循環(huán)風(fēng)量對新型家用半導(dǎo)體純凈水機(jī)系統(tǒng)性能的影響

陳中唯 武衛(wèi)東 朱群東 馬毅煜

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

隨著我國人民生活水平的提高，人們對于安全、健康的生活飲用水方式日益關(guān)注[1]。但市政供水網(wǎng)絡(luò)中的長距離運(yùn)輸和建筑物室內(nèi)管道中的水停滯會導(dǎo)致細(xì)菌生長并擴(kuò)散至自來水中，無法直接飲用，因此家用凈水機(jī)的需求和市場規(guī)模逐年擴(kuò)大[2]。

目前，我國市場上最常見的是利用反滲透膜的過濾凈水機(jī)。該類凈水機(jī)產(chǎn)水品質(zhì)較高，但濾芯需要定期進(jìn)行清洗以及更換[3]，否則不僅沒有凈水作用，還會造成二次污染[4]。其他常見的凈水技術(shù)有物化消毒法和電解水技術(shù)等[5-6]。物化消毒法可以通過紫外線對水進(jìn)行滅菌，操作簡單，速度快[7]。但滅菌效果不均勻，而且處理后的水不能直接飲用。電解水技術(shù)通過電解裝置在其陰極生成弱堿性飲用水[6]。但電解水穩(wěn)定性差，不易于長期保存。

空氣增濕去濕原理(humidification-dehumidification，HDH)是指空氣流經(jīng)潮濕表面時，會吸收表面的水蒸氣，而濕空氣流過低于空氣露點(diǎn)溫度以下的表面時，空氣中的水蒸氣會冷凝形成液態(tài)水[3]。該技術(shù)利用水在空氣中的兩次相變過程(液轉(zhuǎn)化為氣及氣再轉(zhuǎn)化為液)可以有效解決家用凈水機(jī)更換濾芯的問題，同時也被認(rèn)為是一種簡單的產(chǎn)生淡水的方法[8]。當(dāng)HDH系統(tǒng)中有熱源對空氣加熱時，空氣可以吸收更多的水蒸氣，在冷卻除濕時，冷凝水會增加。A.Giwa等[9]研究顯示，通過利用水的相變過程實現(xiàn)凈化方法制取的純凈水幾乎除去了所有雜質(zhì)(鹽類和有機(jī)物)。A.E.Kabeel等[10]對空氣增濕去濕技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)論顯示1 kg干空氣最多可吸收0.5 kg水蒸氣。這些研究驗證了利用空氣增濕去濕原理來制備純凈水的可行性。

HDH系統(tǒng)對熱源的溫度要求較低，所以早期的HDH系統(tǒng)多利用太陽能等低品位熱能提供能量。邵理堂等[11]設(shè)計了一種采用逆流增濕器的小型太陽能海水淡化裝置。實驗表明，在最佳的噴水量及空氣流量下，出口空氣濕度可達(dá)98%以上。S.Yanniotis等[12]研究了不同增濕器對于太陽能海水淡化的影響，結(jié)果表明填料式增濕器比噴嘴式增濕器工作性能更好，且可以避免噴淋水被循環(huán)風(fēng)帶入純凈水凝結(jié)處受到污染。但太陽能會受到天氣和地理位置的影響，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定[13]。因此人們開始將熱泵應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。S.A.Nada等[14]設(shè)計了增濕去濕的熱泵式海水淡化系統(tǒng)，研究顯示隨著空氣循環(huán)風(fēng)量的增加，制水率、熱泵系統(tǒng)制冷量和壓縮機(jī)功耗均有所增加。

