半導體制冷在氣體除濕中的應用

張超峰 孟濤 王祥濱

摘 要： 在有害氣體濃度測量過程中，氣體濕度是主要干擾因素之一。為了降低氣體濕度對檢測結果的影響，設計了一款產品，它以半導體制冷片為核心部件，當氣體通過設計好的蛇形管時，冷卻空氣使其溫度低于露點溫度，從而析出所含水蒸氣，將空氣中的水汽冷凝成水珠并排出，達到除濕效果。

關鍵詞： 除濕;半導體制冷;冷凝

中圖分類號：TP368.1? 文獻標識碼：A

在對有害氣體濃度測量過程中，各種干擾因素都會對傳感器的線性度產生影響。為了保證測量的準確性，常常在檢測之前將各種干擾因素去除。常用的除濕方式有靜態固體吸附除濕和制冷冷凝除濕等[1]。靜態固體吸附除濕一般是利用固體硅膠、氯化鈣等具有吸附能力的物質吸收周圍的水分。制冷冷凝除濕是冷卻空氣使其溫度低于露點溫度從而析出所含水蒸氣[2]。

本次實驗主要用來測量烴類化合物的濃度，由于固體硅膠和氯化鈣等吸附劑本身對烴類化合物有吸附作用，利用該方法除濕會進一步造成干擾。故選用冷凝除濕法，介紹了半導體制冷的原理、半導體制冷除濕設備的組成、管路的設計并對方案進行了驗證。

1 半導體制冷除濕器的設計

1.1 半導體制冷原理及特點

半導體制冷又稱電子制冷或者溫差電制冷，它利用特種半導體結構材料構成的P-N結，形成熱電偶對，產生波爾怕效應[3]，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法。

半導體制冷器具有無噪聲、無振動、不需要制冷劑、體積小、重量輕等特點，并且工作可靠，操作簡單，易于進行冷量調節。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連接成的熱電偶對中電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端[4]。

1.2 半導體制冷設備整體設計

半導體制冷設備由電源、管路、半導體制冷片、散熱裝置組成。電源采用24V、20A大功率直流電源，主要為半導體制冷片和散熱裝置提供穩定的電源;管路部分采用鋁制材質，可以快速將溫度均勻傳遞，提高熱傳遞效率，氣體在管路中采用蛇形走向，在流通過程中可以充分與制冷片接觸，進一步提高熱傳遞的效率;該裝置采用兩塊半導體制冷片，布置在管路兩端，半導體冷端與管路接觸，熱鍛涂硅脂與銅管連接，再由銅管將熱量傳遞到散熱裝置，將熱量帶走達到降溫的效果。半導體除濕裝置整體設計如下圖所示。

1.3 管路設計

半導體除濕裝置的管路主要由進氣口、出氣口、排水口組成。氣體管路成蛇形分布，可以有效增加氣阻以及氣體在管路中的流通時間，使氣體充分與半導體冷端接觸，提高制冷效果。

傳統的除濕裝置在進行一定時間除濕后，由于水汽的積累，必須停機進行排水，除濕與排水交叉工作，該裝置排水口采用h型設計，當冷凝水積累到一定程度可以自由排出，并且不會產生漏氣。

2 測試

利用抽氣泵將空氣通過高濕管路，用溫濕度計測量濕度為：80%RH，溫度為：26℃，之后將高濕空氣連接到半導體除濕裝置進氣口，出氣口連接溫濕度計。控制流量在600ml/min，經過多次測試取平均值并記錄。測試結果如圖3所示。

3 總結

通過上述實驗數據可以看出，半導體除濕裝置對除濕有明顯效果，在開機2分鐘后，可以將濕度從80%RH降低到25%RH左右。可以有效地去除空氣中大部分水汽，在對有害氣體測量過程中可以極大程度地排出濕度的干擾，具有很強的實際應用價值。

參考文獻：

[1]韓小珍，何建國，張海紅，等.熱泵除濕技術的應用與發展[J].寧夏工程技術，2005，4（4）：393-395.

[2]雷海燕，劉雪玲.固體吸附式除濕空調系統及其研究進展[J].天津理工大學學報，2005，21（3）：49-51.

[3]Terrell W，Newell T A.Experiment techniques for determining heat and mass transfer due to condensation of humid air in cooled，open cavities[J].Appl Them Eng，2007，27（8-9）：1574-1576.

[4]柳建華，鄔志敏，丁玉紅，等.液體除濕空調系統的除濕器性能試驗[J].流體機械，2005，33（12）：61-64.