表面憎水处理及接触面积对空气凝水的影响

毛俊西　陈曦　熊守权　雷晓波　张勤勇

摘   要：半导体制冷空气凝水是一种环保、洁净的取水方式。它利用帕尔贴效应，以电荷运输热量的方式，实现热电器件与空气的热量交换，从而达到空气凝水的目的。本研究探讨了使用热电制冷片对空气进行冷凝的效果。同时，用散热翅片作为空气制冷凝水的器材，测试了不同的散热翅片面积及涂覆憎水剂前后的产水量。结果表明，增加换热的面积和涂覆表面憎水剂，有利于提高取水量。

关键词：帕尔贴效应;空气取水;取水量;截面积;憎水剂

水是生命之源，人类的一切生产、生活、活动都离不开水资源。缺水是一个巨大的世界性问题。如今，在干旱或半干旱地区，人们取水的方式主要是抽取地下水、海水淡化等[1]。这些方式均存在着一定的弊端。例如，长期过度抽取地下水对于自然环境的破坏巨大，会造成生态失衡、地表水源断水以及地层下陷等危害。而海水淡化技术的能源消耗高，受工艺、设备等因素影响大[2]。因而，具有直接、环保等特点的空气凝水技术成为人们关注的对象。

目前，从空气获得淡水的方法主要有传统方法和非传统方法两种[3]。传统方法中，收集雨水是人类从空气中取水最原始、最简单的方法。非传统的方法按照原理来划分，主要包括空气制冷法[4-5]、雾滴收集法[6]、吸附解吸附法[3，7-9]等。雾滴收集法，主要集中在水汽湿度较大、雾气较多的地区，通过收集雾气中的水蒸气，从空气取水。该方法简单，但是受天气和地区的限制，有很强的局限性。曹墨渊等[10]设计了基于网状结构与亲疏水复合表面的空气取水装置，成功从雾中凝结出水。吸附解吸法则用亲水的吸附剂将空气中的水吸附集中起来，再通过解吸附将水释放出来，达到从空气中取水的目的。Manoj Kumar等[11-12]基于K. Daou等以硅胶颗粒作为基底材料，CaCl2作为填充材料的复合吸附剂的方法，设计了一种箱式空气取水装置，并通过实验对不同结构尺寸下的空气取水效率进行了研究。虽然该方法便携性强，但产水量小，因而只适合于需求水量较小的野外和户外等場合。

空气制冷法是将空气制冷后，通过凝露的方式，将空气中的水蒸气凝结成水滴后予以收集。由于制冷方式不同，空气制冷法又有压缩机制冷法和半导体制冷法。前者优点在于制作简单、产水量大，但缺点是能耗高、体积大，不便携带。例如，以色列Water Gen公司的商业化空气取水装置，能够在空气湿度为35%的情况下每天产水5 t，但其占地面积大、能耗高。叶继涛等[13]研究了通过太阳能供电、利用半导体制冷的空气取水装置，获得了2.25 kg的水量。Tan等[14]研究了半导体空气制冷取水，在平均相对湿度77%和制冷面积579.6 cm2时，3 h内从空气中提取的最大水量为50 mL。为了提升半导体制冷法的产水量，充分利用其便携性优势，本文采用半导体制冷片，对比研究了铝制散热翅片表面积，及其表面是否涂覆憎水剂，对空气凝水量的影响，优化了半导体制冷凝水装置。

1    制冷原理与空气凝水原理

1834年，法国科学家帕尔帖[15]通过实验观察到，当电流经过两种不同导体所组成的回路时，接头处出现吸热或放热现象，如图1所示。实验发现，吸收或者放出热量只与导体属性、接头处温度及通电电流大小有关。电流从导体a流向导体b，则所传输热量与电流大小、通电时间和材料属性存在着以下关系。

式中，βab=βa-βb表示接触材料的帕尔贴系数。当βab为正值时表示吸热，反之则为放热。这种电流通过不同金属材料或者半导体材料时，接头处出现吸热或放热的现象为帕尔贴效应。通过帕尔帖效应，热电器件可以在器件两端形成温差，实现固体制冷，见图1。

当对热电偶通入直流电I时，帕尔贴效应产生的吸热量与电流I成正比。

其中，α为塞贝克系数，为材料固有属性。

因为帕尔贴效应，水蒸气将于散热翅片表面凝结成露，从而达到从空气凝结液体水的目的。在凝水过程中，散热翅片本身温度会降低，帕尔贴效应所制冷的热量为Q0如下列方程[16]：

其中Th和Tc分别为热电器件热端温度和冷端温度，k指热电制冷片的热导率。当热电偶工作时，电源既要对器件的电阻做功，又要克服其中的热电势做功，故消耗的功率为：

制冷效率为：

空气通过散热翅片时，与热电器件的散热翅片表面进行热交换，被冷凝至露点温度以下后，水蒸气呈液滴状附着在翅片的表面。尺寸关系[17]为：

式中，N（r）表示液滴半径的分布函数，rmax表示翅片表面液滴临界液滴半径，π表示的是圆周率，m表示尺寸分布指数。当液滴达到rmax时，液滴从散热翅片表面脱落。当液滴附着在制冷表面时，由于空气中的水汽不断的冷凝到制冷表面，因而其表面的导热系数将会发生变化。袁帅等[17]经过研究表明，液滴导热系数随液滴的尺寸将会发生如图2所示的变化。

