摘要：針對傳統(tǒng)的電加熱干衣機耗能嚴(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，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)樣機的制作和調(diào)整；通過查閱資料比對，得到除去潮濕衣物中結(jié)合水的最優(yōu)進風(fēng)溫度和濕度；通過實驗?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，熱電熱泵干衣機的出口風(fēng)溫顯著高于壓縮機熱泵干衣機，最佳干燥時間縮短率達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：TK172" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0072-06

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

0" " 引言

隨著機電系統(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；同時作為小型家電的分類之一，烘干系統(tǒng)也與現(xiàn)代生活實際息息相關(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)濟性、安全性差等眾多問題[1-2]。很明顯，傳統(tǒng)的干衣機存在能耗大、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。

從20世紀(jì)末到現(xiàn)在，國外已有眾多學(xué)者基于不同原理對干衣機的節(jié)能減排展開研究。P. K. Bansal等[3]最早給出了干衣機的數(shù)學(xué)模型，并比較了風(fēng)冷和水冷兩種不同干衣機冷端處理方法的除濕能力。S. Gopalnarayanan等[4]分析了環(huán)境條件對壓縮機熱泵干燥效率的影響，認(rèn)為理論上節(jié)能效果可達到69%，并提出了安全性能和經(jīng)濟效益等方面的思考。在國內(nèi)，宋朋洋等[5]設(shè)計了一種基于壓縮機熱泵的干衣機，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的電加熱干衣機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，且對環(huán)境基本無濕污染。干衣機作為實用家電的一種，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)與壓縮機熱泵干衣機有機結(jié)合，不僅發(fā)揮了用熱泵系統(tǒng)代替電加熱系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)封閉，能夠?qū)諝鈴U熱和水蒸氣冷凝放熱進行潛熱回收的優(yōu)勢，而且與壓縮機熱泵相比，拋棄壓縮機與制冷劑，利用半導(dǎo)體熱電片為熱泵，沒有運動部件，不受空間和環(huán)境限制，可靠性高，無制冷劑污染。同時，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，與壓縮機熱泵相比有效縮短了干燥時間。

本文闡述了一種基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵式干衣機，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，更符合人們的生活需求和政府節(jié)能減排的政策，為進一步優(yōu)化干衣機結(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，同時也擴大了熱電熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1" " 熱電熱泵干衣機的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法

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，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”兩端有電勢差時，熱量就會從冷的一端“被搬運”到熱的另一端，從而在材料兩端產(chǎn)生溫差。同時，半導(dǎo)體自身存在電阻，電流經(jīng)過電阻時產(chǎn)生的熱損失也會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 ℃，符合干衣機的使用需求。

烘干機電系統(tǒng)的投資回報比定義為溫度每提升1 ℃折合花費的成本（元/℃）。為確定具有最佳投資回報比的制冷片數(shù)目方案，以入口風(fēng)溫20 ℃、風(fēng)速15 m/s恒定為例進行計算分析，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，送入干衣機下層風(fēng)道與熱電片冷端進行充分換熱。中溫高濕空氣遇冷凝結(jié)變?yōu)榈蜏馗稍锟諝膺M入上層風(fēng)道，同時凝結(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，進入熱泵系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)，對衣物起到了烘干的作用。

1.3" " 熱電熱泵系統(tǒng)部件設(shè)計

1.3.1" " 散熱鋁片設(shè)計計算

散熱器肋片的疏密程度會影響流道的風(fēng)阻和制冷片的散熱。肋片數(shù)過多，會導(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，會導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷片散熱不及時，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，計算結(jié)果如表2所示。

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

安裝時，熱端散熱鋁片保持水平安裝即可；而冷端散熱鋁片上會有凝結(jié)水出現(xiàn)，在安裝時需略微傾斜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

風(fēng)道截面積設(shè)計大小為105 mm×95 mm。由于采用多重散熱鋁片作為換熱元件，且反復(fù)對流換熱會造成風(fēng)道加長，因此流道的風(fēng)阻顯著增大。為了確保空氣在真實狀態(tài)下可以順利流動，對空氣在流道內(nèi)的壓力和流速變化在ANSYS軟件中進行模擬，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)機提供的壓力足以實現(xiàn)空氣順利流動，故風(fēng)道設(shè)計可行。同時，由模擬可以看出，彎道的存在對空氣在制冷片處的流動影響并不大，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)計計算

