半導體制冷空氣取水量理論分析與計算

廖其剛

摘 要： 半導體制冷空氣取水技術是利用特種半導體材料的珀爾帖效應通過冷卻結露的方式從空氣取水的技術，針對半導體制冷空氣取水量進行理論分析，并建立了理論數學模型，得出了單個半導體制冷片在理想環境下的最大制水量。

關鍵詞： 半導體制冷;制水量;數學模型

隨著經濟的發展和人口的增加，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和利用，導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重要的需要解決的問題?？諝庵刑N涵著大量的水資源，地球大氣的厚度可達到十萬米，其中水蒸氣含量可達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）冷卻結露方式，即通過空氣冷卻器來實現，當溫度低于空氣露點溫度時，空氣中水蒸氣就會凝結，從而達到制水目的;2）吸濕解吸方式，即先通過干燥劑進行吸濕，再利用外界能量對干燥劑加熱，使其中水蒸氣散發出來，同時給水蒸氣降溫，當水蒸氣溫度降低到露點溫度以下時，水蒸氣會凝結成液態水，從而達到制水目的。冷卻結露根據其原理不同又可分為半導體制冷和機械壓縮式制冷，與機械壓縮制冷方式相比，半導體制冷是一種不用制冷劑、沒有運動器件的電器元件，具有結構簡單、無污染、無噪音、可靠性高和便于維護等優點，本文重點分析半導體制冷空氣制水方式。

1 半導體制冷的基本原理

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

2 ?空氣制水系統構建

典型的半導體制冷式空氣制水系統包括集水箱、散熱器、半導體制冷片、絕緣墊、冷凝器、散熱風扇、軸流風扇、電源等幾部分。散熱風扇主要是在自然空氣對流散熱的基礎上，熱端增加散熱風扇，使得制冷組件的工作環境為流動空氣。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。軸流風扇主要是提高集水箱內的空氣流速，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，中間為半導體制冷片和隔熱墊，隔熱墊在半導體制冷片外圍，半導體制冷片與散熱器與冷凝器的接觸面均涂抹導熱硅膠，減少熱阻，提高熱傳導效率。半導體制冷片采用TEC-12705，外形尺寸40mm×40mm×4mm，額定電壓DC12V，元件對數127，最大溫差68℃，最大制冷量為41W;散熱風扇和軸流風扇規格相同，電壓DC12V，風量16CFM，其外形尺寸60×60×15mm;集水箱外形尺寸400mm×260mm×260mm，集水箱內外壁之間填充30mm厚的聚氨酯保溫材料。在箱體的前壁面和側壁面分別設置窗口用于安裝制冷片和散熱器模塊以及軸流風扇。其模型圖見圖2

4 結論

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

參考文獻

[1]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].2版.上海：上海交通大學出版社，1999.

[2]劉建勛.空氣制水裝置的性能研究[J].低溫與超導，2015.05.

[3]曹旦，鄒鉞.半導體制冷空氣取水系統的優化研究[J].上海節能，2016.01.

[4]薛殿華.空氣調節[M].北京：清華大學出版社，1991.