CN110715363B - 一种热电回热式冷冻除湿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热电回热式冷冻除湿系统及方法，除湿系统包括由蒸发器、冷凝器、压缩机及节流装置构成的冷冻除湿系统和热电回热增凝水模块，系统中采用流量不同的两股空气进行换热除湿，其中大流量空气流经蒸发器、热电回热增凝水模块热端和冷凝器，小流量空气流经热电回热增凝水模块冷端和冷凝器，两股气流在冷凝器进口处交汇，利用蒸发器后低温空气冷量的热电增凝水模块，除蒸发器以外在热电增凝水模块冷端形成第二除湿源，相比于传统被动回热式换热器，结构紧凑、体积更小，并能够有效增加系统除湿量和除湿能效。

Description

一种热电回热式冷冻除湿系统及方法
技术领域
本发明涉及一种冷冻除湿系统，特别涉及一种热电回热式冷冻除湿系统及方法。
背景技术
传统冷冻除湿系统借助制冷原理，在低温蒸发器翅片上湿空气降温至露点温度之下，水蒸气凝结析出，空气中的含湿量降低后再经过冷凝器复温送往室内。
温度与湿度的高度耦合和空气的再热损失是影响冷冻除湿系统除湿能力及除湿能效的主要因素。为达到除湿相变点，需要营造一个低温冷却环境，并且蒸发器后低温空气中直接进入冷凝器中进行冷却换热，浪费了低温空气的大冷量，因此一般采用回热器利用蒸发器后空气的冷量，实现更高能效需求。
然而，现有回热器采用气气换热形式，效率低下，在满足能效提升要求的同时需要更大的换热面积和结构尺寸，不符合冷冻除湿设备的小型化和高效化设计要求，在体积受限的情况下，除湿能效受到极大限制，尤其是家用及办公除湿领域。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种热电回热式冷冻除湿系统及方法，能够利用蒸发器后低温空气冷量，通过热电回热增凝水模块冷端构建第二除湿源，有效提升系统除湿能力和除湿能效。
本发明提供一种可以避免传统回热装置体积及结构限制
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种热电回热式冷冻除湿系统，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置和热电回热增凝水模块；
所述蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置依次连接成环路构成制冷剂内循环系统；所述热电回热增凝水模块安装在蒸发器和冷凝器之间，热电回热增凝水模块的冷热两端分别布置有换热通道，且热电回热增凝水模块热端的换热通道空气流通量大于热电回热增凝水模块冷端的换热通道空气流通量，热电回热增凝水模块热端的换热通道用于输送流过蒸发器的低温大流量空气，热电回热增凝水模块冷端的换热通道用于输送来自外界的小流量空气，来自热电回热增凝水模块冷热两端换热通道换热后的空气汇合后一同送入冷凝器中，加热升温后送入室内。
进一步，所述热电回热增凝水模块由多级热电制冷单元构成，每一级热电制冷单元包括多个N型半导体热电材料、多个P型半导体热电材料和多个导流片，N型半导体热电材料和P型半导体热电材料间隔布置，并通过导流片串联；
进一步，所述热电回热增凝水模块结构形式呈“-+-+”布置的顺式结构，每一级热电制冷单元的两端的高温风道和低温风道为独立式；或者所述热电回热增凝水模块结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，每两级热电制冷单元的冷端共用低温风道；或者所述热电回热增凝水模块结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，每两级热电制冷单元的热端和冷端分别共用高温风道和低温风道。进一步，所述热电回热增凝水模块每一级热电制冷单元两端的热沉换热器采用平行翅片；或者所述热沉换热器采用锯齿形翅片；或者所述热沉换热器采用波纹翅片；或者所述热沉换热器采用百叶窗翅片；
一种热电回热式冷冻除湿方法，大流量空气流过蒸发器温度降低至露点温度之下，水蒸气凝结析出，空气中的含湿量降低，蒸发器为整个系统的主要除湿源，流过蒸发器的低温大流量空气流再经热电回热增凝水模块热端的换热通道进行换热；
外界小流量空气流过热电回热增凝水模块冷端的换热通道，在热电回热增凝水模块冷端冷却作用下，温度降低至露点之下，水蒸气凝结析出，热电回热增凝水模块为整个系统的第二除湿源；
