CN111879817B - 一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法，所述系统包括被测组件和测量组件，被测组件为平板，测量组件包括直流电源、帕尔贴制冷片和测温装置；将所述系统放置在流场中，平板下表面与流体直接接触，帕尔贴制冷片散热端对平板进行加热，帕尔贴制冷片散热端产生热流量，帕尔贴制冷片散热端的热流量即为通过平板上表面的热流量，结合测量表面对流传热系数的系统传热方程，获取总传热系数，基于等效热阻表征的总传热系数，得到平板下表面与流体表面的传热系数。本发明系统易于安装、可操作性强，将较小的电流通过帕尔贴制冷片，获取平板上下表面较大的温差，有利于节约能源，满足工程需求。

Description

一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法
技术领域
本发明属于热电转换领域和表面对流传热分析技术领域，特别涉及一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法。
背景技术
热电转换领域中的基本效应有塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应、傅里叶效应和焦耳热效应。其中帕尔贴效应又被称为热电第二效应，在半导体材料出现后得到了广泛的应用。帕尔贴效应是指两种不同金属构成闭合回路，当回路中有电流通过时，两个接头处将出现温差并产生放热或吸热的现象。
表面对流传热系数是指单位温差条件下，固体表面在单位面积和单位时间内通过热对流方式传递的热量。影响表面对流传热系数的因素有很多，包括流体流动起因、流体有无相变、流体流动状态、传热表面的几何因素和流体物理性质等。长期以来，工程上更多的采用源于经验的参考数据，想要准确测量表面对流传热系数难度很大。随着科技发展，出现了许多新方法，如数值分析法、热流法。数值分析法多采用试凑法，受求解程序和人为因素影响较大，导致计算误差难以量化估计；同时该方法收敛缓慢，对于复杂的工程问题所需耗费的时间和经费较多。热流法通过给热平衡壁面边界施加热流，并测量系统对流传热的热流密度、流体温度和物体表面温度，根据牛顿冷却公式计算得到对流传热系数。现有技术中的热流法对流传热系数测量系统多采用镍铬加热丝等加热装置对系统进行加热，需要较大的电流才能获得可观的加热功率，从而得到明显的温差，但这种加热方法耗能较大。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法，利用传热方程式计算流体与固体之间换热表面的对流传热系数，解决热流法耗能大的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统，包括被测组件和测量组件，被测组件为平板，测量组件包括直流电源、帕尔贴制冷片和测温装置；帕尔贴制冷片通过夹紧装置与平板夹紧固定，帕尔贴制冷片吸热端与直流电源连接；测温装置包括相互连接的温度传感器和温度记录仪，温度传感器A布置在帕尔贴制冷片吸热端表面，温度传感器B布置在帕尔贴制冷片散热端表面。
进一步的技术方案，所述夹紧装置由螺栓和夹板组成，上下两块夹板夹住帕尔贴制冷片和平板后，螺栓依次穿过上下端铝合金夹板，将帕尔贴制冷片和平板夹紧固定。
进一步的技术方案，所述帕尔贴制冷片散热端与平板上表面接触，两者夹层中均匀涂抹有导热硅脂。
进一步的技术方案，所述温度传感器选用k型热电偶。
一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的方法，将所述基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统放置在流场中，平板下表面与流体直接接触，帕尔贴制冷片散热端对平板进行加热，帕尔贴制冷片散热端产生热流量Qh，帕尔贴制冷片散热端的热流量即为通过平板上表面的热流量Q，结合测量表面对流传热系数的系统传热方程，获取总传热系数k，基于等效热阻表征的总传热系数，得到平板下表面与流体表面的传热系数；
所述热流量其中α为帕尔贴制冷片内部半导体材料的塞贝克系数，I为直流电源提供的电流，RTEC为帕尔贴制冷片的内阻，K为帕尔贴制冷片的总导热系数，Th为帕尔贴制冷片散热端的表面温度，Tc为帕尔贴制冷片吸热端的表面温度；