2.1" " 潮濕衣物干燥過程中水的存在形式研究

通過對衣物干燥過程狀態(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濕度下，衣物的平均含水率將趨于不變，不會隨著干燥時間的增加而減小，這被稱為在對應(yīng)環(huán)境溫度和相對濕度條件下的平衡含水率[8]，如A點表示溫度為20 ℃，對應(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點即在溫度為20 ℃、相對濕度為46%時，平衡水分和自由水分的分界點。平衡水分隨負(fù)載的性質(zhì)、空氣溫度和空氣相對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，根據(jù)如下公式即可知h1：

h1=h2+qc

同時，根據(jù)飽和濕空氣的焓濕圖可知在空氣焓值為h1和h2時對應(yīng)的溫度和絕對濕度。以3.1節(jié)所作實物模型為對象進行理論分析可知，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，即單位時間單位面積（氣固接觸界面）內(nèi)汽化水量，等于常量。其計算公式為傳質(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時，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為單位時間單位面積被汽化的水量。

2.3" " 冷端凝結(jié)部分計算

在冷凝過程中，濕空氣實際吸收的冷量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" " 熱電熱泵干衣機的性能評價

3.1" " 實物實驗

基于干衣機的前期設(shè)計，對原理圖的核心部分進行簡化，繪制三維模型圖如圖9所示，并制作實物展開實驗，如圖10所示。

通過實驗得出結(jié)論，熱電片在一定功率、換熱充分、空氣流動穩(wěn)定的情況下，溫度會保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，并能產(chǎn)生相對穩(wěn)定的冷量和熱量。

3.2" " 熱泵式與電加熱式干衣機耗電量比較

熱電熱泵干衣機之所以比傳統(tǒng)的電加熱式干衣機更加節(jié)能，不僅是因為熱泵本身的熱量傳遞效率高，更是因為收集了蒸汽冷凝時釋放的余熱回?zé)岫思右岳?。使用熱泵系?shù)來表征熱泵的效率，對于半導(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)嵩摧斔偷臒崃浚籛為熱泵機組所消耗的功量；ε為制冷系數(shù)。

由公式可知，熱泵的效率?一定大于1。

對于熱電熱泵干衣機系統(tǒng)，輸入定量的機械功時一定能獲得多于輸入功的熱量[5]。對于電加熱干衣機，由熱力學(xué)第二定律可知加熱效率η一定小于1。對比可知，在輸入電功率相同時，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；在達到相同加熱效果時，熱電熱泵干衣機的耗電量也一定小于電加熱式干衣機的耗電量。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)被干衣機排出氣體的廢熱。由于在系統(tǒng)中對兩種余熱進行回收和循環(huán)利用，所以熱電熱泵干衣機的節(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），是衡量干衣機節(jié)能性的通用標(biāo)準(zhǔn)。宋朋洋等[5]提出熱泵式干衣機的除濕能效比為0.525，傳統(tǒng)電加熱式干衣機能效比為0.945，即熱泵干衣機比傳統(tǒng)電熱式干衣機要節(jié)能50%。

相比于傳統(tǒng)的電加熱式干衣機，熱電熱泵干衣機功耗明顯降低。因為在SPC的計算中，關(guān)于傳統(tǒng)電熱式干衣機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、相對濕度大，電熱式干衣機的除濕能效比還會更大。同時，由于熱泵式干衣機的空氣循環(huán)是封閉的，受環(huán)境中空氣溫濕度的影響更小，優(yōu)點也會更加明顯。

3.3" " 熱電熱泵與壓縮機式熱泵干燥速度比較

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

利用家用干衣機（壓縮機式）與制作的樣機（圖10）展開實驗，控制衣物相同，添加的水量不同，即對相對濕度不同情況下的干燥問題進行定量研究，可比較不同工況下的干燥時間。

1）不同熱端進口風(fēng)速及不同空氣含濕量對干燥時間的影響。

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

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

2）不同環(huán)境溫度及不同空氣含濕量對干燥時間的影響。

熱端進口風(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（實驗中利用家用空調(diào)控制為環(huán)境溫度不同）的情況下，干燥時間（含同工況下家用壓縮機熱泵干衣機的干燥時間對比）隨濕空氣含濕量的變化分別如圖12所示。

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

4" " 結(jié)論

1）基于帕爾帖效應(yīng)的熱電熱泵干衣機在原理上是可行的，并能在衣物烘干的基本功能外實現(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，熱電熱泵干衣機的干燥速率明顯優(yōu)于壓縮機熱泵干衣機，在實驗中干燥時間縮短率可提高至63%；

3）由于不同濕度下最佳除濕溫度不同，烘干系統(tǒng)能效比會隨著衣物的干燥而降低，因此風(fēng)機速率和熱電片功率的自動化控制存在優(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：能源與動力工程及航空宇航推進技術(shù)。