半导体制冷应用于新型膜组件冷腔的试验研究

尹秀翠 邢世录 杨晓宏 杨胜男 田 瑞，2

(1内蒙古工业大学能源与动力工程学院 呼和浩特 010051)

(2内蒙古可再生能源重点实验室 呼和浩特 010051)

半导体制冷应用于新型膜组件冷腔的试验研究

尹秀翠1邢世录1杨晓宏1杨胜男1田 瑞1，2

(1内蒙古工业大学能源与动力工程学院 呼和浩特 010051)

(2内蒙古可再生能源重点实验室 呼和浩特 010051)

以新型气隙式膜蒸馏冷腔为研究对象，拟寻求合适的制冷源来代替大型、高耗能的制冷机。实验采用大空间空气强制对流散冷和循环水浴散热的方式，测试分析在特定条件下半导体冷端温度的变化规律，探求适合于空气隙膜蒸馏冷腔的片数及运行工况。研究结果表明，散热循环水浴流量和温度对半导体冷端的温度影响很大，环境温度的变化对半导体冷端温度也有一定的影响。同时并且适合于长时间运行，制冷迅速，稳定性好。在风机风量每小时60立方米，室温24℃，散热循环水浴流量每小时700升，温度20℃的条件下，半导体冷端温度是9.7℃，可以达到膜蒸馏冷腔所需的温度条件。可以作为优化气新型隙式膜组件冷腔的首选方案。

空气隙膜蒸馏 半导体制冷 冷端温度 散热循环水浴 膜冷腔

1 引言

气隙式膜蒸馏(Air Gap Membrane Distillation)技术是一种新型的并接式膜蒸馏系统，如图1所示。与传统膜蒸馏技术的不同之处是，在冷端与热端之间有一层约1—4 mm厚度的空气层，具有蒸馏液可单独收集，热效率高的优点［1］。适用于腐蚀性及放射性废液的提取［2］，海水及苦咸水淡化等。气隙式膜蒸馏技术由热工质循环系统、冷工质循环系统两个系统组成。待处理液经加热后即热工质，流入膜热腔，在热腔中靠近膜面处的热工质汽化;冷工质在恒温冷水箱用制冷机进行制冷，流入膜冷腔;利用蒸汽压力差为推动力，使得水蒸气透过膜面在冷端冷凝，而实现苦咸水的淡化。为了提高膜通量，已经在热工质采用旋转切向入流［3-4］等方面做出了优越的成果。温差与膜通量是成幂函数［5］关系，在以往的研究中，都是膜冷端温度保持在10℃不变，通过升高膜热端温度的方式来增大温差，如果保持热工质温度不变，降低冷工质温度，同样可以增大温差，但通过制冷机制冷将常温水(夏季22℃，冬季19℃)降温到10℃时，所消耗的功率非常大，所以寻找合适的冷源代替制冷机制冷是非常有必要的。

半导体制冷是利用热电效应的原理制冷，具有绿色环保;无机械转动、制冷迅速，而且便于通过工作电流大小实现可控调节等众多优点，目前已在低温超导技术、低温电子学，通讯技术，航空，红外技术以及空间技术等领域广泛应用［6-7］。

本研究基于半导体制冷原理的空气隙膜蒸馏组件冷端设计，在此基础上对半导体制冷片与膜冷腔的匹配进行了初步试验。试验采用水冷式散热方式［8］对半导体热端进行散热，冷端采用风机吹扫式大空间强制对流换热。针对一片和四片半导体制冷片在特定工况下的半导体制冷性能试验研究。

2 半导体制冷原理和影响因素

2.1 半导体制冷原理

2.2 影响半导体制冷性能的因素

影响半导体制冷性能的因素有半导体自身加工工艺和外部因素的影响。加工工艺的因素有附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换及元件性能等［9］;外因有热端散热方式［10］、冷热端温差、供电方式［9］等。

