基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵烘干技術(shù)研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的電加熱干衣機(jī)耗能嚴(yán)重和室內(nèi)濕污染問題，提出一種應(yīng)用新型熱電熱泵烘干技術(shù)的干衣機(jī)，使其具有節(jié)能、減排、安靜、安全、便利等優(yōu)勢，更適合家庭使用及商業(yè)推廣。首先基于帕爾帖效應(yīng)，以半導(dǎo)體熱電片為核心設(shè)計(jì)了熱電熱泵系統(tǒng)，然后利用Fluent分析工作狀態(tài)下流道中的壓力和流速變化，以指導(dǎo)樣機(jī)的制作和調(diào)整；通過查閱資料比對(duì)，得到除去潮濕衣物中結(jié)合水的最優(yōu)進(jìn)風(fēng)溫度和濕度；通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M空氣加熱除濕的過程，確定制冷片數(shù)目。分析結(jié)果表明：應(yīng)用所提技術(shù)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)電加熱干衣機(jī)相比節(jié)能50%左右；在輸入功率相同的情況下，熱電熱泵干衣機(jī)的出口風(fēng)溫顯著高于壓縮機(jī)熱泵干衣機(jī)，最佳干燥時(shí)間縮短率達(dá)63%，可起到很好的節(jié)能減排效果。

關(guān)鍵詞：熱電熱泵；帕爾帖效應(yīng)；烘干系統(tǒng)；節(jié)能減排；工藝與技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK172" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）03-0072-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.019

0" " 引言

隨著機(jī)電系統(tǒng)的大量使用，烘干技術(shù)在食品、建筑、化工、制藥等許多工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用；同時(shí)作為小型家電的分類之一，烘干系統(tǒng)也與現(xiàn)代生活實(shí)際息息相關(guān)，市場前景廣闊。傳統(tǒng)的電加熱烘干系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但存在耗電量巨大，系統(tǒng)效率低，經(jīng)濟(jì)性、安全性差等眾多問題[1-2]。很明顯，傳統(tǒng)的干衣機(jī)存在能耗大、產(chǎn)生室內(nèi)濕污染以及干衣速度慢、衣物易變形等顯著缺點(diǎn)。

從20世紀(jì)末到現(xiàn)在，國外已有眾多學(xué)者基于不同原理對(duì)干衣機(jī)的節(jié)能減排展開研究。P. K. Bansal等[3]最早給出了干衣機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并比較了風(fēng)冷和水冷兩種不同干衣機(jī)冷端處理方法的除濕能力。S. Gopalnarayanan等[4]分析了環(huán)境條件對(duì)壓縮機(jī)熱泵干燥效率的影響，認(rèn)為理論上節(jié)能效果可達(dá)到69%，并提出了安全性能和經(jīng)濟(jì)效益等方面的思考。在國內(nèi)，宋朋洋等[5]設(shè)計(jì)了一種基于壓縮機(jī)熱泵的干衣機(jī)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的電加熱干衣機(jī)相比熱泵加熱可在除濕的基礎(chǔ)上節(jié)約電能，干衣效果更佳，且對(duì)環(huán)境基本無濕污染。干衣機(jī)作為實(shí)用家電的一種，已經(jīng)逐漸從理論走向了國內(nèi)外市場。

熱電效應(yīng)的應(yīng)用是21世紀(jì)三大最具潛力的新型能源技術(shù)之一，也是目前人們發(fā)現(xiàn)的將溫度差轉(zhuǎn)換為電能的理論中最直接且能量轉(zhuǎn)換率最高的一種[6]。本文將熱電熱泵系統(tǒng)與壓縮機(jī)熱泵干衣機(jī)有機(jī)結(jié)合，不僅發(fā)揮了用熱泵系統(tǒng)代替電加熱系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)封閉，能夠?qū)諝鈴U熱和水蒸氣冷凝放熱進(jìn)行潛熱回收的優(yōu)勢，而且與壓縮機(jī)熱泵相比，拋棄壓縮機(jī)與制冷劑，利用半導(dǎo)體熱電片為熱泵，沒有運(yùn)動(dòng)部件，不受空間和環(huán)境限制，可靠性高，無制冷劑污染。同時(shí)，利用了帕爾帖效應(yīng)熱輸出效率高的特性，提高了出口風(fēng)溫，與壓縮機(jī)熱泵相比有效縮短了干燥時(shí)間。

