半导体制冷在气体除湿中的应用

张超峰 孟涛 王祥滨

摘 要： 在有害气体浓度测量过程中，气体湿度是主要干扰因素之一。为了降低气体湿度对检测结果的影响，设计了一款产品，它以半导体制冷片为核心部件，当气体通过设计好的蛇形管时，冷却空气使其温度低于露点温度，从而析出所含水蒸气，将空气中的水汽冷凝成水珠并排出，达到除湿效果。

关键词： 除湿;半导体制冷;冷凝

中图分类号：TP368.1  文献标识码：A

在对有害气体浓度测量过程中，各种干扰因素都会对传感器的线性度产生影响。为了保证测量的准确性，常常在检测之前将各种干扰因素去除。常用的除湿方式有静态固体吸附除湿和制冷冷凝除湿等[1]。静态固体吸附除湿一般是利用固体硅胶、氯化钙等具有吸附能力的物质吸收周围的水分。制冷冷凝除湿是冷却空气使其温度低于露点温度从而析出所含水蒸气[2]。

本次实验主要用来测量烃类化合物的浓度，由于固体硅胶和氯化钙等吸附剂本身对烃类化合物有吸附作用，利用该方法除湿会进一步造成干扰。故选用冷凝除湿法，介绍了半导体制冷的原理、半导体制冷除湿设备的组成、管路的设计并对方案进行了验证。

1 半导体制冷除湿器的设计

1.1 半导体制冷原理及特点

半导体制冷又称电子制冷或者温差电制冷，它利用特种半导体结构材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生波尔怕效应[3]，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法。

半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需要制冷剂、体积小、重量轻等特点，并且工作可靠，操作简单，易于进行冷量调节。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连接成的热电偶对中电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端[4]。

1.2 半导体制冷设备整体设计

半导体制冷设备由电源、管路、半导体制冷片、散热装置组成。电源采用24V、20A大功率直流电源，主要为半导体制冷片和散热装置提供稳定的电源;管路部分采用铝制材质，可以快速将温度均匀传递，提高热传递效率，气体在管路中采用蛇形走向，在流通过程中可以充分与制冷片接触，进一步提高热传递的效率;该装置采用两块半导体制冷片，布置在管路两端，半导体冷端与管路接触，热锻涂硅脂与铜管连接，再由铜管将热量传递到散热裝置，将热量带走达到降温的效果。半导体除湿装置整体设计如下图所示。

1.3 管路设计

半导体除湿装置的管路主要由进气口、出气口、排水口组成。气体管路成蛇形分布，可以有效增加气阻以及气体在管路中的流通时间，使气体充分与半导体冷端接触，提高制冷效果。

传统的除湿装置在进行一定时间除湿后，由于水汽的积累，必须停机进行排水，除湿与排水交叉工作，该装置排水口采用h型设计，当冷凝水积累到一定程度可以自由排出，并且不会产生漏气。

2 测试

利用抽气泵将空气通过高湿管路，用温湿度计测量湿度为：80%RH，温度为：26℃，之后将高湿空气连接到半导体除湿装置进气口，出气口连接温湿度计。控制流量在600ml/min，经过多次测试取平均值并记录。测试结果如图3所示。

3 总结

通过上述实验数据可以看出，半导体除湿装置对除湿有明显效果，在开机2分钟后，可以将湿度从80%RH降低到25%RH左右。可以有效地去除空气中大部分水汽，在对有害气体测量过程中可以极大程度地排出湿度的干扰，具有很强的实际应用价值。

参考文献：

[1]韩小珍，何建国，张海红，等.热泵除湿技术的应用与发展[J].宁夏工程技术，2005，4（4）：393-395.

[2]雷海燕，刘雪玲.固体吸附式除湿空调系统及其研究进展[J].天津理工大学学报，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]柳建华，邬志敏，丁玉红，等.液体除湿空调系统的除湿器性能试验[J].流体机械，2005，33（12）：61-64.