流经热电回热增凝水模块热端的低温大流量空气与流经热电回热增凝水模块冷端的外界小流量空气分别构成了热电回热增凝水模块冷热端的换热条件，热电回热增凝水模块冷热端换热后的两股空气汇合进入冷凝器中，经加热升温后送入室内。
热电回热式冷冻除湿方法，除湿过程按照以下策略进行：，监测外界小流量空气露点温度Tb及热电回热增凝水模块冷端的进出口温度TL1，TL2，并计算出温差DTL＝TL1-TL2；监测热电回热增凝水模块热端进出口温度TR1，TR2，并计算出温差DTR＝TR2-TR1；
比较热电回热增凝水模块冷端的冷端出口温度TL2和外界小流量空气露点温度Tb，若TL2<Tb，则满足要求；若TL2>＝Tb，则需进一步比较分析热电回热增凝水模块冷端的进出口温差DTL与热电回热增凝水模块热端进出口温差DTR；
若DTR<＝DTL，则调控流经热电回热增凝水模块热端的空气流量，直至满足DTR>DTL；进一步调控流经热电回热增凝水模块冷端的空气流量，直至TL2<Tb，则满足要求。与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
本发明的热电回热式冷冻除湿系统，蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置依次连接成环路构成制冷剂内循环系统；所述热电回热增凝水模块安装在蒸发器和冷凝器之间，热电回热增凝水模块热端的换热通道用于输送流过蒸发器的低温大流量空气，热电回热增凝水模块冷端的换热通道用于输送来自外界的小流量空气，大流量空气流过蒸发器温度降低至露点温度之下，水蒸气凝结析出，空气中的含湿量降低，蒸发器为整个系统的主要除湿源，流过蒸发器的低温大流量空气流经热电回热增凝水模块热端的换热通道进行换热；外界小流量空气流过热电回热增凝水模块冷端的换热通道，在热电回热增凝水模块冷端冷却作用下，温度降低至露点之下，水蒸气凝结析出，热电回热增凝水模块为整个系统的第二除湿源；利用蒸发器后低温空气中的冷量和热电制冷原理构建了除蒸发器外的第二除湿源，能够有效增加系统除湿量和除湿能效。
采用通过热电回热增凝水模块冷端构建的第二除湿源，整体结构紧凑，体积更小，可实现高效冷量回收，避免了传统回热器装置体积尺寸大、换热效率低的弊端。本发明的热电回热式冷冻除湿系统不仅可用于家用和办公除湿领域，还可以推广到其他制冷领域中以提升制冷系统能效，具有显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中热电回热增凝水模块实施例一的结构示意图。
图3本发明中热电回热增凝水模块实施例二的结构示意图。
图4本发明中热电回热增凝水模块实施例三的结构示意图。
图5为本发明除湿方法的调控流程图。(以下参考热电回热增凝水模块，来做相应的合理修改)
图6为本发明模拟计算结果对比图。
图中：1-蒸发器，2-冷凝器，3-压缩机，4-节流装置，5-热电回热增凝水模块，5.1-热电回热增凝水模块热端，5.2-热电回热增凝水模块冷端，5.3-高温风道，5.4-低温风道，5.5-N型半导体热电材料，5.6-P型半导体热电材料，5.7-多个导流片，6.1-大流量空气，6.2-小流量空气。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参照图1，本发明的一种热电回热式冷冻除湿系统，包括蒸发器1、冷凝器2、压缩机3、节流装置4和热电回热增凝水模块5。
其中蒸发器1、压缩机3、冷凝器2及节流装置4依次连接成环路构成制冷剂内循环系统；所述的热电回热增凝水模块5安装在蒸发器1和冷凝器2之间，热电回热增凝水模块5冷热两端分别布置有热沉换热通道，热电回热增凝水模块热端5.1的换热通道用于输送流过蒸发器1的空气与来自蒸发器1的冷空气换热，热电回热增凝水模块冷端5.2的换热通道用于输送外界空气，且热电回热增凝水模块5冷热两端的换热通道流量不同，热电回热增凝水模块热端5.1的换热通道空气流通量大于热电回热增凝水模块冷端5.2的换热通道空气流通量。热电回热增凝水模块5冷热两端的换热通道汇合后将空气送入冷凝器中，加热升温后送入室内。
