熱電空氣消毒系統(tǒng)

季仁才 彭桂龍 徐振偉 楊諾? 郝磬

1)(華中科技大學能源與動力工程學院,武漢 430074)

2)(亞利桑那大學航空航天與機械工程系,亞利桑那州圖森市 美國 85721-0119)

流行性病毒嚴重影響著人類健康和社會正常運行,因此有效殺滅病毒變得尤為重要。本文對熱電空氣消毒系統(tǒng)的傳熱性能進行研究,該系統(tǒng)利用半導體熱片具有冷熱兩端的特點,可以實現(xiàn)對空氣加熱（可用于消毒）與冷卻降溫至舒適溫度.測量結果顯示流入系統(tǒng)的空氣首先被升至80 ℃進行消毒,之后被冷卻降溫至35 ℃.該系統(tǒng)總的能量利用率最高可達1.2.此外,結合測量結果和數(shù)值計算,本文分析了熱電片級數(shù)、輸入功率、空氣流量以及邊界保溫等參數(shù)對系統(tǒng)傳熱性能和能量利用率的影響.該系統(tǒng)在公共衛(wèi)生、醫(yī)療、和家庭等空氣消毒領域具有應用潛力.實際消毒效果需要結合醫(yī)學應用進一步研究.

1 引言

病毒具有較強的傳染性,嚴重影響著公共衛(wèi)生和生命健康,例如埃博拉[1,2]、甲型H1N1[3,4]、天花[5,6]、HIV[7,8]等病毒.有些種類病毒是通過空氣等氣溶膠等途徑傳播,例如SARS[9,10]和新型冠狀病毒[11,12].根據(jù)世界衛(wèi)生組織[13]和coronavirus.app[14]的統(tǒng)計數(shù)據(jù),截止到2022 年2 月中旬,新型冠狀病毒導致全球累計確診421930425 例,死亡5891516 例.為阻斷這類病毒傳播,有效殺滅空氣中的病毒尤為重要.

空氣消毒方法一般有紫外線、等離子、熱消毒等[15].紫外線消毒無法照射到縫隙中的病毒,而且會在空氣中產(chǎn)生臭氧,以及對人體容易造成損傷[16,17].而通過空氣加熱滅活病毒的方法具有簡單、方便、快速、安全性高和經(jīng)濟性強等優(yōu)點,且可將縫隙中的病毒失活[18].

大多數(shù)病毒都不耐高溫[19-25],Wang等[20]在56 ℃下測試30 min,發(fā)現(xiàn)加熱對SARS-COV-2滅活有效果.Chin等[22]證明,當溫度升至70 ℃時,SARS-COV-2 滅活所需的時間僅需要5 min.Burton等[19]測試了在56—95 ℃范圍內的消殺,溫度越高所需的消殺時間也越短,95 ℃只需要1—5 min 即可.上述工作證明熱法消殺病毒可行,且隨著溫度增高消毒效果增強、消殺時間縮短.

在熱法消殺對病毒的基礎上,結合吸附過濾的方法會顯著提高消毒效果.Trancossi等[26]提出可以通過熱力學、傳熱傳質等方面的研究進行詳細分析,以顯著減少大流行感染的影響和新的全面封鎖的經(jīng)濟風險.Ren等[27]設計并分析一種新型的基于Ni 泡沫的加熱過濾裝置,溫度可達100 ℃及以上,降低SARS-COV-2 等通過空氣傳播的風險.Correia等[28]提出暖通空調系統(tǒng)如果使用不當可能會導致SARS-COV-2 的傳播,同時Rezaei等[29]提出一種先進的潔凈室系統(tǒng),該系統(tǒng)可以利用廢氣的回收熱量從通風系統(tǒng)中消除冠狀病毒.Shan等[30]提出一種具有優(yōu)異自消毒性能和便攜性的新型低成本電熱面罩,可以達到80 ℃以上的高溫,殺死大部分附著在過濾層上的已知病毒.

然而,熱法消毒在應用中也存在相應的問題.比如Shan等[30]提出的一種加熱過濾面罩、Ren等[27]設計的一種基于Ni 泡沫加熱過濾裝置消毒后的高溫空氣無法直接呼吸、不符合人體的舒適溫度,使用中還需配合額外的冷卻裝置.因此,筆者前期的工作[31]提出熱電空氣加熱與冷卻一體式消毒的方案.熱電器件在通電的情況下可以在兩側產(chǎn)生溫差,即通電時可以一側制熱、另一側制冷,符合加熱消殺并且冷卻降溫的要求.