2.3 半导体制冷量的计算

式中:QC为制冷量，J;Qh为热端散热量，J;P为输入功率，W;cp为散热循环水的比定压热容，常温常压下cp=4.183 kJ/(kg·K);qv为散热循环水流量，L/h;ρ为散热循环水密度，取1 kg/L;ΔT为散热循环水进出口温差，℃;U为半导体制冷片工作电压，V;I为半导体制冷片工作电流，A。

式中:η为制冷效率。

3 实验装置流程

整个实验装置由半导体制冷散热系统、半导体供电装置以及测量系统几部分组成，实验流程如图1所示。

图1 实验装置流程图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

半导体制冷散热系统由半导体、插片式散热器、铜片、导流水槽、恒温水箱、风机等部件组成。半导体冷面通过导热硅脂与铜片粘贴，为半导体的冷端。半导体热面通过导热硅脂与插片式散热器粘贴，为半导体的热端。冷端产生的冷量通过风机带走，即冷端附加的是大空间制冷;热端产生的热量通过散热循环水浴带走，半导体制冷片安装在铜片中心位置，安装结构示意图如图2所示。热端散热系统的主体构件是恒温冷水箱，恒温冷水箱的水通过恒温冷水箱的出口，由升压水泵的升压作用，经过玻璃浮子流量计，到达半导体热端的槽式散热片，之后回到恒温冷水箱。

图2 安装结构及测温点布置图Fig.2 Mounting structure and temperature measuring point layout

半导体供电装置采用的是直流稳压电源，半导体电线与导线之间用锡焊焊接，以降低阻值。

测量系统由温度测量系统和流量测量系统组成。温度测量采用的是铜-康铜热电偶和TP700多路数据记录仪。实验装置散热工质流量的测量采用玻璃浮子流量计。

如LN省所辖市、县在2011—2014年期间出现的财政数据造假事件，征收土地增值税等5671万元，虚增国有资本经营收入6965万元等，辽宁省岫岩县虚增财政收入8.47亿元，超同年实际财政收入的127%。严重干扰了中央对LN省经济形势决策，与其转移支付规模，影响了市县政府的可用财力、民生保障能力。对此，需要进一步加强业务指导和监督检查。

4 实验仪器及数据处理方法

4.1 实验过程中所选用的器材

实验所选用的器材主要有半导体制冷片，型号为TT211909-4;单项多翼离心式鼓风机，型号为DF-4;直流电源，型号为KXN-3060D;玻璃浮子流量记，型号为LZB;TP700多路记录仪，型号为TP700-32。

4.2 温度测点的布置

温度测量的是固体壁面的温度，热电偶探头紧贴铜片表面，用导热胶布固定。温度测点的布置如图2所示，半导体冷壁设置5个监测点，分别在半导体所在的中心位置和四个边角，散热循环水浴进出口各一个，如图2中序号1、2所示，环境温度5个分别布置在5个不同的位置。

4.3 实验参数的设定

实验设定参数循环水流量为100—800 L/h，风机风量为660 m3/h。

4.4 实验数据处理方法

实验中应用了型号为TT211909-4，尺寸50 mm×50 mm的半导体制冷片，采用水冷式散热方式，以及风机大空间吹扫的换热方式，进行了在不同输入电流条件下、不同散热循环水浴温度条件下半导体制冷片表面温度的变化情况以及环境温度对制冷片表面温度的影响。热电偶所测得的温度都经过线性修正处理，半导体冷壁温度和环境温度都采用的是5个热电偶测得的平均值。

5 实验结果分析

5.1 半导体制冷片的响应时间

半导体运行过程中，稳定性对其实际应用影响非常大，图3为I=8 A，散热循环水浴温度为20℃恒定不变，运行时间2 h时，半导体冷壁温度随时间的变化曲线图。由图4可知，在接通电源5 min内半导体冷壁温度变化很大，变化范围在0.7℃左右;5 min之后，半导体冷壁温度趋于稳定，温度变化范围在0.4℃左右，20 min后，温度变化范围在0.2℃范围内，基本上稳定在21℃。可见尺寸为50 mm×50 mm，TT211909-4型的半导体制冷片运行稳定性非常好。制冷响应时间快，接通电源，温度即刻降低，大幅度缩短了冷腔制冷所需时间，不但降低了能耗且优化了整套太阳能空气隙膜蒸馏系统，由低耗、高效的半导体制冷片代替了高耗、低效的大部件制冷机。