本文闡述了一種基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵式干衣機(jī)，它具有節(jié)約電能，無室內(nèi)濕空氣污染，易于系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)干衣速度等優(yōu)點(diǎn)，更符合人們的生活需求和政府節(jié)能減排的政策，為進(jìn)一步優(yōu)化干衣機(jī)結(jié)構(gòu)、降低能耗、提升干衣效果與速度等提供了方向，為小型家用電器的發(fā)展提供了新的節(jié)能思路，同時(shí)也擴(kuò)大了熱電熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1" " 熱電熱泵干衣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法

1.1" " 半導(dǎo)體熱電片的研究與選用

帕爾帖（Peltier）效應(yīng)是塞貝克（Seebeck）效應(yīng)的逆效應(yīng)，是指當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路時(shí)，回路兩端上出現(xiàn)的吸熱或放熱現(xiàn)象[7]。

基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵（下文簡稱熱電片或制冷片）是一種熱交換工具。當(dāng)由N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連接成的“熱電偶對(duì)”兩端有電勢差時(shí)，熱量就會(huì)從冷的一端“被搬運(yùn)”到熱的另一端，從而在材料兩端產(chǎn)生溫差。同時(shí)，半導(dǎo)體自身存在電阻，電流經(jīng)過電阻時(shí)產(chǎn)生的熱損失也會(huì)隨著熱泵的工作附加到熱端，從而提高熱電片的熱輸出效率[7]。

本裝置選用型號(hào)為TEC1-12730的半導(dǎo)體熱電片（圖1），其工作電壓為12 V，工作電流為15 A，電阻為1 Ω，通電后冷端溫度5 ℃、熱端溫度65 ℃，符合干衣機(jī)的使用需求。

烘干機(jī)電系統(tǒng)的投資回報(bào)比定義為溫度每提升1 ℃折合花費(fèi)的成本（元/℃）。為確定具有最佳投資回報(bào)比的制冷片數(shù)目方案，以入口風(fēng)溫20 ℃、風(fēng)速15 m/s恒定為例進(jìn)行計(jì)算分析，得到結(jié)果如表1所示。

由表1所示結(jié)果可知，半導(dǎo)體制冷片數(shù)目越多，制冷量越高，同時(shí)風(fēng)溫提升越多，但耗電量及制冷片基礎(chǔ)成本也隨之增加。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品采用4片均勻布置的制冷片，可得到風(fēng)溫的最佳投資回報(bào)比。

1.2" " 熱電熱泵系統(tǒng)介紹

熱電熱泵系統(tǒng)主要部件為基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體熱電片，作用是實(shí)現(xiàn)除濕和加熱功能。裝置結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。

半導(dǎo)體熱電片冷端向下、熱端向上安置在系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)使得熱泵系統(tǒng)風(fēng)道下層具有除濕功能，上層具有加熱功能。

除濕功能：利用風(fēng)扇將干衣筒中的中溫高濕空氣抽出，送入干衣機(jī)下層風(fēng)道與熱電片冷端進(jìn)行充分換熱。中溫高濕空氣遇冷凝結(jié)變?yōu)榈蜏馗稍锟諝膺M(jìn)入上層風(fēng)道，同時(shí)凝結(jié)水經(jīng)集水孔回收至底層集水槽。

加熱功能：除濕后的低溫干燥氣體在上層風(fēng)道中與熱電片熱端換熱，被加熱為高溫干燥氣體。利用風(fēng)扇將高溫干燥氣體送入干衣筒。

熱電熱泵系統(tǒng)排出的干熱空氣通過與潮濕衣物的熱交換，再次變成中溫高濕氣體，進(jìn)入熱泵系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)，對(duì)衣物起到了烘干的作用。

1.3" " 熱電熱泵系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

1.3.1" " 散熱鋁片設(shè)計(jì)計(jì)算

散熱器肋片的疏密程度會(huì)影響流道的風(fēng)阻和制冷片的散熱。肋片數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)阻過大，使風(fēng)速嚴(yán)重?fù)p失，影響干燥效果；肋片數(shù)過少，會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷片散熱不及時(shí)，使得半導(dǎo)體熱電片冷端的效果惡化，導(dǎo)致冷端溫度過高，失去冷凝的功能。因此，需要選擇合適的肋片數(shù)。