所述总传热系数其中A为帕尔贴制冷片散热端与平板上表面的接触面积，Tf为流体温度；
所述等效热阻表征的总传热系数其中δs为平板的厚度，λs为平板的导热系数，h为平板下表面与流体表面的传热系数，δc为导热硅脂的厚度，λc为导热硅脂的导热系数。
进一步，所述Tc由温度传感器A测量得到，Th由温度传感器B测量得到。
进一步，所述流体温度由k型热电偶和温度记录仪测量获取。
本发明的有益效果为：本发明测量表面对流传热系数的系统易于安装，不需要时刻测量热流变化，可操作性强；将较小的电流通过帕尔贴制冷片，获取平板上下表面较大的温差，有利于节约能源，进而测量复杂流场中流体与固体表面之间的对流传热系数，可广泛应用于实际工程中。
附图说明
图1为本发明所述基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统示意图；
图2为本发明所述夹紧装置结构示意图；
图3为本发明所述平板示意图；
图4为本发明所述帕尔贴制冷片热量传递示意图；
图5为本发明所述帕尔贴制冷片吸热端温度传感器设置示意图；
图6为本发明所述帕尔贴制冷片散热端温度传感器设置示意图；
图7为本发明所述平板传热过程示意图；
其中：1-平板，1-1-平板上表面，1-2-平板下表面，2-直流电源，3-帕尔贴制冷片，3-1- 导线，3-2-帕尔贴制冷片吸热端，3-3-帕尔贴制冷片散热端，4-夹紧装置，4-1-螺栓，4-2-夹板， 5-温度传感器，5-1-温度传感器A，5-2-温度传感器B，6-温度记录仪，7-导热硅脂。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例选择一块厚度、面积及导热系数已知的平板，具体说明基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统及方法。
如图1所示，一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统，该系统包括被测组件和测量组件；被测组件为厚度、面积及导热系数已知的平板1，平板1为固体介质；测量组件包括直流电源2、帕尔贴制冷片3和测温装置。帕尔贴制冷片3通过夹紧装置4与平板1夹紧固定，如图2所示，夹紧装置4由两个螺栓4-1和两块夹板4-2组成，本实施例中，螺栓4-1采用六角螺栓，夹板4-2的材料为铝合金；帕尔贴制冷片3设置在平板1上方，上下两块夹板4-2夹住帕尔贴制冷片3和平板1后，两个螺栓4-1依次穿过上下端铝合金夹板，将帕尔贴制冷片3和平板1夹紧固定；帕尔贴制冷片散热端3-3(图4)与平板上表面1-1(图 3)接触，两者夹层中均匀涂抹一层导热硅脂7(图1)，以保证均匀传热效果，导热硅脂7采用油基型导热硅脂。平板1和帕尔贴制冷片3也可采用其他形式安装固定，仅需保证帕尔贴制冷片散热端3-3与平板上表面1-1接触面导热效果良好即可。帕尔贴制冷片吸热端3-2通过导线3-1(图5)与直流电源2正负极接线端相连，由直流电源2控制输入电路的电流；帕尔贴制冷片3最大工作电压为10V，选取额定电压为5V的直流电源2，保证帕尔贴制冷片3可长时间工作。测温装置由温度传感器5和温度记录仪6组成，温度传感器5通过导线与温度记录仪6连接。
在帕尔贴制冷片吸热端3-2、帕尔贴制冷片散热端3-3、平板下表面1-2均匀布置温度传感器。具体的，本实施例中，帕尔贴制冷片吸热端3-2表面布置有温度传感器A5-1，如图5 所示，本实施例中，温度传感器A5-1优选为5个，均匀布置在帕尔贴制冷片吸热端3-2表面；帕尔贴制冷片散热端3-3表面布置有温度传感器B5-2，如图6所示，本实施例中，温度传感器B5-2优选为5个，均匀布置在帕尔贴制冷片散热端3-3表面。温度记录仪6根据温度传感器传输的温度信号(如果温度传感器为多个，求取所有温度传感器测得温度值的平均值作为表面温度)，获取帕尔贴制冷片吸热端3-2表面温度Tc和帕尔贴制冷片散热端3-3表面温度Th。本实施例中，温度传感器5选用k型热电偶。
本发明一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统在工作时，需放置在流场中，平板下表面1-2与流体直接接触，流场中流体温度需单独测量，不在本系统设计之中，即利用本系统之外的k型热电偶和温度记录仪测量流体温度Tf。
一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的方法，包括如下过程：
