平板热管散热器应用于热电制冷冰箱的数值模拟研究

平板热管散热器应用于热电制冷冰箱的数值模拟研究

石 驰1，王中贤1，张 红1，2

(1.南京工业大学能源学院，江苏 南京 211800)(2.常州工学院，江苏 常州 213002)

摘要：为了提高热电制冷冰箱的制冷性能，使用平板热管散热器在热电制冷冰箱热侧散热，通过数值模拟的方法对平板热管散热器散热性能进行了研究，并与铝翅片板散热器进行对比。对安装平板热管散热器的热电制冷冰箱进行模拟分析，得到冰箱内部制冷温度、制冷功率、制冷系数随电流的变化规律，以及制冷功率与制冷系数随风机流量的变换规律，并与安装铝翅片板散热器的热电制冷冰箱进行对比，结果表明，用平板热管散热器代替铝翅片板散热器能够降低冰箱的制冷温度，提高冰箱的制冷功率与制冷系数。最后对散热器翅片尺寸与冰箱制冷性能的关系进行了分析，得到了理想的散热器翅片尺寸。

关键词：平板热管；热电制冷；数值模拟；尺寸

热电制冷具有无污染、可靠性高、体积小、易于控制的特点。随着热电制冷技术的发展，热电制冷元件的散热量大大增加[1-2]。目前热电制冷存在的一些缺点有制冷速度慢、制冷效率低、制冷温度不达标[3-4]等。热电制冷片的物理结构确定后，其制冷效率取决于半导体制冷片冷、热端的温差，温差越小，制冷效率越高[5]。因此，为了保护设备，提高制冷效率，需要加强热端的散热。传统的散热器有铝翅片板散热器、普通热管散热器等，铝翅片板散热器传热效果差，普通热管散热器虽具有较好的传热性能，但结构复杂，占空间，安装不方便[6]。由于平板热管具有高效的导热能力，同时结构简单，安装方便，因此本文采用平板热管散热器代替传统的铝翅片板散热器，用数值模拟方法研究用平板热管散热器散热的热电制冷冰箱的性能。

1 模型建立与数值计算

1.1 散热器的结构与传热过程

平板热管散热器与普通铝翅片板散热器的外形尺寸完全相同，其结构如图1所示，为了叙述方便，以下称平板热管散热器为散热器1，铝翅片板散热器为散热器2，安装平板热管散热器的热电制冷冰箱为冰箱1，安装铝翅片板散热器的冰箱为冰箱2。散热器1与散热器2的区别在于底板，散热器1的底板为平板热管，散热器2的底板为实心铝块。底板上表面焊有翅片，翅片厚1.0mm，间隔4.0mm，共22片。

图1 平板热管散热器

散热器1的传热过程：热电制冷片的热端散出的热量传递到底板下壁面，通过管壁传递到内部工质，内部工质蒸发吸热带走大量热量到上壁面冷凝放出，热量再通过上管壁传给翅片，最后被空气带走。

散热器2的传热过程：热电制冷片的热端散出的热量传递到底板，通过热传导经过底板传递到翅片，最后被空气带走。

散热器1的底板为平板热管，主要靠液体的相变传热[7]，热阻较小；散热器2的底板为实心铝块，其传热是通过热传导的方式进行。

1.2 模型建立

热电制冷冰箱主要由5个部件组成，如图2所示。最上方为风机，风机的下面为散热器，散热器底板与热电制冷片热端紧贴，热电制冷片冷端与导热铝块相接，导热铝块另一端与箱体内壁铝内胆相接，各部件尺寸见表1。冰箱外壳材料为ABS塑料，厚3mm，保温层为聚氨酯泡沫，厚21mm，铝内胆厚度为1mm。各材料物性见表2。

图2 热电制冷冰箱结构示意图

表1 部件结构尺寸 mm

名称尺寸散热器底板100×100×13散热器翅片高H37．0散热器翅片厚度D1．0散热器翅片长度L100．0散热器翅片间距d4．0热电制冷片40．0×40．0×3．5导热铝块40×40×10壳体内部210×350×160壳体外部260×400×210壳体壁厚25