图3 半导体制冷的响应时间Fig.3 Response time of semiconductor refrigeration

5.2 环境温度对半导体制冷片的影响

图4给出了不同输入电流的情况下，环境温度对半导体冷壁温度影响的变化趋势。由图5可以看出，当输入电流I不变时，随着环境温度的升高，半导体冷壁温度随之升高。以输入电流I=6 A为例，当环境温度由29.1℃升高到29.4℃时，冷壁温度由21.9℃升高到22.4℃。随着环境温度的升高，冷端散冷强度增大，空气从制冷面吸收的冷量增大，致使制冷面温度增高。可见当热电制冷器热端散热强度满足要求时，被冷却介质工况的变化会影响制冷温度。

图4 室温对冷壁温度的影响Fig.4 Influence of environment temperature on wall temperature

5.3 一片半导体不同输入电流工况下的温度情况

通过实验可以得出在该实验条件下输入电流与半导体冷端温度的关系，如图5所示。由图5可知，随着输入电流的增加，当I小于8 A时，冷端温度随着电流的增加而降低;电流大于8 A时，冷端温度随着电流的增加而升高，当I=8 A时达到最低，TC=20.9℃，这是由于电流大于8 A以后，热端产生的热量水浴不能完全带走，而通过半导体垂直传到冷端，使得冷端的温度升高。在I=6 A处，冷壁温度升高是由于环境温度高而导致的。

图5 输入电流对半导体冷壁温度的影响Fig.5 Input current?on effect of semiconductor cooling wall temperature

5.4 散热循环水浴温度对半导体冷壁温度的影响

散热强度对半导体制冷有积极的影响，散热循环水浴温度越低，半导体制冷效果越好。由图6可知，输入电流I=8 A恒定不变，散热循环水温温度为10℃时，冷壁温度基本稳定在14.5℃;散热循环水温温度为15℃时，冷壁温度基本稳定在15.3℃;散热循环水温度为20℃时，冷壁温度基本稳定在21℃。由此可以看出散热循环水温越低，半导体冷壁温度越低，制冷效果越好。这是由于水浴温度低与半导体热端温差大，热量被带走得速度快，故水浴温度越低，制冷效果越好。

图6 散热循环水温度对冷壁温度的影响Fig.6 Cooling circulating water temperature on effect of cooling wall temperature

5.5 在I=28 A 4片半导体的制冷性能

由于一片半导体制冷片在现在给定的条件下，达不到膜冷腔的温度需求，现将4片半导体并联，输入I=28 A的电流，则每片半导体的输入电流为7 A，当散热循环水浴流量由100 L/h变换到800 L/h时，冷壁温度及相应进出口温差的变化如图7所示。由图7可知随着散热循环水浴流量的增大，温度逐渐降低，而温差亦是随着流量的增大，在不断减小。这是由于，当流量小于700 L/h时，热端产生的热量不能被散热循环水浴完全带走，热量通过半导体传到了冷壁，使得温度升高;当流量大于700 L/h后，热端产生的热量可以完全被带走，冷壁温度和温差均不再降低，并且冷壁温度TC = 9.7 ℃，低于10 ℃，能够达到膜冷腔温度的要求，为半导体制冷片应用于气隙式膜蒸馏提供了有利的前提条件。

图7 不同流量下的变化曲线Fig.7 Under different flux curve

6 结论

本研究在半导体冷端为大空间制冷，热端为循环水浴散热的条件下进行的。为实现太阳能膜蒸馏冷腔与半导体制冷相结合，研究半导体冷面在一定实验条件下的温度变化情况是十分有必要的。根据实验结果得到了如下结论:

