半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于新型膜組件冷腔的試驗研究

尹秀翠 邢世錄 楊曉宏 楊勝男 田 瑞，2

(1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 呼和浩特 010051)

(2內(nèi)蒙古可再生能源重點實驗室 呼和浩特 010051)

半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于新型膜組件冷腔的試驗研究

尹秀翠1邢世錄1楊曉宏1楊勝男1田 瑞1，2

(1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 呼和浩特 010051)

(2內(nèi)蒙古可再生能源重點實驗室 呼和浩特 010051)

以新型氣隙式膜蒸餾冷腔為研究對象，擬尋求合適的制冷源來代替大型、高耗能的制冷機。實驗采用大空間空氣強制對流散冷和循環(huán)水浴散熱的方式，測試分析在特定條件下半導(dǎo)體冷端溫度的變化規(guī)律，探求適合于空氣隙膜蒸餾冷腔的片數(shù)及運行工況。研究結(jié)果表明，散熱循環(huán)水浴流量和溫度對半導(dǎo)體冷端的溫度影響很大，環(huán)境溫度的變化對半導(dǎo)體冷端溫度也有一定的影響。同時并且適合于長時間運行，制冷迅速，穩(wěn)定性好。在風(fēng)機風(fēng)量每小時60立方米，室溫24℃，散熱循環(huán)水浴流量每小時700升，溫度20℃的條件下，半導(dǎo)體冷端溫度是9.7℃，可以達(dá)到膜蒸餾冷腔所需的溫度條件?？梢宰鳛閮?yōu)化氣新型隙式膜組件冷腔的首選方案。

空氣隙膜蒸餾 半導(dǎo)體制冷 冷端溫度 散熱循環(huán)水浴 膜冷腔

1 引言

氣隙式膜蒸餾(Air Gap Membrane Distillation)技術(shù)是一種新型的并接式膜蒸餾系統(tǒng)，如圖1所示。與傳統(tǒng)膜蒸餾技術(shù)的不同之處是，在冷端與熱端之間有一層約1—4 mm厚度的空氣層，具有蒸餾液可單獨收集，熱效率高的優(yōu)點［1］。適用于腐蝕性及放射性廢液的提?。?］，海水及苦咸水淡化等。氣隙式膜蒸餾技術(shù)由熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、冷工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成。待處理液經(jīng)加熱后即熱工質(zhì)，流入膜熱腔，在熱腔中靠近膜面處的熱工質(zhì)汽化;冷工質(zhì)在恒溫冷水箱用制冷機進(jìn)行制冷，流入膜冷腔;利用蒸汽壓力差為推動力，使得水蒸氣透過膜面在冷端冷凝，而實現(xiàn)苦咸水的淡化。為了提高膜通量，已經(jīng)在熱工質(zhì)采用旋轉(zhuǎn)切向入流［3-4］等方面做出了優(yōu)越的成果。溫差與膜通量是成冪函數(shù)［5］關(guān)系，在以往的研究中，都是膜冷端溫度保持在10℃不變，通過升高膜熱端溫度的方式來增大溫差，如果保持熱工質(zhì)溫度不變，降低冷工質(zhì)溫度，同樣可以增大溫差，但通過制冷機制冷將常溫水(夏季22℃，冬季19℃)降溫到10℃時，所消耗的功率非常大，所以尋找合適的冷源代替制冷機制冷是非常有必要的。

半導(dǎo)體制冷是利用熱電效應(yīng)的原理制冷，具有綠色環(huán)保;無機械轉(zhuǎn)動、制冷迅速，而且便于通過工作電流大小實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)等眾多優(yōu)點，目前已在低溫超導(dǎo)技術(shù)、低溫電子學(xué)，通訊技術(shù)，航空，紅外技術(shù)以及空間技術(shù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［6-7］。

本研究基于半導(dǎo)體制冷原理的空氣隙膜蒸餾組件冷端設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對半導(dǎo)體制冷片與膜冷腔的匹配進(jìn)行了初步試驗。試驗采用水冷式散熱方式［8］對半導(dǎo)體熱端進(jìn)行散熱，冷端采用風(fēng)機吹掃式大空間強制對流換熱。針對一片和四片半導(dǎo)體制冷片在特定工況下的半導(dǎo)體制冷性能試驗研究。

