熱電熱泵干衣機(jī)的研制

1、熱電熱泵干衣機(jī)的研制 羅清海 湯廣發(fā) 王靜偉 簡(jiǎn)介： 熱電制冷由于制冷效率較低，難以在一般民用建造空調(diào)/制冷領(lǐng)域推廣，但熱電系統(tǒng)作為熱泵目的使用時(shí)，相對(duì)于直接電加熱形式，則不失為一種節(jié)能形式；依據(jù)熱電熱泵原理，研制了干衣機(jī)樣機(jī)，參照類似家用電器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，建立了試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)；分離針對(duì)不同工況舉行了系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)作了性能分析，指出了進(jìn)一步優(yōu)化樣機(jī)的方向；測(cè)試表明，熱電熱泵干衣機(jī)具有節(jié)能、環(huán)保、平安兼?zhèn)涞膬?yōu)勢(shì)，而且系統(tǒng)容易，調(diào)控方便，工作方式人性化，給人們生活帶來(lái)更大方便。 關(guān)鍵字：熱電熱泵 干衣機(jī) 節(jié)能環(huán)保 0.引言 熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷，具有無(wú)工質(zhì)、無(wú)運(yùn)轉(zhuǎn)部件、體積小、結(jié)

2、構(gòu)容易、便于控制等獨(dú)特優(yōu)越性，在恒溫控制、電子設(shè)備冷卻以及軍事、航天等特別領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；但目前因其受熱電材料溫差電性能的限制而制冷效率較低，受熱電模塊生產(chǎn)工藝的限制而成本較高，大大限制了這項(xiàng)技術(shù)在一般民用建造空調(diào)或制冷場(chǎng)合的應(yīng)用 。熱電熱泵是將熱電制冷系統(tǒng)作致熱用途時(shí)的一種稱呼，半導(dǎo)體熱電器件的這種雙重用途具有重要的使用價(jià)值，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，具有較高的致熱系數(shù)，相對(duì)于直接以焦耳熱形式加熱的電熱裝置而言，不失為一種節(jié)能途徑1。陰冷、雨濕天氣，衣服等物件因久晾不干而給人們帶來(lái)苦惱，平凡電烘干機(jī)由于電耗大，存在平安隱患，產(chǎn)生噪聲、濕氣污染，使衣服皺縮等缺憾而難以推廣，熱電熱泵干衣機(jī)克服了平

3、凡電干衣機(jī)的不足，為家電節(jié)能供應(yīng)了新思路，同時(shí)拓展了熱電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。 1.熱電熱泵的力能模型 當(dāng)熱電單元模型用作熱泵時(shí)，其力能模型1如圖1所示： 為便利討能，作如下假定： (1) 等截面直電臂結(jié)構(gòu)熱電單元模型電偶臂的側(cè)面被絕熱； (2) 冷端溫度維持在Tc恒定不變，熱端放出的熱量Qh被用來(lái)加熱媒體TcTh； (3) 兩器件臂的材料勻稱，其性能參數(shù)隨溫度的變化可以忽視不計(jì)； (4) 電路中的湯姆遜熱可以忽視不計(jì)。 在上述條件成立時(shí)，有關(guān)量如下： 功率消耗： （1） 帕爾帖熱： （2） 總熱功率，即制熱量： （3） 熱傳導(dǎo)： （4） 熱電熱泵和致冷器的差別在于：焦耳熱的一半傳到冷端，會(huì)使致冷器