本文對熱電空氣消毒系統(tǒng)的溫度變化和能量效率進行研究.首先,搭建熱電空氣加熱與冷卻一體式消毒系統(tǒng).其次,研究系統(tǒng)半導體熱電片數(shù)量、輸入功率、空氣流量、保溫層厚度等參數(shù)對熱電消毒系統(tǒng)溫度和能量利用率的影響.最后對比實際應用與仿真計算邊界絕熱情況的差別,并提出系統(tǒng)在后續(xù)可優(yōu)化和進一步研究的方向.

2 系統(tǒng)和方法

2.1 系統(tǒng)設計

熱電消毒系統(tǒng)的三維結構如圖1 所示,這個系統(tǒng)主要包括流體區(qū)、換熱翅片和半導體熱電片幾個部分區(qū)域,它是一個帶擋板的長方體通道,系統(tǒng)整體尺寸為742 mm× 102 mm× 84 mm.流體區(qū),簡單來說工質就是空氣,空氣在管道內流動的區(qū)域就是流體區(qū).換熱翅片的作用是加強空氣在流動時與壁面的換熱,從而能夠更好地加熱消毒和冷卻降溫.另外在空氣流動過程中,翅片還可以對空氣中的病毒起到一定的吸附作用.肋基尺寸是60 mm×60 mm× 2 mm,肋基上有9 個板狀肋片,肋片厚度1.25 mm,間距6.3 mm,高度18 mm.半導體熱電片的尺寸為62 mm× 62 mm× 4.2 mm,上下有兩個陶瓷板,中間有成對的半導體材料熱電元件,這些熱電元件通過銅互相連接.整個系統(tǒng)選擇10 個熱電片,標記為TE01—TE10,這種設計可以控制熱電片的每一級通過小電流產(chǎn)生很小的壁溫差,使空氣逐漸上升然后逐漸冷卻,由于電流較小,耗功較少,可以獲得更高的系統(tǒng)性能系數(shù).流體從入口進入加熱段,如圖中虛線所示,經(jīng)最后一個半導體熱電片TE10 折流后進入冷卻段,然后流出,總體呈現(xiàn)出英文字母U 字形.

該系統(tǒng)具有以下特點: 1)系統(tǒng)結合半導體熱電片自身的特征及空氣消毒凈化的方式,相應設計利用熱電器件進行熱端消毒冷端冷卻應用一體化系統(tǒng),并對其主要部分如半導體熱電片、空氣消毒凈化流道和空氣輸出流道的結構及其具體布置方式進行設計和研究,相應的可充分利用半導體熱電片同時制熱、制冷的特點,對空氣進行高溫消毒,并將加熱消毒后的空氣溫度冷卻降至一定的溫度;2)由于半導體熱電片是一個個封裝好的模塊,體積小便于擴展,如圖1 所示是采用10 塊半導體熱電片,其實可根據(jù)具體的場景需要、溫度需要進行加長和縮減,系統(tǒng)具有良好的擴展性能;3)采用多個半導體熱電片串聯(lián)組成的系統(tǒng),可以實現(xiàn)空氣溫度逐漸上升和下降,每一級半導體熱電片熱端和冷端溫差小從而可以減少耗功,提高能量利用率;4)可以在最后一個熱電片熱端加上過濾吸附裝置,比如熔噴布等,采用熱法消毒和過濾吸附相結合的方式,使得病菌吸附在高溫段,降低加熱時間的影響;5)這個系統(tǒng)只是其中一種應用,可以推廣到一大類熱電加熱冷卻的系統(tǒng)和方法,與不同的空氣設備相結合,如中央空調、空氣凈化器等設備.

圖1 熱電消毒系統(tǒng)結構示意圖Fig.1.Diagram of thermoelectric disinfection system.

2.2 性能參數(shù)

由圖1 的結構模型和系統(tǒng)介紹可知,熱電消毒系統(tǒng)涉及熱電帕爾貼效應和空氣流動傳熱兩個過程,為衡量空氣換熱量多少,認為空氣的物性在溫度變化不大時保持不變,可根據(jù)測量的溫度以及空氣的物性進行計算:

其中qm是空氣流量,Cp是空氣定壓比熱,T1和T2是空氣在兩個狀態(tài)下的溫度.

