半导体制冷应用于新型膜组件冷腔的试验研究

　　1 引 言

　　气隙式膜蒸馏(Air Gap Membrane Distillation) 技术是一种新型的并接式膜蒸馏系统，如图1所示。与传统膜蒸馏技术的不同之处是，在冷端与热端之间有一层约1—4 mm 厚度的空气层，具有蒸馏液可单独收集，热效率高的优点[1]。适用于腐蚀性及放射性废液的提取[2]，海水及苦咸水淡化等。气隙式膜蒸馏技术由热工质循环系统、冷工质循环系统两个系统组成。待处理液经加热后即热工质，流入膜热腔，在热腔中靠近膜面处的热工质汽化; 冷工质在恒温冷水箱用制冷机进行制冷，流入膜冷腔; 利用蒸汽压力差为推动力，使得水蒸气透过膜面在冷端冷凝，而实现苦咸水的淡化。为了提高膜通量，已经在热工质采用旋转切向入流[3-4]等方面做出了优越的成果。温差与膜通量是成幂函数[5]关系，在以往的研究中，都是膜冷端温度保持在10 ℃不变，通过升高膜热端温度的方式来增大温差，如果保持热工质温度不变，降低冷工质温度，同样可以增大温差，但通过制冷机制冷将常温水( 夏季22 ℃，冬季19 ℃) 降温到10 ℃ 时，所消耗的功率非常大，所以寻找合适的冷源代替制冷机制冷是非常有必要的。

　　半导体制冷是利用热电效应的原理制冷，具有绿色环保; 无机械转动、制冷迅速，而且便于通过工作电流大小实现可控调节等众多优点，目前已在低温超导技术、低温电子学，通讯技术，航空，红外技术以及空间技术等领域广泛应用[6-7]。本研究基于半导体制冷原理的空气隙膜蒸馏组件冷端设计，在此基础上对半导体制冷片与膜冷腔的匹配进行了初步试验。试验采用水冷式散热方式[8]对半导体热端进行散热，冷端采用风机吹扫式大空间强制对流换热。针对一片和四片半导体制冷片在特定工况下的半导体制冷性能试验研究。

　　2 半导体制冷原理和影响因素

　　2.1 半导体制冷原理

　　热电效应是半导体制冷最基本的依据，其中最著名的是赛贝克效应和珀尔帖效应。1821 年塞贝克发现不同材质的两种金属组成的闭合线路中[6]，当两节点的温度不同时，线路中会产生电流，这就是塞贝克效应，但是塞贝克没有认识到产生电流的真正原因。直到1834 年，法国物理学家珀尔贴在塞贝克效应的基础上做了一个相反的实验: 向两种不同材质的金属组成的闭合线路中通直流电，发现两金属出现一个接点温度升高，一个接点温度降低的现象，这就是著名的珀尔贴效应。

　　2.2 影响半导体制冷性能的因素

　　影响半导体制冷性能的因素有半导体自身加工工艺和外部因素的影响。加工工艺的因素有附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换及元件性能等[9]; 外因有热端散热方式[10]、冷热端温差、供电方式[9]等。