4、的效率降低，對(duì)于熱泵，一半焦耳熱將附加到熱端，而使效率得到提高。 致熱功率： （5） 致熱系數(shù)： （6） 最大致熱系數(shù)： （7） 最大產(chǎn)熱量： （8） 式中：T=Th - Tc 熱泵致熱系數(shù)、溫差T以及優(yōu)值Z之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：致熱系數(shù)在1.57.0之間，即比1.0大得多，熱電熱泵作為一種節(jié)能途徑是很有肦望的。 優(yōu)值Z代表了熱電材料的一種特性，綜合了有關(guān)材料的電學(xué)和熱學(xué)兩方面的因素，它從根本上確定了熱電器件的效率。目前，工程上應(yīng)用的熱電材料的優(yōu)值的大致范圍為：1.53.010-3K-1。 2.熱電熱泵干衣機(jī)的研制 熱電制冷模塊通適當(dāng)直流電后，一個(gè)端面制冷吸熱，另一個(gè)端面制熱放熱，

5、這就是熱電熱泵現(xiàn)象。由上述熱電熱泵力能分析可知，要提高熱泵效率，應(yīng)該從三個(gè)方面著手：（1）提高熱電材料優(yōu)值系數(shù)；（2）削減系統(tǒng)工作溫差T；（3）提高熱電堆片冷、熱端溫度平均值。從工程應(yīng)用的角度分析，熱電材料的優(yōu)值不足一時(shí)難以克服；系統(tǒng)工作溫差一方面受工作條件的制約，同時(shí)受系統(tǒng)冷、熱端熱傳遞的制約；熱電堆片冷、熱端溫度平均值則受工作條件和熱電堆片的許可工作溫度范圍的限制。 依據(jù)熱電熱泵原理，研制的熱電熱泵干衣機(jī)的工作流程如圖3所示。 干衣機(jī)由冷端散熱器、熱電制冷片、熱端散熱器、送風(fēng)道、烘干室、回風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、電路單元、接水盤等主要部件組成，流程圖為容易起見(jiàn)，沒(méi)有標(biāo)出風(fēng)機(jī)等部件。 設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在風(fēng)機(jī)

6、作用下，氣流被熱端散熱器加熱后，熱氣流經(jīng)過(guò)送風(fēng)道進(jìn)入烘干室，適當(dāng)?shù)臍饬魉俣韧ㄟ^(guò)衣料縫隙帶走水分，然后，溫度較高的高濕氣體由回風(fēng)道進(jìn)入冷端散熱器，冷卻、冷凝放熱后排出，在熱泵作用下，溫濕氣流在冷端放出的熱量被回收，與消耗的電功率共同作用，通過(guò)熱端熱交換器加熱氣流用于烘干室干燥衣料。 因?yàn)槔洹岫藲饬鹘橘|(zhì)溫差十分小，因此，分離通過(guò)冷、熱端熱傳遞過(guò)程后，熱電制冷片的實(shí)際工作溫差也比較?。唤M裝過(guò)程中，散熱器基準(zhǔn)面通過(guò)精磨工藝保證了平整度，同時(shí)，散熱器與熱電制冷片結(jié)合面之間的接觸面涂抹導(dǎo)熱脂，有效地削減熱傳遞過(guò)程中由于接觸熱阻引起的寄生溫差；為了試驗(yàn)改裝便利，散熱器和熱電制冷片之間采用螺釘固定，螺釘套塑

7、料套管和隔熱墊圈，有效地削減了熱橋引起的效率損失。 散熱器散熱面積與熱泵冷、熱端熱傳遞功率之間的匹配經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序在典型工況下舉行了優(yōu)化配置。 熱電模塊采用串、并聯(lián)方式相結(jié)合的混聯(lián)方式，以直流電供電；市電通過(guò)整流電路整流，要求波紋（脈動(dòng)）系數(shù)少于10%。 熱電制冷的運(yùn)行分為最大產(chǎn)冷量工況和最大效率工況。最大效率工況意味著熱電制冷模塊最經(jīng)濟(jì)地工作，而最大產(chǎn)冷量工況則保證具有最大的產(chǎn)冷量。作為熱電熱泵干衣機(jī)，是將熱電制冷片作為熱泵加熱用，從通常的衣服干燥用途考慮，在圖3所示的特別流程下，冷、熱端溫差不超過(guò)30，考慮常年運(yùn)行，高效率應(yīng)當(dāng)是首要追求的目標(biāo)，系統(tǒng)根據(jù)最大效率模式設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)能的目的