考慮到設計的裝置同時利用熱端與冷端兩方面的溫差來進行換熱,而大多數(shù)熱電裝置的應用都是用于制冷,為衡量系統(tǒng)的設計情況,除需要滿足溫度熱端消殺冷端冷卻的條件外,還需要觀察整個系統(tǒng)的能量利用率情況,對于這個系統(tǒng),在這里定義系統(tǒng)的總能量利用率COP*、冷端能量利用率COPc和熱端總能量利用率COPh:

其中Qc和Qh分別是空氣在半導體熱電片兩端的換熱量,Wte是半導體熱電片的輸入功耗,實際測量時可根據(jù)電源進行讀取,同樣也可以根據(jù)下式進行計算:

其中Sm和Rm分別是半導體熱電片的總塞貝克系數(shù)和總電阻,I是電流,ΔT是半導體熱電片兩側的溫差.

2.3 系統(tǒng)搭建

根據(jù)圖1 的設計搭建實驗測試系統(tǒng),主要包括半導體熱電片、換熱片、電源、風扇、流量計、熱電偶、XPS 泡沫等(如圖2 所示).整個熱電消毒測量系統(tǒng)由多個半導體熱電片TEC1-12730(圖2(a))和換熱翅片基本單元組成,然后進行多級串聯(lián)(圖2(b)).半導體熱電片市場上可以購買到,Bi2Te3熱電材料的參數(shù)可以參考文獻:S=2.06×10-4V/K,σ=100000 S/m,κ=1.5 W/(m·K)[32].電源給半導體制冷片供電后,紅色線代表電源接正極,黑色接負極,在半導體熱電片兩側分別涂上導熱硅脂,并沾上換熱片加強換熱壁面與空氣流動的換熱.

空氣在換熱片與XPS 泡沫圍成的通道內流動,通道內部如圖2(b)所示,用風扇提供動力源.風扇安裝在冷端出口處,風扇接通電源工作后,對系統(tǒng)進行抽吸來促使系統(tǒng)內部的空氣流動,可以通過調節(jié)風扇的工作電壓來控制系統(tǒng)的流量大小,在熱電消毒系統(tǒng)的熱端進口部分安裝流量計進行流量測量.由于采用多個半導體熱電片以及風扇,需要多個電源進行供電.系統(tǒng)內部的溫度分布,在系統(tǒng)制作過程中可以在半導體制冷片壁面或者換熱片肋片根部位置粘貼熱電偶,忽略熱電偶與接觸壁面的接觸熱阻,用熱電偶測量換熱壁面的溫度.同時采用一定的方式固定熱電偶,使得熱電偶懸空與空氣接觸,測量空氣在系統(tǒng)內部流經(jīng)不同位置時的溫度.

圖2 實驗搭建測量平臺實物圖 (a)單個半導體制冷片和換熱片單元;(b)多級半導體熱電片組成通道;(c)測量過程實物圖;(d)加厚保溫層后測量實物圖Fig.2.Physical diagram of the measurement platform built in the experiment: (a)A single semiconductor refrigeration element and heat exchange element unit;(b)the multistage semiconductor thermoelectric element constitutes a channel;(c)the physical diagram of the measurement process;(d)the physical diagram of the measurement after adding the insulation layer.

封裝后的系統(tǒng)實物如圖2(c)所示.制作過程中,為方便半導體熱電片接通電源工作,有很多導線在外接電源時穿透包裹的XPS 泡沫.為防止空氣在XPS 泡沫圍成的管道中流動時存在泄露,從而影響加熱消殺效果以及流量檢測的誤差,在導線附近以及泡沫裁剪拼接管道的連接處進行加膠密封.分析邊界散熱的問題可以進一步在系統(tǒng)外側包裹一層保溫棉,通過加厚的方式增加熱阻減少散熱.在內部包含熱電片的部分加保溫棉,加保溫棉之后的實驗裝置如圖2(d)所示.

2.4 仿真計算設置

實驗過程中熱電偶測試溫度是點溫度,為更好描述實驗平臺中流體在系統(tǒng)中的流動狀況、溫度場以及在實際測試過程中與環(huán)境的換熱情況,構建與實物等比例的三維模型進行有限元仿真計算.模型中除固體傳熱、強制對流換熱以外,還涉及系統(tǒng)與環(huán)境的散熱即自然對流散熱和輻射換熱過程.涉及到自然對流過程,需要將系統(tǒng)放入大的環(huán)境當中,自然對流的仿真要求在重力方向上物體上方空間尺寸需要大于兩倍的物體高度(y向),前后左右環(huán)境的尺寸至少是系統(tǒng)長度和寬度的兩倍(x和z向).計算的模型以及劃分的網(wǎng)格如圖3 所示,內部紫色的框部分是熱電消毒系統(tǒng)的結構,外部黃色的框區(qū)域是環(huán)境空間,模型內部及周圍需要進行一定的加密,外部環(huán)境可以疏一些.重力方向沿著負y軸方向.

