基于半导体制冷片的海洋设备自清洁及海水淡化研究

作     者：欧贤波 

作者单位：浙江科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔向东;徐爱群

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：珀尔贴效应 半导体制冷技术 设备自清洁 海水淡化 

摘      要：海洋大型设备、船只等长期浸泡在海水中,极易受到海洋污损生物的附着侵蚀破坏,降低其运行效率。特别是海上无人监测机器人、浮标等监测装置长期置于海水中,外表面污损会增加自重,若不及时清理,这些小型海洋装置就会因浮力不足而沉入海底,严重威胁小型海洋装置的安全。海洋设备中最主要的污损生物为藤壶,其最适合的黏着生长温度在18至30℃之间。针对藤壶的这一习性,本文应用制冷速度快、无滑动部件、工作稳定的半导体制冷片珀尔贴效应,提出一种基于半导体制冷片的海洋设备自清洁及海水淡化的方法。本文将半导体制冷片所产生的冷能和热能进行一体化创新设计,首次提出利用半导体制冷片热面的热能加热与海洋接触的设备表面,使其温度达到36℃至46℃,海洋污损生物(尤其是藤壶)在此温度下不能附着在设备表面存活,达到设备自清洁目的,同时利用其另一冷面对海面潮湿空气进行海水淡化。论文搭建了海洋设备自清洁与海水淡化一体化模拟装置,还搭建了具有温湿度自动控制的海洋大气环境模拟实验平台,通过实验证明本文方法的可行性。实验结果表明,当环境温度在36～38℃之间,湿度介于70%～80%之间,装置的工作电压在12v时,40x40x3.4mm半导体制冷片运行1小时的制水量为33ml,制热面加热热交换平板内的1000ml水到最高温度为43.4℃,海洋生物不能附着其上存活,耗能0.342KW/h。此外还研究了输入电压参数对该装置整体性能的影响,其主要结论如下:(1)不同电压参数对装置冷凝取水效率有一定影响。实验结果表明:在不同电压梯度下装置的冷凝取水量均能达到30ml以上。当输入电压为12v时,装置的冷凝取水量为33ml/h;输入电压降低至9.6v后,装置的取水量上升至35ml/h;在6.0v时装置的取水量多达36ml/h。随着电压的升高,冷凝装置捕水量呈下降趋势。最优空气取水的电压为6v。(2)电压梯度对装置加热性能有较大影响。为了获得更准确的实验结果,在实验中往加热系统中加入1000ml水作为蓄热材料,通过检测水温的变化,以此判定装置的运行情况。实验结果表明,在12.0v时,加热器表面稳定的最高温度能达43℃以上;输入电压为9.6v时,加热器表面稳定的最高温度为41.5℃;在最低工作电压(6.0v)下,最高水温也能维持在38℃以上。装置的加热性能随着电压的升高而呈现上升趋势。(3)制冷电压对装置能耗有很大影响。通过实验可得,装置的能耗与制冷电压相关,制冷电压越大,装置的耗电量就越大。与工作在额定电压(12.0v)时装置的能耗相比,在6.0v时的能耗为179W/h,仅为最大能耗的50%左右。经过试验,装置工作在6.0v时的功耗最低,持续运行60分钟的取水量最大,且加热面的温度始终满足清污要求。本文将半导体制冷片的制冷和加热两面同时利用起来,与以往只能利用制冷或加热一面工作的装置相比不仅大大提高制冷片的利用效率,还一物多用,节能环保;未来与海洋能自发电系统相结合,就可以安装到海上间谍机器人、浮标等离岸且能源获取困难的小型独立设备上,利用半导体制冷片热循环驱除海洋设备附着生物并同时进行海水淡化,为可再生海洋能源开发利用开辟了一条新路经。