8、。 在熱電材料優(yōu)值受到制約的現(xiàn)實(shí)條件下，該樣機(jī)通過(guò)獨(dú)特的循環(huán)流程發(fā)明性地削減了冷、熱端之間的工作溫差，同時(shí)提高了冷、熱端溫度平均值，既符合設(shè)備運(yùn)行的工作條件和工藝要求，又滿意熱電制冷片的工作許可溫度范圍。這種形式的干衣機(jī)與平凡電干衣機(jī)比較，系統(tǒng)容易，控制便利準(zhǔn)確，消退了排氣對(duì)房間的熱、濕污染，同時(shí)有較高的能效系數(shù)，因而，具有節(jié)能、環(huán)保、平安兼?zhèn)涞膬?yōu)勢(shì)。 與平凡電干衣機(jī)比較，在工作方式上熱電熱泵干衣機(jī)越發(fā)人性化。平凡電干衣機(jī)是將待干燥衣服疊成團(tuán)后放置于滾筒式烘干箱，為了受熱勻稱，滾筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此引起振動(dòng)和噪聲，又導(dǎo)致干燥后的衣服皺縮變形，需要從新熨燙，更增添了棘手和奢侈了能源；而熱電熱泵干衣機(jī)

9、在干燥過(guò)程中，衣服用平凡衣架懸掛于烘干室中，干燥的熱空氣在適當(dāng)?shù)臍饬魉俣认峦ㄟ^(guò)衣料縫隙帶走水分使衣服變得干爽，因而衣料不變形，無(wú)須從新熨燙。 3.熱電熱泵干衣機(jī)樣機(jī)性能測(cè)試 樣機(jī)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、加工、組裝后，參照平凡電干衣機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2，建立了樣機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)收拾后如圖46所示： 圖4是送風(fēng)速度1.2m/s，濕衣服初始總分量3.15kg,設(shè)定烘干室溫度38，初始輸入功率分離為300W、400W時(shí)，樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，烘干室內(nèi)溫度、功率消耗隨運(yùn)行時(shí)光變化的狀況。圖5是送風(fēng)速度1.2m/s，濕衣服初始總分量3.15kg,初始輸入功率為300W，設(shè)定烘干室溫度分離為38、40時(shí)，樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，樣機(jī)

10、每30分鐘階段除濕量、能效系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)光變化的狀況。圖6是濕衣服初始總分量3.15kg,初始輸入功率為300W，設(shè)定烘干室溫度為38，送風(fēng)速度分離為1.2m/s、0.9m/s時(shí)，樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，樣機(jī)每30分鐘階段除濕量、能效系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)光變化的狀況。 結(jié)合試驗(yàn)記錄，分析圖46的數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論： （1） 初始輸入功率較大時(shí)，烘干室內(nèi)溫度升高較快，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行所需要的時(shí)光較少；但穩(wěn)定運(yùn)行以后，不同初始輸入功率工況的瞬時(shí)功率消耗基本全都。 （2） 在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，烘干室設(shè)定溫度較高時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行所需要的時(shí)光較長(zhǎng)；運(yùn)行初始階段除濕量較大，但隨后的衰減更快；而瞬時(shí)能效系數(shù)則一直相對(duì)較低。由于，溫度越高，水分蒸發(fā)越快，運(yùn)行初始階段除濕量自然增強(qiáng)，但較高的烘干室溫度必定導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱損失加大，因此能效系數(shù)有所降低。 （3） 在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，較高的送風(fēng)速度有利于水分蒸發(fā)，較高的氣流速度強(qiáng)化了氣流介質(zhì)與散熱器的熱交換，因此，在較高的送風(fēng)速度