各個部件的材料以及物性條件見表1,邊界條件設置入口流量以及每塊半導體熱電片兩端的溫度.流量的值是實驗過程中通過流量計進行測量,多次記錄流量計的測量值求取均值.溫度值是通過熱電偶進行測量,由于熱電偶未測量所以半導體熱電片的溫度,對未測量的壁面溫度可以根據(jù)前后位置的壁面溫度進行線性插值.為驗證計算的準確性,可以將計算的空氣在不同位置的空氣溫度值與實驗測量的相應位置的空氣溫度值進行比較分析.

表1 仿真模型材料物性Table 1.Material properties of the simulation model.

3 結果和討論

3.1 功率對系統(tǒng)性能的影響

考慮到實驗設備的復雜性和操作的便捷性,給處于工作狀態(tài)的半導體熱電片輸入同樣的電壓,采用萬用表測試半導體熱電片的內阻為1 Ω,在溫度變化較小時,電阻變化不大,因此改變電壓的大小來改變輸入功率.將10 個半導體熱電片都接通電源工作,如圖4(a)中的插圖所示,TE01—TE10 格子內有顏色填充表示都工作.空氣流量固定為6.8 L/min,依次改變輸入電壓為1 V,1.2 V,1.3 V,用熱電偶測量系統(tǒng)內部空氣在不同位置處的溫度,并將壁面溫度作為邊界條件進行仿真計算與實驗的空氣溫度進行比較.

如圖4(a)所示,測量和計算輸入電壓為1.3 V的溫度,實線是計算的沿不同位置的空氣溫度,散點是熱電偶測量的空氣溫度,發(fā)現(xiàn)仿真計算的溫度與實驗測量的溫度相一致,誤差小于10%,這也驗證了仿真計算的準確性.從圖中可以發(fā)現(xiàn)空氣溫度在熱端不斷升高,在冷端逐漸降低,實現(xiàn)熱端加熱消毒和冷端冷卻的功能.將不同電壓下的熱端溫度、冷端溫度進行比較,如圖4(c)所示.隨著輸入功率增大,熱端溫度從58.5 ℃升至81.3 ℃,冷端出口溫度也有略微升高,從30.65 ℃升至37.7 ℃.熱端溫度升高明顯有利于熱端的消毒效果,冷端升高不明顯便于出口冷卻.計算的不同輸入電壓下的溫度云圖如圖4(b)所示,也能觀察到系統(tǒng)內部末端最后幾級熱電片、換熱片、空氣的溫度隨著電壓升高也增加,并且功率增大時內部高溫區(qū)域明顯增加.

根據(jù)(1)式計算空氣與壁面的換熱量,結果如圖4(d)所示,換熱量隨著功率增大而增大,主要歸因于功率增大后空氣溫度的升高,溫升、溫降范圍增大.將熱端、冷端換熱量與電源輸出功率比值得到COP*,發(fā)現(xiàn)COP*隨著功率增大而略微減小,從0.86 下降到0.82,COP*值相比于絕熱邊界的計算結果COP*降低很多,主要原因是該實驗測試系統(tǒng)處于大的環(huán)境中,邊界條件并不是絕熱邊界,系統(tǒng)內部大部分熱量散失到環(huán)境中.從熱阻角度分析,功率增大后系統(tǒng)內部平均溫度增高,環(huán)境溫度基本不變,系統(tǒng)內部與環(huán)境的溫差變大,從圖4(b)可以看出來,另外從系統(tǒng)內部到外部環(huán)境的導熱熱阻、對流換熱熱阻不變,加上輻射換熱的影響,因而COP*隨著功率增大而減小.

圖4 不同功率下實驗測試和計算結果 (a)電壓1.3 V 時不同位置的空氣溫度測試和計算;(b)不同功率下計算的溫度云圖;(c)不同功率下的溫度比較;(d)不同功率下的換熱量和性能系數(shù)Fig.4.Experimental test and calculation results under different input powers.(a)Temperature measurement and calculation at different positions when the voltage is 1.3 V;(b)cloud diagram of temperature under different power;(c)comparison of temperature under different power;(d)heat exchange and COP under different power.

