熱電制冷技術(shù)在船舶艙室熱環(huán)境控制中的應(yīng)用

徐雋霏，李小軍，周愛民，王世忠

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

熱電制冷技術(shù)在船舶艙室熱環(huán)境控制中的應(yīng)用

徐雋霏1，李小軍1，周愛民2，王世忠2

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

從熱電制冷技術(shù)原理出發(fā)，將熱電制冷與傳統(tǒng)機(jī)械壓縮式制冷的各固有特性進(jìn)行對比，介紹了2種船用空調(diào)系統(tǒng)的熱電制冷應(yīng)用方案及工藝流程;并根據(jù)船舶艙室溫濕度控制的需求，設(shè)計(jì)了一套水冷熱電制冷裝置，用于船舶艙室局部空間環(huán)境溫濕度的控制;最后分析研究了該熱電制冷裝置的特性，分別考察了制冷量與環(huán)境溫度、工作電流、制冷效率和工作電壓等參數(shù)之間的關(guān)系。

熱電制冷裝置;水冷;空調(diào)系統(tǒng)

0 引言

目前在船用空調(diào)領(lǐng)域中，盤管空調(diào)器作為主要的局部空調(diào)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，但其也存在著管路復(fù)雜、控制精度低、體積大、噪聲大等缺點(diǎn)。相應(yīng)的，應(yīng)用熱電式制冷技術(shù)的空調(diào)設(shè)備因具有無運(yùn)動部件、不使用制冷劑、工作無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，壽命周期長、外形輕巧、制冷迅速及制冷量調(diào)控方便等特性，已在軍事、航空航天、通信、電子制造等特殊領(lǐng)域的制冷空調(diào)和溫度控制上得到成功應(yīng)用［1］。

隨著船舶人機(jī)環(huán)技術(shù)的發(fā)展，要求居住艙室的背景噪聲、居住環(huán)境條件進(jìn)一步改善，提高居住艙室的熱舒適性，于是熱電制冷技術(shù)近年來受到關(guān)注。目前隨著各種人工半導(dǎo)體新材料制造技術(shù)的不斷深入，熱電制冷已突破傳統(tǒng)意義上制冷效率低的缺點(diǎn)，因水冷熱電制冷裝置在效率上優(yōu)于風(fēng)冷方式［2］，結(jié)合船用散熱環(huán)境，因而開展水冷式熱電制冷裝置的實(shí)驗(yàn)研究更具有實(shí)際意義。本文擬設(shè)計(jì)1套水冷式熱電制冷裝置，取代現(xiàn)行的水冷盤管式空調(diào)，開展其在船用局部空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，以提高船舶艙室的居住性。

1 應(yīng)用分析

1.1 熱電制冷原理

熱電制冷因其具有的熱電能量轉(zhuǎn)換特性，在通過直流電時能產(chǎn)生制冷效果而得名。熱電效應(yīng)中起主導(dǎo)作用的是珀?duì)柼?yīng)，因此熱電制冷其實(shí)是珀?duì)柼?yīng)在制冷技術(shù)中的應(yīng)用。實(shí)用的熱電制冷裝置是由熱電效應(yīng)比較顯著及熱電制冷效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。如圖1所示，把1只P型半導(dǎo)體元件和1只N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的1個接頭處，電流方向是N→P，該接頭溫度下降，從環(huán)境中吸收熱量，因而形成冷端;相反的，在下面的1個接頭處，電流方向是P→N，該接頭溫度上升，向環(huán)境放出熱量，形成熱端。借助對流、相變、傳導(dǎo)、熱輻射等各種換熱手段，使熱電偶的熱端在保持一定溫度的前提下，將產(chǎn)生的熱量不斷向環(huán)境散發(fā);把熱電偶的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱，使環(huán)境降溫，形成熱量借助熱電偶的流動，這就是熱電制冷的工作原理［3］。

圖1 熱電制冷原理Fig.1 Thermoelectric refrigeration theory drawing

在工程應(yīng)用中，鑒于1對半導(dǎo)體熱電偶對制冷量很有限，通常通過采用對P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合連接的形式，使前一級 (較高溫度級）的冷端是后一級的熱端散熱器，依次類推，構(gòu)成多級半導(dǎo)體制冷電堆［4］，從而滿足較大制冷量的需求。

