藥物存儲用熱電除濕裝置性能實驗及參數(shù)優(yōu)化

張　騰，申利梅，陳煥新，楊宗豪

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藥物存儲用熱電除濕裝置性能實驗及參數(shù)優(yōu)化

張騰，申利梅，陳煥新，楊宗豪

（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

摘要:熱電冷卻除濕是一種新型節(jié)能、環(huán)保的除濕技術(shù)。鑒于目前熱電除濕裝置除濕速率和效率較低，采用兩片TEC-12705型半導體制冷片進行對角布置，設(shè)計了一套熱電除濕裝置，對影響其性能的因素做了系統(tǒng)的分析并針對實際環(huán)境工況提出相應的設(shè)計和優(yōu)化理念。結(jié)果表明，風速、熱電制冷片驅(qū)動電壓、氣流組織形式都對熱電除濕裝置性能有一定的影響，確定風速時應綜合考慮空氣與冷端熱沉換熱能力和空氣與冷端熱沉接觸時間。

關(guān)鍵詞:熱電除濕；優(yōu)化設(shè)計；傳熱；對流；影響因素

引 言

濕度是衡量大氣干燥程度的物理量，濕度的大小無論是對國民生產(chǎn)還是人們的日常生活都有一定的影響。某些工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、某些物品的儲存都需要嚴格控制濕度；在空調(diào)環(huán)境，空氣相對濕度60%～70%人最為舒適，高于70%的濕度，舒適度就會下降[1]。由此可見，除濕對于生產(chǎn)生活意義重大，研究如何設(shè)計高效節(jié)能的除濕裝置勢在必行。

熱電制冷除濕法相比于其他除濕法具有無制冷劑、無機械傳動、環(huán)境友好、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，在環(huán)境和能源問題日益嚴峻的今天，熱電制冷除濕裝置的使用對環(huán)保貢獻相當可觀，隨著材料科學的發(fā)展，熱電材料的優(yōu)值系數(shù)將會得到提高，熱電制冷技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，屆時定能和傳統(tǒng)壓縮制冷技術(shù)媲美，其節(jié)能效果也將得以體現(xiàn)。

國內(nèi)外對除濕已經(jīng)做了大量的研究，朱冬生等[2-3]對除濕技術(shù)的研究現(xiàn)狀做了綜述并指出了未來的發(fā)展方向；Vián等[4]基于熱和電之間的等效性提出了一個熱電制冷除濕裝置的模型并基于此模型設(shè)計了一個兩級熱電制冷除濕裝置，在環(huán)境溫度22℃，相對濕度80%工況下，除濕量可達40.4 g·h-1，系統(tǒng)COP為0.25；Yang等[5]研究了一個小型熱電冷卻除濕裝置的運行特性，發(fā)現(xiàn)熱電除濕存在冷卻除濕過程和等溫除濕兩個過程，相對濕度的下降經(jīng)歷了加速和減速的過程，取決于翅片的冷凝特性，但其裝置在環(huán)境溫度23℃，相對濕度70%工況下，效率只有16%，除濕速率只有0.291 g·h-1；申利梅等[6]從熱電偶對數(shù)比、工作電流和面長比方面出發(fā)，討論它們對不同熱電制冷模塊連接方式下制冷量和制冷系數(shù)的影響，為實際應用中多個制冷模塊的連接方式的選取提供了理論指導；張博等[7]提出一種新型熱電制冷液體冷卻散熱器，重點對其在不同熱通量、不同風速和熱電制冷器（TEC）不同工作電壓下的總熱阻變化、制冷性能以及最大散熱能力進行實驗研究，達到了減小總熱阻和提高熱端散熱能力的目的，有利于提高熱電制冷器的性能，為大功率發(fā)熱器件提供了一種新型有效的解決方案；梁廷安等[8-11]對新型熱電制冷除濕技術(shù)做了介紹，并探討了如何提高其除濕效率；徐敏[12]對熱電制冷除濕做了實驗研究，分析了影響其性能的影響因素，結(jié)果表明風量對制冷和除濕的影響是相反的，增大風量會增大制冷效率，除濕效率卻會減小。所以選擇合適的輸入電壓和風量是制冷效率和除濕效率整體優(yōu)化的關(guān)鍵問題。鄭宇薇等[13]在文獻[4]的基礎(chǔ)上提出將熱電制冷除濕與固體除濕劑相結(jié)合，提高了冷端的傳質(zhì)動力，使除濕機性能大大提高，在環(huán)境溫度25℃，相對濕度50%工況下，除濕量可達42.1 g·h-1，系統(tǒng)COP達到1.78；羅仲等[14]采用16片TEC-12706半導體制冷器搭建了半導體除濕系統(tǒng)，在環(huán)境溫度26℃，相對濕度65%工況下，其裝置最大除濕量可達150 g·h-1，除濕效率0.37；楊小玲等[15-23]對熱電制冷除濕技術(shù)做了應用研究，開發(fā)出應用于小環(huán)境的控濕廂，并設(shè)計了智能測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了濕度控制的自動化。但是尚無關(guān)于不同環(huán)境工況下氣流組織形式對熱電制冷除濕裝置性能影響的研究，因此本文利用兩片TEC-12705型半導體制冷片搭建了半導體除濕實驗臺，通過對各種工況的實驗的研究，在驗證各因素對裝置性能影響的基礎(chǔ)上針對具體環(huán)境工況提出了設(shè)計和優(yōu)化理念，對熱電除濕裝置的設(shè)計具有一定的指導意義，并可應用于藥物儲藏柜以延長藥物的保存時間。

