半导体制冷与膜蒸馏匹配理论与实验研究

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1、传热传质学编号：123309中国工程热物理学会学术会议论文半导体制冷与膜蒸憎匹配理论与实验研究杨晓宏I李思岩I田瑞2杨胜男I（1•内蒙古工业大学能源与动力工程学院，2.内蒙古可再生能源巫点实验室，呼和浩特010051）（E-mail：yxhll09@yahoo.cn.联系电话：13848188275）摘要：本文以太阳能膜熬憎淡化苦咸水为应用研究背景，根据半导体制冷原理，设计了一种新熨的半导体制冷组件，可作为膜蒸憎组件中的冷端为太阳能膜蒸谓系统提供冷热温差，实验分析了该组件在相同流呈下，当半导体热电堆为3片、6片、89片，电压为4V-9V时，冷腔衣而及热端散热水域温度的变化情况，结果表明：半导体

2、制冷器的响应时间很短，测点温度迅速降至制冷温度并维持稳定;当输入的电压较小时，改变输入电压对制冷面温度的影响较大，且随着热电堆片数的增加，这种影响程度更明显。本文为研究半导体制冷组件在膜蒸馆装置中的应用奠定了基础。关键词：膜蒸馆；半导体制冷；制冷性能0引言膜蒸（MembraneDistillation）111是传统蒸饰「.艺与膜分离技术相结合的一种液体分离技术，具有可在常温下操作、高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点。采用微孔高分子膜，热工质在膜表面发生汽化，在膜两侧蒸气压羌的作用下，蒸气通过膜孔到达温度较低介质的表面（冷凝面）⑵冷凝°木文利用半导体制冷原理，设计了具冇半导体制冷器的制冷

3、组件以满足膜蒸馆过程中透膜蒸气冷凝时所需冷量，以代替传统的高耗能制冷机对制冷介质进行冷却后提供制冷量的形式。半导体制冷乂称热电制冷⑶，是一种固体制冷方式，它是在珀尔帖效应的基础上发展起来的一门新兴制冷技术，可利用电能肓接实现热能的传递。它不同于压缩式制冷机,具冇无机械运动、无噪音、无污染、体积小，町小型化制冷迅速等特点。广泛应用在军事、化丄、航天、医疗等特定领域⑷。半导体制冷效率的提高，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计。山于半导体制冷器的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以，重点解决好其散热问题将对制冷性能的提高起到至关重要的作用⑸。1半导体制冷组件与膜蒸憎组件的匹配设计思想1.1

4、多层空气隙膜蒸f留组件、、、.电路图I貝有半导体制冷的多层并接式膜蒸锚组件示意图如图1所示，新型多层空气隙膜蒸懈组件由冷、热、冷串联纟R成，实际运行时为并联连接。每个热容腔上有两张膜，在两个热容腔小问乂是一个冷容腔，屮间冷容腔的两侧是铜冷壁。以往膜蒸憎组件的冷腔由常规压缩式制冷的冷却水冷却铜冷壁，进而作为冷端为膜蒸侧系统提供冷量。本文实验组件设计思路是将半导体热电堆贴伏于铜冷壁上作为冷端，使冷端设计结构人为简化，使整个膜蒸饰组件结构小巧，拆装方便。通过分析实验制冷片数，工作电压电流对半导体冷腔制冷性能的影响，进而获得与膜蒸镉系统所需冷端的匹配关系。1.2半导体制冷层式膜蒸f留组件冷腔设计图2半

5、导体制冷冷端性能测试组件实物图本文在确定了膜组件热端蒸气冷凝时所需要的冷量后，根据半导体热电堆的制冷特性，设计了箱体式插片散热器对热电堆进行散热，如图2所示。调节半导体制冷组件的制冷功率，使其尽可能处于最佳制冷工况，为膜蒸馆提供所需冷量。通过对该半导体冷腔制冷性能的研究可为膜蒸憎系统中半导体制冷膜组件的冷容腔结构设计提供借鉴。如图3所示，半导体冷腔制冷性能测试系统包括：1-制冷热电堆，2-稳压稳流电源，3■温度测试系统，4-自制隔板通道，5■恒温水箱。在对半导体组件进行制冷性能测试实验时，将半导体热电堆按一定方式排列，通过导热硅脂贴附在箱体式散热器表面，通过磁力循环泵将水箱屮的冷却水输入至箱体

6、式散热器进口端，此过程通过玻璃浮了流址计对流量进行计量。当稳压稳流电源2为制冷热电堆1通以直流电吋，半导体热电堆开始工作，热端散热，冷端制冷，半导体制冷表面粘有铜片，将来•膜组件的热容腔连接，形成空气隙，热容腔的挥发性组分汽化透过膜，穿过空气隙进而在半导体热电堆冷端的铜板处进行冷凝。2厶IL图3制冷性能测试系统示意图图4冷端铜壁热电偶温度测点布置图1.3制冷性能实验分析制冷组件的测温点布置如图4所示。5、7、9、11为循环冷却水测温点，2、3、4、6、8、10为制冷面测温点。实验室采用的半导体热电堆型号为TEC-12706,实验工况设定为流量为200L/h,电压分别固定在4V、5V、6V、7V

7、、8V、9V,研究制冷组件在不同热电堆片数、不同工况下制冷表面温度分布情况。通过对采集的温度数据进行分析发现制冷表面及循环冷却水的各温度测点温度基木相同，因此选取测点7和8的实测温度作为制冷表面温度与循环水出口温度进行对比观察，分析在相同工况下半导体制冷组件制冷表面温度和水域温度的变化趋势及稳定性。0102030405060运彳亍时间/min2086420图54V电压下热电堆片数对制冷面温度的影响