2 半導(dǎo)體制冷原理和影響因素

2.1 半導(dǎo)體制冷原理

2.2 影響半導(dǎo)體制冷性能的因素

影響半導(dǎo)體制冷性能的因素有半導(dǎo)體自身加工工藝和外部因素的影響。加工工藝的因素有附加傳熱溫差、焊縫電阻、雜散熱交換及元件性能等［9］;外因有熱端散熱方式［10］、冷熱端溫差、供電方式［9］等。

2.3 半導(dǎo)體制冷量的計算

式中:QC為制冷量，J;Qh為熱端散熱量，J;P為輸入功率，W;cp為散熱循環(huán)水的比定壓熱容，常溫常壓下cp=4.183 kJ/(kg·K);qv為散熱循環(huán)水流量，L/h;ρ為散熱循環(huán)水密度，取1 kg/L;ΔT為散熱循環(huán)水進(jìn)出口溫差，℃;U為半導(dǎo)體制冷片工作電壓，V;I為半導(dǎo)體制冷片工作電流，A。

式中:η為制冷效率。

3 實驗裝置流程

整個實驗裝置由半導(dǎo)體制冷散熱系統(tǒng)、半導(dǎo)體供電裝置以及測量系統(tǒng)幾部分組成，實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗裝置流程圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

半導(dǎo)體制冷散熱系統(tǒng)由半導(dǎo)體、插片式散熱器、銅片、導(dǎo)流水槽、恒溫水箱、風(fēng)機等部件組成。半導(dǎo)體冷面通過導(dǎo)熱硅脂與銅片粘貼，為半導(dǎo)體的冷端。半導(dǎo)體熱面通過導(dǎo)熱硅脂與插片式散熱器粘貼，為半導(dǎo)體的熱端。冷端產(chǎn)生的冷量通過風(fēng)機帶走，即冷端附加的是大空間制冷;熱端產(chǎn)生的熱量通過散熱循環(huán)水浴帶走，半導(dǎo)體制冷片安裝在銅片中心位置，安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。熱端散熱系統(tǒng)的主體構(gòu)件是恒溫冷水箱，恒溫冷水箱的水通過恒溫冷水箱的出口，由升壓水泵的升壓作用，經(jīng)過玻璃浮子流量計，到達(dá)半導(dǎo)體熱端的槽式散熱片，之后回到恒溫冷水箱。

圖2 安裝結(jié)構(gòu)及測溫點布置圖Fig.2 Mounting structure and temperature measuring point layout

半導(dǎo)體供電裝置采用的是直流穩(wěn)壓電源，半導(dǎo)體電線與導(dǎo)線之間用錫焊焊接，以降低阻值。

測量系統(tǒng)由溫度測量系統(tǒng)和流量測量系統(tǒng)組成。溫度測量采用的是銅-康銅熱電偶和TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀。實驗裝置散熱工質(zhì)流量的測量采用玻璃浮子流量計。

如LN省所轄市、縣在2011—2014年期間出現(xiàn)的財政數(shù)據(jù)造假事件，征收土地增值稅等5671萬元，虛增國有資本經(jīng)營收入6965萬元等，遼寧省岫巖縣虛增財政收入8.47億元，超同年實際財政收入的127%。嚴(yán)重干擾了中央對LN省經(jīng)濟形勢決策，與其轉(zhuǎn)移支付規(guī)模，影響了市縣政府的可用財力、民生保障能力。對此，需要進(jìn)一步加強業(yè)務(wù)指導(dǎo)和監(jiān)督檢查。

4 實驗儀器及數(shù)據(jù)處理方法

4.1 實驗過程中所選用的器材

實驗所選用的器材主要有半導(dǎo)體制冷片，型號為TT211909-4;單項多翼離心式鼓風(fēng)機，型號為DF-4;直流電源，型號為KXN-3060D;玻璃浮子流量記，型號為LZB;TP700多路記錄儀，型號為TP700-32。

4.2 溫度測點的布置

溫度測量的是固體壁面的溫度，熱電偶探頭緊貼銅片表面，用導(dǎo)熱膠布固定。溫度測點的布置如圖2所示，半導(dǎo)體冷壁設(shè)置5個監(jiān)測點，分別在半導(dǎo)體所在的中心位置和四個邊角，散熱循環(huán)水浴進(jìn)出口各一個，如圖2中序號1、2所示，環(huán)境溫度5個分別布置在5個不同的位置。