綜上可知，目前空氣增濕去濕原理已經(jīng)成功應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。在家用凈水領(lǐng)域，汪力等[15]設(shè)計并搭建了一套基于壓縮式熱泵系統(tǒng)的新型家用凈水機(jī)，實驗研究表明，系統(tǒng)制冷量、功耗及單位時間制水量隨著循環(huán)風(fēng)量的增加而增加，且最大單位時間產(chǎn)水量可達(dá)668 g/h。但壓縮式熱泵系統(tǒng)有運(yùn)動部件和管路較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。相比于壓縮式熱泵系統(tǒng)，半導(dǎo)體制冷具有設(shè)備更緊湊，維護(hù)要求更小，噪聲和振動水平更低等優(yōu)點(diǎn)。Liu Shanshan等[16]設(shè)計了一個兩片半導(dǎo)體的便攜式制水機(jī)。研究顯示當(dāng)循環(huán)風(fēng)量升高時，冷端散熱器的溫度會降低，產(chǎn)水量會增大，在70.6 m3/h時最大產(chǎn)水量為25.1 g/h。但該裝置為開式空氣系統(tǒng)，空氣沒有加熱過程直接被加濕，空氣中所含濕量較少，故裝置產(chǎn)水量較少，不能滿足家用需求。H.S.Dizaji等[17]實驗研究了新型空氣-水的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，結(jié)果顯示當(dāng)半導(dǎo)體熱端通過恒定水溫調(diào)節(jié)溫度時，會提高半導(dǎo)體冷端的性能。M.Bortolini等[18]搭建了一臺20片半導(dǎo)體的淡水發(fā)生器，研究表明當(dāng)循環(huán)風(fēng)量增加時，系統(tǒng)的單位時間產(chǎn)水量先增大后減小。但該裝置為開式空氣循環(huán)系統(tǒng)，空氣會影響冷凝水的水質(zhì)。

綜上所述，家用凈水裝置具有工作不受外界環(huán)境影響、水資源利用率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的特點(diǎn)[3]。本文基于半導(dǎo)體制冷和HDH原理提出一種新型閉式空氣循環(huán)開式水循環(huán)的家用半導(dǎo)體凈水系統(tǒng)，以實現(xiàn)對自來水的凈化處理。同時，利用半導(dǎo)體熱端產(chǎn)生的熱量來加熱空氣，使空氣可以吸收更多的水蒸氣，有利于產(chǎn)水效率的提高。由于循環(huán)風(fēng)量是影響半導(dǎo)體冷熱端換熱的關(guān)鍵因素，本文實驗研究了循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)運(yùn)行工況、制冷量、功耗、COP(coefficient of performance)、單位能耗產(chǎn)水量和單位時間產(chǎn)水量等參數(shù)的影響，為新型家用凈水機(jī)的研究開發(fā)和實際應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

新型家用純凈水機(jī)的系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。其中包含半導(dǎo)體片、循環(huán)風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、噴淋裝置和填料等部件。對于半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)而言，半導(dǎo)體熱端制熱量大于冷端制冷量。為了保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運(yùn)行，在半導(dǎo)體熱端增設(shè)冷卻水路，通過水和半導(dǎo)體熱端的換熱，及時排出多余的熱量，同時可以提供溫度較高的生活用水。圖2所示為新型家用純凈水機(jī)實物圖。

圖1 新型家用純凈水機(jī)的工作原理及測點(diǎn)布置Fig.1 Working principle and measuring point layout of the proposed system

