基于半導(dǎo)體制冷的冷凝取水式節(jié)水灌溉裝置設(shè)計(jì)

張程慶，萬訓(xùn)酉，何婧瑤

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074）

十八大以來，習(xí)近平總書記明確提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針。在將農(nóng)業(yè)微灌技術(shù)引進(jìn)到中央綠化帶灌溉的過程中，由于滴灌系統(tǒng)的早期建設(shè)成本高、高速公路一般無電網(wǎng)覆蓋、滴頭易堵塞且難以發(fā)現(xiàn)故障和及時(shí)排除，以及常采用機(jī)井、水庫或河流的水作為灌溉水源導(dǎo)致的投入增加及需征得當(dāng)?shù)卦S可等原因，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)微灌體系并未在中央綠化帶灌溉作業(yè)中得到推廣普及[1]?；谝陨?，本文針對(duì)高速公路綠化帶灌溉存在的人工成本高、遠(yuǎn)離水源等一系列問題，設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體制冷的冷凝取水式節(jié)水灌溉裝置，實(shí)現(xiàn)了從空氣中取水灌溉，解決了灌溉水源問題的同時(shí)節(jié)約了人力資源。

1 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，裝置主體由上部的太陽能發(fā)電板和下部的冷凝箱體組成，太陽能發(fā)電板通過桁架支撐在箱體上部。箱體上端設(shè)置兩個(gè)方向相反的進(jìn)氣口，進(jìn)氣口下方設(shè)置一排進(jìn)氣渦輪，作為空氣輸入動(dòng)力設(shè)備。冷凝箱體內(nèi)部主體為由制冷半導(dǎo)體和絕熱隔板構(gòu)成的冷凝空腔結(jié)構(gòu)，隔熱板外圍均勻覆蓋制冷片，冷端朝外，熱端朝內(nèi)，制冷片外圍覆蓋制冷板面介質(zhì)，利于水滴流入蓄水池。冷凝空腔下端設(shè)置下V形氣體通道，使氣體流經(jīng)冷凝空腔熱端帶走熱端散熱。冷凝空腔結(jié)構(gòu)兩端設(shè)置排氣風(fēng)扇，連接排氣口。冷凝結(jié)構(gòu)下方為蓄水池，蓄水池底部連接兩個(gè)電磁閥開關(guān)。

圖1 裝置側(cè)視圖

2 空氣動(dòng)力可行性

如圖2所示，通過fluent三維數(shù)值模擬分析結(jié)果看出，氣流從進(jìn)氣口通過風(fēng)扇進(jìn)入，當(dāng)氣體流經(jīng)制冷板面上部的流速在0.2m/s～1.3m/s時(shí)，空氣流態(tài)呈層流狀，說明產(chǎn)水最優(yōu)流速0.5m/s較為合理。在三棱柱空腔外部三個(gè)圓角的位置流動(dòng)順暢，損失較少。通過三棱柱空腔下部的邊界引入空腔內(nèi)部，邊界設(shè)計(jì)與三棱柱空腔結(jié)構(gòu)吻合，并減小了通道寬度，提高了流速，以便于進(jìn)入到空腔內(nèi)部后產(chǎn)生對(duì)稱的氣流渦旋，提高散熱效率。氣流在兩側(cè)排氣風(fēng)扇的作用下流出三棱柱空腔。整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合氣體冷熱交換和氣流流場(chǎng)，能夠提高產(chǎn)水率。

圖2 fluent三維數(shù)值模擬

3 工作原理

本裝置利用半導(dǎo)體制冷空氣，實(shí)現(xiàn)從空氣中取水灌溉。其具體的實(shí)施方式為：太陽能發(fā)電板作為裝置中的電源進(jìn)行發(fā)電蓄能，電源能夠?qū)π铍姵爻潆姡铍姵貙?duì)吸氣渦輪、制冷半導(dǎo)體、排氣風(fēng)扇供電。吸氣渦輪將外界空氣吸入冷凝結(jié)構(gòu)，冷凝結(jié)構(gòu)包含制冷半導(dǎo)體和制冷板面。制冷半導(dǎo)體圍成一個(gè)空腔，空腔的底部有一個(gè)進(jìn)氣孔，空腔的頂部有一個(gè)中心管道，中心管道為空氣吸入地下結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣通道。通電后，空腔內(nèi)側(cè)為制冷半導(dǎo)體的熱端、空腔外側(cè)為制冷半導(dǎo)體的冷端，制冷板面在制冷半導(dǎo)體的外側(cè)表面，通電后的制冷半導(dǎo)體表面以及制冷板面都是低溫狀態(tài)，空氣通過時(shí)，空氣中的部分水蒸氣則冷凝為液態(tài)水暫時(shí)儲(chǔ)存在裝置的液化空腔中。當(dāng)液態(tài)水達(dá)到一定高度時(shí)，則可通過透水孔幕滴入裝置底部的蓄水池中。當(dāng)根系濕度達(dá)到一定閾值時(shí)，電磁閥開啟，利用水自壓進(jìn)行作物灌溉。其取水裝置剖面圖如圖3所示。