4.3 實驗參數(shù)的設(shè)定

實驗設(shè)定參數(shù)循環(huán)水流量為100—800 L/h，風(fēng)機風(fēng)量為660 m3/h。

4.4 實驗數(shù)據(jù)處理方法

實驗中應(yīng)用了型號為TT211909-4，尺寸50 mm×50 mm的半導(dǎo)體制冷片，采用水冷式散熱方式，以及風(fēng)機大空間吹掃的換熱方式，進(jìn)行了在不同輸入電流條件下、不同散熱循環(huán)水浴溫度條件下半導(dǎo)體制冷片表面溫度的變化情況以及環(huán)境溫度對制冷片表面溫度的影響。熱電偶所測得的溫度都經(jīng)過線性修正處理，半導(dǎo)體冷壁溫度和環(huán)境溫度都采用的是5個熱電偶測得的平均值。

5 實驗結(jié)果分析

5.1 半導(dǎo)體制冷片的響應(yīng)時間

半導(dǎo)體運行過程中，穩(wěn)定性對其實際應(yīng)用影響非常大，圖3為I=8 A，散熱循環(huán)水浴溫度為20℃恒定不變，運行時間2 h時，半導(dǎo)體冷壁溫度隨時間的變化曲線圖。由圖4可知，在接通電源5 min內(nèi)半導(dǎo)體冷壁溫度變化很大，變化范圍在0.7℃左右;5 min之后，半導(dǎo)體冷壁溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化范圍在0.4℃左右，20 min后，溫度變化范圍在0.2℃范圍內(nèi)，基本上穩(wěn)定在21℃?？梢姵叽鐬?0 mm×50 mm，TT211909-4型的半導(dǎo)體制冷片運行穩(wěn)定性非常好。制冷響應(yīng)時間快，接通電源，溫度即刻降低，大幅度縮短了冷腔制冷所需時間，不但降低了能耗且優(yōu)化了整套太陽能空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)，由低耗、高效的半導(dǎo)體制冷片代替了高耗、低效的大部件制冷機。

圖3 半導(dǎo)體制冷的響應(yīng)時間Fig.3 Response time of semiconductor refrigeration

5.2 環(huán)境溫度對半導(dǎo)體制冷片的影響

圖4給出了不同輸入電流的情況下，環(huán)境溫度對半導(dǎo)體冷壁溫度影響的變化趨勢。由圖5可以看出，當(dāng)輸入電流I不變時，隨著環(huán)境溫度的升高，半導(dǎo)體冷壁溫度隨之升高。以輸入電流I=6 A為例，當(dāng)環(huán)境溫度由29.1℃升高到29.4℃時，冷壁溫度由21.9℃升高到22.4℃。隨著環(huán)境溫度的升高，冷端散冷強度增大，空氣從制冷面吸收的冷量增大，致使制冷面溫度增高?？梢姰?dāng)熱電制冷器熱端散熱強度滿足要求時，被冷卻介質(zhì)工況的變化會影響制冷溫度。

圖4 室溫對冷壁溫度的影響Fig.4 Influence of environment temperature on wall temperature

5.3 一片半導(dǎo)體不同輸入電流工況下的溫度情況

通過實驗可以得出在該實驗條件下輸入電流與半導(dǎo)體冷端溫度的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，隨著輸入電流的增加，當(dāng)I小于8 A時，冷端溫度隨著電流的增加而降低;電流大于8 A時，冷端溫度隨著電流的增加而升高，當(dāng)I=8 A時達(dá)到最低，TC=20.9℃，這是由于電流大于8 A以后，熱端產(chǎn)生的熱量水浴不能完全帶走，而通過半導(dǎo)體垂直傳到冷端，使得冷端的溫度升高。在I=6 A處，冷壁溫度升高是由于環(huán)境溫度高而導(dǎo)致的。

圖5 輸入電流對半導(dǎo)體冷壁溫度的影響Fig.5 Input current?on effect of semiconductor cooling wall temperature

5.4 散熱循環(huán)水浴溫度對半導(dǎo)體冷壁溫度的影響

散熱強度對半導(dǎo)體制冷有積極的影響，散熱循環(huán)水浴溫度越低，半導(dǎo)體制冷效果越好。由圖6可知，輸入電流I=8 A恒定不變，散熱循環(huán)水溫溫度為10℃時，冷壁溫度基本穩(wěn)定在14.5℃;散熱循環(huán)水溫溫度為15℃時，冷壁溫度基本穩(wěn)定在15.3℃;散熱循環(huán)水溫度為20℃時，冷壁溫度基本穩(wěn)定在21℃。由此可以看出散熱循環(huán)水溫越低，半導(dǎo)體冷壁溫度越低，制冷效果越好。這是由于水浴溫度低與半導(dǎo)體熱端溫差大，熱量被帶走得速度快，故水浴溫度越低，制冷效果越好。