1　模型簡介

1.1 實驗裝置

本實驗采用 2片富信 TEC-12705半導體制冷片，其具體參數(shù)如下:尺寸大小為40 mm×40 mm× 3.9 mm，最大電流Imax=5 A，最大電壓Vmax=15.4 V，最大制冷量Qmax=41 W，最大溫差Tmax=67℃；熱電片驅(qū)動直流電源選用兆信KXN6020D可調(diào)電源，電壓 0～60 V可調(diào)，電流 0～20 A可調(diào)，誤差≤(120±2) mV；熱端散熱風扇選用富信直流風扇，額定電壓12 V，改變電壓可改變風量；冷端熱沉尺寸為150 mm×145 mm×27 mm，肋片數(shù)目為24，肋片厚度為1 mm，翅高為5 mm，熱端熱沉尺寸為170 mm×160 mm×24 mm，肋片數(shù)目為17，肋片厚度為2 mm，翅高為3 mm；采用保溫材料置于冷熱端熱沉之間以減弱它們之間的熱傳導。實驗裝置如圖1所示。

圖1　熱電制冷除濕實驗裝置Fig.1 Device of thermoelectric dehumidification experiment

1.2 熱電制冷除濕性能計算

半導體制冷片制冷量

半導體制冷效率

半導體除濕效率

測量系統(tǒng)包括MIK5000A無紙記錄儀，用來記錄冷熱端溫度；GM1360溫濕度計，測量范圍為:溫度-10～50℃，精度±1℃，濕度5.0%～98.0% RH，精度±5.0% RH(10%～30%RH), 3.0% RH(30%～95%RH)，用來測量房間溫度濕度；銅-康銅測溫熱電偶，測溫范圍-200～350℃，精度±0.3℃，置于冷熱端熱沉上測量其溫度；5725風速儀用來測量流過冷端熱沉的空氣流速，其量程為0.25～30 m·s-1，精度為讀數(shù)的±1%，分辨率為0.01 m·s-1；量程為10 ml的量筒一只，最小測量精度為0.2 ml，用來測量冷凝水的體積。

1.3 實驗方案

實驗分為3個部分，即在其他條件(房間溫度、濕度)不變時分別改變電壓、風速和氣流組織形式。其中，改變電壓、風速時，實驗裝置為開放式，僅設(shè)計風道，空氣除濕后直接排走；改變氣流組織形式時，實驗裝置設(shè)計為封閉情形，冷熱端分別設(shè)置進風口和出風口，空氣從進風口吸入，經(jīng)過冷端冷卻除濕后的空氣循環(huán)流至熱端輔助熱沉散熱，最后由出風口排出，與之前僅設(shè)計風道無循環(huán)冷卻熱端熱沉的工況做對比。實驗裝置示意圖如圖2、圖3所示。

圖2　開放式裝置示意圖Fig.2 Device of open type

圖3　循環(huán)冷卻式裝置示意圖Fig.3 Device of circulating cooling type

2　實驗結(jié)果分析

2.1 電壓

該實驗房間參數(shù)為溫度29.5℃，濕度85.8%，自然對流工況，熱電片輸入電壓從6 V遞增至12 V，每次增加2 V，除濕量峰值處熱電片電壓分別增減1 V測量其除濕量。實驗進行時，先開機至冷熱端熱沉溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后開始實驗，測量時間為30 min，計時結(jié)束測量水槽內(nèi)冷凝水體積，按水的密度1 g·ml-1計算出質(zhì)量（下同），得出除濕速率。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　除濕量隨輸入電壓變化趨勢Fig.4 Variation trend of dehumidification capacity with input voltage

