具有半导体制冷的新型膜蒸馏组件性能实验研究胡俊虎

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1、传热传质学编号：143253中国T：程热物理学会学术会议论文具有半导体制冷的新型膜蒸f留组件性能实验研究胡俊虎；田瑞杨晓宏I,席魁I,魏文龙I,张欣宇I(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院；2•内蒙古可再生能源重点实验室，呼和浩特010051)(E-mail：tianr@imut.edu.cn.联系电话:13947159765)摘要：设计了一种新型的半导体制冷空气隙膜蒸馅系统，将具有半导体制冷的冷腔与膜蒸馆系统的热腔有机的结合起来。实验研究了半导体输入电流、冷却水流量及热液温度对通呈的影响。实验表明:冷却水流量900L/h,输入电流8A时的冷壁温度平均为5°C,制冷面各测点

2、的温差最大只冇0.5°C,制冷面温度均匀；实验工况8-12A,冷却水流:?:300L/h时，膜通戟随半导体输入电流的增大而增大。木文的研究为小型半导体制冷空气隙膜蒸馆系统的理论与应用研究奠定了基础。关键词：半导体制冷；空气隙膜蒸饴；膜通量；电流中图分类号：文献标识码：A0引言空气隙膜蒸馅(AirGapMembraneDistillation，简称AGMD)是一种新兴的膜分离技术〔山，是以疏水性微孔膜两侧蒸气压差为传质驱动力的膜分离过程⑶，具有分离效率高、膜的机械强度要求低等优点*。膜蒸馆过程是以膜两侧蒸气的压差为传质推动力⑸，利用跨膜压差的作用，使热溶液屮的易挥发性组分首先在

3、膜面处气化，通过疏水性微孔膜扩散到低温侧进行冷凝，以此达到分离提纯溶液的目的。膜通量(或称透过速率)是膜分离过程的一个重要工艺运行参数，是指单位吋间内通过单位膜血积上的流体量。半导体制冷或热电制冷，是利用直流电通过回路中特制材料时，一端放热另一端吸热的一种新型低温制冷方式°。伴随着传统低温制冷技术在坏保和系统结构方面的缺点，半导体制冷技术应运而生。20世纪50年代以后，随着半导体材料和半导体技术的发展，半导体制冷技术将具有广阔的市场前景。鉴于膜蒸馆技术特点，实现跨膜传质只需提供冷热端温差即可，传统膜蒸憎系统冷端采用机械式制冷。随着半导体制冷技术的出现，利用半导体结构简单、易于

4、调节、制冷迅速且制冷温度低的特点，将其应用于空气隙膜蒸镭系统的冷腔，可使膜蒸憾系统大大简化。收稿日期：基金项目：国家口然科学基金资助项目(No.51266007)；内蒙古重大基础硏究开放课题(No.20130902)。作者简介：胡俊虎(1980-),男，博士研究生，从聊膜蒸馆苦咸水淡化研究。通信作者：山瑞(1956-),教授，从事太阳能热利用研究。国内对具有半导体制冷的膜蒸徭系统的研究主要有：是对膜蒸憎系统设计优化及传热传质的研究；二是半导体与膜蒸億系统相结合的理论探究。相关研究有：提出了一种具有半导体制冷的新型膜蒸饰组件，试验研究了在同种条件下静态和扰动水域的变化对半导体制

5、冷组件性能的影响⑺;设计了一种釆用热电制冷的并接式空气隙膜蒸憾系统,通过对膜蒸馅过程与热电制冷的匹配研究，给出了最佳匹配工况的基本要求⑻。国外大多数是对半导体制冷机理、材料性能的研究，或者对膜蒸憎系统膜材料及传质传热机理进行了研究，对半导体应用在膜蒸饰系统的研究还未见报道"⑷。其相关研究有，研究了电流、空气流量、热电材料厚度及特性对制冷性能的影响叫用流体动力学(CFD)探讨了在膜蒸馆组件中，入口速度和长丝间距对剪切应力分布和温度极化的影响⑹。从国内外研究情况来看，在半导体制冷的膜蒸馆系统研究方面，对膜通量在不同半导体制冷工况下输出特性及两者Z间的关联性研究儿乎没有。结合半导体

6、制冷的特点，将其应用在膜蒸憎系统上具有一定的研究意义。本文以层叠式膜蒸僧系统为基础，将半导体制冷的膜蒸倔冷腔与膜蒸憎热腔结合起来，设计加工了新型膜组件并进行了实验研究工作，考察系统运行情况及单层膜组件不同半导体制冷工况对膜通量的影响，获得了一些有意义的结论。1新型半导体制冷空气隙膜蒸憎系统组件设计设计了一种水冷散热方式的膜蒸憎冷腔，设计后的冷腔强化了半导体热端的散热，并使冷腔具有操作简单、拆装容易等优点，具有很好的应用前景。如图1■图4所示，设计的水冷散热器由散热器肋片、散热器箱体和折流板三部分组成。图1水冷散热器肋片Fig.lThewatercoolerfins图2水冷散热

7、器箱体Fig.2Thewatercoolerbox图3折流板Fig.3Thebaffles图4半导体水冷散热器组合示意图Fig.4Theschematicdiagramofthewatercoolwithsemiconductorrefrigeration这种散热器的特点是：冷却水自散热器水箱的中部流入，水流自下而上冲刷肋片后,在散热器通道的上端汇集通过岀口流岀，这样的水流流向与水平流向相比可减少散热器上端的排气装置；其次冷却水口下向上与散热器中的肋片进行对流换热，这种流向正好与铝冷壁的冷凝液流向相反，