表面憎水處理及接觸面積對空氣凝水的影響

毛俊西　陳曦　熊守權(quán)　雷曉波　張勤勇

摘? ?要：半導(dǎo)體制冷空氣凝水是一種環(huán)保、潔凈的取水方式。它利用帕爾貼效應(yīng)，以電荷運輸熱量的方式，實現(xiàn)熱電器件與空氣的熱量交換，從而達(dá)到空氣凝水的目的。本研究探討了使用熱電制冷片對空氣進(jìn)行冷凝的效果。同時，用散熱翅片作為空氣制冷凝水的器材，測試了不同的散熱翅片面積及涂覆憎水劑前后的產(chǎn)水量。結(jié)果表明，增加換熱的面積和涂覆表面憎水劑，有利于提高取水量。

關(guān)鍵詞：帕爾貼效應(yīng);空氣取水;取水量;截面積;憎水劑

水是生命之源，人類的一切生產(chǎn)、生活、活動都離不開水資源。缺水是一個巨大的世界性問題。如今，在干旱或半干旱地區(qū)，人們?nèi)∷姆绞街饕浅槿〉叵滤?、海水淡化等[1]。這些方式均存在著一定的弊端。例如，長期過度抽取地下水對于自然環(huán)境的破壞巨大，會造成生態(tài)失衡、地表水源斷水以及地層下陷等危害。而海水淡化技術(shù)的能源消耗高，受工藝、設(shè)備等因素影響大[2]。因而，具有直接、環(huán)保等特點的空氣凝水技術(shù)成為人們關(guān)注的對象。

目前，從空氣獲得淡水的方法主要有傳統(tǒng)方法和非傳統(tǒng)方法兩種[3]。傳統(tǒng)方法中，收集雨水是人類從空氣中取水最原始、最簡單的方法。非傳統(tǒng)的方法按照原理來劃分，主要包括空氣制冷法[4-5]、霧滴收集法[6]、吸附解吸附法[3，7-9]等。霧滴收集法，主要集中在水汽濕度較大、霧氣較多的地區(qū)，通過收集霧氣中的水蒸氣，從空氣取水。該方法簡單，但是受天氣和地區(qū)的限制，有很強(qiáng)的局限性。曹墨淵等[10]設(shè)計了基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與親疏水復(fù)合表面的空氣取水裝置，成功從霧中凝結(jié)出水。吸附解吸法則用親水的吸附劑將空氣中的水吸附集中起來，再通過解吸附將水釋放出來，達(dá)到從空氣中取水的目的。Manoj Kumar等[11-12]基于K. Daou等以硅膠顆粒作為基底材料，CaCl2作為填充材料的復(fù)合吸附劑的方法，設(shè)計了一種箱式空氣取水裝置，并通過實驗對不同結(jié)構(gòu)尺寸下的空氣取水效率進(jìn)行了研究。雖然該方法便攜性強(qiáng)，但產(chǎn)水量小，因而只適合于需求水量較小的野外和戶外等場合。

空氣制冷法是將空氣制冷后，通過凝露的方式，將空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水滴后予以收集。由于制冷方式不同，空氣制冷法又有壓縮機(jī)制冷法和半導(dǎo)體制冷法。前者優(yōu)點在于制作簡單、產(chǎn)水量大，但缺點是能耗高、體積大，不便攜帶。例如，以色列Water Gen公司的商業(yè)化空氣取水裝置，能夠在空氣濕度為35%的情況下每天產(chǎn)水5 t，但其占地面積大、能耗高。葉繼濤等[13]研究了通過太陽能供電、利用半導(dǎo)體制冷的空氣取水裝置，獲得了2.25 kg的水量。Tan等[14]研究了半導(dǎo)體空氣制冷取水，在平均相對濕度77%和制冷面積579.6 cm2時，3 h內(nèi)從空氣中提取的最大水量為50 mL。為了提升半導(dǎo)體制冷法的產(chǎn)水量，充分利用其便攜性優(yōu)勢，本文采用半導(dǎo)體制冷片，對比研究了鋁制散熱翅片表面積，及其表面是否涂覆憎水劑，對空氣凝水量的影響，優(yōu)化了半導(dǎo)體制冷凝水裝置。

