基于半導體制冷技術(shù)的淡水制造機研究

龍文 謝青 陳蓮芳

摘要：該文針對溫熱帶海島缺少淡水的實際，從分析空氣取水的可行性出發(fā)，研究了目前空氣取水的成果，提出用半導體制冷片從空氣中取得淡水的構(gòu)想，經(jīng)反復測試、不斷優(yōu)化，設(shè)計了一套簡單、實用的淡水制造機的方案，實現(xiàn)了從空氣中取水的目標。

關(guān)鍵詞：半導體制冷；空氣取水；淡水制造；太陽能

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0247-02

據(jù)中國海洋局最新發(fā)布的首個海島統(tǒng)計調(diào)查公報顯示，截止到2015年底，我國共有海島11000多個，面積超過500m2的島嶼6536個，有人居住的450個。它們多分布在南方，其中東海4300多個、南海1700多個，東海屬溫帶-亞熱帶季風氣候，南海屬熱帶海洋性季風氣候，特點是空氣溫暖、濕潤。海南省作為我國海洋面積最大省份，發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設(shè)海洋強省、維護海洋權(quán)益已納入2017年重點工作之一。

在離岸較遠的海島，淡水成為人民生活、工作、旅游的瓶頸，既要節(jié)約用水外，更要采用新技術(shù)、新設(shè)備，尋找更多、更廣的方法提供淡水供給。

1 空氣取水技術(shù)的構(gòu)想

傳統(tǒng)諸如從地下水、江河水、雨雪水等獲取淡水的方式不能完全滿足中小型海島的需要，而海水淡化技術(shù)目前主要是通過生物能源、太陽能、風能等對海水進行蒸餾、冷凍來生成淡水，投入大、設(shè)備多、技術(shù)難度深。

近年來科研人員展開研究，探索從空氣中獲取淡水的技術(shù)，通過對濕空氣進行冷卻結(jié)露、聚霧、吸附解析等方式生成淡水?？諝馊∷O(shè)備輕便、應(yīng)用范圍廣，非常適合高山、海島、戈壁甚至沙漠等環(huán)境。

2 空氣取水的可行性分析

地球空氣中有大量水分子，海洋性氣候地區(qū)空氣中含水達120g/m3，水在引力、太陽、氣流等作用下，不斷進行固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)地轉(zhuǎn)換。宋金明[1]研究顯示，近海上空空氣含鹽量很低，7～8月最高，為0.72mg/m3，10月最低，為0.34 mg/m3，對冷凝淡水的影響可忽略。

冷卻結(jié)露式取水是對空氣進行冷凝，當溫度高的空氣遇到溫度低的冷凝器時，空氣中的水蒸氣在低于露點溫度后，冷凝成液態(tài)的水。目前有壓縮式、吸收式和半導體式三種制冷方式，壓縮式采用壓縮機，制冷效率高，但能源消耗大；吸收式使用的如溴化鋰等物質(zhì)對金屬有腐蝕性，設(shè)備要求高，冷卻負荷大；半導體熱電制冷無制冷劑沒有機械部件，具有清潔、低噪音、制冷快、易調(diào)節(jié)及易小型化等優(yōu)點，但制冷效率偏低。

目前市場上有很多成熟的半導體制冷片，利用半導體制冷片的帕爾貼效應(yīng)，通直流電后，制冷片制冷，會使通過的暖水蒸氣遇冷凝結(jié)成水。其原理是一N型半導體元件和一只P型半導體元件經(jīng)金屬導流條連接成熱電偶，通電后冷端產(chǎn)生吸熱制冷現(xiàn)象，熱端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。

3 空氣取水技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前空氣取水研究圍繞空調(diào)的較多，主要是利用空調(diào)冷凝水噴灑冷凝器，降低冷凝溫度和壓縮機的排氣溫度，達到節(jié)能的目的。另有如周圓、陳香等研究者是基于冷凝蒸發(fā)器進行制冷來進行空氣取水。

通過查找文獻，發(fā)現(xiàn)利用半導體制冷技術(shù)獲取淡水的研究較少，主要是軍方，如：

空軍工程設(shè)計研究局的羅繼杰[2]在2004年設(shè)計了基于壓縮機制冷的取水系統(tǒng)、多層次凈化處理系統(tǒng)、復雜智能的電控系統(tǒng)三個子系統(tǒng)的取水方案。

解放軍175醫(yī)院的張濤[3]對野戰(zhàn)條件下便攜式空氣取水的可行性進行探索，從半導體制冷片、太陽能制冷匹配、冷凝器、水過濾等四個模塊入手，并提出在低溫情況下用熱端產(chǎn)生的熱量將進風口的冷空氣預(yù)熱的構(gòu)想。

解放軍理工大學的郝秀淵[4][5]針對干燥地區(qū)，空氣濕度小，直接采用冷凍結(jié)露式取水難以實現(xiàn)，提出先采用吸附解析法將空氣中的水汽富集，再使用冷凍結(jié)露法取水的設(shè)計模型。

4 本項目的設(shè)計方案

4.1 電源的設(shè)計

由于南方日照充分，太陽能資源豐富，光伏發(fā)電過程簡單，且現(xiàn)在光伏組件體積小、性能高、價格低，適合本項目需要。但太陽能只有在陽光下才能工作，所以設(shè)計兩個電源的組合，一是將4個6V太陽能發(fā)電板兩兩串聯(lián)再并聯(lián)作為白天的電源使用，二是配備一個12V的蓄電池在晚上供電給系統(tǒng)，并另用2個6V太陽能發(fā)電板串聯(lián)在有陽光時給蓄電池充電。通過一個雙極開關(guān)保證只能從太陽能或蓄電池選擇一個來供電。