如图2所示，本实施例所述的热电回热增凝水模块5由多级热电制冷单元构成，每一级热电制冷单元包括多个N型半导体热电材料5.5、多个P型半导体热电材料5.6和多个导流片5.7，N型半导体热电材料5.5和P型半导体热电材料5.6间隔布置，并通过导流片5.7串联；
所述热电回热增凝水模块5结构形式呈“-+-+”布置的顺式结构，每一级热电制冷单元的两端的高温风道5.3和低温风道5.4为独立式；
以下以本实施例所述的热电回热增凝水模块5为例进行说明：
如图3所示，本实施例所述的热电回热增凝水模块5结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，相邻两级热电制冷单元的冷端共用低温风道5.4；
如图4所示，本实施例所述热电回热增凝水模块5结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，相邻两级热电制冷单元的热端和冷端分别共用高温风道5.3和低温风道5.4。
所述热电回热增凝水模块5每一级热电制冷单元的两端分别为有热沉换热的高温风道5.3和低温风道5.4，保证两股空气的流动的同时扩充换热面积，增加换热量和凝结表面，且可根据需求对各级热电制冷单元进行调控。冷冻除湿系统制冷剂侧的循环流动为：压缩机3吸入低温低压过热制冷剂，压缩耗功后排出高温高压过热态制冷剂进入冷凝器2；制冷剂在冷凝器2中向汇合空气放热，重新获得较低的焓值，在出口处变为低温高压的液态状态；而后，制冷剂经过节流装置4变为低温低压两相态进入蒸发器1，向大流量空气6.2释放冷量后，吸热蒸发为低温低压过热制冷剂，构成完整的制冷剂内循环系统。
空气侧主要由两股不同流量的空气流动换热构成，其中大流量空气6.1流过蒸发器1时，与低温两相制冷剂换热，温度降低至露点温度之下，水蒸气凝结析出，空气中的含湿量降低，蒸发器1为整个系统的主要除湿源。而后蒸发器1出口处低温大流量空气6.1流经热电回热增凝水模块热端5.1，与流经热电回热增凝水模块冷端5.2的外界小流量空气6.2分别构成了热电回热增凝水模块冷热端的换热条件，其中小流量空气6.2在热电回热增凝水模块冷端5.2的冷却作用下，温度可降低露点之下，水蒸气凝结，热电回热增凝水模块5成为整个系统的第二除湿源。其后两股空气汇合进入冷凝器中，加热升温后送入室内。
图3为本发明提出的热电回热式冷冻除湿调控策略，所述策略包括以下步骤：
步骤1：监测外界小流量空气露点温度Tb及热电回热增凝水模块冷端5.2的进出口温度TL1，TL2，并计算出温差DTL＝TL1-TL2；监测热电回热增凝水模块热端5.1进出口温度TR1，TR2，并计算出温差DTR＝TR2-TR1；
步骤2：比较热电回热增凝水模块冷端5.2的冷端出口温度TL2和外界小流量空气露点温度Tb，若TL2<Tb，则满足要求；若TL2>＝Tb，则需进一步比较热电回热增凝水模块冷端5.2的进出口温差DTL与热电回热增凝水模块热端5.1进出口温差DTR；
步骤3：比较热电回热增凝水模块冷端5.2的进出口温差DTL与热电回热增凝水模块热端5.1进出口温差DTR，若DTR<＝DTL，则调整流经热电回热增凝水模块热端5.1的空气流量，直至满足DTR>DTL；进一步调整流经热电回热增凝水模块冷端5.2的空气流量，直至TL2<Tb，则满足要求。所述除湿方式由冷冻除湿方式和热电制冷除湿方式组成，除湿源分别为蒸发器1和热电回热增凝水模块冷端5.2。
热电回热增凝水模块热端5.1采用流经低温空气冷却，热电回热增凝水模块冷端5.2采用外界小流量空气6.2更高温度的空气加热，冷热两端温差减小，热电回热增凝水模块冷量输出加大。另外必须保证热电回热增凝水模块热端5.1空气流量大于热电回热增凝水模冷端5.2空气流量，以确保一定冷量下小流量空气6.2能够被冷却至露点温度之下，产生除湿效果。
系统中蒸发器1和冷凝器2采用管翅式换热器，蒸发器1翅片表面做亲水涂层处理，保证冷凝水的顺畅流出；压缩机3采用定频工作模式，节流装置4采用毛细管，保证系统配置的经济性。图4为本发明测试计算结果对比图，通过计算分析发现，在相同环境温度下，本发明的一种热电回热式冷冻除湿系统，除湿效果明显优于传统除湿和回热器除湿方式，除湿量更大和除湿能效更高。对比结果显示，本发明的除湿系统能够有效增加除湿量：相比传统冷冻除湿系统，除湿量增加9.5％～12.5％：相比于带回热器冷冻除湿系统，除湿量增加约2.5％。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种热电回热式冷冻除湿系统，其特征在于：包括蒸发器(1)、冷凝器(2)、压缩机(3)、节流装置(4)和热电回热增凝水模块(5)；