1.2 熱電制冷與機(jī)械壓縮式制冷技術(shù)的比較

表1給出了熱電制冷裝置和機(jī)械式壓縮制冷裝置的特性對比 (其中4表示很好;1表示很差）。從表1可以看出，熱電制冷裝置與普通機(jī)械壓縮式制冷裝置的顯著區(qū)別在于:無需制冷劑，沒有運(yùn)動部件，使用直流電工作。由于不使用制冷劑，消除了制冷劑泄漏將對人體造成的毒害。由于沒有運(yùn)動部件，熱電制冷裝置運(yùn)行時，無噪聲、無振動、無磨損，因此工作可靠，維護(hù)方便，使用壽命長［5］。

對于船用封閉空間等特殊環(huán)境，對噪聲和振動有比較高的要求，維護(hù)操作亦力求簡便，熱電制冷是較理想的冷源。

就調(diào)節(jié)特性來說，熱電制冷裝置可以通過調(diào)節(jié)工作電壓來改變它的產(chǎn)冷量和制冷溫度;大型的熱電空調(diào)裝置，也可以通過改變電路的連接方式對產(chǎn)冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)幅度相對較大。熱電制冷裝置的這種優(yōu)良的可調(diào)性比較適合船舶局部艙室的使用要求。

鑒于熱電制冷的靜音、無污染、能量調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，在船用制冷空調(diào)領(lǐng)域，尤其是針對局部空間內(nèi)的應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)越性，或?qū)⒊蔀榇弥评淇照{(diào)的一個重要組成部分。

表1 熱電制冷技術(shù)與機(jī)械壓縮機(jī)制冷技術(shù)總體比較Tab.1 General comparison between the thermoelectric refrigeration and compression refrigeration

1.3 熱電制冷在船用空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用

熱電制冷可有2種工作方式應(yīng)用于船舶制冷空調(diào)領(lǐng)域。其一是熱電裝置的冷端設(shè)置水冷熱交換器，通過冷端吸熱冷卻來自艙室空調(diào)冷水系統(tǒng)的冷媒水，冷媒水溫度降低后由空調(diào)冷水系統(tǒng)的輸送設(shè)備送至船舶艙室內(nèi)各需冷用戶，達(dá)到制取空調(diào)冷水的目的，相當(dāng)于現(xiàn)有的船舶艙室內(nèi)的空調(diào)冷水制冷機(jī)組;其二是熱電裝置的冷端設(shè)置冷熱交換器，通過冷端吸熱冷卻來自艙室空調(diào)的回風(fēng)，對其降溫和除濕后再送回艙室中，達(dá)到對艙室空氣進(jìn)行降溫和除濕的目的。

1.3.1 熱電式冷水系統(tǒng)

圖2為熱電式冷水系統(tǒng)散熱系統(tǒng)原理圖。從圖中可以看出，該熱電制冷裝置熱電組熱端產(chǎn)生的熱經(jīng)放熱回路 (淡水）帶至海水熱交換器，由淡水與海水回路組成的熱交換器完成熱交換，將該能量釋放到10℃ ～28℃的海水回路中;同時冷端通過熱交換器吸收來自艙室空調(diào)冷水系統(tǒng)冷媒水?dāng)y帶的熱能，對冷媒水進(jìn)行降溫處理，制取5℃ ～7℃的冷媒水，再供給到艙室內(nèi)的各需冷用戶。

這類系統(tǒng)的制冷量可達(dá)幾百千瓦級，通過改變供電電壓進(jìn)行制冷量的調(diào)節(jié);同時，可依據(jù)系統(tǒng)回路中熱交換器出口處的水溫來控制裝置的供電電壓，形成系統(tǒng)的恒定水溫自動控制。

圖2 熱電式冷水機(jī)組原理Fig.2 Thermoelectric refrigeration chiller drawing

1.3.2 熱電式空調(diào)系統(tǒng)

熱電式空調(diào)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)艙室內(nèi)的空氣溫濕度，為工作人員和艙室內(nèi)設(shè)備提供一個適宜的工作環(huán)境，該系統(tǒng)由熱電式空調(diào)裝置、低噪聲風(fēng)機(jī)、淡水泵、海水熱交換器、消音器、減振接管和電氣控制箱等組成(見圖3），其制冷量通常在千瓦級～幾十千瓦級。

