法，分析热电模块内部能量传递和转换，结合步骤2所得规律，得到热电模块在不同热通量下，理论最佳水冷条件，即冷却水运行速度；步骤4：采用实验方法校正所得冷却水运行速度，将所得水冷条件应用于热电模块上，进行实验测量，根据实验测量结果校正计算所得
Q
other
、
热电模块实际最大转换效率及相应水冷条件
。2.
如权利要求1所述的一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，其特征在于，所述步骤1具体为：利用
ANASYS Fluent 19.0
对含单个碲化铋热电模块的简化热电装置进行三维物理建模；简化热电装置物理模型包括单个碲化铋热电模块和水冷装置的三维物理模型
。3.
如权利要求1所述的一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，其特征在于，所述步骤2具体为：设定不同冷却水入口温度；热通量指的是物体与传递热量方向垂直的横截面上，单位时间内单位面积上通过热量；热源质量使用热电模块热端热通量表示；得到合理热通量变化范围；设定模拟计算中连续性方程
、
湍流方程
、
能量方程和
DO
辐射模型收敛标准；将计算得到热通量与碲化铋热电模块最大转换效率进行拟合，得到拟合公式
。4.
如权利要求1所述的一种确定热电模块最佳发电性能水冷条件方法，其特征在于，所述步骤3具体为：热电模块内部能量传递满足：
Q
in
＝
Q1+Q
TEM
+Q2+Q3+Q4式中
Q
in
表示单位时间内输入热量，
Q1表示热电模块内部产生的焦耳热，
Q
TEM
表示热电模块吸收热量，
Q2表示其他热交换产生的热量，主要来自帕尔贴效应的影响，
Q3表示热电模块与环境之间换热；
Q4表示冷却水吸收热量，将
Q1，
Q2和
Q3这些热量考虑为常量；由此，上式简化为：
Q
in
＝
Q
TEM
+Q4+Q
other
其中，式中，
Q
other
表示
Q1，
Q2和
Q3总和，可经由模拟计算得到估值，后续可经校正得到实际值；单位时间热电模块热端吸收总热量
Q
in
满足：
Q
in
＝
q
·
S
TEM
式中，
q
表示通过热电模块热通量
(
单位
W/m2)
，
S
TEM
表示热电模块在传热方向上的截面积
(
单位
m2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥宁，孙研明，王文佳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：