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密集烤房熱電型熱泵排濕的研製
      摘要:熱電製冷因為製冷效率較低,難以在一般民用建築空調/製冷領域推廣,但熱電係統作為熱泵目的使用時,相對於直接電加熱形式,則不失為一種節能形式;依據熱電型熱泵原理,貴陽澳门新濠集团電子公司研製了排濕機樣機,參照類似家用電器性能測試標準要求,建立了實驗測試係統;分別針對不同工況進行了係統的實驗測試,依據測試數據作了性能分析,指出了進一步優化樣機的方向;測試表明,熱電型熱泵排濕機具有節能、環保、安全兼備的優勢,而且係統簡單,調控便利,進一步改進後可用於煙葉密集烤房冷凝排濕,給新型烤房節能設計帶來新的思路。
關鍵詞:熱電型熱泵  冷凝排濕   密集烤房
引言
      熱電製冷又稱半導體製冷,具有無工質、無運轉部件、體積小、結構簡單、便於控製等獨特優越性,在恒溫控製、電子設備冷卻以及軍事、航天等特殊領域有著廣泛的應用;但目前因其受熱電材料溫差電性能的限製而製冷效率較低,受熱電模塊生產工藝的限製而成本較高,大大限製了這項技術在一般民用建築空調或製冷場合的應用。熱電型熱泵是將熱電製冷係統作致熱用途時的一種稱呼,半導體熱電器件的這種雙重用途具有重要使用價值,在適當的溫度範圍內,具有較高的致熱係數,相對於直接以焦耳熱形式加熱的電熱裝置而言,不失為一種節能途徑。密集烤房濕度控製目前存在兩大問題:一是濕度大了排濕,濕度不夠則不管;二是傳統排濕方法帶走大量熱量,浪費很大。貴陽澳门新濠集团電子公司生產的回潮加濕機解決了第一個問題,而且可由溫濕度自控儀表自動控製,效果非常好。熱電型熱泵排濕機的研製為解決排濕熱能損失創造了條件。
1.熱電型熱泵的力能模型
當熱電單元模型用作熱泵時,其力能模型如圖1所示:
為方便討能,作如下假定:
(1) 等截麵直電臂結構熱電單元模型電偶臂的側麵被絕熱;
(2) 冷端溫度維持在Tc恒定不變,熱端放出的熱量Qh被用來加熱媒體Tc<Th;
(3) 兩器件臂的材料均勻,其性能參數隨溫度的變化可以忽略不計;
(4) 電路中的湯姆遜熱可以忽略不計。
在上述條件成立時,有關量如下:
功率消耗:                        (1)
帕爾帖熱:                   (2)
總熱功率,即製熱量:     (3)
熱傳導:               (4)
熱電型熱泵和致冷器的差別在於:焦耳熱的一半傳到冷端,會使致冷器的效率降低,對於熱泵,一半焦耳熱將附加到熱端,而使效率得到提高。
致熱功率:             (5)
致熱係數:           (6)
 
最大致熱係數:            (7)
 
 
最大產熱量:    (8)
式中:ΔT=Th - Tc
熱泵致熱係數η、溫差ΔT以及優值Z之間的關係如圖2所示。由圖2可見:致熱係數在1.5~7.0之間,即比1.0大得多,熱電型熱泵作為一種節能途徑是很有希望的。
優值Z代表了熱電材料的一種特性,綜合了有關材料的電學和熱學兩方麵的因素,它從根本上決定了熱電器件的效率。目前,工程上應用的熱電材料優值的大致範圍為:1.5~3.0×10-3K-1。
2.熱電型熱泵排濕機的研製
熱電製冷模塊通適當直流電後,一個端麵製冷吸熱,另一個端麵製熱放熱,這就是熱電型熱泵現象。由上述熱電型熱泵力能分析可知,要提高熱泵效率,應當從三個方麵著手:(1)提高熱電材料優值係數;(2)減少係統工作溫差ΔT;(3)提高熱電堆片冷、熱端溫度平均值。從工程應用的角度分析,熱電材料優值不足一時難以克服;係統工作溫差一方麵受工作條件的製約,同時受係統冷、熱端熱傳遞的製約;熱電堆片冷、熱端溫度平均值則受工作條件和熱電堆片的許可工作溫度範圍的限製。
依據熱電型熱泵原理,研製的熱電型熱泵排濕機的工作流程如圖3所示。
排濕機由冷端散熱器、熱電製冷片、熱端散熱器、進風口、出風口、風機、接水盤等主要部件組成,為簡單起見沒有標出所有部件。
設備運行時,在循環風機作用下,氣流被熱端散熱器加熱後,熱氣流經過加熱室進一步加熱後進入裝煙室,以適當的氣流速度通過煙葉縫隙與之進行濕熱交換,然後,溫度較高的高濕氣體由進風口進入冷端散熱器,冷卻、冷凝放熱後再被熱端散熱器加熱排出,其中的水分被冷凝後從接水器引出烤房。在熱泵作用下,溫濕氣流在冷端放出的熱量被回收,與消耗的電功率共同作用,通過熱端熱交換器加熱氣流繼續用於烤房煙葉調製。
由於冷、熱端氣流介質溫差非常小,因此,分別通過冷、熱端熱傳遞過程後,熱電製冷片的實際工作溫差也比較小;組裝過程中,散熱器基準麵通過精磨工藝保證了平整度,同時,散熱器與熱電製冷片結合麵之間的接觸麵塗抹導熱脂,有效地減少熱傳遞過程中因為接觸熱阻引起的寄生溫差;為了實驗改裝方便,散熱器和熱電製冷片之間采用螺釘固定,螺釘套塑料套管和隔熱墊圈,有效地減少了熱橋引起的效率損失。
