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热电制冷器在ansys中的有限元分析过程
  • 时间: 2020-11-23
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

1     应用背景

热电制冷器(热电冷却器)工程应用非常广泛,其基本原理为热电效应。Ansys workbench具有广泛平台性,非常适合于参数化建模以及优化设计,同时具有较强的耦合场分析能力,在热电制冷器分析方面具有得天独厚优势。利用有限元分析技术,能够快速地得到热电制冷器的各项性能指标参数仿真结果,从而加速热电制冷器的研制。

2     原理说明与FEM

2.1    热电制冷器原理

简图如下所示:

image001.png

2.2    有限元模型

2.2.1  有限元分析模型示意图

image003.png

image005.png

2.2.2  热电制冷器详细组成

热电制冷器由铜带与半导体(硅块)组成:

01几何模型:硅块基本尺寸为10*10*10mm,硅块相距20mm,其中Z向左端为N型半导体,右端为P型半导体;铜带厚度为2mm;其他几何尺寸随意设定。

02硅块热电系数(塞贝克系数):N型为-165uV/K,P型为210uV/K.

03铜与硅其他热电参数:分析不考虑瞬态效应,因此其他材料参数包括热导率以及电阻率,详情参阅计算文件

04基本加载条件:底部铜带恒温50摄氏度,其中左侧端部输入电流20安培,右侧端部电位0伏特,从而形成回路;顶部铜带上表面为冷却端,分析过程中,假定温度相同(采用耦合自由度等方式实现)

05工况设定:Case1,用于计算热电制冷器制冷效率;Case2,计算理想绝热条件下制冷器在铜带顶部的温度分布;Case3,计算制冷器暴露在空气中的铜带顶部的温度分布。

3     有限元分析详细过程

3.1    Case1(制冷效率分析)

3.1.1  加载条件

制冷效率分析时,假定铜带顶部温度为0,其他基本加载条件不变:

image007.png

3.1.2  计算结果

通过FEA计算,得到热电制冷器的电场分布与电流密度矢量图如下所示:

电场分布:

image009.png

电流密度矢量分布:

image011.jpg

3.1.3  结果讨论

提取制冷器顶部热发生率P1= 0.38255W(这里得到的制冷器功率作为下面工况的加载条件)提取制冷器电流输入的电压,与加载电流结合得到输入功率P2= 6.0113e-002*20= 1.2023W计算得到制冷器制冷效率为beta= P1/ P2=32%

3.2    Case2(热冷却分析)

3.2.1  加载条件

热冷却分析时,对铜带顶部温度自由度耦合,并输入制冷器热功率:

image013.png

 

3.2.2  计算结果

3.2.2.1 结果提取1

热电制冷器的电场分布与电流密度矢量图如下所示:

 

电场分布:

image015.png

电流密度矢量分布:

image017.jpg

热冷气分析时,电场计算与制冷效率分析结果基本相同,这是因为此分析为理想分析,温度分布基本接近,热电效应逆反应产生的电流较小。

3.2.2.2 结果提取2

热电制冷器的温度分布与热通量分布如下所示:

铜带顶部表面温度分布:

image019.png

制冷器温度分布:

image021.png

制冷器热通量矢量分布:


从计算结果看,制冷器顶部表面温度约为零下0.15摄氏度,底部温度为50度,制冷效果较好;P型半导体具有较高的塞贝克系数与较低的电阻率,因此右侧热通量较大。

3.3    Case3(热冷却分析-对流环境为空气)

3.3.1  加载条件

对流环境为空气时的热冷却分析,在暴露于空气中的制冷器表面添加对流条件,其他与case2相同:

image027.jpg

3.3.2  计算结果

3.3.2.1 结果提取1

电场分布:

image029.jpg

电流密度矢量分布:

image031.jpg

Case3与case2电场分析结果趋势相同,但是具体数据明显不同,这是因为外部环境产生的逆热电效应导致的,不过影响甚小。

3.3.2.2 结果提取2

铜带顶部表面温度分布:

image032.png

制冷器温度分布:

image034.png

制冷器热通量矢量分布:

image036.jpg

从计算结果看,制冷器顶部表面温度约为0.66摄氏度,与case2比较,相差约0.8摄氏度,说明实际工程应用中,考虑环境对流是非常必要的。其他热结果趋势与case2基本相同

4     总结与说明

通过ansys workbench计算,总结制冷器分析要点如下:

1 首先确定制冷器热冷却效率,再次计算热冷缺分析;

2 一般情况下选择SOLID226 单元,此单元具有热电分析的全部能力;

3 加载与约束过程需要分别满足电场分析与温度分析,初步分析可通过单场分析验证模型,然后再结合起来计算热电耦合效果;

4工程应用分析过程中,需要考虑多种条件,可通过wb建立参数化模型,快速验证具体参数

5热电分析伴随温度梯度变化过程,因此,在材料属性定义时,应考虑随温度变化的各种参数,通过wb可快速与准确地创建。


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