從圖4中可以看出，隨著熱電片輸入電壓的增加，裝置的除濕量隨之增加，這是因為隨著輸入電壓的增加，熱電制冷片的制冷量增加，冷端熱沉溫度下降，與空氣的換熱量增加，除濕量隨之增大；在輸入電壓為 13 V時達到峰值，除濕量達 18.9 g·h-1，此時的制冷效率為0.232，除濕效率為0.11；隨著電壓的繼續(xù)增加，除濕量反而下降，這是因為隨著輸入電壓的繼續(xù)增大，熱電制冷片增加的焦耳熱大于增加的制冷量，且流向熱電片熱端的焦耳熱無法及時散失，反流向熱電片冷端造成冷端溫度上升，空氣與冷端熱沉的溫差減小，換熱量減小，除濕能力下降。通過上述分析可知，存在最佳輸入電壓，使除濕量達到峰值。

2.2 風速

該實驗房間參數(shù)為溫度30.2℃，濕度87.7%，熱電片輸入電壓為12 V，散熱風扇輸入電壓從0 V遞增至12 V，每次增加2 V，除濕量峰值處散熱風扇輸入電壓分別增減1 V測量其除濕量。實驗進行時，先開機至冷熱端熱沉溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后開始實驗，測量時間為半小時，計時結(jié)束測量水槽內(nèi)冷凝水體積，得出除濕速率。實驗結(jié)果如圖 5所示。

圖5　除濕量隨風速變化趨勢Fig.5 Variation trend of dehumidification capacity with wind speed

從圖5中可以看出，隨著風扇輸入電壓的增加，流過冷端的空氣流速上升，裝置的除濕量首先下降，這是因為隨著風扇輸入電壓的增加，空氣流速上升，空氣與冷端熱沉的傳熱系數(shù)上升，而冷端熱沉的溫度也隨之上升，空氣與冷端熱沉溫差減小，但此時傳熱系數(shù)的上升不足以抵消空氣與冷端熱沉溫差的減小，由對流換熱公式Q=hAΔT可知，冷端熱沉與空氣的換熱量減少，除濕量隨之減少；隨著空氣流速的繼續(xù)增加，空氣與冷端熱沉的傳熱系數(shù)隨之繼續(xù)上升，而冷端熱沉的溫度也隨之上升，但此時傳熱系數(shù)的增加速度超過了空氣與冷端熱沉溫差的減小速度，由對流換熱公式Q=hAΔT可知，冷端熱沉與空氣的換熱量增加，除濕量隨之增加；在風扇輸入電壓為7 V，風速為2.02 m·s-1時，裝置除濕量達到峰值，除濕量達23.93 g·h-1，此時的制冷效率為0.413，除濕效率為0.159；隨著風扇輸入電壓的繼續(xù)增加，除濕量反而下降，這是因為隨著風扇輸入電壓的繼續(xù)增大，冷端熱沉溫度繼續(xù)上升，與空氣的溫差繼續(xù)減小，加之風速增大，空氣與冷端熱沉接觸時間短，來不及和冷端熱沉換熱即被吹離冷端熱沉，故除濕能力下降。通過上述分析可知，存在最佳風速，使除濕量達到峰值。

2.3 氣流組織形式

該實驗房間參數(shù)為溫度29.9℃，濕度91.9%，熱電片輸入電壓為12 V，首先測試自然對流工況，然后測試強迫對流工況，散熱風扇輸入電壓從2 V遞增至6 V，每次增加1 V。空氣從入風口吸入，流經(jīng)冷端熱沉進行冷卻除濕后再流至熱端熱沉輔助其散熱，最后從出風口排出。實驗進行時，先開機至冷熱端熱沉溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后開始實驗，測量時間為半小時，計時結(jié)束測量水槽內(nèi)冷凝水體積，得出除濕速率。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　循環(huán)冷卻式除濕量變化趨勢Fig.6 Variation trend of dehumidification capacity of circulating cooling type