另外,分析冷端的性能因子,如圖4(d)所示.結果顯示隨著電壓增大,冷端的性能系數(shù)COPc也在下降,原因和上述COP*的類似.但COPc的值在0.36 左右,相比于系統(tǒng)的整體性能系數(shù)COP*較低,這也體現(xiàn)該系統(tǒng)相比于制冷應用的優(yōu)勢,利用冷熱兩端的熱量,性能系數(shù)高.熱端的性能系數(shù)可以用兩者的差值來表示,在0.5 左右,可以發(fā)現(xiàn)熱端的熱能利用對于系統(tǒng)的性能系數(shù)提高具有重要影響.

3.2 熱電片數(shù)量對系統(tǒng)性能的影響

對工作的半導體數(shù)量進行分析,分析不同半導體熱電片數(shù)量同時工作的影響,采用3 個、6 個、8 個、10 個分別進行測試.上述已經(jīng)分析10 個半導體熱電片在不同功率下空氣溫度和能量利用率的情況,同樣,在不改變實驗系統(tǒng)結構的條件下,分別對3 個、6 個、8 個半導體熱電片工作時進行測試,對不同輸入功率進行測量.

在電壓不變時,以輸入電壓1.3 V 為例,結果如圖5 所示.隨著半導體熱電片工作數(shù)量的增加,熱端溫度也逐漸上升,冷端溫度有一些降低,從3 級到10 級,熱端溫度有10—20 ℃的上升,在功率大的時候增大的幅度更大,冷端溫度有5—10 ℃的下降.從溫度的角度去理解,可以發(fā)現(xiàn)半導體熱電片數(shù)量增加對系統(tǒng)是有利的,熱端溫度更高消殺效果更佳,冷端溫度低便于后續(xù)的利用.但工作的級數(shù)相對較少時,比如僅3 級工作,將不同電壓下的熱端溫度、冷端溫度進行比較,隨著輸入功率增大,熱端溫度從48.9 ℃升至58 ℃,消毒效果不太理想,冷端出口溫度也有略微升高,從38.8 ℃升至45.3 ℃,主要原因是工作的數(shù)量少,加熱和冷卻的距離短.所以需要根據(jù)需求選擇合適的半導體熱電片數(shù)量.

圖5 不同半導體熱電片數(shù)量工作的影響(電壓1.3 V)(a)溫度比較;(b)換熱量和性能系數(shù)Fig.5.The effect of the number of different semiconductor thermoelectric sheets (voltage 1.3 V): (a)Comparison of temperature;(b)heat exchange and COP.

對于COP*的情況,如圖5(b)所示.可以發(fā)現(xiàn),在電壓不變時,隨著半導體熱電片工作數(shù)量的增加,COP*的值呈現(xiàn)出先下降后上升的情況,變化幅度不明顯,即半導體熱電片工作級數(shù)的多少對系統(tǒng)COP*的影響較小.主要的原因是從空氣溫度隨流動位置x的變化可以看出,基本是一個類似于線性的變化,改變工作級數(shù)就改變加熱和冷卻的長度.半導體熱電片數(shù)量增加后,空氣流動距離增大,加熱和冷卻的長度增大,溫度變化增大導致?lián)Q熱量增大,與此同時半導體熱電片數(shù)量增加,耗電功率也增大,多一塊半導體熱電片就多一份功耗,COP*基本維持在0.8 左右.對于冷端的性能系數(shù)COPc,可以發(fā)現(xiàn)隨著級數(shù)增加,也基本影響較小.

3.3 空氣流量對系統(tǒng)性能的影響

空氣流量的大小也是影響系統(tǒng)溫度和COP*的重要因素,調節(jié)風扇的工作電壓來改變風扇的工作點,進而改變實驗系統(tǒng)入口的空氣流量.在風扇工作的額定電壓范圍內,選取6 組不同的流量,半導體熱電片工作數(shù)量為10 級,每級的電壓為1 V,流量計監(jiān)測流量的大小,依次改變流量為1.39 L/min,3.03 L/min,4.79 L/min,5.74 L/min,7.52 L/min,8.91 L/min,用熱電偶測量系統(tǒng)內部空氣在不同位置處的溫度,并進行仿真計算與實驗的結果進行比較.

