热电半导体制冷器在热值仪中的应用

在冶金企业，轧制多种优质钢对供热燃料的发热量要求极高，如何提高产品质量，节约能源，热值检测具有其重要意义。但当前国内使用的热值仪由于种种原因无法投运，究其原因主要是工艺煤气含杂质较多，煤气处理过程中使用的方法不当，造成样气滞后时间长；煤气成分发生变化；热值仪检测失常。

2煤气预处理工艺分析现场轧钢使用的混合煤气中主要是焦炉煤气中的水、焦油、萘及硫化物等杂质对热值仪正常运转影响较大，分析焦炉煤气，其组成成分包括：7.6%，112：其中含有较多的碳氢化合物。早期采用化学试剂来综合反应，如1990年前后热值仪采用醋酸铅溶液对煤气进行脱硫处理，但实际效果说明此种方法无专一性，不仅改变煤气组分，而且要定期更换反应后的化学物质，原料消耗也大。同时煤气中萘、苯不能有效去除也使后节流孔板结垢，造成检测误差大，自动控制滞后、中断。

2001.4而采用物理方法：煤气焦油、萘、苯、氨在水洗和低温状易结晶析出，在不改变其化学组份的情况下即完成杂质处理。

通过冷却剂，制冷器将煤气完全低温处理，使焦油、苯凝结析出并直排到水封顺水排走，而煤气中的机械悬浮水和饱合水也在冷凝器中凝聚，无须再使用硅胶等干燥剂等去除水分。这样更深层地去除焦油、萘、硫化物。

陶瓷型半导体温差电致冷具有体积小、寿命长、无噪声振动和无任何污染等优点，在微量样气处理上有着不可比拟的优势。

3热电致冷简介3.1热电制冷器热电制冷器，也称作半导体制冷器，是一组能起小型热泵作用的半导体电子元件。当给一个TEmodule加上低压直流电时，制冷器的一面会吸收热量，逐渐变冷；同时另一面会放出热量，逐渐变热。热量从器件的一面传向了另一面。

3.2热电制冷原理热电制冷器的工作原理与机械式制冷装置（压缩机制冷）的原理十分相似，在热电制冷系统中，掺杂半导体材料代替了制冷剂的作用，冷凝器被散热器取代，压缩机被直流电源取代。加在热电制冷器上的直流电使电流通过半导体材料，在半导体材料的冷端，电子的运动吸收热量，并穿过半导体材料，在热端放出热量。由于半导体材料的热端与散热器相连，热量就从半导体材料传给敢热器，麻后排放到室内空气中。

热电制冷利用的是塞贝克、珀尔帖和汤姆逊效应来进行制冷的。

3*2.1塞贝克效应见所示的热电回路。热电导线是两种不同金，标为材料X和材料Y.材料x在一个典型的温度测量中，热电A端是用作“端”，保持着较低的温度Tc.热电偶B端用于测量想了解的温度Tk（假设Tk高于Tc）。随着B墙温度的变化，在T，T，间会产生电压V……（即塞贝克电动势），其数学Tk、Tc为热、冷端温度（°K>t为：t材料相对y材料的塞贝克系数，（伏/°K）3Z2珀尔帖效应将热电偶回路改为如所示的形状，就获得相反的效应――珀尔帖效应。

在T，T2间加上电压回路中就会产生电流I.结果A接头产生轻微的冷效应认，B接头产生热。（注意：这种效应是可反向的，只要改变电流的方向就可改变热流的方向。）帕尔玷效应数学表达式如下：Qc或Qixl：Qc、Qw为分别是制冷和加热的功率（瓦）。

回路中有电流时也会产生焦耳热（I2R）。焦耳热起到与珀尔帖效应相反的效果，引起制冷器有效制冷量的减少。

当电流通过一个在长度方向有着温度梯度的导体时/热量将被极收和排放。吸热与放热取决于电流和温度梯度的方向。这就是汤姆逊效应。汤姆逊效应在实际热电设备运行时只发挥较小的作用。当模拟热电设备性能时，须采用平均塞贝克系数。