4.2 制冷及散熱模塊的設(shè)計

采用元件對數(shù)127、額定電壓DC12V、致冷功率58W的半導體制冷片1個，在熱端采用導熱性能較好的材料做成散熱器，并與散熱風扇組合，安裝時注意風扇的風向要往外排出熱風，而不能往冷凝片方向鼓風，再在風扇上安一回風管，將熱空氣送到冷凝室。

4.3 冷凝器模塊的設(shè)計

在冷凝的過程中，水蒸氣會呈現(xiàn)珠狀凝結(jié)和膜態(tài)凝結(jié)這兩種形態(tài)。如果冷凝壁的疏水性較強，水蒸氣遇冷會凝結(jié)成很多隨機分布、大小不一的液滴，稱為珠狀凝結(jié)。當冷凝壁表面能較高時，液體就容易吸附在冷凝器表面并鋪展成膜，叫做膜狀凝結(jié)。在膜態(tài)凝結(jié)的過程中，由于液體在冷凝壁面形成膜，熱交換要先通過凝結(jié)液層來導熱，造成熱量與壁面發(fā)生的是間接熱交換，所以珠狀凝結(jié)比膜狀凝結(jié)擁有更高的傳熱系數(shù)，可大幅提高能量利用率。所以本項目在制冷片下安裝表面粗糙的純鋁柵狀導冷片作為冷凝器，加大其與新的熱空氣接觸面積，并有利于液滴的形成。為提高水滴合并和脫落效率，在冷凝器下安裝較光滑、傾斜的翅片，并鉆孔方便水滴落下。

4.4 冷凝室的設(shè)計

冷凝室是新風進入并進行冷凝的場所，空間不易過大，將散熱模塊和冷凝模塊至于冷凝室的上方，便于水滴利用重力向下運動、滴落[6]。通過風扇將室外溫濕空氣吹入，為防止室內(nèi)氣體發(fā)生紊流，在進風口對面開一些小的出風口，為提高新空氣的溫濕度，將回風口開在靠近進風口處[7]。進風口應(yīng)略低于冷凝器，風向略微朝上，這樣既可以讓濕空氣流過制冷片冷端的速度不至過快，讓濕空氣與冷凝器能進行充分的熱濕交換，還能減少水滴的蒸發(fā)。

4.5 集水室的設(shè)計

將冷凝室的下端設(shè)計成便于淡水收集的漏斗形狀。冷凝水是從空氣中的水蒸氣冷凝而成，由于空氣含有一些雜質(zhì)，所以必須凈化。本項目在集水室和冷凝室的結(jié)合部，采用由上而下分層放置洗凈的石英砂、活性炭、蓬松棉，中間分別放置紗布，做成一凈水裝置。

4.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計

5 測試數(shù)據(jù)分析

測量時熱端溫度為散熱器溫度，冷端溫度為冷凝器溫度，未加回風管。半導體制冷片通電后，熱端溫度增加、冷端溫度越低，通電10分鐘后半導體制冷片的冷、熱端溫度達到穩(wěn)定，能保證冷熱兩端溫度不發(fā)生較大波動。10分鐘后產(chǎn)生水珠，30分鐘開始脫落。本數(shù)據(jù)與10月初（環(huán)境溫度為33℃）集水量少了約20ml。加回風管后水量提升不是很明顯。

由于測試時陽光不是十分充足，太陽能的效率偏低。通過調(diào)整太陽能發(fā)電板的傾角，顯示40°～60°間輸出功率比其他角度大，在45°時達到最大值，所以在架設(shè)太陽能發(fā)電板時，傾角盡量接近45°。

6 結(jié)論

通過多次測量，本項目冷凝水的量與制冷片制冷效果、溫度、濕度、新風等因素呈正相關(guān)，蓄電池效果強于太陽能效果，溫度變化影響大于濕度。利用半導體制冷技術(shù)從空氣中取得淡水是可行的，造價低、體積小、攜帶方便、易安裝，能對缺水地區(qū)帶來較好的淡水補充，本項目的產(chǎn)品不僅可用于海島，同樣可應(yīng)用到沙漠等干旱地區(qū)，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 宋金明. 近海岸（青島）大氣鹽份研究[J]. 海洋環(huán)境科學，1994（5）.

[2] 羅繼杰. 野外作業(yè)用空氣取水設(shè)備研究與應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào)，2004，34（4）.

[3] 張濤. 野戰(zhàn)嚴重缺水條件下便攜式空氣取水器的研制[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010（8）.

[4] 郝秀淵. 吸濕解析和冷凍結(jié)露復合法空氣取水方案探討[J]. 人民長江，2016（11）.

[5] 李強，郝秀淵. 空氣取水技術(shù)研究綜述[J]. 山西建筑，2016（11）.

[6] 姬利明. 家用空調(diào)冷凝水節(jié)能利用探討[J]. 低溫與超導，2011（5）.

[7] 王贊社. 濕熱地區(qū)家用空調(diào)冷凝水回收硏究[J]. 暖通空調(diào)，2015（12）.