圖6(a)所示流量為7.52 L/min 的實驗測量和計算結果.結果顯示仿真計算的溫度與實驗測量的溫度相一致.從圖6 可以發(fā)現(xiàn),空氣溫度在熱端逐漸升高,在冷端逐漸降低,實現(xiàn)熱端加熱消毒和冷端冷卻的功能.將不同流量下的熱端溫度、冷端溫度進行比較,如圖6(c)所示.隨著流量增大,熱端溫度呈現(xiàn)出先上升后幾乎穩(wěn)定不變,再降低的趨勢,從51.6 ℃升至58 ℃左右,流量為8.91 L/min 時溫度降到49.5 ℃.原因是流量增大時,一方面是空氣與壁面的換熱系數(shù)增大,這可從一些Nu與Re相關的實驗經(jīng)驗公式中理解[33,34],經(jīng)驗公式中雷諾數(shù)的指數(shù)都大于0,換熱增強溫度就會升高.另一方面流量增大,流速繼續(xù)增大,空氣流動過程中與壁面接觸的時間短,所以溫度又降低,若再進一步增大流量,熱端溫度會進一步降低,溫度低于56 ℃就會影響消毒的效果.冷端出口溫度幾乎保持不變,維持在30 ℃左右,計算的不同流量下的溫度云圖如圖6(b)所示.

換熱量和COP*的結果如圖6(d)所示,在測試的流量范圍內,COP*和COPc隨著流量增大而增大,COP*從0.13增至0.98,COPc從0.035增至0.41,增大的原因主要是流量增大引起的換熱量增大,在溫差相差不大和耗電功率幾乎不變時COP 就增大.上面的溫度分析可知,流量進一步增打,溫度變化就會減小,因而隨著流量繼續(xù)增大,換熱量和COP*會呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,這里由于風扇工作電壓的限制,并沒有實際測試更大流量的工況,主要是流量為8.91 L/min 時熱端溫度僅有49.5 ℃,繼續(xù)增大流量達不到消毒的效果,因此滿足消毒的要求是首先要考慮的,在滿足的同時要盡可能提高COP*.

圖6 (a)流量為7.52 L/min 溫度測試和計算;(b)不同空氣流量下的溫度云圖;(c)不同空氣流量下的溫度;(d)不同空氣流量下的換熱量和COP*Fig.6.(a)Temperature test and calculation with a flow rate of 7.52 L/min;(b)temperature cloud diagram under different air flow rates;(c)temperature under different air flow rates;(d)heat exchange and COP* under different air flow rates.

3.4 保溫對系統(tǒng)性能的影響

通過上面的計算發(fā)現(xiàn),制作的實驗測量系統(tǒng)的能量利用率COP*值與Ji等[31]絕熱邊界條件下的COP*值相比并不是很高,可能的原因是輸入功率中有部分會散失到環(huán)境當中.為探究邊界散熱的影響,如圖2(d)所示在實驗測量系統(tǒng)外側再包裹一層泡沫材料,厚度從1.5 cm 增加至3 cm.從而增加內部與環(huán)境的熱阻,用于減少熱量損失.

保溫層加厚后,分別對6 個、8 個、10 個半導體熱電片工作進行測試,改變工作的半導體熱電片功率,結果如圖7(c)所示.工作級數(shù)為6 級時,加保溫層后電壓1 V 時熱端溫度可達64.3 ℃,冷端出口溫度42.2 ℃,電壓1.2 V 時熱端溫度可達79.6 ℃,冷端出口溫度47 ℃.可以發(fā)現(xiàn),在相同功率時,加保溫層后系統(tǒng)的熱端溫度更高,這個很容易理解,加厚保溫層熱阻增大,散失到環(huán)境中的熱量減小,內部空氣可以獲得更多的熱量提高自身的熱能,所以溫度升高.

同樣測量工作數(shù)量分別為8 級和10 級的加保溫層后的工況,結果如圖7(c)所示.在輸入電壓分別為1 V和1.2 V 時,8 級加厚保溫層后的熱端溫度可達69.9 ℃和82.5 ℃,10 級的加厚保溫層后的熱端溫度可達67.4 ℃和82.6 ℃,同樣可以發(fā)現(xiàn)加保溫層后熱端溫度是升高的,升高15%左右.熱端溫度升高對系統(tǒng)的熱端消毒是有利的,即加厚保溫層是有利于消毒效果.