可见，随着液滴半径的增大，其导热系数先增大，后减小。但液滴并不会无限长大。当液滴的半径增大后，液滴与液滴之间互相接触、合并。合并后的液滴半径、体积、重量增大。当其自身的重力大于与散热片的吸附力时，液滴便会从制冷表面滑落。为增大散热面积，本研究采用的散热翅片如图3所示。

2    实验

实验装置如图4所示。空气通过入风口进入实验装置，流经热电器件的散热翅片。热电器件按特定方向通直流电后，散热翅片及其所接触空气的热量被强制转移到半导体制冷片与水冷头紧密接触的另外一端。水冷头中通以循环水，带走被转移到此的热量，从而使得散热翅片温度逐渐降低。当散热翅片吸收空气的热量与水冷头吸收热电器件热量达到平衡后，散热翅片表面温度保持稳定。当散热翅片温度低于空气中水蒸气露点时，水蒸气将在散热翅片表面凝结为液体水。

通过调节空气进气量、电流大小、循环水流量及其温度，可调节散热翅片温度及表面凝水量。

本研究所选的实验元件包括TEC-12706热电制冷片、铝制水冷头、NESLAB RTE-7循环水机、铝制散热翅片。TEC-12706热电制冷片的尺寸为40 mm×40 mm×3.8 mm，额定电压12 V，最大工作电压15 V，最大电流6 A，制冷功率为58 ～65 W。本研究采用的是40 mm×40 mm×12 mm 铝制水冷头，内部厚度为0.5 mm，主要作用是带走热电制冷片在热端的热量，分别测试了40 mm×40 mm×5 mm（面积约为49.39 cm2）、40 mm×40 mm×11 mm（面积约108.66 cm2）、40 mm×40 mm×20 mm （面积约为147.53 cm2）散热翅片在空气凝水过程中的取水量。

实验中，固定保持散热器翅片表面温度在露点温度为0～5 ℃，通入空气湿度为75%。为保证散热翅片表面所凝结水为球状液滴，并减小液滴与散热翅片的吸附力，在铝制散热翅片表面涂覆了一层ZS-611表面憎水涂料。ZS-611的主要成分由聚合物基料和经过表面改性处理的高活性纳米防冰雪添加剂组成。

由于散热翅片表面温度在0 ℃附近，涂覆憎水剂后散热翅片表面凝结的液滴更容易迅速脱落，从而防止所凝结的水在散热翅片表面结冰，有助于保持散热翅片的导热效率。

3    结果与分析

图5展示了TEC12706工作电流与电压及冷端温度的关系。从图中可以看出，随着工作电流的增加，工作电压不断增加，热电器件制冷能力不断提升。但是当电流超过4.1 A时，工作电压虽然继续上升，但是在冷端的Tc的值趋于平缓，制冷能力达到极限。从图5可得，冷端温度的下降趋于平缓时，随着电流继续增加，焦耳热及汤姆逊热的不断增加，热电器件的制冷能力将会开始下降，因此其最佳工作电流在4.1 A，而对应的工作电压在12 V。

图6展示了恒压12 V、电流4.1 A时，在表面涂覆憎水剂前后的装置出水量。从图中可以看出，在表面涂覆涂层后，从空气凝结的水量得到了显著增加。未进行表面憎水处理，最大的制冷水量为在3 h內15.6 mL，取水速率为5.2 mL/h。表面进行憎水剂涂覆后，最大取水量为在3 h内39.6 mL，取水速率为13.2 mL/h。

为研究散热表面积的影响，对比研究了不同散热翅片长度情况下的凝结水量，结果如图7所示。从图中可以看出，长度为5 mm，面积约为49.39 cm2的翅片在3 h内的取水量为11.6 mL，取水速率为3.87 mL/h。长度为11 mm，面积约108.66为cm2的翅片在3 h内的取水量为21.2 mL，取水速率为7.06 mL/h。而长度20 mm，面积约为147.53 cm2的翅片在3 h内取水量为39.6 mL，取水速率为13.2 mL/h。可见，增加翅片的长度，即增加冷端表面与空气交换热的面积，可以明显地增加空气取水量。

4    结语

基于帕尔贴效应，通过半导体制冷法，实现了从空气中直接凝水。为了提高半导体空气制冷的凝水量，研究了增加空气换热面积及在散热翅片表面涂覆憎水剂的影响。结果表明，在工作时长为3 h时，表面积为147.53 cm2的散热翅片能够以13.2 mL/h的产水速率，产生39.6 mL的取水量。相较于未涂覆憎水剂的散热翅片而言，涂覆憎水剂的散热翅片的空气凝水能力提高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