表2 材料的物性参数

聚氨酯ABS塑料铝内胆导热系数/(W·m-1·K-1)0．020．26159．00密度/(kg·m-3)3210002787比热/(kJ·kg-1·K-1)0．3901．5900．883

采用CFD软件模拟热电制冷冰箱，为节约计算成本，提高计算效率，对模型作如下假设和简化：

1)热电制冷片内部热电臂看成是由一块实心的长方体固体与两片不占空间的热源组成，热源分别在固体两端，一端放热，一端吸热，固体自身产生的热量为焦耳热。

2)计算区域六面开口与大气相通，即六面为压力出口，压力为大气压。

3)外部空气流动为不可压缩湍流流动，空气的物性为定性温度下的参数。

4)为了简化热管模型，在忽略热管内部复杂相变、流动状态的同时实现热管的数值模拟，将热管看成一块导热系数为10 000W/(m·K)的固体[8]。

以实验冰箱尺寸建立热电制冷冰箱模型(结构尺寸见表1)进行模拟研究。

1.3 参数定义

热电制冷片模型中内部固体产生的焦耳热为：

Q1=I2R

(1)

放热热源功率为：

Ph=NαITh

(2)

吸热热源功率为：

Pc=NαITc

(3)

制冷功率：

Q=NαITc-0.5I2R-KA(Th-Tc)

(4)

输入功率：

P=I2R+NαI(Th-Tc)

(5)

制冷系数：

ε=Q/P

(6)

式中：α为热电偶赛贝克系数；Th为热电制冷片热端温度；Tc为热电制冷片冷端温度；N为热电臂对数；K为热电制冷片的传热系数；I为通过热电制冷片的电流;R为热电制冷片内部电阻;A为传热面积[9-10]。

定义风机出口雷诺数：

(7)

式中：ωf为风机出口平均风速；df为风机出口处直径；ν为空气运动黏度；q为风机流量[11]。

2 独立性检验与实验验证

2.1 网格划分与独立性检验

模型采用六面体非结构化网格进行网格划分。为了验证网格的独立性，对所建立的模型分别进行不同网格数的网格划分，网格数分别为70万、100万、130万、160万。以冰箱2为例，设环境温度为10℃、电流大小为4.4A、风机流量为0.012m3/s，计算不同网格数的箱体内部导热铝中心处温度Td并进行对比，如图3所示，从图中可以看出，网格由130万增至160万时导热铝中心处的温度上升0.10℃，为测点总温降的0.4%，表明当网格数达到130万数量级时，网格数量的增加对计算结果的精确度将不再产生显著影响，因此本文所涉及模型均采用130万数量级网格节点数进行数值模拟。

图3 网格独立性检验

2.2 实验验证

为了验证模拟数据的可靠性，本文通过搭建试验台，组建热电制冷系统，对模拟数据进行验证。实验装置有冰箱箱体、交流风机、TEC1-12708热电制冷片、直流电源、安捷伦34970A数据采集仪、调压器、计算机。风机电压由调压器调节，热电制冷片电流由直流电源调节，实验装置系统如图4所示。在环境温度为10℃，电流范围2.0～3.0A、间隔0.2A，风机流量为0.012m3/s的实验条件下，分别测得箱体内部导热铝中心处(测点)的温度，与相同条件下的模拟数据进行对比，如图5所示。

图4 热电制冷冰箱实验系统图

由图5可知，冰箱1测点的实验值与模拟值的最大差值为0.40℃，冰箱2测点的实验值与模拟值的最大差值为0.30℃，均小于总温降的1%,说明计算模型模拟结果具有较高的准确性。

