基于帕爾帖效應的熱電熱泵烘干技術研究

摘要：針對傳統的電加熱干衣機耗能嚴重和室內濕污染問題，提出一種應用新型熱電熱泵烘干技術的干衣機，使其具有節能、減排、安靜、安全、便利等優勢，更適合家庭使用及商業推廣。首先基于帕爾帖效應，以半導體熱電片為核心設計了熱電熱泵系統，然后利用Fluent分析工作狀態下流道中的壓力和流速變化，以指導樣機的制作和調整；通過查閱資料比對，得到除去潮濕衣物中結合水的最優進風溫度和濕度；通過實驗模擬空氣加熱除濕的過程，確定制冷片數目。分析結果表明：應用所提技術的產品與傳統電加熱干衣機相比節能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%，可起到很好的節能減排效果。

關鍵詞：熱電熱泵；帕爾帖效應；烘干系統；節能減排；工藝與技術

中圖分類號：TK172" " 文獻標志碼：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

隨著機電系統的大量使用，烘干技術在食品、建筑、化工、制藥等許多工程領域都有廣泛的應用；同時作為小型家電的分類之一，烘干系統也與現代生活實際息息相關，市場前景廣闊。傳統的電加熱烘干系統應用廣泛，但存在耗電量巨大，系統效率低，經濟性、安全性差等眾多問題[1-2]。很明顯，傳統的干衣機存在能耗大、產生室內濕污染以及干衣速度慢、衣物易變形等顯著缺點。

從20世紀末到現在，國外已有眾多學者基于不同原理對干衣機的節能減排展開研究。P. K. Bansal等[3]最早給出了干衣機的數學模型，并比較了風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]分析了環境條件對壓縮機熱泵干燥效率的影響，認為理論上節能效果可達到69%，并提出了安全性能和經濟效益等方面的思考。在國內，宋朋洋等[5]設計了一種基于壓縮機熱泵的干衣機，發現與傳統的電加熱干衣機相比熱泵加熱可在除濕的基礎上節約電能，干衣效果更佳，且對環境基本無濕污染。干衣機作為實用家電的一種，已經逐漸從理論走向了國內外市場。

熱電效應的應用是21世紀三大最具潛力的新型能源技術之一，也是目前人們發現的將溫度差轉換為電能的理論中最直接且能量轉換率最高的一種[6]。本文將熱電熱泵系統與壓縮機熱泵干衣機有機結合，不僅發揮了用熱泵系統代替電加熱系統時，由于系統封閉，能夠對空氣廢熱和水蒸氣冷凝放熱進行潛熱回收的優勢，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，它具有節約電能，無室內濕空氣污染，易于系統控制調節干衣速度等優點，更符合人們的生活需求和政府節能減排的政策，為進一步優化干衣機結構、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展提供了新的節能思路，同時也擴大了熱電熱泵系統的應用范圍。

1" " 熱電熱泵干衣機的基本結構及設計方法

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成的回路時，回路兩端上出現的吸熱或放熱現象[7]。

基于帕爾帖效應的熱電熱泵（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，從而在材料兩端產生溫差。同時，半導體自身存在電阻，電流經過電阻時產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目方案，以入口風溫20 ℃、風速15 m/s恒定為例進行計算分析，得到結果如表1所示。

由表1所示結果可知，半導體制冷片數目越多，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" " 熱電熱泵系統介紹

熱電熱泵系統主要部件為基于帕爾帖效應的半導體熱電片，作用是實現除濕和加熱功能。裝置結構及工作原理如圖2所示。

半導體熱電片冷端向下、熱端向上安置在系統中，對應使得熱泵系統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變為低溫干燥空氣進入上層風道，同時凝結水經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，進入熱泵系統繼續循環，對衣物起到了烘干的作用。

1.3" " 熱電熱泵系統部件設計

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。

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構，初定散熱鋁片的寬度與風道的寬度一致，即為260 mm×95 mm×100 mm的長方體。設矩形肋片數與散熱鋁片長度（260 mm）的比例分別為0.1、0.25、0.3，即肋片數分別為26、65、78，計算結果如表2所示。