在4片半導(dǎo)體制冷片正常工作的情況下，參考市場上的散熱器結(jié)構(gòu)，初定散熱鋁片的寬度與風(fēng)道的寬度一致，即為260 mm×95 mm×100 mm的長方體。設(shè)矩形肋片數(shù)與散熱鋁片長度（260 mm）的比例分別為0.1、0.25、0.3，即肋片數(shù)分別為26、65、78，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2所示的計(jì)算結(jié)果可知，熱端散熱器肋片數(shù)為65時(shí)干燥速率最優(yōu)（即肋片數(shù)與寬度比例為0.25時(shí)）。

安裝時(shí)，熱端散熱鋁片保持水平安裝即可；而冷端散熱鋁片上會(huì)有凝結(jié)水出現(xiàn)，在安裝時(shí)需略微傾斜5°，使冷凝水能流入集水槽中。散熱鋁片及安裝方式如圖3所示。

1.3.2" " 風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道截面積設(shè)計(jì)大小為105 mm×95 mm。由于采用多重散熱鋁片作為換熱元件，且反復(fù)對(duì)流換熱會(huì)造成風(fēng)道加長，因此流道的風(fēng)阻顯著增大。為了確?？諝庠谡鎸?shí)狀態(tài)下可以順利流動(dòng)，對(duì)空氣在流道內(nèi)的壓力和流速變化在ANSYS軟件中進(jìn)行模擬，設(shè)定初始參數(shù)為：入口速度15 m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。所得結(jié)果如圖4～7所示。

通過模擬可以看出，風(fēng)機(jī)提供的壓力足以實(shí)現(xiàn)空氣順利流動(dòng)，故風(fēng)道設(shè)計(jì)可行。同時(shí)，由模擬可以看出，彎道的存在對(duì)空氣在制冷片處的流動(dòng)影響并不大，故換熱效果并未因彎道存在而受損失。

2" " 熱電熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1" " 潮濕衣物干燥過程中水的存在形式研究

通過對(duì)衣物干燥過程狀態(tài)的記錄，發(fā)現(xiàn)水在衣物中的存在狀態(tài)是不同的，隨著衣物逐漸變干，衣物的干燥速度會(huì)越來越慢。下面用棉衣物在環(huán)境溫度20 ℃下的等溫吸附線來說明衣物中的水分存在形式，如圖8所示。

在特定的溫度和空氣相對(duì)濕度下，衣物的平均含水率將趨于不變，不會(huì)隨著干燥時(shí)間的增加而減小，這被稱為在對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度條件下的平衡含水率[8]，如A點(diǎn)表示溫度為20 ℃，對(duì)應(yīng)的水分叫做平衡水分，平衡水分之外的水分稱為自由水分。圖中B點(diǎn)即在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為46%時(shí)，平衡水分和自由水分的分界點(diǎn)。平衡水分隨負(fù)載的性質(zhì)、空氣溫度和空氣相對(duì)濕度不同有較大差異，平衡含水率的定義公式如下：

Xb=

式中：Xb為平衡含水率；mb為平衡時(shí)負(fù)載的質(zhì)量；mBD為衣物干質(zhì)量。

由于在環(huán)境溫度附近，制冷片單位時(shí)間可以從濕空氣中抽走的熱量是一定的，假設(shè)濕空氣在經(jīng)過制冷片冷端前后均為飽和狀態(tài)，制冷片單位時(shí)間制冷量為qc，制冷前后焓值分別為h1和h2，則當(dāng)確定h2時(shí)，根據(jù)如下公式即可知h1：

h1=h2+qc

同時(shí)，根據(jù)飽和濕空氣的焓濕圖可知在空氣焓值為h1和h2時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度和絕對(duì)濕度。以3.1節(jié)所作實(shí)物模型為對(duì)象進(jìn)行理論分析可知，在衣服足夠潮濕的情況下，最佳除濕溫度介于26～47 ℃。在此溫度區(qū)間，空氣中的水分都可以在制冷片的冷端得到有效凝結(jié)。

2.2" " 熱端干燥部分計(jì)算

衣服表面的溫度等于空氣的濕球溫度，且空氣熱量傳導(dǎo)給衣服的速度與衣物上的結(jié)合水汽化帶走潛熱的速度相同。恒速階段的干燥速度（也稱水分汽化速度）NA，即單位時(shí)間單位面積（氣固接觸界面）內(nèi)汽化水量，等于常量。其計(jì)算公式為傳質(zhì)或傳熱速率公式：