圖2 新型家用純凈水機(jī)實物圖Fig.2 Actual picture of the proposed system

系統(tǒng)工作原理主要分為三個部分：空氣回路、冷卻水路和噴淋水路?？諝饣芈罚嚎諝饣芈酚娠L(fēng)機(jī)提供動力，循環(huán)風(fēng)通過半導(dǎo)體熱端一側(cè)加熱后，變成高溫低濕的熱空氣，接著與噴淋裝置加濕后的多孔填料充分接觸，熱質(zhì)交換后變成中溫飽和濕空氣，然后經(jīng)過半導(dǎo)體冷端一側(cè)，完成降溫減濕的過程，之后再次進(jìn)入半導(dǎo)體熱端一側(cè)，完成一次空氣循環(huán)。冷卻水路：冷卻水從半導(dǎo)體熱端一側(cè)進(jìn)入，從另一側(cè)流出，目的是為了帶走系統(tǒng)中多余的熱量。噴淋水路：由水泵送入的自來水從噴淋裝置中向下噴入多孔填料中，在多孔填料中與空氣充分接觸，一部分被蒸發(fā)變成水蒸氣被空氣帶走，另一部分作為廢水被排出系統(tǒng)?？諝庵械乃魵庠诎雽?dǎo)體冷端被冷凝，依靠重力流入純凈水收集裝置。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測點(diǎn)布置及儀器精度

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布置如圖1所示。主要分為三部分：風(fēng)回路側(cè)數(shù)據(jù)采集、半導(dǎo)體側(cè)數(shù)據(jù)采集、噴淋水和冷卻水側(cè)數(shù)據(jù)采集。其中風(fēng)回路需要采集的數(shù)據(jù)有半導(dǎo)體冷端換熱器進(jìn)出口風(fēng)溫、冷端換熱器出口風(fēng)速和空氣濕度、半導(dǎo)體熱端換熱器出口風(fēng)溫以及風(fēng)機(jī)的功率。半導(dǎo)體側(cè)需要采集的數(shù)據(jù)有半導(dǎo)體冷熱端溫度以及半導(dǎo)體的電流和電壓。噴淋水路需要采集的是噴淋水的進(jìn)口水溫和流量。冷卻水路需要采集的是冷卻水的進(jìn)出口水溫和流量。循環(huán)風(fēng)量由測得的風(fēng)速和測點(diǎn)的斷面面積計算得出。測點(diǎn)位置位于近冷端出風(fēng)口處，在經(jīng)過冷端換熱器整流后，流動更加穩(wěn)定；在同一平面對風(fēng)速進(jìn)行多次測量，取平均值作為循環(huán)風(fēng)量的計算依據(jù)。對于系統(tǒng)制取的純凈水，通過溶解性固體(TDS)測試對水質(zhì)進(jìn)行檢測。

系統(tǒng)中所有的傳感器信號均由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集并導(dǎo)入計算機(jī)儲存，所用測量儀器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 測量儀器精度Tab.1 Measuring instrument accuracy

2.2 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

本文涉及的主要性能指標(biāo)有：單位時間產(chǎn)水量、系統(tǒng)制冷量、COP、系統(tǒng)總功耗和單位能耗產(chǎn)水量。

單位時間產(chǎn)水量：

(1)

式中：Mw為單位時間產(chǎn)水量，g/h；m為凈水裝置穩(wěn)定運(yùn)行一段時間內(nèi)測得的純凈水質(zhì)量，g；t為運(yùn)行時間，h。

系統(tǒng)制冷量：

Q0=1 000vAρfΔh

(2)

式中：Q0為制冷量，W；v為循環(huán)風(fēng)速，m/s；A為風(fēng)道迎風(fēng)面積，m2；ρf為空氣密度，kg/m3；Δh為冷端換熱器進(jìn)出口空氣焓差，kJ/kg。

制冷性能系數(shù)(COP)：

(3)

式中：Ptec為半導(dǎo)體功耗，W；Q0為制冷量，W。COP越高，表明半導(dǎo)體的性能發(fā)揮的越好。

系統(tǒng)總功耗：

P=Ptec+Pf=Ptec+IfUf

(4)

式中：P為系統(tǒng)的總功耗，W；Ptec為半導(dǎo)體功耗，W；Pf為風(fēng)機(jī)功耗，W；If為風(fēng)機(jī)直流電流，A；Uf為風(fēng)機(jī)電壓，V。

單位能耗產(chǎn)水量：

(5)