從圖6中可以看出，自然對流工況下，氣流組織形式對裝置的除濕性能影響較小；變?yōu)閺娖葘α鞴r后，循環(huán)冷卻式的除濕量明顯高于開放式，這是因為裝置封閉后，冷端熱沉與環(huán)境空氣的換熱量減少，溫度受環(huán)境溫度影響減小，加之封閉后空氣在冷端熱沉的流通面積減小，流速顯著上升，傳熱系數(shù)增加，換熱量增加，除濕能力上升；但隨著風扇驅(qū)動電壓的繼續(xù)增大，風速增加，空氣與冷端熱沉接觸時間縮短，空氣冷卻效果變差，空氣與熱端的溫差減小，冷卻熱沉的效果變差，由于裝置的封閉，使熱端熱空氣無法及時排出，反而造成熱端熱量積累，熱端溫度上升，熱端熱沉通過導熱將熱量傳給冷端熱沉，造成冷端溫度上升，除濕速率下降。綜上所述，若經(jīng)過冷卻后的空氣溫度和熱端溫度相差較大，循環(huán)利用冷空氣可提高熱端散熱能力，從而提高制冷片性能，除濕速率增大；若經(jīng)過冷卻后的空氣溫度和熱端溫度相差較小，循環(huán)利用冷空氣冷卻熱端熱沉效果不明顯，采用封閉循環(huán)式反而會降低熱端的散熱能力，故設(shè)計時要根據(jù)實際情況決定是否利用冷卻后的空氣輔助熱端散熱。

3　結(jié) 論

為了探討影響熱電除濕裝置性能的因素以針對其進行優(yōu)化，開發(fā)其在藥物存儲方面的應用潛力，本文設(shè)計了半導體制冷除濕實驗系統(tǒng)，通過多組工況的實驗分析了半導體輸入電壓、風速及氣流組織形式對除濕速率的影響，得出以下結(jié)論。

（1）在風速一定，即空氣與冷端熱沉換熱能力一定的情況下，設(shè)計時應根據(jù)具體工況通過實驗確定半導體制冷片最佳電壓，以獲得最大除濕量。

（2）在電壓一定，即半導體制冷能力一定的情況下，設(shè)計時應根據(jù)具體工況通過實驗確定最佳風速，空氣與冷端熱沉良好的換熱能力和空氣與冷端熱沉充分的接觸時間應同時保證。

（3）氣流組織形式應根據(jù)被冷卻后的空氣溫度與熱端熱沉的溫差來決定，通過實驗驗證循環(huán)利用被冷卻后的空氣是否會造成熱端熱量的積累。

符 號 說 明

A ——對流換熱面積，m2

ap,an——分別為P型、N型半導體制冷片的塞貝克系數(shù)

h ——對流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

I ——熱電模塊的工作電流，A

K ——熱電模塊的熱導率，W·K-1

m ——除濕量，g·h-1

mc——循環(huán)冷卻式除濕量，g·h-1

m0——開放式除濕量，g·h-1

P ——熱電堆輸入功率，W

PF——風扇輸入功率，W

Q ——對流換熱量，W

Q0——半導體制冷片制冷量，W

R ——熱電模塊的電阻，?

Th,Tc——分別為熱電模塊冷端溫度與熱端溫度，℃

ΔT ——傳熱溫差，℃

Y ——水的汽化潛熱，kJ·kg-1

η ——半導體制冷效率

ηm——半導體除濕效率

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2015-11-02收到初稿，2016-04-12收到修改稿。

聯(lián)系人:陳煥新。第一作者:張騰（1993—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-11-02.

中圖分類號:TB 69

文獻標志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—2718—06

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151640

基金項目:國家自然科學基金項目（51376068，51506060)；高等學校博士學科點專項科研基金項目（20120142110045）。

Corresponding author:Prof. CHEN Huanxin, chenhuanxin@tsinghua.org.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51376068,51506060) and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(20120142110045).

Performance experiment of thermoelectric dehumidification device used for medicine storage and its parameter optimization

ZHANG Teng, SHEN Limei, CHEN Huanxin, YANG Zonghao
(School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

Abstract:Thermoelectric cooling dehumidification is a new dehumidification technology of energy conservation and environmental protection. Due to the efficiency and the velocity of the thermoelectric dehumidification device is relatively low, a thermoelectric dehumidification device using two TEC-12705 thermoelectric coolers was designed, and these two coolers were diagonal arranged. The factors affecting the performance of the thermoelectric device was analyzed systematically and the corresponding design and optimization conception were put forward according to the actual condition. The results showed that the wind speed, the driving voltage and the air flow organization form had a certain influence on the performance of the thermoelectric cooling device. The capacity of heat transfer and the contact time between the air and the cold sink should be considered comprehensively when the wind speed was determined.

Key words:thermoelectric dehumidification; optimal design; heat transfer; convection; influencing factors