1? ? 制冷原理與空氣凝水原理

1834年，法國科學(xué)家帕爾帖[15]通過實驗觀察到，當(dāng)電流經(jīng)過兩種不同導(dǎo)體所組成的回路時，接頭處出現(xiàn)吸熱或放熱現(xiàn)象，如圖1所示。實驗發(fā)現(xiàn)，吸收或者放出熱量只與導(dǎo)體屬性、接頭處溫度及通電電流大小有關(guān)。電流從導(dǎo)體a流向?qū)wb，則所傳輸熱量與電流大小、通電時間和材料屬性存在著以下關(guān)系。

式中，βab=βa-βb表示接觸材料的帕爾貼系數(shù)。當(dāng)βab為正值時表示吸熱，反之則為放熱。這種電流通過不同金屬材料或者半導(dǎo)體材料時，接頭處出現(xiàn)吸熱或放熱的現(xiàn)象為帕爾貼效應(yīng)。通過帕爾帖效應(yīng)，熱電器件可以在器件兩端形成溫差，實現(xiàn)固體制冷，見圖1。

當(dāng)對熱電偶通入直流電I時，帕爾貼效應(yīng)產(chǎn)生的吸熱量與電流I成正比。

其中，α為塞貝克系數(shù)，為材料固有屬性。

因為帕爾貼效應(yīng)，水蒸氣將于散熱翅片表面凝結(jié)成露，從而達(dá)到從空氣凝結(jié)液體水的目的。在凝水過程中，散熱翅片本身溫度會降低，帕爾貼效應(yīng)所制冷的熱量為Q0如下列方程[16]：

其中Th和Tc分別為熱電器件熱端溫度和冷端溫度，k指熱電制冷片的熱導(dǎo)率。當(dāng)熱電偶工作時，電源既要對器件的電阻做功，又要克服其中的熱電勢做功，故消耗的功率為：

制冷效率為：

空氣通過散熱翅片時，與熱電器件的散熱翅片表面進(jìn)行熱交換，被冷凝至露點溫度以下后，水蒸氣呈液滴狀附著在翅片的表面。尺寸關(guān)系[17]為：

式中，N（r）表示液滴半徑的分布函數(shù)，rmax表示翅片表面液滴臨界液滴半徑，π表示的是圓周率，m表示尺寸分布指數(shù)。當(dāng)液滴達(dá)到rmax時，液滴從散熱翅片表面脫落。當(dāng)液滴附著在制冷表面時，由于空氣中的水汽不斷的冷凝到制冷表面，因而其表面的導(dǎo)熱系數(shù)將會發(fā)生變化。袁帥等[17]經(jīng)過研究表明，液滴導(dǎo)熱系數(shù)隨液滴的尺寸將會發(fā)生如圖2所示的變化。

可見，隨著液滴半徑的增大，其導(dǎo)熱系數(shù)先增大，后減小。但液滴并不會無限長大。當(dāng)液滴的半徑增大后，液滴與液滴之間互相接觸、合并。合并后的液滴半徑、體積、重量增大。當(dāng)其自身的重力大于與散熱片的吸附力時，液滴便會從制冷表面滑落。為增大散熱面積，本研究采用的散熱翅片如圖3所示。

2? ? 實驗

實驗裝置如圖4所示?？諝馔ㄟ^入風(fēng)口進(jìn)入實驗裝置，流經(jīng)熱電器件的散熱翅片。熱電器件按特定方向通直流電后，散熱翅片及其所接觸空氣的熱量被強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體制冷片與水冷頭緊密接觸的另外一端。水冷頭中通以循環(huán)水，帶走被轉(zhuǎn)移到此的熱量，從而使得散熱翅片溫度逐漸降低。當(dāng)散熱翅片吸收空氣的熱量與水冷頭吸收熱電器件熱量達(dá)到平衡后，散熱翅片表面溫度保持穩(wěn)定。當(dāng)散熱翅片溫度低于空氣中水蒸氣露點時，水蒸氣將在散熱翅片表面凝結(jié)為液體水。

通過調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量、電流大小、循環(huán)水流量及其溫度，可調(diào)節(jié)散熱翅片溫度及表面凝水量。

本研究所選的實驗元件包括TEC-12706熱電制冷片、鋁制水冷頭、NESLAB RTE-7循環(huán)水機(jī)、鋁制散熱翅片。TEC-12706熱電制冷片的尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm，額定電壓12 V，最大工作電壓15 V，最大電流6 A，制冷功率為58 ～65 W。本研究采用的是40 mm×40 mm×12 mm 鋁制水冷頭，內(nèi)部厚度為0.5 mm，主要作用是帶走熱電制冷片在熱端的熱量，分別測試了40 mm×40 mm×5 mm（面積約為49.39 cm2）、40 mm×40 mm×11 mm（面積約108.66 cm2）、40 mm×40 mm×20 mm （面積約為147.53 cm2）散熱翅片在空氣凝水過程中的取水量。