式中：Me為單位能耗產(chǎn)水量，g/(kW·h)；Mw為單位時間產(chǎn)水量，g/h。

2.3 不確定度分析

系統(tǒng)中溫度、濕度、風(fēng)速、功率等參數(shù)的測量對實驗裝置純凈水產(chǎn)量和功耗的計算影響較大。根據(jù)R. J. Moffat[19]的不確定度分析準(zhǔn)則，系統(tǒng)性能評價指標(biāo)的相對不確定度可由下列公式計算得出：

(6)

(7)

式中：R為被測量量與各直接測得量的函數(shù)關(guān)系；δR/R為合成相對不確定度；a，b，…，n為直接測量量在函數(shù)關(guān)系中的冪次方系數(shù)。

根據(jù)式(6)和式(7)，可以計算出單位時間產(chǎn)水量、系統(tǒng)制冷量、半導(dǎo)體制冷性能系數(shù)、總功耗和單位能耗產(chǎn)水量的相對不確定度分別為0.10%、0.16%、0.35%、0.33%和0.34%。

2.4 實驗方法

本文提出的新型家用半導(dǎo)體凈水系統(tǒng)中，半導(dǎo)體的制冷能力會直接影響產(chǎn)水性能，而循環(huán)風(fēng)量則是影響半導(dǎo)體冷熱兩側(cè)換熱的關(guān)鍵因素。當(dāng)循環(huán)風(fēng)量過低，冷端換熱能力不足，會導(dǎo)致產(chǎn)水性能不足；當(dāng)循環(huán)風(fēng)量過大，此時風(fēng)速過大使空氣與肋片接觸時間過短，使?jié)窨諝庵兴魵怆y以充分凝結(jié)。鑒于此，本文實驗研究了循環(huán)風(fēng)量的變化對系統(tǒng)運(yùn)行工況、功耗、單位能耗產(chǎn)水量和單位時間產(chǎn)水量等參數(shù)的影響。

根據(jù)前期已有經(jīng)驗[4,15]，確定實驗工況，如表2所示。實驗過程中保持噴淋水流量、噴淋水進(jìn)水溫度、冷卻水流量和冷卻水進(jìn)水溫度不變，只改變循環(huán)風(fēng)量的大小。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

3 實驗結(jié)果分析

3.1 循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響

圖3所示為不同循環(huán)風(fēng)量對半導(dǎo)體冷熱端溫度及半導(dǎo)體冷熱端溫差的影響。由圖3可知，當(dāng)風(fēng)量從70 m3/h增至110 m3/h時，半導(dǎo)體冷端溫度、熱端溫度均隨循環(huán)風(fēng)量的增大而減小，冷熱端溫差略有下降(維持在約50 ℃)。這是因為隨著循環(huán)風(fēng)量的增大，熱端換熱器與空氣的換熱增強(qiáng)?？諝獾睦字Z數(shù)增大，提高了熱端換熱器的傳熱系數(shù)，使空氣能夠帶走半導(dǎo)體熱端更多的熱量，導(dǎo)致熱端溫度下降。同時，因熱端溫度的下降，半導(dǎo)體的傅里葉效應(yīng)弱化，即半導(dǎo)體冷熱兩端的導(dǎo)熱量減少，所以冷端溫度降低。由于冷熱端的換熱均被增強(qiáng)，冷端溫度的降幅略小于熱端溫度的降幅，從而冷熱端溫差表現(xiàn)出略有下降。

圖3 不同循環(huán)風(fēng)量下半導(dǎo)體冷熱端溫度和冷熱端溫差的變化Fig.3 Variaitions of temperature and temperature difference between cold and hot sides of semiconductor under different circulating air flow rate

