药物存储用热电除湿装置性能实验及参数优化

张　腾，申利梅，陈焕新，杨宗豪



药物存储用热电除湿装置性能实验及参数优化

张腾，申利梅，陈焕新，杨宗豪

（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

摘要:热电冷却除湿是一种新型节能、环保的除湿技术。鉴于目前热电除湿装置除湿速率和效率较低，采用两片TEC-12705型半导体制冷片进行对角布置，设计了一套热电除湿装置，对影响其性能的因素做了系统的分析并针对实际环境工况提出相应的设计和优化理念。结果表明，风速、热电制冷片驱动电压、气流组织形式都对热电除湿装置性能有一定的影响，确定风速时应综合考虑空气与冷端热沉换热能力和空气与冷端热沉接触时间。

关键词:热电除湿；优化设计；传热；对流；影响因素

引 言

湿度是衡量大气干燥程度的物理量，湿度的大小无论是对国民生产还是人们的日常生活都有一定的影响。某些工业产品的生产过程、某些物品的储存都需要严格控制湿度；在空调环境，空气相对湿度60%～70%人最为舒适，高于70%的湿度，舒适度就会下降[1]。由此可见，除湿对于生产生活意义重大，研究如何设计高效节能的除湿装置势在必行。

热电制冷除湿法相比于其他除湿法具有无制冷剂、无机械传动、环境友好、可靠性高、寿命长等优点，在环境和能源问题日益严峻的今天，热电制冷除湿装置的使用对环保贡献相当可观，随着材料科学的发展，热电材料的优值系数将会得到提高，热电制冷技术发展潜力巨大，届时定能和传统压缩制冷技术媲美，其节能效果也将得以体现。

国内外对除湿已经做了大量的研究，朱冬生等[2-3]对除湿技术的研究现状做了综述并指出了未来的发展方向；Vián等[4]基于热和电之间的等效性提出了一个热电制冷除湿装置的模型并基于此模型设计了一个两级热电制冷除湿装置，在环境温度22℃，相对湿度80%工况下，除湿量可达40.4 g·h-1，系统COP为0.25；Yang等[5]研究了一个小型热电冷却除湿装置的运行特性，发现热电除湿存在冷却除湿过程和等温除湿两个过程，相对湿度的下降经历了加速和减速的过程，取决于翅片的冷凝特性，但其装置在环境温度23℃，相对湿度70%工况下，效率只有16%，除湿速率只有0.291 g·h-1；申利梅等[6]从热电偶对数比、工作电流和面长比方面出发，讨论它们对不同热电制冷模块连接方式下制冷量和制冷系数的影响，为实际应用中多个制冷模块的连接方式的选取提供了理论指导；张博等[7]提出一种新型热电制冷液体冷却散热器，重点对其在不同热通量、不同风速和热电制冷器（TEC）不同工作电压下的总热阻变化、制冷性能以及最大散热能力进行实验研究，达到了减小总热阻和提高热端散热能力的目的，有利于提高热电制冷器的性能，为大功率发热器件提供了一种新型有效的解决方案；梁廷安等[8-11]对新型热电制冷除湿技术做了介绍，并探讨了如何提高其除湿效率；徐敏[12]对热电制冷除湿做了实验研究，分析了影响其性能的影响因素，结果表明风量对制冷和除湿的影响是相反的，增大风量会增大制冷效率，除湿效率却会减小。所以选择合适的输入电压和风量是制冷效率和除湿效率整体优化的关键问题。郑宇薇等[13]在文献[4]的基础上提出将热电制冷除湿与固体除湿剂相结合，提高了冷端的传质动力，使除湿机性能大大提高，在环境温度25℃，相对湿度50%工况下，除湿量可达42.1 g·h-1，系统COP达到1.78；罗仲等[14]采用16片TEC-12706半导体制冷器搭建了半导体除湿系统，在环境温度26℃，相对湿度65%工况下，其装置最大除湿量可达150 g·h-1，除湿效率0.37；杨小玲等[15-23]对热电制冷除湿技术做了应用研究，开发出应用于小环境的控湿厢，并设计了智能测控系统，实现了湿度控制的自动化。但是尚无关于不同环境工况下气流组织形式对热电制冷除湿装置性能影响的研究，因此本文利用两片TEC-12705型半导体制冷片搭建了半导体除湿实验台，通过对各种工况的实验的研究，在验证各因素对装置性能影响的基础上针对具体环境工况提出了设计和优化理念，对热电除湿装置的设计具有一定的指导意义，并可应用于药物储藏柜以延长药物的保存时间。

