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。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。熱電效應的應用是21世紀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。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，利用了帕爾帖效應熱輸出效率高的特性，提高了出口風溫，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)的應用范圍。1、熱電熱泵干衣機的基本結(jié)構(gòu)及設計方法1.1

半導體熱電片的研究與選用帕爾帖（Peltier）效應是塞貝克（Seebeck）效應的逆效應，是指當直流電通過兩種不同導體構(gòu)成的回路時，回路兩端上出現(xiàn)的吸熱或放熱現(xiàn)象?；谂翣柼臒犭姛岜茫ㄏ挛暮喎Q熱電片或制冷片）是一種熱交換工具。當由N型半導體材料和P型半導體材料連接成的“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。本裝置選用型號為TEC1-12730的半導體熱電片（圖1），其工作電壓為12V，工作電流為15A，電阻為1Ω，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，以入口風溫20℃、風速15m/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，半導體制冷片數(shù)目越多，制冷量越高，同時風溫提升越多，但耗電量及制冷片基礎成本也隨之增加。本設計產(chǎn)品采用4片均勻布置的制冷片，可得到風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的半導體熱電片，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。半導體熱電片冷端向下、熱端向上安置在系統(tǒng)中，對應使得熱泵系統(tǒng)風道下層具有除濕功能，上層具有加熱功能。除濕功能：利用風扇將干衣筒中的中溫高濕空氣抽出，送入干衣機下層風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道中與熱電片熱端換熱，被加熱為高溫干燥氣體。利用風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)部件設計1.3.1

散熱鋁片設計計算散熱器肋片的疏密程度會影響流道的風阻和制冷片的散熱。肋片數(shù)過多，會導致風阻過大，使風速嚴重損失，影響干燥效果；肋片數(shù)過少，會導致半導體制冷片散熱不及時，使得半導體熱電片冷端的效果惡化，導致冷端溫度過高，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道的寬度一致，即為260mm×95mm×100mm的長方體。設矩形肋片數(shù)與散熱鋁片長度（260mm）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

風道設計風道截面積設計大小為105mm×95mm。由于采用多重散熱鋁片作為換熱元件，且反復對流換熱會造成風道加長，因此流道的風阻顯著增大。為了確?？諝庠谡鎸崰顟B(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，設定初始參數(shù)為：入口速度15m/s，出口壓力為標準大氣壓。所得結(jié)果如圖4～7所示。通過模擬可以看出，風機提供的壓力足以實現(xiàn)空氣順利流動，故風道設計可行。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：式中：Xb為平衡含水率；mb為平衡時負載的質(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，則當確定h2時，根據(jù)如下公式即可知h1：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：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)，當空氣平行于物料表面流動時，α＝0.0143G0.8，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：式中：Gc為干物料的質(zhì)量，這里視為單位質(zhì)量物料（Gc=1kg物料）；A為氣固接觸界面的面積，這里視為單位面積（A=1m2）；X為含水量，這里取單位面積內(nèi)X=0.1kg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：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熱端加以利用。使用熱泵系數(shù)來表征熱泵的效率，對于半導體熱電片，熱泵系數(shù)φ定義為：式中：Qh為熱泵向高溫熱源輸送的熱量；W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φ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)能性的通用標準。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上會額外消耗工質(zhì)在毛細管中流動時的摩擦阻力做功，同時半導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）不同熱端進口風速及不同空氣含濕量對干燥時間的影響?？刂埔挛餃囟葹?0℃，工作電壓為12V的4片半導體制冷片在熱端進口風速不同的情況下，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體熱泵干衣機，時間縮短率為24%～57%，低風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。熱端進口風速定為15m/s，工作電壓為12V的4片半導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