图5 冰箱温度对比图

3 结果与分析

3.1 散热器的数值模拟分析

为了更直观地比较平板热管散热器与普通铝翅片板散热器的优劣，本文利用上述模型模拟了两散热器在相同条件下的散热情况，环境温度为25℃，电流为3.0A，风机流量为0.012m3/s，在此条件下对冰箱1与冰箱2进行模拟。散热器1与散热器2的温度云图如图6所示，由图可知，散热器1的温度分布更加均匀，最高为30.54℃，最低为29.58℃，相差0.96℃；散热器2的最高温度为32.85℃，最低温度为29.07℃，相差3.78℃。模拟计算求得散热器1的散热量为24.76W,散热器2的散热量为24.56W，热电制冷片热端平均温度分别为30.50℃和32.60℃。由此可见，平板热管散热器能够散发更多的热电制冷片热端的热量，从而降低热电制冷片热端的温度。

图6 散热器温度云图

3.2 电流对热电制冷冰箱的影响

在环境温度为25 ℃、风机流量为0.012m3/s即风机出口Re=1.02×105的条件下，通过模拟计算冰箱1与冰箱2稳定时箱体内部平均温度、制冷功率、制冷系数随电流变化的规律[12]。

图7为冰箱内部平均温度Tave随电流变化的曲线，电流从2.0A至7.0A，间隔为0.2A。由图7可知，冰箱1和冰箱2内部平均温度随电流的增大先下降后上升，这是因为随着电流的增大，热电制冷片内部半导体冷端由帕尔贴效应产生的吸热量增加，但同时由内部电阻通电产生的焦耳热也随之增加，随着电流的增大焦耳热的影响越来越大，因此当温度达到最低点后，温度会以越来越大的速率上升。冰箱1在电流为5.0A时温度达到最低值3.39℃，冰箱2在电流为4.4A时温度达到最低值5.58℃，冰箱1的最低温度比冰箱2的最低温度低2.19℃，说明安装平板热管散热器能够降低热电制冷冰箱的内部平均温度。

图7 冰箱内部平均温度随电流的变化

根据式(4)计算得到冰箱的制冷功率，图8为制冷功率随电流变化的曲线。由图可知，两冰箱的制冷功率随着电流增大先增大后减小，在前段，随着焦耳热的比重增加制冷功率的增长速率逐渐减缓，当达到最大制冷量后制冷功率开始降低。冰箱1的制冷功率在电流为5.8A时达到最大值7.31W，冰箱2的制冷功率在电流为5.4A时达到最大值6.75W，冰箱1的最大制冷功率比冰箱2的最大制冷功率大0.56W。

图8 制冷功率随电流的变化

图9为制冷系数随电流变化的曲线。由图可知，电流由2.0A增至7.0A，冰箱1的制冷系数从0.45逐渐减小，冰箱2的制冷系数从0.44逐渐减小，两冰箱的制冷系数都越来越趋向于0甚至负值。当制冷系数为0或者负数时，说明冰箱失去了制冷能力。冰箱1的制冷系数在任何阶段均高于冰箱2，说明相同的输入功率下，冰箱1的能源利用率更高。

图9 制冷系数随电流的变化

3.3 风机流量对制冷性能的影响

图10为电流在4.4A时制冷功率与制冷系数随风机流量的变化，随着风机流量从0.002m3/s增至0.030m3/s，即风机出口雷诺数Re由1.70×104增至2.55×105，冰箱1的制冷功率从4.18W逐渐递增最后达到7.27W，制冷系数从0.09增大到0.16。冰箱2的制冷功率与制冷系数的变化趋势与冰箱1类似，两冰箱出现这种变化趋势的原因是随着风机流量越大，气流扰动加强，强化了传热。但在风机出口雷诺数Re为6.8×104后，冰箱1和冰箱2的制冷功率与制冷系数的增加趋势趋于平缓，增加值越来越小。