散熱器散熱麵積與熱泵冷、熱端熱傳遞功率之間的匹配經過計算機程序在典型工況下進行了優化配置。
熱電模塊采用串、並聯方式相結合的混聯方式,以直流電供電;市電通過整流電路整流,要求波紋(脈動)係數小於10%。
熱電製冷的運行分為最大產冷量工況和最大效率工況。最大效率工況意味著熱電製冷模塊最經濟地工作,而最大產冷量工況則保證具有最大的產冷量。作為熱電型熱泵排濕機,是將熱電製冷片作為熱泵加熱用,從通常的煙葉調製用途考慮,在特殊流程下,冷、熱端溫差不超過30℃,考慮連續運行,高效率應該是首要追求的目標,係統按照最大效率模式設計,以達到節能的目的。
在熱電材料優值受到製約的現實條件下,該樣機通過獨特的循環流程創造性地減少了冷、熱端之間的工作溫差,同時提高了冷、熱端溫度平均值,既符合設備運行的工作條件和工藝要求,又滿足熱電製冷片的工作許可溫度範圍。這種形式的排濕機與普通熱泵排濕比較,係統簡單,控製方便精確,消除了排氣對烤房的熱、濕汙染,同時有較高的能效係數,因而,具有節能、環保、安全兼備的優勢。
3.熱電型熱泵排濕機樣機性能測試
樣機設計、加工、組裝後,參照普通熱泵排濕相關資料,建立了樣機性能測試係統,實驗數據整理後如圖4~6所示:
圖4是送風速度1.2m/s,生煙葉初始總重量3.15kg,設定實驗烘幹室溫度38℃,初始輸入功率分別為300W、400W時,樣機實際運行時,烘幹室內溫度、功率消耗隨運行時間變化情況。圖5是送風速度1.2m/s,生煙葉初始總重量3.15kg,初始輸入功率為300W,設定烘幹室溫度分別為38℃、40℃時,樣機實際運行時,樣機每30分鍾階段除濕量、能效係數隨運行時間變化情況。圖6是生煙葉初始總重量3.15kg,初始輸入功率為300W,設定烘幹室溫度為38℃,送風速度分別為1.2m/s、0.9m/s時,樣機實際運行時,樣機每30分鍾階段除濕量、能效係數隨運行時間變化情況。
結合實驗記錄,分析圖4~6 數據,我們可以出以下結論:
(1)初始輸入功率較大時,烘幹室內溫度上升較快,達到穩定運行所需要時間較少;但穩定運行以後,不同初始輸入功率工況瞬時功率消耗基本一致。
(2)在適當的範圍內,烘幹室設定溫度較高時,達到穩定運行所需要時間較長;運行初始階段除濕量較大,但隨後的衰減更快;而瞬時能效係數則始終相對較低。因為,溫度越高,水分蒸發越快,運行初始階段除濕量自然增加,但較高的烘幹室溫度必然導致圍護結構散熱損失加大,因此能效係數有所降低。
(3)在適當的範圍內,較高的送風速度有利於煙葉水分蒸發,較高的氣流速度強化了氣流介質與散熱器的熱交換,因此在較高的風速下,樣機達到穩定運行所需要的時間較少,能效係數較高。
(4)運行初始階段煙葉水分大,所以階段除濕量大,功耗也大,隨著煙葉水分減少,係統進入較穩定運行狀態,在設定的溫度下,除濕量減少,功耗相應減少;煙葉幹燥到一定程度,氣流濕度降低,與散熱器熱交換能力下降,能效係數在達到最大值後呈下降趨勢。
(5)係統整體效率主要取決於兩方麵:熱泵效率,它決定了係統由排氣中回收能量的能力;圍護結構散熱損失量的大小。由於實驗樣機采用特殊的循環流程,因此熱泵工作溫差較小,效率較高;但實驗記錄表明,由於圍護結構較薄,保溫性能差,因此散熱損失較大。
4.結束語
(1)熱電製冷裝置作為製冷係統效率較低,但作為熱泵係統,相對於直接利用電能加熱的裝置,其熱輸出效率(即致熱係數)卻較高,因而作為熱能利用係統,其節能效果是可觀的。
(2)樣機性能測試表明,熱電型熱泵排濕機與普通熱泵排濕比較具有節能、環保、安全兼備的優勢,而且係統簡單,調控便利,進一步改進後可用於煙葉密集烤房冷凝排濕,給新型烤房設計帶來方便。
(3)改善圍護結構保溫性能,可進一步提高係統效率。
(4)對比普通熱泵排濕,熱電型熱泵排濕機樣機可以節省電耗40%左右,為廢熱利用、新式烤房設計提供了新思路,具有重要的經濟意義和廣闊的發展前景。
符號意義:
I ——電流(A);
M——計算參數;
Q ——冷量、熱量(W);
R ——熱電材料電阻(Ω);
T ——溫度(K);
ΔT ——冷、熱端溫差(K);
W ——功率(W);
Z ——優值係數(K-1);
η——製熱係數;α——塞貝克係數(V/K);
 κ——熱電材料的熱傳導係數(W/m.℃)。
下標:
c——冷端;
h——熱端;
j——焦耳功耗;
k——熱傳導;
max——最大;
o——最優;
p——帕爾帖效應;
s——塞貝克效應; 
地址:
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