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半導體制冷與固體除濕結(jié)合裝置的性能

半導體制冷（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 果成為制約半導體制冷效率的主要因素。半導體制冷在空氣除濕領(lǐng)域的應用研究日趨深入，但傳統(tǒng)的冷卻除濕要求半導體冷端 溫度較低，使半導體制冷效率降低。建立半導體制冷（熱管排熱系統(tǒng)）、固體吸附劑結(jié)合的除濕模型，通過6級半導體制冷與熱管 散熱系統(tǒng)的實驗裝置對干工況進行模擬驗證,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：當除濕量與文獻 中半導體冷卻除濕裝置相同時，該半導體與固體除濕結(jié)合的模型的系統(tǒng)COP為1.78,明顯高于文獻中裝置的COP。說明結(jié)合固 體吸附劑后可以加強傳質(zhì)動力提高冷端溫度,從而提高系統(tǒng)性能。

半導體制冷是熱電制冷的別稱，因為半導體材料 是一種較好的熱電能量轉(zhuǎn)換材料，熱電制冷器普遍釆 用半導體材料制成。其原理為當直流電通過具有熱 電轉(zhuǎn)換特性的導體組成的回路時具有制冷功能⑴。 半導體制冷有降溫迅速、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

由于半導體制冷片冷熱端面的散熱密度很大,可 達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、空氣強迫對流散熱等。

利用半導體制冷的優(yōu)勢對空氣除濕也成為 一大研究方向，研究表明，合適的風量和半導體級數(shù)可以達到除濕目的，但冷卻除濕需要較低的冷端溫度 （低于被處理空氣的溫度），此時半導體系統(tǒng)效 率過低。故建立半導體除濕模型，其中用熱管系統(tǒng)加 強換熱效果，同時引入固體吸濕材料來保證除濕效果 的同時提高冷端溫度，以此提高系統(tǒng)效率。首先用6 級半導體制冷與熱管散熱系統(tǒng)的制冷裝置對該模型 的部分參數(shù)進行驗證，再模擬有固體吸濕材料時的除 濕能力和效率，并與文獻中兩級半導體冷卻除濕裝置 的實驗效果進行對比。

工作原理

半導體制冷主要基于帕爾帖效應,即直流電通過 兩種不同導電材料的回路時，回路的一端接觸面上放熱、另一端接觸面上吸熱。此外，直接相關(guān)的還有焦 耳效應和傅里葉效應，多種效應作用下形成溫度較低 的冷端和溫度較高的熱端，冷端可用來制冷。冷端的 制冷效果和效率與半導體制冷材料性能、熱端的散熱 情況、系統(tǒng)電流、冷熱端溫度等直接相關(guān)。目前較好 的散熱方式有熱管散熱系統(tǒng)、空氣強迫對流散熱、水 冷散熱等。

當冷端溫度較低時可直接對空氣冷卻除濕，但此 時空氣出口溫度偏低且制冷系統(tǒng)效率偏低。而固體 吸濕材料對水蒸氣分子吸附或脫附實現(xiàn)除濕與再生， 其除濕作用主要與吸濕材料含水率、空氣相對濕度相 關(guān)，即其除濕不需要低于空氣的溫度。因此，若 將半導體制冷與熱管散熱、固體吸濕相結(jié)合,將可實 現(xiàn)散熱、除濕的性能。