實驗中，固定保持散熱器翅片表面溫度在露點溫度為0～5 ℃，通入空氣濕度為75%。為保證散熱翅片表面所凝結(jié)水為球狀液滴，并減小液滴與散熱翅片的吸附力，在鋁制散熱翅片表面涂覆了一層ZS-611表面憎水涂料。ZS-611的主要成分由聚合物基料和經(jīng)過表面改性處理的高活性納米防冰雪添加劑組成。

由于散熱翅片表面溫度在0 ℃附近，涂覆憎水劑后散熱翅片表面凝結(jié)的液滴更容易迅速脫落，從而防止所凝結(jié)的水在散熱翅片表面結(jié)冰，有助于保持散熱翅片的導(dǎo)熱效率。

3? ? 結(jié)果與分析

圖5展示了TEC12706工作電流與電壓及冷端溫度的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著工作電流的增加，工作電壓不斷增加，熱電器件制冷能力不斷提升。但是當(dāng)電流超過4.1 A時，工作電壓雖然繼續(xù)上升，但是在冷端的Tc的值趨于平緩，制冷能力達(dá)到極限。從圖5可得，冷端溫度的下降趨于平緩時，隨著電流繼續(xù)增加，焦耳熱及湯姆遜熱的不斷增加，熱電器件的制冷能力將會開始下降，因此其最佳工作電流在4.1 A，而對應(yīng)的工作電壓在12 V。

圖6展示了恒壓12 V、電流4.1 A時，在表面涂覆憎水劑前后的裝置出水量。從圖中可以看出，在表面涂覆涂層后，從空氣凝結(jié)的水量得到了顯著增加。未進(jìn)行表面憎水處理，最大的制冷水量為在3 h內(nèi)15.6 mL，取水速率為5.2 mL/h。表面進(jìn)行憎水劑涂覆后，最大取水量為在3 h內(nèi)39.6 mL，取水速率為13.2 mL/h。

為研究散熱表面積的影響，對比研究了不同散熱翅片長度情況下的凝結(jié)水量，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，長度為5 mm，面積約為49.39 cm2的翅片在3 h內(nèi)的取水量為11.6 mL，取水速率為3.87 mL/h。長度為11 mm，面積約108.66為cm2的翅片在3 h內(nèi)的取水量為21.2 mL，取水速率為7.06 mL/h。而長度20 mm，面積約為147.53 cm2的翅片在3 h內(nèi)取水量為39.6 mL，取水速率為13.2 mL/h?？梢姡黾映崞拈L度，即增加冷端表面與空氣交換熱的面積，可以明顯地增加空氣取水量。

4? ? 結(jié)語

基于帕爾貼效應(yīng)，通過半導(dǎo)體制冷法，實現(xiàn)了從空氣中直接凝水。為了提高半導(dǎo)體空氣制冷的凝水量，研究了增加空氣換熱面積及在散熱翅片表面涂覆憎水劑的影響。結(jié)果表明，在工作時長為3 h時，表面積為147.53 cm2的散熱翅片能夠以13.2 mL/h的產(chǎn)水速率，產(chǎn)生39.6 mL的取水量。相較于未涂覆憎水劑的散熱翅片而言，涂覆憎水劑的散熱翅片的空氣凝水能力提高2倍左右。

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Effects of water repellent and heat exchange area on the water condensation from air

Mao Junxi1， Chen Xi2， Xiong Shouquan1， Lei Xiaobo1， Zhang Qinyong1，2

（1.Material Science and Engineering School of Xihua University，Chengdu 610039，China;

2.Xihua Honors College of Xihua University，Chengdu，China）

Abstract：It is an environmentally-friendly and clean way of collecting water from air by using thermoelectric cooler. The heat exchange between the thermoelectric device and the air by the Peltier effect，lead to the direct? water generation from air. This paper mainly studies the effect of thermoelectric cooling for air condensation. At the same time，the volume of water generation is measured when the heat dissipation fins worked as air condensate place to study the effect of the area of fins under the condition of with or without water repellent. The results show that increasing the heat transfer area and coating surface with water repellent is beneficial to increase the amount of water generation.

Key words：Peltier effect; atmosphere water collecting; volume of water generation. cross area section; water repellent