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。     

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在工程应用中,设计目标各有不同.因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联.针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件.当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能.对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.     

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.     

新型热电热泵冷风机的性能研究

设计了一种新型热电热泵冷风机,建立了基于热阻网络法和换热器理论的热电热泵冷风机的数学模型,推导得出了能够有效表征该热电风机制冷性能的多参数耦合方程,并利用该模型分析了制冷片工作电流、散热热阻和新风流量的影响。然后以最大效率和最大制冷量、最小制冷片冷热端温差为综合最优为目标,对以上影响因素提出了最优控制方案,并进一步讨论了热电热泵风机的性能优化方法。该多参数耦合分析方法,对于热电冷风机的研究具有很好的参考价值。     

热电制冷器热模型建立与修正方法研究

影响热电制冷器仿真温度的输入参数较多且不易准确测得导致建立高精度仿真模型较为困难。为此,提出了一种热电制冷器热模型建立与修正方法。首先建立热电制冷器温度场仿真模型,并基于Spearman相关级数对影响仿真温度的参数进行灵敏度辨识,确定强相关参数和弱相关参数;然后以热电制冷器的实测温度值为目标,采用多岛群遗传算法对强相关参数进行修正;在此基础上,再对弱相关参数进行修正;最后运用霍克基维斯直接搜索算法对修正后的参数进行更为精确的修正,得出了电流为3.6 A时模型输入参数的修正值。采用相同方法获得了电流在0~3.9 A范围内输入参数的修正值。据此建立的热模型,仿真值与实测值最大误差小于4.9℃(-5~100.5℃范围内),表明该热模型的建立与修正方法合理有效。     

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。     

低频热驱动气–液耦合热声制冷系统数值模拟研究

提出了一种低频热驱动气–液耦合热声制冷系统,通过数值模拟优化了该系统的结构参数并对其热力性能进行了数值模拟分析。首先,分别对系统关键参数的沿程分布和各部件的?损失进行了分析;然后,探究了不同压力下液体质量对系统热力学参数的影响;最后,与传统热声制冷系统进行了对比。结果表明,气液耦合热声制冷系统可以有效地提升系统的压比、制冷量、COP和相对卡诺效率,降低系统的起振温度和频率。在加热温度300℃,制冷温度15℃,环境温度50℃,平均压力10 MPa时,气液耦合热声制冷系统制冷量为31.12 k W,是传统热声系统理论值的4倍,COP和相对卡诺效率相对于传统热声制冷系统的理论值分别提升了13%和25.9%。     

基于遗传算法的光伏–热电耦合系统多目标优化研究

多因素共同作用下的系统优化设计是光伏–热电耦合系统研究的难点之一。本文建立了光伏–热电耦合系统与单一光伏系统的理论模型,以最高耦合效率与相对于单一光伏系统的最大效率差值为优化目标,采用多目标遗传算法,开展了耦合系统优化设计研究。结果表明,最高耦合效率与最大效率差值两个优化目标是负相关的,且其负相关性是由光伏参考效率所导致,需综合考虑系统经济性,确定最高耦合效率和最大效率差值的折中方案,从而获得耦合系统最佳设计。     

超临界CO2布雷登循环热电联供系统多目标优化

本文研究了以超临界CO₂布雷登循环为原动机的热电联供系统,对系统主要运行参数进行了分析,得到运行参数对于系统热力学性能和经济性能的影响规律。同时,以一次能源利用率和单位输出成本作为目标函数,采用多目标遗传算法对系统进行了优化;在优化结果的基础上,通过TOPSIS法决策出最优解,并与单目标最优解进行对比。结果表明,透平进口温度、透平进口压力和压缩机进口温度的增大有利于系统效率的提高;作为代价,成本也相应增加。在热电比0~4范围内,尽可能增大热电比能够最大程度上降低系统的单位输出成本,提高能源的利用率。     

导热优化中的最小传递势容耗散与最小熵产

为了比较分析强化传热中存在的熵产最小化和传递势容耗散最小化两种不同的方法,针对体点问题,根据这两种方法对导热系数分布进行了优化。数值计算和理论分析的结果表明,根据最小传递势容耗散原理得到的结果优于最小熵产原理得到的结果。其原因在于传递势容耗散最小的优化目标是提高热量传递效率,而熵产最小的优化目标实际上是减少可用能损失。