4热电制冷装置设计4.1热负荷设计4.1.1通过固体材料的热传导固体材料中的热传导与给定材料的几何形状、热导率以及材料的温度梯度有关。其数学表达式为：Q为材料传导的热量，设计值：0.72 X为材料纵向的厚度，设计值：0.02 Dr为材料冷、热侧的温差，设计值：30（。4.1.2表面对流传热热系统中从不绝热的金属表面散失或吸收的热1：所构成的热负荷，这种方式的吸热和放热表达式为：Dr为暴露的表面和环境间温度差；Q为与环境的热传递，取值约为1.2瓦特。

4.1.3通过绝热材料的热传递从一个绝热容器向内或向外的热交换过程，包括遍过绝热材料的热传导和绝热材料外表的对流热损失其数学表达式为：Dr为围护结构内外表面温差；Q为绝热材料的热传递，取值约为。3瓦特。

4.1.4物体温度变化所佩时间定用热电效方法冷却或加热1定物体所需的时间是一个比较复杂的问题，为达到好的确度，必须对包括所有元索和界面的整个系统进行详细的分析。

但是通过下列简化的方法‘也能对系统的热非稳态响应作一可信的估计。

t为温度变化所需的周期，设计值：200（S）；m为材料质量，设计值：200（g）；（卡成尤）；Dr为材料的温度变化，设计值：30 Q为传人或传出材料的热量，设计值：13.8（卡渺）。

9卡路里渺；所需产冷功率为计人材料传导的热量、表面对流传热、绝热材料的热传递，折合所HI制冷功率为60W4.1.5物体的辗射传热因为晋数热电制应用场合的U较低，面积较小，辐射热损失可以忽略不计。只有当多制冷器在很低的度下运行且接近它的下限时，才有必要考虑热辐射。4*2热电翻冷器设计通过热负荷设计，我们选用两片TEC1-12705Z型期冷片，最大制冷功率可达《2W.设计内容包括以下目：采用蛋对流散热器，其般在。245情之间。从风扇或鼓风机提供的冷却空气可以纵向地通过散热器或者直接吹向扇片的中部，然后从两端开口流出。

在散热器表面上制造出很大的湍流，改善了热传导，故能提供最佳性能。为达到最优性能，轴流风机装在离翅热电制冷器是一种低电阻半导体设备，对电源表现为阻抗负载。对热电制冷器来说，电源纹波对产品性能的影响较小。选择12V，20A直流电瀑供电。

为使热性能达到最佳并减少冷凝，被冷却物体应当正确地绝热。少量地增加绝热层就可明显减少热损耗，采用聚氨蹿发泡热，防止环空气直接吹向被冷却物或热电制冷器。

用夹紧方法安装制冷器。研磨将要安装制冷器面的平面，使其平两度应达到1/m以上。在给定的安装面内装两个制冷片，高度最大偏差不超过。6mm.紧固蝶钉的位置与制冷器呈对称分布，以便在夹紧时对制冷塍产生均匀一致的压力。为减少通过紧固亏钉的热损失，采用隔热乡钉。在制冷器的热面均匀涂上一层导热桂脂（0.02），制冷器热面朝下置于散热器合适的位置。

5结束语我们研制的这套热电半导体制冷装置，与同类机械制冷系统相比具有小巧、轻便、可靠性高和易于维护等特征，在对样气的微量处理和环保护方面有着同类型产品不可替代的优势0从研制效果看，目敢制冷装置运行良好，基本达到设计要求，但还有一些不太完善的地方，如制冷温差范围、散热效果，都还有待于在今后的研制过程中进一步提篼。

硪迎终麟《电气X肺柙争册》（第工赋）>（第二版>iut归纳了近年来电工科学技术领域的新成就和新经，积极吸取了a外先进科学技术，增加或加了与计算机、电子、通信、材料等有关的现代电工科学技术新内容，并对传统电工学科新发展也予以介卑。

本手最还R映了近年来电工技术标准和规范的新变化，火力发电中采用我国2年发布的；建筑电气工程中也采用了最的标准和规择，并且提出了（绿色照明>等现代概念；在电工标准中较全面堆收集了有关的国电工标，为我国进人WTO做好准备。

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