圖4所示為冷端換熱器進(jìn)出口風(fēng)溫、熱端換熱器出口風(fēng)溫隨循環(huán)風(fēng)量的變化。由圖4可知，風(fēng)量從70 m3/h增至110 m3/h時，冷端換熱器進(jìn)出口風(fēng)溫、熱端換熱器出口風(fēng)溫均隨著循環(huán)風(fēng)量的增大而降低。分析可知，隨著循環(huán)風(fēng)量的增加，冷端換熱器空氣的擾動增加，換熱效果加強(qiáng)，由圖3可知此時半導(dǎo)體冷端溫度下降，使冷端的出風(fēng)溫度(熱端的進(jìn)風(fēng)溫度)降低。由于半導(dǎo)體熱端溫度下降和熱端換熱器進(jìn)風(fēng)溫度降低，所以熱端換熱器的出風(fēng)溫度也降低。

圖4 不同循環(huán)風(fēng)量下半導(dǎo)體冷熱端進(jìn)出口風(fēng)溫的變化Fig.4 Variaition of inlet and outlet air temperature of semiconductor cold and hot side under different circulating air flow rate

圖5所示為不同循環(huán)空氣在系統(tǒng)中增濕去濕的過程。圖中虛線和實線循環(huán)分別表示循環(huán)風(fēng)量在70 m3/h和100 m3/h下空氣在系統(tǒng)中狀態(tài)的變化情況。由圖5可知，A-C為循環(huán)空氣降溫加濕過程，因為空氣溫度高于噴淋水溫度，所以在加濕的過程中，空氣的溫度會下降。C-B為冷卻除濕過程，空氣先被冷卻降溫，此時含濕量不變，為等濕冷卻過程。在達(dá)到露點(diǎn)溫度后，其中的水蒸氣才冷凝形成純凈水。B-A為等濕加熱過程，空氣在熱端換熱器被加熱后，溫度升高，含濕量不變，變成高溫低濕的狀態(tài)?？梢钥闯霎?dāng)風(fēng)量增加時，加濕過程空氣含濕量之差減少，由3.43 g/(kg干空氣)降至2.76 g/(kg干空氣)，這是由于風(fēng)量增加使空氣和噴淋水的接觸時間變短，導(dǎo)致空氣加濕效果下降。當(dāng)工況運(yùn)行穩(wěn)定時，加濕效果的下降使除濕過程中空氣析出的水分減少。這將會對單位時間產(chǎn)水量產(chǎn)生直接影響，因單位時間產(chǎn)水量可由循環(huán)風(fēng)量和除濕過程空氣的含濕量之差決定。在開始增加風(fēng)量時，空氣加濕效果略有下降，但循環(huán)風(fēng)量的增幅大于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，單位時間產(chǎn)水量會增加；當(dāng)風(fēng)量過大時，空氣加濕效果顯著下降，循環(huán)風(fēng)量的增幅小于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，單位時間產(chǎn)水量則將會下降。

圖5 循環(huán)空氣增濕去濕的過程Fig.5 Humidification and dehumidification process of circulating air

3.2 循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)性能的影響

圖6所示為半導(dǎo)體功耗、制冷量及COP在不同循環(huán)風(fēng)量下的變化。由圖6可知，功耗、制冷量及COP均隨循環(huán)風(fēng)量的增大呈上升趨勢。這是因為此時熱端換熱不斷強(qiáng)化，冷熱端溫度降低，使半導(dǎo)體的電阻減小，此時電壓不變，導(dǎo)致功耗增大。由圖2的分析可知，當(dāng)循環(huán)風(fēng)量增加時，半導(dǎo)體冷熱端的溫度降低，同時半導(dǎo)體熱端溫度的下降會導(dǎo)致塞貝克系數(shù)增大，電阻減少，電流增大，導(dǎo)熱系數(shù)減小。由半導(dǎo)體制冷性能計算公式可知[8]，制冷量將不斷增加。雖然制冷量與半導(dǎo)體功耗均在增大，但前者增幅大于后者，所以COP增大。

圖6 不同循環(huán)風(fēng)量下制冷量、半導(dǎo)體功耗和COP的變化Fig.6 Variaitions of refrigeration capacity, semiconductor power consumption and COP under different circulating air flow rate

