對熱電制冷的營(yíng)養液溫控系統研究

引言

目前國內主要采用地下水、加冰、電熱管加熱以及加大營(yíng)養液槽的體積等措施控制營(yíng)養液的溫度。

夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營(yíng)養液的溫度，但對地下水浪費嚴重，且受地理環(huán)境因素的制約;采用加冰的方法即不易于實(shí)現對營(yíng)養液溫度的控制，也易對周邊環(huán)境造成污染。冬季，采用電熱管加熱雖然能夠滿(mǎn)足植物生長(cháng)的要求，但加熱一段時(shí)間后，加熱棒表面出現Cat+,Mgt+離子的結垢，勢必引起營(yíng)養液成分的變化川。研究一種節能、高效的營(yíng)養液溫度控制系統具有現實(shí)意義。

熱電制冷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于醫療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個(gè)領(lǐng)域，但在農業(yè)生物環(huán)境控制領(lǐng)域的應用很少。本文針對單株番茄樹(shù)特種栽培營(yíng)養液溫度控制中存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了一套熱電制冷溫控系統，以解決植物栽培中營(yíng)養液夏季降溫和冬季加溫的問(wèn)題。

1 熱電制冷器的工作原理

熱電制冷器的基本元件是P型和N型半導體元件連接而成的熱電偶對。如圖1所示，當熱電偶對中通以電流后，電子和空穴分別從金屬片3流入N和P型半導體，產(chǎn)生電子一空穴對時(shí)吸收的熱量大于通過(guò)金屬片3時(shí)產(chǎn)生的熱量，使金屬片3與P和N型半導體結合處的溫度降低，電絕緣層1成為冷端，物體2被冷卻。當電子和空穴從N和P型半導體流入金屬片5時(shí)，電子和空穴結合放出的熱量大于帶走的熱量，使金屬片5和P,N型半導體的結合處的溫度升高，電絕緣層6成為熱端，物體8被加熱。所以熱電偶對在冷端吸收周?chē)橘|(zhì)的熱量，實(shí)現制冷;在熱端散發(fā)熱量，加熱與之接觸的物體。電流方向改變，冷、熱端互換。實(shí)際使用時(shí)通常把幾個(gè)或上百個(gè)熱電偶對連接在一起，并加工成片狀，稱(chēng)為熱電制冷器或熱電制冷片。

2 試驗材料及方法

2.1 溫室

試驗溫室為中國農業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長(cháng)度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃;頂部設置天窗自然通風(fēng);溫室內設置內保溫幕，外置遮陽(yáng)幕;南面安裝風(fēng)機，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。

圖2為溫室橫向剖面圖。

2.2 熱電溫控系統

熱電制冷設備結構設備采用對稱(chēng)結構(圖3)，蓋板2為保溫性能良好的聚苯塑料板，以減小外界環(huán)境與流體之間的熱交換。上下蓋板利用螺栓連接，既保證了熱電制冷片6和銅板4的充分接觸，又減小了熱電制冷片與銅板之間的接觸熱阻。320mmx295mmx6mm(長(cháng)x寬x高)的橡膠墊3內加出5個(gè)平行排列(間距10mm)并相互導通的矩形槽(280mmx44mmx6mm)，主要起導流作用。

熱電制冷片采用杭州建華熱電制冷集團有限公司生產(chǎn)的TEC-12706熱電制冷片，共26片。其最大工作電流6A，電壓15.4V，最大制冷量51.4W，最大溫差67℃。

根據王錦俠等的研究結果，確定設計參數為：制冷器熱端最高溫度45V-，冷端溫度20°C，工作電壓(DC)12Vo散熱方式熱電制冷片的制冷量和制冷系數與制冷片冷熱端的溫差密切相關(guān)，溫差越大制冷量越小，制冷系數越低。對于特定的熱電制冷片，散發(fā)掉熱端的熱量是提高熱電制冷系數和增大熱電制冷量的關(guān)鍵。由于控制對象為營(yíng)養液，其水冷換熱系數高，換熱效果好，故采用水冷方式進(jìn)行散熱。

電源當直流電源的穩波系數小于10%時(shí)，熱電制冷片的制冷性能較好。根據需要自制了1臺電源，其交流輸入電壓(AC)220V，直流輸出電壓(DC)12V，最大電流300Ao測試儀器Datataker600數據采集儀和熱敏電阻溫度傳感器，澳大利亞數據電子有限公司生產(chǎn)，其測量精度為士0.050C;ST5124環(huán)境溫度控制器，美國Aerotech有限公司生產(chǎn)，可以直接控制繼電器工作，控制精度士0.1℃;普通流量計、直流電壓表、電流表等。

2.3 試驗目的及方法

目的測試熱電溫控系統的制冷系數以及水流量對制冷系數的影響;試驗驗證熱電溫控系統的實(shí)際運行效果。

制冷系數的測試在電路中接入功率表，記下起始讀數;利用數據采集儀和溫度傳感器記錄和測量制冷水溫度的變化。按式(1)計算制冷系數：

式中：m為制冷水的質(zhì)量，kg;和T:分別為制冷水的初始溫度和每次試驗結束時(shí)的溫度，℃;W為耗電量，J;。為水的比熱容(假設為常數)。

試驗設計試驗采用2因素3水平的3X3正交試驗設計方法，其中因素A為散熱水流量，分別為4.5,5.8和7.1Lmin-1;因素B為制冷水流量，分別為5.6,8.9和11.2Lmin-1。制冷水初始溫度為2610.5°C，散熱水溫度為2610.5°C。采用2個(gè)散熱水箱(分別為進(jìn)水箱和回水箱)盛放散熱水，確保散熱水溫度恒定。制冷水箱箱體外加5cm厚的巖棉保溫材料，減小周?chē)h(huán)境與制冷水之間傳熱量，其內共35kg制冷水。數據采集間隔為1min,每次試驗30min。試驗原理見(jiàn)圖4營(yíng)養液溫度控制試驗營(yíng)養液無(wú)土栽培系統主要由水泵、營(yíng)養液槽、栽培槽、閥門(mén)、熱電溫控系統，以及循環(huán)管道等組成(圖5)。試驗中共采用2套營(yíng)養液無(wú)土栽培系統，其中1套系統采用熱電溫控系統控制營(yíng)養液溫度，另外1套不采取任何溫度控制措施，營(yíng)養液配方相同。