打开直流电源2并调节输出电流为I，帕尔贴制冷片3在电流I的作用下散热端3-3的热流量为Qh，计算公式为：
式中，其中α为帕尔贴制冷片3内部半导体材料的塞贝克系数；I为直流电源提供的电流，单位：A；RTEC为帕尔贴制冷片3的内阻，单位：Ω；K为帕尔贴制冷片3的总导热系数，单位：W/K；Th为帕尔贴制冷片散热端3-3的表面温度，单位：K；Tc为帕尔贴制冷片吸热端3-2 的表面温度，单位：K。
帕尔贴制冷片散热端3-3对平板1进行加热，帕尔贴制冷片散热端3-3的热流量即为通过平板上表面1-1的热流量Q(图7)：
Q＝Qh (2)
测量表面对流传热系数的系统传热方程式为：
Qh＝kA(Th-Tf) (3)
式(3)中，k为系统的总传热系数，单位：W/m2·K；A为帕尔贴制冷片散热端3-3与平板上表面1-1的接触面积，单位：m2；Tf为流体温度，单位：K。
根据公式(2)、(3)，总传热系数的公式为：
根据等效热阻的概念，总传热系数的公式又为：
式(4)中，δs为平板1的厚度，单位：m；λs为平板1的导热系数(根据平板材质、通过查表法获取)，单位：m；h为平板下表面1-2与流体表面的传热系数，单位：W/m2·K；δc为导热硅脂7的厚度，单位：m；λc为导热硅脂7的导热系数，单位：W/(m·K)。
将帕尔贴制冷片3的相关参数以及温度传感器测得的温度Th、Tc代入公式(1)中，求出帕尔贴制冷片散热端3-3的热流量Qh；再将散热端温度Th、流体温度Tf、接触面积A代入公式 (4)，求出总传热系数k；根据公式(5)，代入平板1及导热硅脂7的相关参数后，从而求出平板下表面1-2与流体表面的传热系数h。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统，其特征在于，包括被测组件和测量组件，被测组件为平板(1)，测量组件包括直流电源(2)、帕尔贴制冷片(3)和测温装置；帕尔贴制冷片(3)通过夹紧装置(4)与平板(1)夹紧固定，帕尔贴制冷片吸热端(3-2)与直流电源(2)连接；测温装置包括相互连接的温度传感器(5)和温度记录仪(6)，温度传感器A(5-1)布置在帕尔贴制冷片吸热端(3-2)表面，温度传感器B(5-2)布置在帕尔贴制冷片散热端(3-3)表面；
所述帕尔贴制冷片散热端(3-3)与平板上表面(1-1)接触，两者夹层中均匀涂抹有导热硅脂(7)；
所述夹紧装置(4)由螺栓(4-1)和夹板(4-2)组成，上下两块夹板(4-2)夹住帕尔贴制冷片(3)和平板(1)后，螺栓(4-1)依次穿过上下端铝合金夹板，将帕尔贴制冷片(3)和平板(1)夹紧固定；
所述温度传感器(5)选用k型热电偶；
将所述基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统放置在流场中，平板下表面(1-2)与流体直接接触，帕尔贴制冷片散热端(3-3)对平板(1)进行加热，帕尔贴制冷片散热端(3-3)产生热流量Qh，帕尔贴制冷片散热端(3-3)的热流量即为通过平板上表面(1-1)的热流量Q，结合测量表面对流传热系数的系统传热方程，获取总传热系数k，基于等效热阻表征的总传热系数，得到平板下表面(1-2)与流体表面的传热系数；
所述热流量其中α为帕尔贴制冷片(3)内部半导体材料的塞贝克系数，I为直流电源提供的电流，RTEC为帕尔贴制冷片(3)的内阻，K为帕尔贴制冷片(3)的总导热系数，Th为帕尔贴制冷片散热端(3-3)的表面温度，Tc为帕尔贴制冷片吸热端(3-2)的表面温度；
所述总传热系数其中A为帕尔贴制冷片散热端(3-3)与平板上表面(1-1)的接触面积，Tf为流体温度；
所述等效热阻表征的总传热系数其中δs为平板(1)的厚度，λs为平板(1)的导热系数，h为平板下表面(1-2)与流体表面的传热系数，δc为导热硅脂(7)的厚度，λc为导热硅脂(7)的导热系数。
2.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统，其特征在于，所述Tc由温度传感器A(5-1)测量得到，Th由温度传感器B(5-2)测量得到。
3.根据权利要求1所述的基于帕尔贴效应测量表面对流传热系数的系统，其特征在于，所述流体温度由k型热电偶和温度记录仪测量获取。
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