图10 冰箱制冷功率与制冷系数随风机流量的变化

3.4 散热器尺寸对制冷性能的影响

为了研究平板热管散热器尺寸对冰箱制冷性能的影响，在环境温度为25℃，电流为4.4A，风机流量分别为0.006m3/s、0.008m3/s、0.010m3/s、0.012m3/s的条件下，保持翅片厚度t=1.0mm，比较不同翅片间距时冰箱1内部平均温度Tave。由图11可知，随着翅片间距的增加，冰箱1内部平均温度Tave呈先下降后上升的趋势，在翅片间距s=2.0mm时温度达到最低点。s由1.0mm增加到2.0mm，温度平均下降了30%，而由2.0mm增至5.0mm温度平均上升了74%。可以看出，在翅片厚度t=1.0mm时，翅片间距s=2.0mm比较好。这是因为随着翅片间距的增加，流动阻力减小，使每个翅片的换热效果增强。但随着翅片间距的增加，翅片个数减少，总的传热面积也在减小，因此当翅片间距增加到一定值后冰箱的制冷性能开始下降。

图11 冰箱内部平均温度随翅片间距的变化

图12为冰箱内部平均温度Tave随翅片厚度变化的情况。保持翅片个数为31个，改变翅片厚度，由图12可知，随着翅片厚度的增加，冰箱内部平均温度Tave先减小后增大，t由0.5mm增加到1.0mm，冰箱内部平均温度Tave降低了5%，t从1.0mm增至2.0mm，冰箱内部平均温度T上升了78%，由此可以看出，t=1.0mm时冰箱内部平均温度Tave最低。随着翅片厚度的增加其表面积增加，每个翅片的热阻减小，但翅片间流动阻力也增加，所以在翅片厚度增加到一定值后散热器的换热效果减弱，使冰箱制冷性能下降[13]。

图12 冰箱内部平均温度随翅片厚度的变化

4 结论

本文通过建立三维计算模型对安装平板热管散热器的冰箱进行模拟研究，研究箱体内部平均温度、制冷功率、制冷系数随电流的变化情况、制冷功率与制冷系数随风机流量的变化规律、冰箱内部平均温度随散热器尺寸的变化规律，并与安装铝翅片板散热器的热电制冷冰箱进行对比，得到以下结论：

1)平板热管散热器的底板温度分布比铝翅片板散热器均匀，能够降低热电制冷片的热端温度。

2)试验值和模拟值相差较小，说明计算模型的准确性较高。

3)随着电流的增大，热电制冷冰箱的内部平均温度会先下降后上升，制冷功率会先增大后减小，存在最佳电流值；制冷系数会随着电流的增大越来越小。

4)安装平板热管散热器能够有效地降低冰箱内部平均温度，提高制冷功率以及制冷系数。

5)随着风机流量的增加，冰箱制冷功率与制冷系数会增加，并在风机流量达到一定值后，其增加趋势趋于平缓。

6)改进散热器的尺寸能够降低冰箱内部平均温度，提高冰箱的制冷性能。

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Application and simulation of the flat heat pipe radiator in thermoelectric cooling refrigerator

SHI Chi1,WANG Zhongxian1,ZHANG Hong1,2

(1.College of Energy, Nanjing Technology University, Jiangsu Nanjing, 211800, China)(2.Changzhou Institute of Technology, Jiangsu Changzhou, 213002, China)

Abstract：In order to improve the cooling performance of refrigerator, it applies a flat plate heat pipe radiator to the hot side of thermoelectric cooling refrigerator. It simulates thermal performance of flat plate heat pipe radiator, compares with thermal performance of aluminum fin plate heat sink, analyzes the refrigerator with flat heat pipe radiator, obtains the variations of inside the refrigerator cooling temperature, cooling power, cooling coefficient with the change of current, and shows the variations of cooling power and cooling coefficient with the change of fan flow. Comparing with the thermoelectric cooling refrigerator based on aluminum fin plate heat sink, it presents that using a plate heat pipe radiator instead of aluminum plate fin heat sink can reduce the refrigerator cooling temperature, increase the cooling power and cooling coefficient. It analyzes the size of the heat sink, builds the relationship between size of the heat sink and cooling performance of the refrigerator.

Key words：flat heat pipe;thermoelectric cooling;simulation;size

收稿日期：2016-05-16

作者简介：石驰(1989—)，男，江苏泰州人，南京工业大学硕士研究生，主要研究方向为热管技术的研究与利用。

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.04.027

中图分类号：TB61+9.2

文献标识码：A

文章编号：2095-509X(2017)04-0111-06