上述流量的影響分析流量增大后熱端溫度就會影響消毒效果,如空氣流量為8.9 L/min 時熱端溫度低于50 ℃.加上保溫層之后進行測試,測試和計算結果如圖7(a)所示.加厚保溫層后,空氣溫度在熱端不斷升高,在冷端逐漸降低,實現(xiàn)熱端加熱消毒和冷端冷卻的功能.發(fā)現(xiàn)熱端溫度升高至56.9 ℃,即加厚保溫層對較大流量的溫度條件也有利.計算溫度分布云圖如圖7(b)所示,可以發(fā)現(xiàn)加厚保溫層后,高溫區(qū)域范圍增大,有利于病毒的消毒.

將加厚保溫層的結果與未加厚保溫層的不同工況結果進行比較,溫度結果如圖7(c)所示.分析可以發(fā)現(xiàn),在工作級數(shù)、空氣流量、輸入功率某個因素相同時,加厚保溫層后的系統(tǒng)熱端溫度都有所提高,熱端溫度比加厚保溫層之前提高10 ℃左右,冷端溫度僅提高2—5 ℃,這有利系統(tǒng)溫度的條件.

圖7 (a)流量為8.91 L/min 溫度測試和計算;(b)保溫層加厚前后的溫度云圖;(c)不同工況下加厚保溫層前后的溫度對比;(d)不同工況下加厚保溫層前后的COP*對比.Fig.7.(a)Temperature test and calculation with a flow rate of 8.91 L/min;(b)temperature cloud diagram before and after thickening of the thermal insulation layer;(c)comparison of temperatures before and after thickening the thermal insulation layer under different working conditions;(d)comparison of COP* before and after thickening the thermal insulation layer under different working conditions.

能量利用率COP*的結果如圖7(d)所示.柱狀圖比較可以觀察到加厚保溫層后的系統(tǒng)能量利用率也有所提高,從0.8 提高到1 左右,提高幅度在25%左右,盡管絕對值提高并不明顯,但也為系統(tǒng)的研究提供一種新的改進和優(yōu)化的方向,即增大系統(tǒng)的熱阻、減小漏熱損失是該系統(tǒng)實際應用的一個重要的因素.

3.5 系統(tǒng)散熱分析

上面分析系統(tǒng)的輸入功率并沒有完全轉化為空氣的內能,即系統(tǒng)邊界存在散熱,有部分熱量散失到環(huán)境中,對具體散失的熱量進行定量的計算和分析.通過兩種方式進行計算,第一種是直接計算,從散熱途徑去考慮,包括導熱對流和輻射散熱,對流換熱的方式是計算系統(tǒng)的熱阻,系統(tǒng)的熱阻包括導熱熱阻和對流換熱熱阻,再根據(jù)內部平均溫度與環(huán)境溫度的溫差計算得到散熱量;輻射換熱是根據(jù)輻射換熱四次方公式.另一種計算方式是根據(jù)能量守恒的原理,根據(jù)熱電偶測試的溫度進行計算,空氣的內能增大,即輸入功率空氣獲得的內能,再用總消耗的輸入功率減去空氣獲得的能量就是散熱量.

選取幾個代表性的工況進行分析,計算結果如圖8 所示,包含工作級數(shù)、輸入功率、保溫層厚度、空氣流量幾個因素.首先,可以發(fā)現(xiàn)兩種方式計算的散熱量的總值接近,也就驗證兩種計算方式是正確的.其次,通過兩種計算方式可以知道總的散熱量之外,還可以知道輻射散熱量的值,如圖8 中橙色的柱,可以發(fā)現(xiàn)輻射散熱的值與導熱對流散熱的值處于相同的量級,在研究自然對流散熱時往往輻射的影響不能忽略.然后,不同工況下系統(tǒng)內部平均溫度越高,散失到環(huán)境中的熱量越多,這個可以理解為從系統(tǒng)內部到外部環(huán)境熱阻變化不大,內外溫差越大,散失到環(huán)境中的熱量越多.最后,從計算的散熱量值可以發(fā)現(xiàn),對于每一個工況而言,散失到環(huán)境的熱量占整個耗電輸入功率的90%,相當大比例的能量被浪費,原因還是多級系統(tǒng)的邊界與大環(huán)境接觸的面積較大,系統(tǒng)的熱阻相對較小.這就需要在滿足溫度要求的同時,要盡可能增大系統(tǒng)的熱阻減小散熱損失,從而提高COP*.

