Two-dimensional numerical simulation of a thermoelectric cooler module

• Autorzy: Gałek R.

Identyfikatory

DOI

10.4467/2353737XCT.18.107.8802

Warianty tytułu

PL

Dwuwymiarowa symulacja numeryczna modułu chłodziarki termoelektrycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the methodology and results of a numerical simulation of coupled thermal and electrical phenomena in a thermoelectric (TE) cooler module obtained with the MOOSE Framework released by Idaho National Laboratory. The coupled system of partial differential equations is solved for the value of electric potential and temperature fields. Equations include contributions from electric conduction, Seebeck effect, thermal conduction, Joule heating as well as Peltier and Thomson effects. The values of the cooling capacity and the voltage drop of the module are calculated and compared with the data provided by the manufacturer of the thermoelectric cooler in order to determine if the simplified assumptions adopted in the numerical model are appropriate to reliably infer about the performance of the TE module composed of over one hundred thermoelectric pairs.

PL

Artykuł prezentuje metodologię i wyniki symulacji numerycznej zjawisk cieplnych i elektrycznych w module chłodziarki termoelektrycznej otrzymane przy użyciu środowiska MOOSE Framework. Układ równań różniczkowych rozwiązano dla szukanych wartości potencjału elektrycznego oraz temperatury. Sformułowane równania uwzględniają przewodzenie prądu elektrycznego, efekt Seebecka, przewodzenie ciepła, generację ciepła Joule’a oraz efekty Peltiera i Thomsona. Otrzymane wartości wydajności chłodniczej oraz spadku napięcia modułu zostały porównane ze specyfikacją opublikowaną przez producenta urządzenia w celu oceny, czy przyjęte w modelu numerycznym założenia upraszczające pozwalają poprawnie określić wydajność modułu złożonego z ponad stu par termoelektrycznych.

Słowa kluczowe

EN

thermoelectrics; Peltier effect; Thomson effect; Seebeck effect; numerical simulation; MOOSE

PL

zjawiska termoelektryczne; efekt Peltiera; efekt Thomsona; efekt Seebecka; symulacja numeryczna; MOOSE

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Technical Transactions
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 115, iss. 7
• Strony: 167--178
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., wz., wykr.

Twórcy

autor

Gałek R.

• Department of Thermodynamics, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszow University of Technology

Bibliografia

• [1] Zhao D., Tan G., A review of thermoelectric cooling: Materials, modeling and applications, Applied Thermal Engineering, 66, 2014, 15–24.
• [2] Wang P., Recent advance in thermoelectric devices for electronics cooling, [in:] Cooling of Microelectronic and Nanoelectronic Equipment: Advances and Emerging Research, eds. Iyengar M., Geisler K.J.L., Sammakia B., World Scientific Publishing, Singapore 2015, 167–194.
• [3] Li C., Jiao D., Mohan H., Guo F., Wang J., Thermoelectric cooling for power electronics circuits: Modeling and applications, Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, California, 2013, 3275–3282.
• [4] Putra N., Ardiyansyah, Sukyono W., Johansen D., Iskandar F.N., The characterization of a cascade thermoelectric cooler in a cryosurgery device, Cryogenics, 50, 2010, 759–764.
• [5] Vollmer M., Möllmann K.-P., Infrared Thermal Imaging, WILEY-VCH, Weinheim 2010.
• [6] Mansour K., Qiu Y., Hill C.J., Soibel A., Yang R.Q., Mid–infrared interband cascade lasers at thermoelectric cooler temperatures, Electronics Letters, 42(18), 2006, 1034–1035.
• [7] Kustas A., Jurgensmeyer A., Williams D., Dickman B., Bradley T., Willams J., Cote T., Lipsey T., Minor B., High efficiency thermoelectric coolers for use in firefighter applications, 10th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), Georgia, Atlanta 2012.
• [8] Oliveira K.S.M., Cardoso R.P., Hermes C.J.L., Two–dimensional modeling of thermoelectric cells, 15th International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Indiana, West Lafayette 2014.
• [9] Wang X.-D., Huang Y.-X., Cheng C.-H., Ta-Wei Lin D., Kang C.-H., A three–dimensional numerical modeling of thermoelectric device with consideration of coupling of temperature field and electric potential field, Energy, 47(1), 2012, 488–497.
• [10] Chen W.-H., Liao C.-Y., Hung C.-I, A numerical study on the performance of miniature thermoelectric cooler affected by Thomson effect, Applied Energy, 89(1), 2012, 464–473.
• [11] Antonova E.E., Looman D.C., Finite elements for thermoelectric device analysis in ANSYS, 24th International Conference on Thermoelectrics, Clemson, South Carolina, 2005, 215–218.
• [12] Ebling D., Jaegle M., Bartel M., Jacquot A., Böttner H., Multiphysics simulation of thermoelectric systems for comparison with experimental device performance, Journal of Electronic Materials, 38(7), 2009, 1456–1461.
• [13] Gaston D., Newman C., Hansen G., Lebrun-Grandié D., MOOSE: A parallel computational framework for coupled systems of nonlinear equations, Nuclear Engineering and Design, 239, 2009, 1768–1778.
• [14] http://www.kryotherm.com/modulez/down57d0.pdf?filename=/dir2attz/import/TB-127-1.4-2.9.pdf (access: 02.01.2018).
• [15] Heat Transfer Module User’s Guide, COMSOL Multiphysics® v. 5.1. COMSOL AB, Stockholm 2015.
• [16] Lee H., The Thomson effect and the ideal equation on thermoelectric coolers, Energy, 56, 2013, 61–69.

Uwagi

EN

Section "Mechanics"

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).