一種電柜專用制冷型除濕器系統(tǒng)研究

閆 錚，黨建軍，高亞強(qiáng)，李 旺

（1．西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安710072；2．中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，福建 福清350318）

0 引言

現(xiàn)在市場上的除濕器主要以加熱型除濕器為主，而加熱型除濕器除濕主要是通過提高柜內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)的。由于較高溫度空氣中包含的水分一直停留在空氣中，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，較大的空氣濕度將迅速導(dǎo)致凝露。所以安裝有加熱型除濕器的電柜，其端子排、箱壁上仍有嚴(yán)重凝露，危害設(shè)備安全運(yùn)行［1］。所以設(shè)計(jì)了一種電柜專用除濕器（制冷型），充分利用了溫差大時(shí)易凝露的特點(diǎn)，在產(chǎn)品凝水面產(chǎn)生非常低的溫度，使空氣中水分冷凝在凝水面，并通過排水孔排出箱外。由于電柜內(nèi)水分不斷減少排出箱外，空氣中濕度顯著下降。即使環(huán)境溫度變化，由于電柜內(nèi)空氣中水分非常少，也不會(huì)再產(chǎn)生凝露。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

除濕器（制冷型）主要由半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源模塊組成。

1．2 系統(tǒng)功能

除濕器主要有如下功能：

a．除濕器提供自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。當(dāng)除濕器處于自動(dòng)模式時(shí)，可預(yù)先設(shè)定濕度值，當(dāng)環(huán)境濕度高于該設(shè)定值時(shí)，除濕器開始工作；當(dāng)除濕器處于手動(dòng)模式時(shí)，手動(dòng)打開開關(guān)，除濕器開始工作。

b．當(dāng)除濕器處于工作狀態(tài)時(shí)，電源模塊將交流電轉(zhuǎn)化為直流電并供給半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)開始工作，濕空氣中的水分在冷端換熱片表面凝結(jié)，液態(tài)水排出孔流出。

c．自動(dòng)工作模式由控制電路完成。

1．3 制冷系統(tǒng)

1．3．1 基本原理

制冷系統(tǒng)如圖1所示。其中，制冷片分為冷端與熱端，兩邊均連接換熱片。濕空氣中的水分在冷端換熱片表面凝結(jié)，液態(tài)水排出孔流出。由于風(fēng)扇的抽吸作用，凝結(jié)后的冷空氣流至熱端換熱片，對熱端換熱，同時(shí)考慮到熱端換熱的問題，空氣補(bǔ)償孔可提供額外的冷卻空氣，防止制冷片的熱端過熱。

圖1 制冷系統(tǒng)工作原理

1．3．2 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷是Peltier效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。如圖2所示，把一只P型半導(dǎo)體元件和一只N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移，電流的路徑為1-2-3-4。在上面的一個(gè)接頭處，電流的方向是由N到P，溫度下降并且吸收熱量，這就是冷端。在下面的一個(gè)接頭處，電流的方向是由P到N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

把若干半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來，而在傳熱方面是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了如圖2b所示的制冷熱電堆，接上直流電源后，這個(gè)熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等各種手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，這就是制冷器的工作原理。

圖2 半導(dǎo)體制冷工作原理

1．3．3 冷熱系統(tǒng)熱平衡分析

除濕器的溫度是通過分別調(diào)節(jié)制冷量、制熱量，使其與漏熱量Ql平衡后，達(dá)到所需的工作溫度。根據(jù)能量平衡方程［2］和半導(dǎo)體制冷基本理論方程，得出如下系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

a．系統(tǒng)冷端數(shù)學(xué)模型。

制冷量為：

換熱量為：

除濕器熱平衡為：

動(dòng)態(tài)方程為：

穩(wěn)定方程為：

b．系統(tǒng)熱端數(shù)學(xué)模型。

熱端制熱量為：

換熱量為：

除濕器熱平衡為：

動(dòng)態(tài)方程為：

穩(wěn)態(tài)方程為：

整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率為：

則制冷效率為：

1．4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要控制除濕器的工作門限和工作開啟時(shí)刻，并對除濕器進(jìn)行過熱保護(hù)。