( 1) 设定电流I = 8 A，散热循环水温度20 ℃不变，运行时间为2 h，得出半导体制冷片的制冷响应时间非常快，而且长时间运行稳定性好，并且环境温度对冷壁温度影响很大。

( 2) 设定散热循环水温度和输入电流不变，改变循环水流量，得出半导体冷面温度随流量降低而升高，随着循环水温度降低而降低。并且在特定条件下，能达到膜冷腔的温度需求。

参考文献

1 Lawson K W，Lloyd D R. Review: Membrane distillation［J］. Journalof Membrane Science，1997，124( 1) : 1-15.

2 Zakrzewska-Trznadel G，Harasimowicz M，Chemielewski A G. Concentrationof radioactive components in liquid low-level radioactivewaste by membrane distillation［J］. Journal of Membrane Science，1999，163( 2) : 257-264.

3 高虹，田瑞，杨晓宏. 空气隙膜蒸馏系统对流换热实验研究［J］. 能源研究与利用，2008( 1) : 22-24.

4 田瑞，李嵩，杨晓宏. 高通量空气隙膜蒸馏系统的实验研究［J］. 清华大学学报( 自然科学版) ， 2007，47( 11) : 2056-2059.

5 尹招琴，田瑞，单伟忠. 空气隙膜蒸馏过程传质的强化［J］. 膜科学与技术，2007，27( 5) : 27-30.

6 李洪斌，杨先. 半导体制冷技术原理与应用［J］. 现代物理知识，2009， 19( 5) : 34-36.

7 Buist R J. A simplifed method for thermoelectric heat pump optimization［C］. Proceedings of the 3International Conference on ThermoelectricEnery Conversion，1980，130-134.

8 Huang Hsiangsheng，Weng Yingche，Cheang Yuwen，et al. Thermoelectricwater-cooling device applied to electronic equipment［J］. InternationalCommunications in Heat and Mass Transfer，2010，37( 2) : 140-146.

9 侯传勋，张志利，赵亮清，等. 基于典型工况的半导体制冷系统优化方式探讨［J］. 低温与超导， 2011，39( 3) : 16-23.

10 黄焕文，冯毅. 半导体制冷强化传热研究［J］. 制冷技术，2010，38( 8) : 60-63.

Experimental investigations of semiconductor refrigeration applied to new model membrane component cooling cavity

Yin Xiucui1Xing Shilu1Yang Xiaohong1Yang Shengnan1Tian Rui1，2

(1College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010051，China)
(2Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Renewable Energy，Huhhot 010051，China)

Based on the new air gap membrane distillation cooling cavity，it is explored to seeking a suitable refrigeration source instead of large，high energy consumption of the refrigerating machine.Using a large space air forced convection cold dispersion and circulator bath cooling way，semiconductor cold end temperature variation was tested on specific conditions，semiconductor number and operation conditions of air gap membrane distillation cooling cavity were probed.The results showed that cooling circulating water flow rate and temperature changes played an important role on changing the semiconductor cold end temperature.Besides the change of environment temperature also effected the semiconductor cold end temperature partly.At the same time，the preferred scheme of optimization air gap new membrane component cooling cavity suitable for long time operation，rapid cooling，good stability was also determined.The semiconductor cold end temperature is 9.7℃ on condition that the fan air volume is 600 cubic meters per hour，the room temperature is 24℃，the cooling circulating water flow is 700 liters per hours，the temperature is 20℃.Meanwhile，this scheme is suitable for distillation temperature.

book=24,ebook=88

air gap membrane distillation;semiconductor refrigeration;cold end temperature;cooling circulating water bath;membrane cooling cavity

TB69，TB61

A

1000-6516(2013)

2012-11-29;

2013-02-0401-0023-04

国家自然科学基金资助项目(51266007)，内蒙古自然科学(重大)基金(2010ZD09)资助。

尹秀翠，女，26岁，硕士研究生。