一种电柜专用制冷型除湿器系统研究

闫 铮，党建军，高亚强，李 旺

（1．西北工业大学航海学院，陕西 西安710072；2．中核集团福建福清核电有限公司，福建 福清350318）

0 引言

现在市场上的除湿器主要以加热型除湿器为主，而加热型除湿器除湿主要是通过提高柜内温度实现的。由于较高温度空气中包含的水分一直停留在空气中，当环境温度变化时，较大的空气湿度将迅速导致凝露。所以安装有加热型除湿器的电柜，其端子排、箱壁上仍有严重凝露，危害设备安全运行［1］。所以设计了一种电柜专用除湿器（制冷型），充分利用了温差大时易凝露的特点，在产品凝水面产生非常低的温度，使空气中水分冷凝在凝水面，并通过排水孔排出箱外。由于电柜内水分不断减少排出箱外，空气中湿度显著下降。即使环境温度变化，由于电柜内空气中水分非常少，也不会再产生凝露。

1 系统构成与功能

1．1 系统构成

除湿器（制冷型）主要由半导体制冷系统、控制系统和电源模块组成。

1．2 系统功能

除湿器主要有如下功能：

a．除湿器提供自动模式和手动模式。当除湿器处于自动模式时，可预先设定湿度值，当环境湿度高于该设定值时，除湿器开始工作；当除湿器处于手动模式时，手动打开开关，除湿器开始工作。

b．当除湿器处于工作状态时，电源模块将交流电转化为直流电并供给半导体制冷系统，制冷系统开始工作，湿空气中的水分在冷端换热片表面凝结，液态水排出孔流出。

c．自动工作模式由控制电路完成。

1．3 制冷系统

1．3．1 基本原理

制冷系统如图1所示。其中，制冷片分为冷端与热端，两边均连接换热片。湿空气中的水分在冷端换热片表面凝结，液态水排出孔流出。由于风扇的抽吸作用，凝结后的冷空气流至热端换热片，对热端换热，同时考虑到热端换热的问题，空气补偿孔可提供额外的冷却空气，防止制冷片的热端过热。

图1 制冷系统工作原理

1．3．2 半导体制冷原理

半导体制冷是Peltier效应在制冷技术方面的应用。如图2所示，把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移，电流的路径为1-2-3-4。在上面的一个接头处，电流的方向是由N到P，温度下降并且吸收热量，这就是冷端。在下面的一个接头处，电流的方向是由P到N，温度上升并且放热，因此是热端。

把若干半导体热电偶在电路上串联起来，而在传热方面是并联的，这就构成了如图2b所示的制冷热电堆，接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助热交换器等各种手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是制冷器的工作原理。

图2 半导体制冷工作原理

1．3．3 冷热系统热平衡分析

除湿器的温度是通过分别调节制冷量、制热量，使其与漏热量Ql平衡后，达到所需的工作温度。根据能量平衡方程［2］和半导体制冷基本理论方程，得出如下系统数学模型。

a．系统冷端数学模型。

制冷量为：

换热量为：

除湿器热平衡为：

动态方程为：

稳定方程为：

b．系统热端数学模型。

热端制热量为：

换热量为：

除湿器热平衡为：

动态方程为：

稳态方程为：

整个系统的输入功率为：

则制冷效率为：

1．4 控制系统

控制系统主要控制除湿器的工作门限和工作开启时刻，并对除湿器进行过热保护。

1．4．1 控制框图

控制系统结构如图3所示。数码显示温湿度传感器监控环境的温湿度，从而确定除湿器是否需要工作；过热监控温度传感器放置在制冷片的热端，用来监控热端的温度防止其过热；继电器控制制冷系统的工作；数码显示则显示当前的环境湿度或者设定的门限值。

图3 控制系统结构

温湿度传感器监控环境的温湿度，从而确定除湿器是否需要工作；过热监控温度传感器放置在制冷片的热端，用来监控热端的温度，防止其过热；继电器控制制冷系统的工作；数码显示则显示当前的环境湿度或者设定的门限值。

1．4．2 程序设计

程序流程如图4所示。首先，读取当前空气的湿度值，并与设定门限值比较，判断是否需要启动除湿功能；如果当前湿度大于设定门限值，则启动除湿功能，如果小于设定门限值，则继续读取参数；启动除湿功能之后，如果热端温度过高，则系统停止工作，如果热端温度正常，则继续读取当前湿度值，除湿器继续工作。

图4 控制系统程序流程

1．5 电源系统

整个除湿器系统中，需要供电的硬件分别是风扇、半导体制冷片、继电器和控制板。对于端子板内部，需要使用开关电源将交流电转换成直流电，从而对除湿器的各部分硬件供电。

2 实验验证及结果分析

2．1 实验设计与数据

为验证除湿器工作效果，设计了2组实验，分别针对自动模式与手动模式。具体实验方式是在一个尺寸为2 m×1 m×1 m的箱子内，放置本除湿器和加湿器。实验时的环境数据：气温29℃，相对湿度37%。对于手动组，使用加湿器对箱体内部进行加湿15 min，然后关闭加湿器，打开除湿器；对于自动组一直保持除湿器开启，15 min时关闭加湿器，具体实验记录如表1和表2所示。

表1 手动控制组实验数据

表2 自动控制组实验数据

2．2 结果分析

从上述实验可以得出以下结论：

a．在湿度较高的环境下，除湿器有明显的除湿效果。

b．随着湿度降低，除湿效果有下降，但除湿效果依旧明显。

c．如果一直开启除湿器，可以使得实验箱子内的湿度远低于环境湿度。

d．除湿器出水口有水渗出，箱内无明显凝露。

从实验结果来看，除湿器达到了最初的设计目标，控制了凝露的出现，并且有良好的除湿效果。

3 结束语

设计的制冷型除湿器是一种适用于电柜等密闭空间除湿的装置，充分利用半导体的帕尔帖效应和湿空气温差大易凝露的特点，具备自动、手动2种工作模式。根据设计方案完成了试验样品加工制作，并通过实验验证其除湿效果。实验表明，除湿器能够有效地完成除湿工作，其工作原理有别于传统的加热型除湿器，所以从根本上解决了除湿后湿空气重新凝露这一常见困扰。其结构简单，除湿效果好，功耗低，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

［1］ 朱冬生，剧 菲，李 鑫，等．除湿器研究进展［J］．暖通空调，2007，37（4）：23，35-40．

［2］ 冯 青，李世武，张 丽，工程热力学［M］．西安：西北工业大学出版社，2006．