1．4．1 控制框圖

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)碼顯示溫濕度傳感器監(jiān)控環(huán)境的溫濕度，從而確定除濕器是否需要工作；過熱監(jiān)控溫度傳感器放置在制冷片的熱端，用來監(jiān)控?zé)岫说臏囟确乐蛊溥^熱；繼電器控制制冷系統(tǒng)的工作；數(shù)碼顯示則顯示當(dāng)前的環(huán)境濕度或者設(shè)定的門限值。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫濕度傳感器監(jiān)控環(huán)境的溫濕度，從而確定除濕器是否需要工作；過熱監(jiān)控溫度傳感器放置在制冷片的熱端，用來監(jiān)控?zé)岫说臏囟?，防止其過熱；繼電器控制制冷系統(tǒng)的工作；數(shù)碼顯示則顯示當(dāng)前的環(huán)境濕度或者設(shè)定的門限值。

1．4．2 程序設(shè)計(jì)

程序流程如圖4所示。首先，讀取當(dāng)前空氣的濕度值，并與設(shè)定門限值比較，判斷是否需要啟動(dòng)除濕功能；如果當(dāng)前濕度大于設(shè)定門限值，則啟動(dòng)除濕功能，如果小于設(shè)定門限值，則繼續(xù)讀取參數(shù)；啟動(dòng)除濕功能之后，如果熱端溫度過高，則系統(tǒng)停止工作，如果熱端溫度正常，則繼續(xù)讀取當(dāng)前濕度值，除濕器繼續(xù)工作。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程

1．5 電源系統(tǒng)

整個(gè)除濕器系統(tǒng)中，需要供電的硬件分別是風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷片、繼電器和控制板。對于端子板內(nèi)部，需要使用開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，從而對除濕器的各部分硬件供電。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

2．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證除濕器工作效果，設(shè)計(jì)了2組實(shí)驗(yàn)，分別針對自動(dòng)模式與手動(dòng)模式。具體實(shí)驗(yàn)方式是在一個(gè)尺寸為2 m×1 m×1 m的箱子內(nèi)，放置本除濕器和加濕器。實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)：氣溫29℃，相對濕度37%。對于手動(dòng)組，使用加濕器對箱體內(nèi)部進(jìn)行加濕15 min，然后關(guān)閉加濕器，打開除濕器；對于自動(dòng)組一直保持除濕器開啟，15 min時(shí)關(guān)閉加濕器，具體實(shí)驗(yàn)記錄如表1和表2所示。

表1 手動(dòng)控制組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 自動(dòng)控制組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2．2 結(jié)果分析

從上述實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

a．在濕度較高的環(huán)境下，除濕器有明顯的除濕效果。

b．隨著濕度降低，除濕效果有下降，但除濕效果依舊明顯。

c．如果一直開啟除濕器，可以使得實(shí)驗(yàn)箱子內(nèi)的濕度遠(yuǎn)低于環(huán)境濕度。

d．除濕器出水口有水滲出，箱內(nèi)無明顯凝露。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，除濕器達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制了凝露的出現(xiàn)，并且有良好的除濕效果。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的制冷型除濕器是一種適用于電柜等密閉空間除濕的裝置，充分利用半導(dǎo)體的帕爾帖效應(yīng)和濕空氣溫差大易凝露的特點(diǎn)，具備自動(dòng)、手動(dòng)2種工作模式。根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成了試驗(yàn)樣品加工制作，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其除濕效果。實(shí)驗(yàn)表明，除濕器能夠有效地完成除濕工作，其工作原理有別于傳統(tǒng)的加熱型除濕器，所以從根本上解決了除濕后濕空氣重新凝露這一常見困擾。其結(jié)構(gòu)簡單，除濕效果好，功耗低，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 朱冬生，劇 菲，李 鑫，等．除濕器研究進(jìn)展［J］．暖通空調(diào)，2007，37（4）：23，35-40．

［2］ 馮 青，李世武，張 麗，工程熱力學(xué)［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006．