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半導(dǎo)體制冷與固體除濕結(jié)合裝置的性能

半導(dǎo)體制冷（又稱熱電制冷）因為降溫迅速、易于控制等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等方面。而熱端散熱效 果成為制約半導(dǎo)體制冷效率的主要因素。半導(dǎo)體制冷在空氣除濕領(lǐng)域的應(yīng)用研究日趨深入，但傳統(tǒng)的冷卻除濕要求半導(dǎo)體冷端 溫度較低，使半導(dǎo)體制冷效率降低。建立半導(dǎo)體制冷（熱管排熱系統(tǒng)）、固體吸附劑結(jié)合的除濕模型，通過6級半導(dǎo)體制冷與熱管 散熱系統(tǒng)的實驗裝置對干工況進(jìn)行模擬驗證,再模擬固體除濕工況在不同輸入電流下的性能。模擬結(jié)果表明：當(dāng)除濕量與文獻(xiàn) 中半導(dǎo)體冷卻除濕裝置相同時，該半導(dǎo)體與固體除濕結(jié)合的模型的系統(tǒng)COP為1.78,明顯高于文獻(xiàn)中裝置的COP。說明結(jié)合固 體吸附劑后可以加強(qiáng)傳質(zhì)動力提高冷端溫度,從而提高系統(tǒng)性能。

半導(dǎo)體制冷是熱電制冷的別稱，因為半導(dǎo)體材料 是一種較好的熱電能量轉(zhuǎn)換材料，熱電制冷器普遍釆 用半導(dǎo)體材料制成。其原理為當(dāng)直流電通過具有熱 電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體組成的回路時具有制冷功能⑴。 半導(dǎo)體制冷有降溫迅速、無噪聲與污染、體積小、冷量 調(diào)節(jié)范圍寬、易于控制等多種優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在工 業(yè)生產(chǎn)、日常生活、實驗裝置、與軍事等方面⑵O

由于半導(dǎo)體制冷片冷熱端面的散熱密度很大,可 達(dá)104W/m2,因此，良好的冷熱兩端熱傳遞性能對系 統(tǒng)的運行十分關(guān)鍵。目前較好的散熱方式有熱 管散熱系統(tǒng)、水冷散熱、空氣強(qiáng)迫對流散熱等。

除濕模型模擬

一種兩級半導(dǎo)體除濕裝置，并通 過實驗?zāi)M等手段對其除濕效果與cop進(jìn)行分析得 到電源電壓和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的解。選取文獻(xiàn)中的室 內(nèi)空氣參數(shù)和達(dá)到工況時被除濕空氣的流量，并 選取合適的硅膠質(zhì)量與傳質(zhì)系數(shù)，如表4,帶入一級 半導(dǎo)體制冷的固體除濕模型中，以12min為一個周 期，即6min改變一次除濕與再生的工況。模擬該除 濕模型隨輸入電流變化制冷量、除濕效果及系統(tǒng)效率 的變化趨勢，如圖7 ~圖9。當(dāng)電流/在10A以內(nèi)變 化時,隨著電流增加，制冷量由WW左右上升至70W 左右，冷凝水量近乎直線增加，系統(tǒng)COP降低，冷端 空氣出口含濕量降低，溫度先降后升。

兩級半導(dǎo)體的冷端相 對,共有兩股空氣，其中被冷卻空氣先經(jīng)過級半 導(dǎo)體熱電堆的制冷側(cè)進(jìn)行干工況降溫,在此基礎(chǔ)上經(jīng) 過第2級半導(dǎo)體熱電堆的制冷側(cè)進(jìn)一步降溫除濕。 為了提高系統(tǒng)效率和出風(fēng)的舒適度，低溫低濕的空氣 再次經(jīng)過第2級熱電堆的熱端而被加熱，以此加強(qiáng)第 2級半導(dǎo)體熱端的散熱并達(dá)到除濕的效果。而 級熱電堆則由另一股空氣強(qiáng)迫對流散熱，其入口狀態(tài) 參數(shù)與被冷卻空氣相同。

研究人員固定空氣入口參數(shù)（干球 溫度為22T，相對濕度為80% ），優(yōu)化該兩級半導(dǎo)體 除濕裝置的輸入電壓與兩股空氣的風(fēng)量，使半導(dǎo)體系 統(tǒng)的COP和冷凝水量達(dá)到較高水平,其實驗結(jié)果得 到工況結(jié)果與相同冷凝水量下固體除濕模型的 模擬結(jié)果如表5,釆用了固體除濕的半導(dǎo)體除濕模型 的系統(tǒng)效率明顯高于半導(dǎo)體冷卻除濕裝置。