圖7所示為不同循環(huán)風(fēng)量下，單位時間產(chǎn)水量和單位能耗產(chǎn)水量的變化。由圖7可知，單位時間產(chǎn)水量、單位能耗產(chǎn)水量均隨循環(huán)風(fēng)量的增大呈先增大后減小的趨勢，且均在風(fēng)量等于100 m3/h時達(dá)到峰值分別為345 g/h、459 g/(kW·h)。當(dāng)風(fēng)量小于100 m3/h時，由圖3可知，因風(fēng)量增大而熱端換熱加強(qiáng)，冷端溫度降低，此時進(jìn)入冷端的濕空氣與肋片充分換熱，提高了冷端的傳熱系數(shù)，制冷量增大。由圖5可知，當(dāng)循環(huán)風(fēng)量增加時，空氣的加濕效果會下降，除濕過程空氣含濕量之差減少，但此時循環(huán)風(fēng)量的增幅大于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，使單位時間產(chǎn)水量增大。結(jié)合圖6與圖7分析可知，雖然產(chǎn)水量與總功耗均在增加，但產(chǎn)水量的增幅大于功耗的增幅，從而單位能耗產(chǎn)水量增大。當(dāng)風(fēng)量大于100 m3/h時，隨著風(fēng)量持續(xù)增大，由于風(fēng)速過大使空氣與肋片接觸時間過短，濕空氣中部分的水蒸氣難以凝結(jié)，循環(huán)風(fēng)量的增幅小于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，從而單位時間產(chǎn)水量降低，而風(fēng)機(jī)功耗和半導(dǎo)體的功耗都在繼續(xù)增大，因此單位能耗產(chǎn)水量降低。

圖7 不同循環(huán)風(fēng)量下單位時間產(chǎn)水量和單位能耗產(chǎn)水量的變化Fig.7 Variaitions of water production per unit time and energy consumption under different circulating air flow rate

實驗過程中，利用TDS測試計對系統(tǒng)所制取的純凈水進(jìn)行水質(zhì)檢測，結(jié)果顯示純凈水和系統(tǒng)進(jìn)水的TDS值分別為3 mg/L和173 mg/L，計算可得該純凈水機(jī)的脫鹽率達(dá)97%。由圖7可知，在本文的實驗工況下，單位時間產(chǎn)水量最低為300 g/h，按24 h計算，系統(tǒng)純凈水日產(chǎn)水量不低于7.2 L/d，基本可滿足普通家庭的飲水需求。同時，冷卻水的出水溫度不低于45 ℃，水量可達(dá)到150 L/d，可作為生活熱水使用。

4 結(jié)論

本文提出一種基于半導(dǎo)體珀爾貼效應(yīng)和空氣增濕去濕原理的新型家用純凈水機(jī)，并實驗研究了循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)在實驗工況下，循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)運(yùn)行工況和系統(tǒng)性能有較大影響。當(dāng)循環(huán)風(fēng)量增大時，半導(dǎo)體冷熱端的溫度、冷熱端進(jìn)出口風(fēng)溫不斷降低，半導(dǎo)體冷熱端溫差略有減小，系統(tǒng)制冷量、系統(tǒng)總功耗和COP不斷增大，單位時間產(chǎn)水量和單位能耗產(chǎn)水量呈先增大后減小的趨勢。

2)存在最佳循環(huán)風(fēng)量為100 m3/h，單位時間產(chǎn)水量和單位能耗產(chǎn)水量達(dá)到峰值，分別為345 g/h、459 g/(kW·h)。

3)純凈水日產(chǎn)量(>7.2 L/d)基本可滿足普通家庭的飲水需求。所測TDS均不高于3 mg/L，滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，脫鹽率高達(dá)97%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30306—2013[20]脫鹽率的要求，同時可獲得溫度不低于45 ℃、水量不低于150 L/d的生活用水。