基于半导体制冷技术的船舶控制空气干燥设备

基于半导体制冷技术的船舶控制空气干燥设备

龙红炼,徐戈,黄本渝,肖志航,赵耀轩

（重庆交通大学航运与船舶工程学院 重庆 南岸400000）

摘要：本产品是基于半导体制冷技术的船舶控制空气干燥设备。该装置具有能耗低、不使用制冷剂、无机械传动部件、占地空间小、安装容易、结构简单、热惯性小可精准控温等优点。可替代传统压缩制冷干燥方式，促进节能环保。导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，以实现精准的把控船舶空气湿度。

关键词：空气干燥、绿色船舶、小型化轻型化、节能减排、节能降耗

船舶控制空气干燥装置是船舶上重要的辅助设备，在维护船舶正常航行方面起着重要的作用，通过对船舶空气干燥装置进行研究可以使其发挥更大的作用。随着科学技术的不断发展，新型材料相应出现，基于热电制冷材料的半导体制冷技术的快速发展。目前，世界上已有多个国家的航运公司和科研机构就基于半导体制冷技术的船舶控制空气干燥装置开发工作进行了深入研究。

1.半导体散热装置工作原理

本装置为一种基于半导体制冷技术的船舶控制空气干燥设备。包括壳体、半导体制冷片、绝热固定板及铜制散热翅片。其中壳体与散热翅片及绝热固定板构成系统的制冷区，其余部分为制热区。通过抽风机抽取湿度大的空气并输送到壳体内部进行除湿干燥，除湿干燥后的空气并再次输送到箱柜体内部，且能够引入新风，湿度大的空气和新风依次通过制冷区域、制热区域和干燥区域，使得进入箱柜体内部的空气得到足够干燥，从而保障进入主机的控制空气的干燥，同时其内部的空气流通，大大提高了除湿干燥效果。本设备选用TEC1-12708半导体制冷片，热端散热选用铜制散热翅片，散热方式选择了强迫风冷的暴力风扇建立装置稳态操作。

在半导体制冷器的P‑N结两端施加直流电压，一端温度下降，形成制冷端，另一端温度升高，形成制热端。半导体制冷器工作时，配电箱内的湿冷空气遇到半导体制冷器的制冷端，空气中的水汽遇冷凝露，产生积水，排出箱外；之后，凝露后的空气到达半导体制冷器的制热端，吸收热量，排到配电箱内。为增加干燥的效率和效果，在制冷端和制热端上均固定连接有若干个铜质散热翅片，制冷端使得其上散热片上温度降低，制热端使得其上散热片温度升高，通过散翅片能够增加与空气的接触面积，进而增加干燥的效率和效果。除此之外热端由风机散热，极大提高了制冷效率。

湿空气依次经过制冷端、制热端和干燥区域；制冷区域的底部连通有导流管道和泄水阀，及时将冷却的积水排出设备。

2.创新点及优势

与传统制冷机相比，打破了通过液态制冷剂蒸发器中的汽化来吸收被冷却介质的热量，从而产生制冷效果的单一方式。在应用领域上，半导体制冷片作为特种冷源，和传统制冷剂（如NH、R12、R134a）和制冷系统（如压缩式制冷、吸收式制冷）相比较，其具有自己的特点和特征。大致有以下几点：

（1）绿色环保、减排无噪音：不需要制冷剂，可连续工作，无有害废弃物，运行极其安静和平稳。内腔完全封闭，与外界无气体交换。不产生回转效应，无滑动部件，是一种固体片件。与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音；即工作时没有震动、杂音、寿命长，且安装容易。

（2）制冷&制热快速切换：半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，且制冷和制热可以快速切换，因此使用一个片组就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

（3）精准控温、动态加湿和除湿：极高的控制精度，即使在环境温度比较高或环境湿度的极端高低的地区，依然可保证控制精度；能耗较压缩机制冷可节约90％。半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现在0.1 ℃范围内精确地控制温度。再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，即半导体制冷片作为电流换能型片件，便于组成自动控制系统。此外，半导体制冷片热惯性小，制冷制热时间快，在热端散热良好冷端空载的情况下，制冷片很快就能达到设定温差。

（4）高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200,000小时以上。

（5）制冷功率范围广：半导体制冷片的单个元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

（6）装置占地面积小，便于安装：半导体制冷器的尺寸小，重量轻，微型制冷器往往不到几克或几十克。相比于传统船舶制冷设备，占地面积更小，为机舱腾出更大的空间，也更便于安装。

（7）完全符合ICH GUIDELINE(Q1A)：可以用以物质的稳定性检测

3.半导体制冷干燥装置数值模拟结果及分析

翅片对照实验

保持入口温度、流量及外界环境等条件不变，仅讨论冷端散热翅片长度对系统散热效率的影响：

（1）工况1：温度为55℃，流量为100m3/h时，不使用散热翅片

（2）工况2：温度为55℃，流量为100m3/h时，使用7mm散热翅片

（3）工况3：温度为55℃，流量为100m3/h时，使用17mm散热翅片

结果如下：

  通过以上实验我们可以得出散热翅片的长度对于装置的散热能力具有较大的影响。工况1实验在不加装散热翅片条件下，空气在装置中流动扰动较小且由于是直接与半导体散热片接触换热，换热面积较小导致换热效率较低且不均匀。工况2实验由于加装了散热翅片，空气与冷端半导体制冷片接触表面积大大增加，最终换热效果较为均匀但未达到该压力下的露点温度不能有效干燥空气中的水分。工况3装有17mm散热翅片，最终的制冷效果均匀，且接近在该压力下空气露点，达到实验目的。

4.总结

对半导体制冷性能有重要影响的参数是：半导体制冷片的几何结构参数，优良的元件结构尺寸和散热片的特性参数。箱体的优化涉及材料、形状、结构尺寸的设计等是对该设备进行优化设计的关键。除了对半导体制冷干燥装置进行尺寸设计，还可以对半导体制冷片和散热片进行性能参数优化，半导体制冷片的几何结构参数优化可以从制冷片自身的几何参数(如PN结、长度、PN结对数)，优化冷却效率，或者在制冷片的冷热端部和输入的电流上进行优化对制冷效果进行优化。散热翅片可从增加翅片高度，有利于纵向翅片换热性能的提高，增强换热。因此，可以通过上述几个方法来实现对半导体制冷系统进行优化。

参考文献

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