1　模型简介

1.1 实验装置

本实验采用 2片富信 TEC-12705半导体制冷片，其具体参数如下:尺寸大小为40 mm×40 mm× 3.9 mm，最大电流Imax=5 A，最大电压Vmax=15.4 V，最大制冷量Qmax=41 W，最大温差Tmax=67℃；热电片驱动直流电源选用兆信KXN6020D可调电源，电压 0～60 V可调，电流 0～20 A可调，误差≤(120±2) mV；热端散热风扇选用富信直流风扇，额定电压12 V，改变电压可改变风量；冷端热沉尺寸为150 mm×145 mm×27 mm，肋片数目为24，肋片厚度为1 mm，翅高为5 mm，热端热沉尺寸为170 mm×160 mm×24 mm，肋片数目为17，肋片厚度为2 mm，翅高为3 mm；采用保温材料置于冷热端热沉之间以减弱它们之间的热传导。实验装置如图1所示。

图1　热电制冷除湿实验装置Fig.1 Device of thermoelectric dehumidification experiment

1.2 热电制冷除湿性能计算

半导体制冷片制冷量

半导体制冷效率

半导体除湿效率

测量系统包括MIK5000A无纸记录仪，用来记录冷热端温度；GM1360温湿度计，测量范围为:温度-10～50℃，精度±1℃，湿度5.0%～98.0% RH，精度±5.0% RH(10%～30%RH), 3.0% RH(30%～95%RH)，用来测量房间温度湿度；铜-康铜测温热电偶，测温范围-200～350℃，精度±0.3℃，置于冷热端热沉上测量其温度；5725风速仪用来测量流过冷端热沉的空气流速，其量程为0.25～30 m·s-1，精度为读数的±1%，分辨率为0.01 m·s-1；量程为10 ml的量筒一只，最小测量精度为0.2 ml，用来测量冷凝水的体积。

1.3 实验方案

实验分为3个部分，即在其他条件(房间温度、湿度)不变时分别改变电压、风速和气流组织形式。其中，改变电压、风速时，实验装置为开放式，仅设计风道，空气除湿后直接排走；改变气流组织形式时，实验装置设计为封闭情形，冷热端分别设置进风口和出风口，空气从进风口吸入，经过冷端冷却除湿后的空气循环流至热端辅助热沉散热，最后由出风口排出，与之前仅设计风道无循环冷却热端热沉的工况做对比。实验装置示意图如图2、图3所示。

图2　开放式装置示意图Fig.2 Device of open type

图3　循环冷却式装置示意图Fig.3 Device of circulating cooling type

2　实验结果分析

2.1 电压

该实验房间参数为温度29.5℃，湿度85.8%，自然对流工况，热电片输入电压从6 V递增至12 V，每次增加2 V，除湿量峰值处热电片电压分别增减1 V测量其除湿量。实验进行时，先开机至冷热端热沉温度达到稳定状态，然后开始实验，测量时间为30 min，计时结束测量水槽内冷凝水体积，按水的密度1 g·ml-1计算出质量（下同），得出除湿速率。实验结果如图4所示。

图4　除湿量随输入电压变化趋势Fig.4 Variation trend of dehumidification capacity with input voltage

从图4中可以看出，随着热电片输入电压的增加，装置的除湿量随之增加，这是因为随着输入电压的增加，热电制冷片的制冷量增加，冷端热沉温度下降，与空气的换热量增加，除湿量随之增大；在输入电压为 13 V时达到峰值，除湿量达 18.9 g·h-1，此时的制冷效率为0.232，除湿效率为0.11；随着电压的继续增加，除湿量反而下降，这是因为随着输入电压的继续增大，热电制冷片增加的焦耳热大于增加的制冷量，且流向热电片热端的焦耳热无法及时散失，反流向热电片冷端造成冷端温度上升，空气与冷端热沉的温差减小，换热量减小，除湿能力下降。通过上述分析可知，存在最佳输入电压，使除湿量达到峰值。

2.2 风速

该实验房间参数为温度30.2℃，湿度87.7%，热电片输入电压为12 V，散热风扇输入电压从0 V递增至12 V，每次增加2 V，除湿量峰值处散热风扇输入电压分别增减1 V测量其除湿量。实验进行时，先开机至冷热端热沉温度达到稳定状态，然后开始实验，测量时间为半小时，计时结束测量水槽内冷凝水体积，得出除湿速率。实验结果如图 5所示。

