一種電柜專用制冷型除濕器系統研究

閆 錚，黨建軍，高亞強，李 旺

（1．西北工業大學航海學院，陜西 西安710072；2．中核集團福建福清核電有限公司，福建 福清350318）

0 引言

現在市場上的除濕器主要以加熱型除濕器為主，而加熱型除濕器除濕主要是通過提高柜內溫度實現的。由于較高溫度空氣中包含的水分一直停留在空氣中，當環境溫度變化時，較大的空氣濕度將迅速導致凝露。所以安裝有加熱型除濕器的電柜，其端子排、箱壁上仍有嚴重凝露，危害設備安全運行［1］。所以設計了一種電柜專用除濕器（制冷型），充分利用了溫差大時易凝露的特點，在產品凝水面產生非常低的溫度，使空氣中水分冷凝在凝水面，并通過排水孔排出箱外。由于電柜內水分不斷減少排出箱外，空氣中濕度顯著下降。即使環境溫度變化，由于電柜內空氣中水分非常少，也不會再產生凝露。

1 系統構成與功能

1．1 系統構成

除濕器（制冷型）主要由半導體制冷系統、控制系統和電源模塊組成。

1．2 系統功能

除濕器主要有如下功能：

a．除濕器提供自動模式和手動模式。當除濕器處于自動模式時，可預先設定濕度值，當環境濕度高于該設定值時，除濕器開始工作；當除濕器處于手動模式時，手動打開開關，除濕器開始工作。

b．當除濕器處于工作狀態時，電源模塊將交流電轉化為直流電并供給半導體制冷系統，制冷系統開始工作，濕空氣中的水分在冷端換熱片表面凝結，液態水排出孔流出。

c．自動工作模式由控制電路完成。

1．3 制冷系統

1．3．1 基本原理

制冷系統如圖1所示。其中，制冷片分為冷端與熱端，兩邊均連接換熱片。濕空氣中的水分在冷端換熱片表面凝結，液態水排出孔流出。由于風扇的抽吸作用，凝結后的冷空氣流至熱端換熱片，對熱端換熱，同時考慮到熱端換熱的問題，空氣補償孔可提供額外的冷卻空氣，防止制冷片的熱端過熱。

圖1 制冷系統工作原理

1．3．2 半導體制冷原理

半導體制冷是Peltier效應在制冷技術方面的應用。如圖2所示，把一只P型半導體元件和一只N型半導體元件聯結成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移，電流的路徑為1-2-3-4。在上面的一個接頭處，電流的方向是由N到P，溫度下降并且吸收熱量，這就是冷端。在下面的一個接頭處，電流的方向是由P到N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

把若干半導體熱電偶在電路上串聯起來，而在傳熱方面是并聯的，這就構成了如圖2b所示的制冷熱電堆，接上直流電源后，這個熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等各種手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是制冷器的工作原理。

圖2 半導體制冷工作原理

1．3．3 冷熱系統熱平衡分析

除濕器的溫度是通過分別調節制冷量、制熱量，使其與漏熱量Ql平衡后，達到所需的工作溫度。根據能量平衡方程［2］和半導體制冷基本理論方程，得出如下系統數學模型。

a．系統冷端數學模型。

制冷量為：

換熱量為：

除濕器熱平衡為：

動態方程為：

穩定方程為：

b．系統熱端數學模型。

熱端制熱量為：

換熱量為：

除濕器熱平衡為：

動態方程為：

穩態方程為：

整個系統的輸入功率為：

則制冷效率為：

1．4 控制系統

控制系統主要控制除濕器的工作門限和工作開啟時刻，并對除濕器進行過熱保護。

1．4．1 控制框圖

控制系統結構如圖3所示。數碼顯示溫濕度傳感器監控環境的溫濕度，從而確定除濕器是否需要工作；過熱監控溫度傳感器放置在制冷片的熱端，用來監控熱端的溫度防止其過熱；繼電器控制制冷系統的工作；數碼顯示則顯示當前的環境濕度或者設定的門限值。

圖3 控制系統結構

溫濕度傳感器監控環境的溫濕度，從而確定除濕器是否需要工作；過熱監控溫度傳感器放置在制冷片的熱端，用來監控熱端的溫度，防止其過熱；繼電器控制制冷系統的工作；數碼顯示則顯示當前的環境濕度或者設定的門限值。

1．4．2 程序設計

程序流程如圖4所示。首先，讀取當前空氣的濕度值，并與設定門限值比較，判斷是否需要啟動除濕功能；如果當前濕度大于設定門限值，則啟動除濕功能，如果小于設定門限值，則繼續讀取參數；啟動除濕功能之后，如果熱端溫度過高，則系統停止工作，如果熱端溫度正常，則繼續讀取當前濕度值，除濕器繼續工作。

圖4 控制系統程序流程

1．5 電源系統

整個除濕器系統中，需要供電的硬件分別是風扇、半導體制冷片、繼電器和控制板。對于端子板內部，需要使用開關電源將交流電轉換成直流電，從而對除濕器的各部分硬件供電。

2 實驗驗證及結果分析

2．1 實驗設計與數據

為驗證除濕器工作效果，設計了2組實驗，分別針對自動模式與手動模式。具體實驗方式是在一個尺寸為2 m×1 m×1 m的箱子內，放置本除濕器和加濕器。實驗時的環境數據：氣溫29℃，相對濕度37%。對于手動組，使用加濕器對箱體內部進行加濕15 min，然后關閉加濕器，打開除濕器；對于自動組一直保持除濕器開啟，15 min時關閉加濕器，具體實驗記錄如表1和表2所示。

表1 手動控制組實驗數據

表2 自動控制組實驗數據

2．2 結果分析

從上述實驗可以得出以下結論：

a．在濕度較高的環境下，除濕器有明顯的除濕效果。

b．隨著濕度降低，除濕效果有下降，但除濕效果依舊明顯。

c．如果一直開啟除濕器，可以使得實驗箱子內的濕度遠低于環境濕度。

d．除濕器出水口有水滲出，箱內無明顯凝露。

從實驗結果來看，除濕器達到了最初的設計目標，控制了凝露的出現，并且有良好的除濕效果。

3 結束語

設計的制冷型除濕器是一種適用于電柜等密閉空間除濕的裝置，充分利用半導體的帕爾帖效應和濕空氣溫差大易凝露的特點，具備自動、手動2種工作模式。根據設計方案完成了試驗樣品加工制作，并通過實驗驗證其除濕效果。實驗表明，除濕器能夠有效地完成除濕工作，其工作原理有別于傳統的加熱型除濕器，所以從根本上解決了除濕后濕空氣重新凝露這一常見困擾。其結構簡單，除濕效果好，功耗低，具有很高的實用價值和廣闊的應用前景。

［1］ 朱冬生，劇 菲，李 鑫，等．除濕器研究進展［J］．暖通空調，2007，37（4）：23，35-40．

［2］ 馮 青，李世武，張 麗，工程熱力學［M］．西安：西北工業大學出版社，2006．