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热电制冷式人体热防护系统的实验研究

作　者: 傅益
导　师: 韩吉田
学　校: 山东大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 热防护系统热电制冷高温环境
分类号: TB66
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在炼钢厂、矿井、坦克舱内等特殊的工作场合,作业者所处的局部热环境温度通常比气温更高,这给作业者的健康以及工作效率带来不利的影响。近几十年,对高温环境下作业者的热防护问题,主要通过空调和微环境冷却服的方案解决,其制冷系统大多采用传统的压缩式、吸收式制冷技术。但是,上世纪90年代以来,在氯氟烃等制冷工质被逐步禁用,环保与排放要求日趋严格的背景下,热电制冷技术因制冷迅速,结构简单且全为固体,无运转部件,工作安静、安全,具有压缩式制冷技术无法比拟的优势,而受到广泛的关注,其研究和应用都在不断向更具深度和广度的方向拓展。本文在对热电制冷原理进行论述和分析的基础上,以坦克舱内热环境为工况,对热电制冷式人体热防护系统进行实验研究。首先,在室温(25℃附近)条件下,对热电制冷系统热端采取水冷、翅片结合风扇、水冷结合风扇三种散热方式进行试验对比,找出室温条件下的最佳热端散热方式；然后,通过改变输入电流值、热端水温,对水冷方式的热电制冷系统进行性能测试,得出各参数对系统制冷性能的影响程度；最后,组装了温度可调节的模拟高温环境的实验舱,通过改变系统外部温度,对采用三种散热方式的热电制冷防护服全套系统进行实验,获取在35℃以上高温环境时系统制冷性能随温度的变化趋势。全文结论如下：(1)在室温(25℃附近)条件下,热电制冷系统的制冷量随着电流的增大而增大,但是这种增大的趋势随着电流的增大而变得平缓,即说明通过调高电流来提高制冷量的效果会随着电流的增大而减弱,在制冷量达到一个最大值之后,继续调高电流将会起到使制冷量降低的作用；制冷系数随着电流增大因耗电量的增加而逐渐降低。(2)三种热端散热方式下,翅片加风扇方式的制冷量较低,其耗电量最低；水冷加风扇方式的制冷量最大,但其耗电量也最大。(3)热端使用水冷和水冷加风扇方式时冷却水的温度对系统的制冷性能影响非常大,随着冷却水温度的升高,热电制冷系统的制冷性能下降非常快,可见这两种方式下冷却水温度的控制非常关键。(4)在高温环境下,制冷系统热端采用翅片加风扇方式散热时,制冷量不足,其制冷性能不如其他两种；热端使用水冷加风扇方式散热的系统时,系统制冷量比单纯使用水冷的系统提高有限,而由于风扇耗电的增加,使得其制冷系数低于后者；制冷系统热端使用水冷方式散热的热防护系统是三者中最有优势的一种。

全文目录

目录  4-7
Contents  7-10
摘要  10-12
Abstract  12-16
第1章绪论  16-26
  1.1 研究背景和意义  16-17
  1.2 坦克舱内人体热防护系统的研究现状  17-22
    1.2.1 蒸汽压缩式制冷空调  17-18
    1.2.2 空气膨胀式制冷空调  18-19
    1.2.3 固体吸附式制冷空调  19-20
    1.2.4 个体微环境冷却系统  20-22
  1.3 热电制冷技术的研究和应用现状  22-25
    1.3.1 热电制冷系统的理论研究动态  23-24
    1.3.2 热电制冷系统的应用现状  24-25
  1.4 本文的主要研究内容  25-26
第2章热电制冷原理及分析  26-36
  2.1 热电效应  26-28
    2.1.1 傅立叶(Fourier)效应  26
    2.1.2 焦耳(Joule)效应  26-27
    2.1.3 西伯克(Seebeck)效应  27
    2.1.4 帕尔帖(Peltier)效应  27-28
    2.1.5 汤姆逊(Thomson)效应  28
  2.2 热电制冷器的性能及工况分析  28-33
    2.2.1 一般工况  28-31
    2.2.2 最大制冷量工况  31
    2.2.3 最大制冷系数工况  31-32
    2.2.4 最大温差工况  32
    2.2.5 热电制冷器工况设计  32-33
  2.3 热电制冷器散热方式  33-34
    2.3.1 自然对流散热  33
    2.3.2 强迫对流散热  33-34
    2.3.3 水冷散热  34
  2.4 本章小结  34-36
第3章热电制冷系统实验设计  36-44
  3.1 实验目的  36
  3.2 实验系统设计  36-42
    3.2.1 实验装置简介  37
    3.2.2 热电制冷系统模块的设计选型  37-39
    3.2.3 热、冷端热交换系统的设计选型  39-40
    3.2.4 数据采集系统的选型  40-41
    3.2.5 电源与电路的设计  41
    3.2.6 高温模拟舱的设计与组装  41
    3.2.7 冷却服的选型  41
    3.2.8 其他实验设备设计选型  41-42
  3.3 本章小结  42-44
第4章热电制冷系统性能实验研究  44-54
  4.1 实验条件及步骤  44
  4.2 实验计算方法及参数  44-45
  4.3 实验结果及数据分析  45-51
    4.3.1 冷水降温趋势比较  45-48
    4.3.2 制冷性能参数比较  48-51
  4.4 误差分析  51-52
    4.4.1 计算引起的误差  51-52
    4.4.2 实验引起的误差  52
  4.5 本章小结  52-54
第5章高温环境下的热防护系统性能研究  54-62
  5.1 热防护系统设计  54-55
    5.1.1 基本结构设计  54-55
    5.1.2 制冷量的确定  55
  5.2 高温环境下热防护系统的性能实验  55-61
    5.2.1 测试条件  55-56
    5.2.2 测试方法步骤  56-57
    5.2.3 实验结果及分析  57-61
  5.3 小结  61-62
第6章总结与展望  62-64
  6.1 本文工作总结  62-63
  6.2 本文的不足和展望  63-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
攻读学位期间发表的学术论文目录  69-70
学位论文评闼及答辩情况表  70

热电制冷式人体热防护系统的实验研究

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