半導(dǎo)體制冷空氣取水量理論分析與計(jì)算

廖其剛

摘 要： 半導(dǎo)體制冷空氣取水技術(shù)是利用特種半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)通過冷卻結(jié)露的方式從空氣取水的技術(shù)，針對半導(dǎo)體制冷空氣取水量進(jìn)行理論分析，并建立了理論數(shù)學(xué)模型，得出了單個(gè)半導(dǎo)體制冷片在理想環(huán)境下的最大制水量。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體制冷;制水量;數(shù)學(xué)模型

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，人類對水資源的需求不斷增長，再加上存在對水資源的不合理開發(fā)和利用，導(dǎo)致地球上的水資源越來越匱乏，全球淡水資源短缺成為了一個(gè)重要的需要解決的問題?？諝庵刑N(yùn)涵著大量的水資源，地球大氣的厚度可達(dá)到十萬米，其中水蒸氣含量可達(dá)425g/m3，有效利用空氣中的淡水資源，可有效解決水資源短缺問題。目前，主要通過兩種方式從空氣中制水：1）冷卻結(jié)露方式，即通過空氣冷卻器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中水蒸氣就會(huì)凝結(jié)，從而達(dá)到制水目的;2）吸濕解吸方式，即先通過干燥劑進(jìn)行吸濕，再利用外界能量對干燥劑加熱，使其中水蒸氣散發(fā)出來，同時(shí)給水蒸氣降溫，當(dāng)水蒸氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水蒸氣會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水，從而達(dá)到制水目的。冷卻結(jié)露根據(jù)其原理不同又可分為半導(dǎo)體制冷和機(jī)械壓縮式制冷，與機(jī)械壓縮制冷方式相比，半導(dǎo)體制冷是一種不用制冷劑、沒有運(yùn)動(dòng)器件的電器元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪音、可靠性高和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本文重點(diǎn)分析半導(dǎo)體制冷空氣制水方式。

1 半導(dǎo)體制冷的基本原理

半導(dǎo)體制冷主要利用了半導(dǎo)體的帕爾貼效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。對于半導(dǎo)體熱電偶，當(dāng)電流方向是n型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體時(shí)，由于n型半導(dǎo)體具有多余電子，而P型半導(dǎo)體電子不足，P型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的自由電子作離開接頭的背向運(yùn)動(dòng)，在接頭處，P型半導(dǎo)體滿帶內(nèi)的電子躍入導(dǎo)帶成為自由電子，在滿帶中留下一個(gè)空穴，即產(chǎn)生電子—空穴對。而新生的自由電子立刻通過接觸面進(jìn)入n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，這是自由電子的運(yùn)動(dòng)方向是與接觸電位差相反的，這相當(dāng)于金屬熱電偶熱端的情況，電子通過接頭時(shí)放出能量。但是產(chǎn)生電子—空穴對時(shí)所吸收的能量大大超過了它們通過接頭時(shí)放出的能量，同樣n型半導(dǎo)體也產(chǎn)生電子—空穴對，新生的空穴也立刻通過接觸面進(jìn)入P型半導(dǎo)體的滿帶，產(chǎn)生電子—空穴對時(shí)所系搜的能量也大大超過了它們通過接頭時(shí)所放出的能量，總的結(jié)果使接頭處的溫度下降成為冷端，并要從外界吸熱，即產(chǎn)生制冷效果，反之，產(chǎn)生制熱效果。如圖1所示：

2 ?空氣制水系統(tǒng)構(gòu)建

典型的半導(dǎo)體制冷式空氣制水系統(tǒng)包括集水箱、散熱器、半導(dǎo)體制冷片、絕緣墊、冷凝器、散熱風(fēng)扇、軸流風(fēng)扇、電源等幾部分。散熱風(fēng)扇主要是在自然空氣對流散熱的基礎(chǔ)上，熱端增加散熱風(fēng)扇，使得制冷組件的工作環(huán)境為流動(dòng)空氣。通過提高空氣流速來提升空氣與熱端接觸面積，有效地提高了散熱效果。軸流風(fēng)扇主要是提高集水箱內(nèi)的空氣流速，從而提升與冷端接觸的空氣流量，提高制水能力。散熱器和冷凝器之間用螺絲固定，中間為半導(dǎo)體制冷片和隔熱墊，隔熱墊在半導(dǎo)體制冷片外圍，半導(dǎo)體制冷片與散熱器與冷凝器的接觸面均涂抹導(dǎo)熱硅膠，減少熱阻，提高熱傳導(dǎo)效率。半導(dǎo)體制冷片采用TEC-12705，外形尺寸40mm×40mm×4mm，額定電壓DC12V，元件對數(shù)127，最大溫差68℃，最大制冷量為41W;散熱風(fēng)扇和軸流風(fēng)扇規(guī)格相同，電壓DC12V，風(fēng)量16CFM，其外形尺寸60×60×15mm;集水箱外形尺寸400mm×260mm×260mm，集水箱內(nèi)外壁之間填充30mm厚的聚氨酯保溫材料。在箱體的前壁面和側(cè)壁面分別設(shè)置窗口用于安裝制冷片和散熱器模塊以及軸流風(fēng)扇。其模型圖見圖2

4 結(jié)論

本文分析了半導(dǎo)體制冷的工作原理，提出了一種典型的采用半導(dǎo)體制冷方式進(jìn)行空氣制水的系統(tǒng)模型，并采用了能量守恒定律對空氣制水量進(jìn)行了理論計(jì)算，通過計(jì)算表明，單個(gè)制冷片每小時(shí)的最大理論制水量約為11.56g，效率可達(dá)52%，效率較高，采用半導(dǎo)體制冷方式進(jìn)行空氣制水具有較高的實(shí)用性。

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