NA=kH（Hw-H）=（t-tw）

式中：kH為傳質(zhì)系數(shù)；Hw為濕球溫度下的氣體飽和濕度；H為氣流溫度下的氣體飽和濕度；α為給熱系數(shù)，當(dāng)空氣平行于物料表面流動(dòng)時(shí)，α=0.014 3 G0.8，G為氣體的質(zhì)量流速；rw為濕球溫度下的汽化潛熱；t為氣流的溫度；tw為空氣的濕球溫度。

恒速階段的干燥時(shí)間τ為：

τ=·

式中：Gc為干物料的質(zhì)量，這里視為單位質(zhì)量物料（Gc=1 kg物料）；A為氣固接觸界面的面積，這里視為單位面積（A=1 m2）；X為含水量，這里取單位面積內(nèi)X=0.1 kg水/kg干物料；NA為單位時(shí)間單位面積被汽化的水量。

2.3" " 冷端凝結(jié)部分計(jì)算

在冷凝過程中，濕空氣實(shí)際吸收的冷量Qa由濕空氣的降溫顯熱Qx與冷凝潛熱Qq兩部分組成：

Qa=Qx+Qq=mcΔT+mwγ=mdaΔh+mwh0

式中：m為濕空氣質(zhì)量；c為濕空氣的比熱容；ΔT為濕空氣冷凝前后溫度變化量；mw為冷凝水的質(zhì)量，即熱電熱泵的冷凝量；γ為濕空氣的相變潛熱系數(shù)；mda為干空氣質(zhì)量；Δh為初終狀態(tài)下濕空氣的焓差；h0為終狀態(tài)下冷凝水的焓值。

3" " 熱電熱泵干衣機(jī)的性能評(píng)價(jià)

3.1" " 實(shí)物實(shí)驗(yàn)

基于干衣機(jī)的前期設(shè)計(jì)，對(duì)原理圖的核心部分進(jìn)行簡化，繪制三維模型圖如圖9所示，并制作實(shí)物展開實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。

通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，熱電片在一定功率、換熱充分、空氣流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，溫度會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，并能產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的冷量和熱量。

3.2" " 熱泵式與電加熱式干衣機(jī)耗電量比較

熱電熱泵干衣機(jī)之所以比傳統(tǒng)的電加熱式干衣機(jī)更加節(jié)能，不僅是因?yàn)闊岜帽旧淼臒崃總鬟f效率高，更是因?yàn)槭占苏羝淠龝r(shí)釋放的余熱回?zé)岫思右岳谩Ｊ褂脽岜孟禂?shù)來表征熱泵的效率，對(duì)于半導(dǎo)體熱電片，熱泵系數(shù)?定義為：

?==1+ε

式中：Qh為熱泵向高溫?zé)嵩摧斔偷臒崃?；W為熱泵機(jī)組所消耗的功量；ε為制冷系數(shù)。

由公式可知，熱泵的效率?一定大于1。

對(duì)于熱電熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)，輸入定量的機(jī)械功時(shí)一定能獲得多于輸入功的熱量[5]。對(duì)于電加熱干衣機(jī)，由熱力學(xué)第二定律可知加熱效率η一定小于1。對(duì)比可知，在輸入電功率相同時(shí)，熱電熱泵在熱端的加熱效率一定優(yōu)于使用電阻元件直接加熱的效率；在達(dá)到相同加熱效果時(shí)，熱電熱泵干衣機(jī)的耗電量也一定小于電加熱式干衣機(jī)的耗電量。公式中表示的大于輸入功的熱量，是冷端水蒸氣凝結(jié)放出的熱量和本應(yīng)被干衣機(jī)排出氣體的廢熱。由于在系統(tǒng)中對(duì)兩種余熱進(jìn)行回收和循環(huán)利用，所以熱電熱泵干衣機(jī)的節(jié)能效果更為顯著。

除濕能效比SPC定義為除去單位質(zhì)量的水分所消耗的能量（單位是kW·h/kg），是衡量干衣機(jī)節(jié)能性的通用標(biāo)準(zhǔn)。宋朋洋等[5]提出熱泵式干衣機(jī)的除濕能效比為0.525，傳統(tǒng)電加熱式干衣機(jī)能效比為0.945，即熱泵干衣機(jī)比傳統(tǒng)電熱式干衣機(jī)要節(jié)能50%。