圖3 熱電式空調(diào)系統(tǒng)原理Fig.3 Schematic drawing of thermoelectric air conditioning system

其工作原理是:空調(diào)系統(tǒng)將艙室內(nèi)的熱空氣，送到熱電式空調(diào)裝置的冷端，由冷端對其吸熱降溫后，再送回艙室;冷端吸收的熱量經(jīng)熱電效應(yīng)傳給熱端;冷水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的淡水將空調(diào)裝置熱端的熱量帶至海水熱交換器，再通過海水熱交換器向外界排熱。

熱電式空調(diào)系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)艙室溫度，即該系統(tǒng)可通過設(shè)定熱電式空調(diào)裝置出口處的空氣溫度，依據(jù)裝置出口處的實(shí)際空氣溫度與設(shè)定溫度的差值，進(jìn)行供電電壓的自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)艙室內(nèi)空氣溫度的目的。當(dāng)艙室的空調(diào)熱負(fù)荷小于空調(diào)裝置的產(chǎn)冷量時，裝置出口處空氣溫度小于設(shè)定溫度，自動降低裝置的供電電壓，進(jìn)而減小產(chǎn)冷量;當(dāng)空調(diào)熱負(fù)荷超過裝置的產(chǎn)冷量時，裝置出口處空氣溫度大于設(shè)定溫度，自動升高裝置的供電電壓，直至空調(diào)裝置全負(fù)荷工作，最大限度地降低艙室溫度。

2 水冷熱電式空調(diào)裝置

熱電制冷在能量轉(zhuǎn)化、熱量傳遞各環(huán)節(jié)中，存在焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)、有限傳熱等內(nèi)外不可逆性因素，以及電流、冷卻水溫度等運(yùn)行條件，為開展熱電制冷技術(shù)在船舶艙室熱環(huán)境控制的應(yīng)用可行性分析，本文通過設(shè)計(jì)一臺水冷式熱電空調(diào)裝置，就此進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，分析考察其實(shí)用性以及變工況控制特性，探索提高其效率的技術(shù)途徑。

本文設(shè)計(jì)的水冷式熱電制冷裝置屬于局部空調(diào)器，類似于目前使用的盤管式空調(diào)器，外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置的標(biāo)準(zhǔn)制冷量為4 kW，風(fēng)量為800m3/h。

該裝置由以下幾部分組成:

1）冷端型材散熱器。冷端采用特殊的高密、高倍齒鋁型材散熱器，總散熱面積達(dá)9.5 m2;

2）熱端水冷散熱器。進(jìn)出口溫度差7℃，水流量1 m3/h;

3）熱電制冷片?？偣╇婋妷?～216 V DC可調(diào)，電流0～30 A可調(diào);

4）采用可拆卸式風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)道系統(tǒng)。

圖4 水冷式熱電制冷裝置外形結(jié)構(gòu)Fig.4 Water-cooled thermoelectric refrigerator drawing

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。為考察其實(shí)用性以及變工況控制特性，主要的測試參數(shù)包括進(jìn)出口溫度、空氣處理前后相對濕度、送風(fēng)風(fēng)量、冷卻水流量等。

實(shí)驗(yàn)所需的主要測量儀器儀表主要由以下部分組成:定制直流穩(wěn)壓電源輸出電壓0～220 V DC，輸出電流0～30 A;多功能測溫儀;風(fēng)速儀;功率計(jì);冷卻水流量計(jì);便攜式采集計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)測試中，工作電壓調(diào)節(jié)分為4個等級，調(diào)節(jié)范圍為54～216 V;用風(fēng)速儀測量風(fēng)量Qa;在熱電制冷裝置進(jìn)、出風(fēng)口各布置1個測點(diǎn)，用多功能測溫儀測量空氣側(cè)進(jìn)口溫度Th和出口溫度Tc;用流量計(jì)測量冷卻水的流量Qw，用溫度計(jì)測量水側(cè)的進(jìn)口溫度Twi和出口溫度Two，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過程中，保持冷卻水側(cè)的流量為1 m3/h，水進(jìn)口溫度為8.4℃，出口溫度為14.3℃。對不同進(jìn)口溫度、不同電源電壓下制冷效果分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

圖5 水冷式熱電制冷裝置試驗(yàn)原理與測試Fig.5 Schematic drawing of water-cooled thermoelectric refrigerator test