圖6 散熱循環(huán)水溫度對冷壁溫度的影響Fig.6 Cooling circulating water temperature on effect of cooling wall temperature

5.5 在I=28 A 4片半導(dǎo)體的制冷性能

由于一片半導(dǎo)體制冷片在現(xiàn)在給定的條件下，達(dá)不到膜冷腔的溫度需求，現(xiàn)將4片半導(dǎo)體并聯(lián)，輸入I=28 A的電流，則每片半導(dǎo)體的輸入電流為7 A，當(dāng)散熱循環(huán)水浴流量由100 L/h變換到800 L/h時，冷壁溫度及相應(yīng)進(jìn)出口溫差的變化如圖7所示。由圖7可知隨著散熱循環(huán)水浴流量的增大，溫度逐漸降低，而溫差亦是隨著流量的增大，在不斷減小。這是由于，當(dāng)流量小于700 L/h時，熱端產(chǎn)生的熱量不能被散熱循環(huán)水浴完全帶走，熱量通過半導(dǎo)體傳到了冷壁，使得溫度升高;當(dāng)流量大于700 L/h后，熱端產(chǎn)生的熱量可以完全被帶走，冷壁溫度和溫差均不再降低，并且冷壁溫度TC = 9.7 ℃，低于10 ℃，能夠達(dá)到膜冷腔溫度的要求，為半導(dǎo)體制冷片應(yīng)用于氣隙式膜蒸餾提供了有利的前提條件。

圖7 不同流量下的變化曲線Fig.7 Under different flux curve

6 結(jié)論

本研究在半導(dǎo)體冷端為大空間制冷，熱端為循環(huán)水浴散熱的條件下進(jìn)行的。為實現(xiàn)太陽能膜蒸餾冷腔與半導(dǎo)體制冷相結(jié)合，研究半導(dǎo)體冷面在一定實驗條件下的溫度變化情況是十分有必要的。根據(jù)實驗結(jié)果得到了如下結(jié)論:

( 1) 設(shè)定電流I = 8 A，散熱循環(huán)水溫度20 ℃不變，運行時間為2 h，得出半導(dǎo)體制冷片的制冷響應(yīng)時間非?？?，而且長時間運行穩(wěn)定性好，并且環(huán)境溫度對冷壁溫度影響很大。

( 2) 設(shè)定散熱循環(huán)水溫度和輸入電流不變，改變循環(huán)水流量，得出半導(dǎo)體冷面溫度隨流量降低而升高，隨著循環(huán)水溫度降低而降低。并且在特定條件下，能達(dá)到膜冷腔的溫度需求。

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Experimental investigations of semiconductor refrigeration applied to new model membrane component cooling cavity

Yin Xiucui1Xing Shilu1Yang Xiaohong1Yang Shengnan1Tian Rui1，2

(1College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010051，China)
(2Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Renewable Energy，Huhhot 010051，China)

Based on the new air gap membrane distillation cooling cavity，it is explored to seeking a suitable refrigeration source instead of large，high energy consumption of the refrigerating machine.Using a large space air forced convection cold dispersion and circulator bath cooling way，semiconductor cold end temperature variation was tested on specific conditions，semiconductor number and operation conditions of air gap membrane distillation cooling cavity were probed.The results showed that cooling circulating water flow rate and temperature changes played an important role on changing the semiconductor cold end temperature.Besides the change of environment temperature also effected the semiconductor cold end temperature partly.At the same time，the preferred scheme of optimization air gap new membrane component cooling cavity suitable for long time operation，rapid cooling，good stability was also determined.The semiconductor cold end temperature is 9.7℃ on condition that the fan air volume is 600 cubic meters per hour，the room temperature is 24℃，the cooling circulating water flow is 700 liters per hours，the temperature is 20℃.Meanwhile，this scheme is suitable for distillation temperature.

book=24,ebook=88

air gap membrane distillation;semiconductor refrigeration;cold end temperature;cooling circulating water bath;membrane cooling cavity

TB69，TB61

A

1000-6516(2013)

2012-11-29;

2013-02-0401-0023-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51266007)，內(nèi)蒙古自然科學(xué)(重大)基金(2010ZD09)資助。

尹秀翠，女，26歲，碩士研究生。