相比于傳統(tǒng)的電加熱式干衣機(jī)，熱電熱泵干衣機(jī)功耗明顯降低。因?yàn)樵赟PC的計(jì)算中，關(guān)于傳統(tǒng)電熱式干衣機(jī)的主要論述都是假定在空氣溫濕度較低的干爽天氣，而在冬季陰雨天氣環(huán)境溫度低、相對(duì)濕度大，電熱式干衣機(jī)的除濕能效比還會(huì)更大。同時(shí)，由于熱泵式干衣機(jī)的空氣循環(huán)是封閉的，受環(huán)境中空氣溫濕度的影響更小，優(yōu)點(diǎn)也會(huì)更加明顯。

3.3" " 熱電熱泵與壓縮機(jī)式熱泵干燥速度比較

與熱電熱泵干衣機(jī)相比，壓縮機(jī)式熱泵干衣機(jī)在壓縮機(jī)做功的基礎(chǔ)上會(huì)額外消耗工質(zhì)在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力做功，同時(shí)半導(dǎo)體熱電片存在熱端輸出效率高的固有性能。因此，理論上相比壓縮機(jī)式熱泵干衣機(jī)，熱電熱泵干衣機(jī)能提高出口風(fēng)溫，縮短干燥時(shí)間。

利用家用干衣機(jī)（壓縮機(jī)式）與制作的樣機(jī)（圖10）展開實(shí)驗(yàn)，控制衣物相同，添加的水量不同，即對(duì)相對(duì)濕度不同情況下的干燥問題進(jìn)行定量研究，可比較不同工況下的干燥時(shí)間。

1）不同熱端進(jìn)口風(fēng)速及不同空氣含濕量對(duì)干燥時(shí)間的影響。

控制衣物溫度為20 ℃，工作電壓為12 V的4片半導(dǎo)體制冷片在熱端進(jìn)口風(fēng)速不同的情況下，干燥時(shí)間（含同工況下家用壓縮機(jī)熱泵干衣機(jī)的干燥時(shí)間對(duì)比）隨濕空氣含濕量的變化分別如圖11所示。

由圖11可知，家用干衣機(jī)在干燥等量的水分時(shí)所需的干燥時(shí)間明顯長于半導(dǎo)體熱泵干衣機(jī)，時(shí)間縮短率為24%～57%，低風(fēng)速及高含濕量情況下的時(shí)間縮短率更顯著。

2）不同環(huán)境溫度及不同空氣含濕量對(duì)干燥時(shí)間的影響。

熱端進(jìn)口風(fēng)速定為15 m/s，工作電壓為12 V的4片半導(dǎo)體制冷片在衣物溫度不同（實(shí)驗(yàn)中利用家用空調(diào)控制為環(huán)境溫度不同）的情況下，干燥時(shí)間（含同工況下家用壓縮機(jī)熱泵干衣機(jī)的干燥時(shí)間對(duì)比）隨濕空氣含濕量的變化分別如圖12所示。

由圖12可知，壓縮機(jī)熱泵式干衣機(jī)在干燥等量的水分時(shí)所需的干燥時(shí)間明顯長于新型半導(dǎo)體熱泵烘干機(jī)，時(shí)間縮短率為27%～63%，環(huán)境溫度低及含濕量高情況下的時(shí)間縮短率更顯著。

4" " 結(jié)論

1）基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵干衣機(jī)在原理上是可行的，并能在衣物烘干的基本功能外實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能50%以上；

2）在低風(fēng)速、低環(huán)境溫度及高含濕量的情況下，熱電熱泵干衣機(jī)的干燥速率明顯優(yōu)于壓縮機(jī)熱泵干衣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)中干燥時(shí)間縮短率可提高至63%；

3）由于不同濕度下最佳除濕溫度不同，烘干系統(tǒng)能效比會(huì)隨著衣物的干燥而降低，因此風(fēng)機(jī)速率和熱電片功率的自動(dòng)化控制存在優(yōu)化空間。

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收稿日期：2024-12-25

作者簡介：房奕含（2001—），女，黑龍江人，助理工程師，研究方向：能源與動(dòng)力工程及航空宇航推進(jìn)技術(shù)。