图5　除湿量随风速变化趋势Fig.5 Variation trend of dehumidification capacity with wind speed

从图5中可以看出，随着风扇输入电压的增加，流过冷端的空气流速上升，装置的除湿量首先下降，这是因为随着风扇输入电压的增加，空气流速上升，空气与冷端热沉的传热系数上升，而冷端热沉的温度也随之上升，空气与冷端热沉温差减小，但此时传热系数的上升不足以抵消空气与冷端热沉温差的减小，由对流换热公式Q=hAΔT可知，冷端热沉与空气的换热量减少，除湿量随之减少；随着空气流速的继续增加，空气与冷端热沉的传热系数随之继续上升，而冷端热沉的温度也随之上升，但此时传热系数的增加速度超过了空气与冷端热沉温差的减小速度，由对流换热公式Q=hAΔT可知，冷端热沉与空气的换热量增加，除湿量随之增加；在风扇输入电压为7 V，风速为2.02 m·s-1时，装置除湿量达到峰值，除湿量达23.93 g·h-1，此时的制冷效率为0.413，除湿效率为0.159；随着风扇输入电压的继续增加，除湿量反而下降，这是因为随着风扇输入电压的继续增大，冷端热沉温度继续上升，与空气的温差继续减小，加之风速增大，空气与冷端热沉接触时间短，来不及和冷端热沉换热即被吹离冷端热沉，故除湿能力下降。通过上述分析可知，存在最佳风速，使除湿量达到峰值。

2.3 气流组织形式

该实验房间参数为温度29.9℃，湿度91.9%，热电片输入电压为12 V，首先测试自然对流工况，然后测试强迫对流工况，散热风扇输入电压从2 V递增至6 V，每次增加1 V。空气从入风口吸入，流经冷端热沉进行冷却除湿后再流至热端热沉辅助其散热，最后从出风口排出。实验进行时，先开机至冷热端热沉温度达到稳定状态，然后开始实验，测量时间为半小时，计时结束测量水槽内冷凝水体积，得出除湿速率。实验结果如图6所示。

图6　循环冷却式除湿量变化趋势Fig.6 Variation trend of dehumidification capacity of circulating cooling type

从图6中可以看出，自然对流工况下，气流组织形式对装置的除湿性能影响较小；变为强迫对流工况后，循环冷却式的除湿量明显高于开放式，这是因为装置封闭后，冷端热沉与环境空气的换热量减少，温度受环境温度影响减小，加之封闭后空气在冷端热沉的流通面积减小，流速显著上升，传热系数增加，换热量增加，除湿能力上升；但随着风扇驱动电压的继续增大，风速增加，空气与冷端热沉接触时间缩短，空气冷却效果变差，空气与热端的温差减小，冷却热沉的效果变差，由于装置的封闭，使热端热空气无法及时排出，反而造成热端热量积累，热端温度上升，热端热沉通过导热将热量传给冷端热沉，造成冷端温度上升，除湿速率下降。综上所述，若经过冷却后的空气温度和热端温度相差较大，循环利用冷空气可提高热端散热能力，从而提高制冷片性能，除湿速率增大；若经过冷却后的空气温度和热端温度相差较小，循环利用冷空气冷却热端热沉效果不明显，采用封闭循环式反而会降低热端的散热能力，故设计时要根据实际情况决定是否利用冷却后的空气辅助热端散热。

3　结 论

为了探讨影响热电除湿装置性能的因素以针对其进行优化，开发其在药物存储方面的应用潜力，本文设计了半导体制冷除湿实验系统，通过多组工况的实验分析了半导体输入电压、风速及气流组织形式对除湿速率的影响，得出以下结论。

（1）在风速一定，即空气与冷端热沉换热能力一定的情况下，设计时应根据具体工况通过实验确定半导体制冷片最佳电压，以获得最大除湿量。

（2）在电压一定，即半导体制冷能力一定的情况下，设计时应根据具体工况通过实验确定最佳风速，空气与冷端热沉良好的换热能力和空气与冷端热沉充分的接触时间应同时保证。

（3）气流组织形式应根据被冷却后的空气温度与热端热沉的温差来决定，通过实验验证循环利用被冷却后的空气是否会造成热端热量的积累。

符 号 说 明

A ——对流换热面积，m2

ap,an——分别为P型、N型半导体制冷片的塞贝克系数

h ——对流传热系数，W·m-2·K-1

I ——热电模块的工作电流，A

K ——热电模块的热导率，W·K-1

m ——除湿量，g·h-1

mc——循环冷却式除湿量，g·h-1

m0——开放式除湿量，g·h-1

P ——热电堆输入功率，W

PF——风扇输入功率，W

Q ——对流换热量，W

Q0——半导体制冷片制冷量，W

R ——热电模块的电阻，Ω

Th,Tc——分别为热电模块冷端温度与热端温度，℃

ΔT ——传热温差，℃

Y ——水的汽化潜热，kJ·kg-1

η ——半导体制冷效率

ηm——半导体除湿效率

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2015-11-02收到初稿，2016-04-12收到修改稿。

联系人:陈焕新。第一作者:张腾（1993—），男，硕士研究生。

Received date: 2015-11-02.

中图分类号:TB 69

文献标志码:A

文章编号:0438—1157（2016）07—2718—06

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151640

基金项目:国家自然科学基金项目（51376068，51506060)；高等学校博士学科点专项科研基金项目（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