圖3 取水裝置剖面圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

考慮到制冷板面介質(zhì)對(duì)產(chǎn)水量的影響，通過查閱多種金屬的導(dǎo)熱性和親水性，選用銅和鋁兩種金屬進(jìn)行比較。在制冷片冷端絕緣陶瓷片表面均勻涂上一層硅脂。然后將兩塊面積為8cm×8cm、厚度為0.5mm的鋁片和銅片依次貼在硅脂上面。開機(jī)后通過調(diào)整制冷片功率改變其金屬表面溫度t'達(dá)到露點(diǎn)以下，待測(cè)溫計(jì)溫度恒定后開始計(jì)時(shí)。

由圖4可知，相同條件下采用鋁作為制冷板面介質(zhì)的產(chǎn)水量要高于銅。雖然銅有著更好的導(dǎo)熱性能，可以降低制冷片功率比進(jìn)而降低能耗。但是鋁的親水性比較優(yōu)秀，在制冷板面的面積擴(kuò)大后，具有更加優(yōu)秀的冷凝條件，故模型采用鋁作為制冷板面的介質(zhì)。

圖4 制冷板面介質(zhì)對(duì)產(chǎn)水量的影響

5 水汽條件

我國年平均相對(duì)濕度多在40%-80%之間，沙區(qū)相對(duì)濕度一般＜30%。我們利用公式（由t查飽和蒸汽表可確定ps）得到，當(dāng)溫度為30℃，相對(duì)濕度為80%時(shí)，1m3空氣中含28.3g水，即使在相對(duì)濕度相對(duì)較低的地區(qū)（以相對(duì)濕度30%計(jì)算），1m3空氣中也含有10.4g水（見圖5（1））。因此，無論是常規(guī)的生活條件下，還是在較為干旱的地區(qū)，空氣都具有可提取水的水汽條件。同時(shí)，通過對(duì)一天之內(nèi)溫濕度的變化分析，我們發(fā)現(xiàn)一天中夜間相對(duì)濕度最高，甚至可以達(dá)到90%（見圖5（2））。因此，充分利于夜間蓄水，實(shí)現(xiàn)節(jié)水利用的最大化。

圖5

6 液化條件

為了提取空氣中的水分，設(shè)法使?jié)窨諝饫鋮s到溫度低于露點(diǎn)溫度，水滴便以水滴形式析出。我們采用了半導(dǎo)體制冷技術(shù)。利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的，制冷半導(dǎo)體原理見圖6（1）。我們?yōu)榱耸拱雽?dǎo)體冷端溫度控制為最適溫度，計(jì)算了不同溫度、不同含濕量空氣的露點(diǎn)溫度，其分布見圖6（2）所示，在溫度區(qū)間為[10℃，35℃]，相對(duì)濕度區(qū)間為[30%，80%]，露點(diǎn)溫度在0℃上的情況占比88%，小溫差制冷即可滿足工況條件。

圖6

7 結(jié)束語

本裝置運(yùn)用于高速公路中央綠化帶，具有清潔環(huán)保、占地面積小、可獨(dú)立安裝、自產(chǎn)水電、智能灌溉等特點(diǎn)。能夠節(jié)約淡水資源，減少因灌溉造成的交通事故，及時(shí)為植物提供灌溉用水，為實(shí)現(xiàn)高速公路中央綠化帶可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。相比于普遍的灑水車式灌溉，平均成本可降低20%（系統(tǒng)使用壽命以10年計(jì)算），大幅度降低人工服務(wù)費(fèi)用，帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。