圖8 散熱量計算 (a)不同工作級數(shù)的影響(其他因素是流速0.1 m/s,電壓1.0 V,保溫層厚度1.5 cm);(b)不同電壓的影響(其他因素是10 級工作,流速0.1 m/s,保溫層厚度1.5 cm);(c)不同保溫厚度的影響(其他因素是10 級工作,流速0.1 m/s);(d)不同流速的影響(其他因素是10 級工作,電壓1.0 V,保溫層厚度1.5 cm)Fig.8.Heat dissipation calculation: (a)Influence of different working stages (other factors are flow velocity 0.1 m/s,voltage 1.0 V,insulation layer thickness 1.5 cm);(b)influence of different voltages (other factors are 10-stage operation,flow velocity 0.1 m/s),the thickness of the insulation layer is 1.5 cm);(c)the influence of different insulation thickness (other factors are 10-level work,the flow rate is 0.1 m/s);(d)the influence of different flow rates (the other factors are 10-level work,the voltage is 1.0 V,The thickness of the insulation layer is 1.5 cm).

實驗測試系統(tǒng)有熱量散失,但從溫度的角度去理解,熱端溫度可以達60—90 ℃,冷端出口溫度在40 ℃左右,增大功耗同樣可以實現(xiàn)熱端升溫大熱消毒冷端降溫.將耗功和COP*與Ji等[31]絕熱邊界進行比較,溫升變化大致相等,結果如圖9 所示.可以發(fā)現(xiàn),加厚保溫層后散失到環(huán)境中的熱量越少,達到相同溫度所需的總耗功率越小,流速為0.1 m/s 時的絕熱邊界耗功僅1 W,比相同情況的實驗測試系統(tǒng)耗功節(jié)省10 W,因而COP*也可提高約10 倍左右.即圖中3 種工況,實際工況加厚保溫層前后,COP*的值從0.85 增至1.05,絕熱邊界工況增至9.2.對于空氣流量更大的情況,筆者前期工作[31]計算絕熱邊界流速為0.5 m/s 的工況,需要更多的功耗,因而COP*會降低,COP*的值為5.76.另外還計算絕熱邊界下使用ZT值更大的熱電材料Bi0.5Sb1.5Te3,在流速為0.5 m/s 時,COP*的值為7.43.因此,增大系統(tǒng)的熱阻減小散熱損失、使用ZT值更大的熱電材料,對這個系統(tǒng)的應用更有利,在該領域有更好的效果和應用前景.

圖9 絕熱邊界與實際比較 (a)耗功比較;(b)換熱量和COP*比較Fig.9.Comparison of adiabatic boundaries with reality:(a)Comparison of power consumption;(b)comparison of heat exchange and COP*.

4 總結和展望

本文通過數(shù)值計算和實驗測量,研究了熱電空氣加熱與冷卻一體式消毒系統(tǒng)的傳熱特性,對半導體熱電的應用進行擴展.

從溫度角度驗證了該系統(tǒng)的可行性,并研究多個參數(shù)對系統(tǒng)能量利用率的影響:

1)輸入功率的影響.隨著輸入功率增大,熱端溫度從58.5 ℃升至81.3 ℃,高溫對消毒效果有利,但總能量利用率COP*會有略微降低.

2)熱電片級數(shù)的影響.工作級數(shù)從3 級到10 級,熱端溫度上升10—20 ℃,升溫效果更佳.同時,冷端溫度下降5—10 ℃,利于空氣降溫.系統(tǒng)總能量利用率數(shù)值變化不大.

3)流量的影響.測試的入口空氣流量范圍為1.39—8.91 L/min.隨著流量的增大,熱端溫度先從51.6 ℃升至58 ℃,后降至49.5 ℃.在測試的流量范圍內,COP*隨著流量增大從0.13 升到0.98.

4)邊界保溫的影響.加保溫層對系統(tǒng)工作有利,熱端溫度比加保溫層之前提高10 ℃左右,冷端溫度僅提高2—5 ℃.COP*數(shù)值比不添加保溫層也增大20%,減小系統(tǒng)與環(huán)境的漏熱可明顯提高能量利用率.

本文研究的熱電消毒系統(tǒng)既能夠對空氣加熱（可用于消毒）,并進行冷卻降溫至舒適溫度.該系統(tǒng)具有: 體積小、易擴展和組裝、無噪音、可靠性高、易控制等特點,在空氣消毒領域具有應用潛力.本文僅從傳熱和能量相關角度進行驗證和分析,具體消毒效果需要結合醫(yī)學應用進一步研究.本文相關系統(tǒng)設計和技術內容受專利保護[35-37].