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量

按照標(biāo)準(zhǔn)制冷工況，保持額定電壓為DC 216 V，改變進(jìn)口溫度為32.2℃和26.5℃時，電流A，功率值P，制冷量Qo，制冷效率如表2所示。

表2 不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)制冷量試驗(yàn)記錄表Tab.2 List of normal refrigeration capacity experiment under different temperature

從表2可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，制冷量、制冷效率隨著上升，但其電功率消耗反而減小，其原因是環(huán)境溫度升高后，熱電偶兩端溫差加大，抵消的電源電勢也較大所致［6］。

3.2.2 變工況制冷量

分別調(diào)節(jié)電壓至DC 216V，162V，108V，54V，該空調(diào)器的制冷量在0.58～3.94 kW，制冷效率在0.74～1.44之間，把4.8～7.3 m/s的空氣冷卻到10℃ ～13℃，所需電流強(qiáng)度為7.5～24.5A。

電流A和制冷量Qo隨電壓變化的關(guān)系如圖6所示，功率值P和制冷效率隨電壓變化的關(guān)系如圖7所示。

從圖6～圖7可以看出，隨著電壓的升高，制冷量和電流強(qiáng)度同時增加，導(dǎo)致功率也隨著增加，但是制冷效率并不是正比增加，制冷效率先增加到一定程度后，隨之下降后又出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明熱電制冷裝置的效率在一定的環(huán)境溫度下，存在一個最佳工作點(diǎn)。

圖6 電流強(qiáng)度、制冷量隨電壓值變化關(guān)系Fig.6 Relation between electric current，refrigeration capacity and voltage

圖7 電功率、制冷效率隨電壓值變化關(guān)系Fig.7 Relation between power，refrigeration efficiency and voltage

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

1）熱電制冷技術(shù)作為一種低噪聲的制冷裝置，相比傳統(tǒng)的機(jī)械壓縮式制冷裝置，其無污染、無振動、低噪聲、配置靈活、調(diào)節(jié)和控制方便的重要優(yōu)點(diǎn)，特別適用于船用局部空間熱環(huán)境控制上;

2）熱電空調(diào)裝置的工作電壓、電流強(qiáng)度、環(huán)境條件、冷卻方式等工作參數(shù)對裝置的制冷效率、制冷量有著十分重要的影響，各種工況下，制冷效率存在著一個最佳值，在實(shí)際船用熱電空調(diào)裝置設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)應(yīng)用時應(yīng)該充分予以考慮。

4.2 展望

本文完成了熱電空調(diào)裝置的研制以及額定工況和變工況的考核，其性能可滿足實(shí)船上局部空間的熱環(huán)境控制。但是由于其制冷系數(shù)低，對電能需求很大，這使得熱電空調(diào)系統(tǒng)不可能全部大規(guī)模地應(yīng)用于船舶艙室中。

在下一步的工作中，可以通過試驗(yàn)分析焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)、有限傳熱等內(nèi)、外不可逆因素對實(shí)際熱電系統(tǒng)性能的相對影響，研究冷熱媒溫度比值、工作電流變化與實(shí)際熱電制冷系統(tǒng)性能的關(guān)系，并進(jìn)而確定實(shí)際熱電制冷系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況區(qū)域，為指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓展熱電制冷應(yīng)用范圍提供技術(shù)支撐。

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App lication research on the thermoelectric refrigeration technology used in the control of thermal environment

XU Jun-fei1，LIXiao-jun1，ZHOU Ai-min2，WANG Shi-zhong2
(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China;2.Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper firstly introduces the refrigeration principle of the thermoelectric refrigerating technology，compareswith the traditional compression refrigerating system and presents the two kinds of the thermoelectric refrigerating program and system process used in the ship air conditioning system.Also a set of water-cooled thermoelectric refrigerator as a new type local air conditioner is designed，which could substitute water-cooled coined cooler.Finally this paper studies the different parameters relation such as the temperature、working current、refrigeration capacity and so on.

thermoelectric refrigeration;water-cooled;air conditioning system

TB69

A

1672－7649(2013）03－0069－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.015

2012－05－04;

2012－06－06

徐雋霏(1971－），女，高級工程師，從事船舶大氣環(huán)境控制系統(tǒng)研究。