由表2所示的計算結果可知，熱端散熱器肋片數為65時干燥速率最優（即肋片數與寬度比例為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水出現，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105 mm×95 mm。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下可以順利流動，對空氣在流道內的壓力和流速變化在ANSYS軟件中進行模擬，設定初始參數為：入口速度15 m/s，出口壓力為標準大氣壓。所得結果如圖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的記錄，發現水在衣物中的存在狀態是不同的，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、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為平衡時負載的質量；mBD為衣物干質量。

由于在環境溫度附近，制冷片單位時間可以從濕空氣中抽走的熱量是一定的，假設濕空氣在經過制冷片冷端前后均為飽和狀態，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，根據如下公式即可知h1：

h1=h2+qc

同時，根據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 ℃。在此溫度區間，空氣中的水分都可以在制冷片的冷端得到有效凝結。

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）內汽化水量，等于常量。其計算公式為傳質或傳熱速率公式：

NA=kH（Hw-H）=（t-tw）

式中：kH為傳質系數；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，當空氣平行于物料表面流動時，α=0.014 3 G0.8，G為氣體的質量流速；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為干物料的質量，這里視為單位質量物料（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為冷凝水的質量，即熱電熱泵的冷凝量；γ為濕空氣的相變潛熱系數；mda為干空氣質量；Δh為初終狀態下濕空氣的焓差；h0為終狀態下冷凝水的焓值。

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。

通過實驗得出結論，熱電片在一定功率、換熱充分、空氣流動穩定的情況下，溫度會保持在一個相對穩定的數值，并能產生相對穩定的冷量和熱量。

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的電加熱式干衣機更加節能，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。使用熱泵系數來表征熱泵的效率，對于半導體熱電片，熱泵系數?定義為：

?==1+ε

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。

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，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，是冷端水蒸氣凝結放出的熱量和本應被干衣機排出氣體的廢熱。由于在系統中對兩種余熱進行回收和循環利用，所以熱電熱泵干衣機的節能效果更為顯著。

除濕能效比SPC定義為除去單位質量的水分所消耗的能量（單位是kW·h/kg），是衡量干衣機節能性的通用標準。宋朋洋等[5]提出熱泵式干衣機的除濕能效比為0.525，傳統電加熱式干衣機能效比為0.945，即熱泵干衣機比傳統電熱式干衣機要節能50%。

相比于傳統的電加熱式干衣機，熱電熱泵干衣機功耗明顯降低。因為在SPC的計算中，關于傳統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是封閉的，受環境中空氣溫濕度的影響更小，優點也會更加明顯。

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。

控制衣物溫度為20 ℃，工作電壓為12 V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15 m/s，工作電壓為12 V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控制為環境溫度不同）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體熱泵烘干機，時間縮短率為27%～63%，環境溫度低及含濕量高情況下的時間縮短率更顯著。

4" " 結論

1）基于帕爾帖效應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節約電能50%以上；

2）在低風速、低環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，烘干系統能效比會隨著衣物的干燥而降低，因此風機速率和熱電片功率的自動化控制存在優化空間。

[參考文獻]

[1] 王大偉，翁文兵，徐劍.熱泵式干衣機的試驗研究與性能分析[J].制冷與空調，2008，8（6）：42-46.

[2] 米廷燦，陳劍洲，周易.熱泵干衣機專用壓縮機的研究[J].上海電氣技術，2013，6（4）：36-40.

[3] BANSAL P K，BRAUN J E，GROLL E A.Improving the energy efficiency of conventional tumbler clothes drying systems[J].International Journal of Energy Research，2001，25（15）：1315-1332.

[4] GOPALNARAYANAN S，RADERMACHER R.Heat-pump assisted"dryer using refrigerant mixtures--Batch mode drying[R].Atlanta，GA（United States）：American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc.，1997.

[5] 宋朋洋，歐陽新萍.蒸氣壓縮式熱泵干衣機的結構及特性分析[J].制冷與空調，2011，11（3）：28-31.

[6] HONIG J M，HARMAN T C.Thermoelectric and thermomag-netic effects and applications[M].New York：cGraw-Hill，1967.

[7] 陳林根，孟凡凱，戈延林，等.半導體熱電裝置的熱力學研究進展[J].機械工程學報，2013，49（24）：144-154.

[8] 肖雄峰.糧食熱泵干燥工藝系統設計及能效評價研究[D].廣州：華南農業大學，2018.

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。