所述蒸发器(1)、压缩机(3)、冷凝器(2)和节流装置(4)依次连接成环路构成制冷剂内循环系统；所述热电回热增凝水模块(5)安装在蒸发器(1)和冷凝器(2)之间，热电回热增凝水模块(5)的冷热两端分别布置有换热通道，且热电回热增凝水模块热端(5.1)的换热通道空气流通量大于热电回热增凝水模块冷端(5.2)的换热通道空气流通量，热电回热增凝水模块热端(5.1)的换热通道用于输送流过蒸发器(1)的低温大流量空气，热电回热增凝水模块冷端(5.2)的换热通道用于输送来自外界的小流量空气，来自热电回热增凝水模块(5)冷热两端换热通道换热后的空气汇合后一同送入冷凝器中，加热升温后送入室内。
2.根据权利要求1所述的一种热电回热式冷冻除湿系统，其特征在于：所述热电回热增凝水模块(5)由多级热电制冷单元构成，每一级热电制冷单元包括多个N型半导体热电材料(5.5)、多个P型半导体热电材料(5.6)和多个导流片(5.7)，N型半导体热电材料(5.5)和P型半导体热电材料(5.6)间隔布置，并通过导流片(5.7)串联。
3.根据权利要求2所述的一种热电回热式冷冻除湿系统，其特征在于：所述热电回热增凝水模块(5)结构形式呈“-+-+”布置的顺式结构，每一级热电制冷单元的两端的高温风道(5.3)和低温风道(5.4)为独立式；或者所述热电回热增凝水模块(5)结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，每两级热电制冷单元的冷端共用低温风道(5.4)；或者所述热电回热增凝水模块(5)结构形式呈“-++-”布置的交叉结构，每两级热电制冷单元的热端和冷端分别共用高温风道(5.3)和低温风道(5.4)。
4.根据权利要求2所述的一种热电回热式冷冻除湿系统，其特征在于：所述热电回热增凝水模块(5)每一级热电制冷单元两端的热沉换热器采用平行翅片；或者所述热电回热增凝水模块(5)每一级热电制冷单元两端的热沉换热器采用锯齿形翅片；或者所述热电回热增凝水模块(5)每一级热电制冷单元两端的热沉换热器采用波纹翅片；或者所述热电回热增凝水模块(5)每一级热电制冷单元两端的热沉换热器采用百叶窗翅片。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述系统的热电回热式冷冻除湿方法，其特征在于：
大流量空气流过蒸发器(1)温度降低至露点温度之下，水蒸气凝结析出，空气中的含湿量降低，蒸发器(1)为整个系统的主要除湿源，流过蒸发器(1)的低温大流量空气流经热电回热增凝水模块热端(5.1)的换热通道进行换热；
外界小流量空气流过热电回热增凝水模块冷端(5.2)的换热通道，在热电回热增凝水模块冷端(5.2)冷却作用下，温度降低至露点之下，水蒸气凝结析出，热电回热增凝水模块(5)为整个系统的第二除湿源；
流经热电回热增凝水模块热端(5.1)的低温大流量空气与流经热电回热增凝水模块冷端(5.2)的外界小流量空气(6.2)分别构成了热电回热增凝水模块冷热端的换热条件，将热电回热增凝水模块冷热端换热后的两股空气汇合送入冷凝器中，加热升温后送入室内。
6.根据权利要求5所述的热电回热式冷冻除湿方法，其特征在于，除湿过程按照以下策略进行：
监测外界小流量空气露点温度Tb及热电回热增凝水模块冷端(5.2)的进出口温度TL1，TL2，并计算出温差DTL＝TL1-TL2；监测热电回热增凝水模块热端(5.1)进出口温度TR1，TR2，并计算出温差DTR＝TR2-TR1；
比较热电回热增凝水模块冷端(5.2)的冷端出口温度TL2和外界小流量空气露点温度Tb，若TL2<Tb，则满足要求；若TL2>＝Tb，则需进一步比较热电回热增凝水模块冷端(5.2)的进出口温差DTL与热电回热增凝水模块热端(5.1)进出口温差DTR；
若DTR<＝DTL，则调整流经热电回热增凝水模块热端(5.1)的空气流量，直至满足DTR>DTL；进一步调整流经热电回热增凝水模块冷端(5.2)的空气流量，直至TL2<Tb，则满足要求。
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