基于帕尔帖效应的热电热泵烘干技术研究

0引言

随着机电系统的大量使用,烘干技术在食品、建筑、化工、制药等许多工程领域都有广泛的应用;同时作为小型家电的分类之一,烘干系统也与现代生活实际息息相关,市场前景广阔。传统的电加热烘干系统应用广泛,但存在耗电量巨大,系统效率低,经济性、安全性差等众多问题^[1—2]。很明显,传统的干衣机存在能耗大、产生室内湿污染以及干衣速度慢、衣 物易变形等显著缺点。

从20世纪末到现在,国外已有众多学者基于不同原理对干衣机的节能减排展开研究。P. K. Bansal 等^[3]最早给出了干衣机的数学模型,并比较了风冷和水冷两种不同干衣机冷端处理方法的除湿能力。S.G0palnarayanan等^[4]分析了环境条件对压缩机热泵干燥效率的影响,认为理论上节能效果可达到69%,并提出了安全性能和经济效益等方面的思考。在国内,宋朋洋等^[5]设计了一种基于压缩机热泵的干衣机,发现与传统的电加热干衣机相比热泵加热可在除湿的基础上节约电能,干衣效果更佳,且对环境基本无湿污染。干衣机作为实用家电的一种,已经逐渐从理论走向了国内外市场。

热电效应的应用是21世纪三大最具潜力的新型能源技术之一,也是目前人们发现的将温度差转换为电能的理论中最直接且能量转换率最高的一种^[6]。本文将热电热泵系统与压缩机热泵干衣机有机结合,不仅发挥了用热泵系统代替电加热系统时,由于系统封闭,能够对空气废热和水蒸气冷凝放热进行潜热回收的优势,而且与压缩机热泵相比,抛弃压缩机与制冷剂,利用半导体热电片为热泵,没有运动部件,不受空间和环境限制,可靠性高,无制冷剂污染。同时,利用了帕尔帖效应热输出效率高的特性,提高了出口风温,与压缩机热泵相比有效缩短了干燥时间。

本文阐述了一种基于帕尔帖效应的热电热泵式干衣机,它具有节约电能,无室内湿空气污染,易于系统控制调节干衣速度等优点,更符合人们的生活需求和政府节能减排的政策,为进一步优化干衣机结构、降低能耗、提升干衣效果与速度等提供了方向,为小型家用电器的发展提供了新的节能思路,同时也扩大了热电热泵系统的应用范围。

1热电热泵干衣机的基本结构及设计方法

1.1 半导体热电片的研究与选用

帕尔帖(Peltier)效应是塞贝克(Seebeck)效应的逆效应,是指当直流电通过两种不同导体构成的回路时,回路两端上出现的吸热或放热现象^[7]。

基于帕尔帖效应的热电热泵(下文简称热电片或制冷片)是一种热交换工具。当由N型半导体材料和P型半导体材料连接成的“热电偶对”两端有电势差时,热量就会从冷的一端“被搬运”到热的另一端,从而在材料两端产生温差。同时,半导体自身存在电阻,电流经过电阻时产生的热损失也会随着热泵的工作附加到热端,从而提高热电片的热输出效率^[7]。

本装置选用型号为TEC1-12730的半导体热电片 (图1),其工作电压为12 V,工作电流为15 A,电阻为1 Ω,通电后冷端温度5℃、热端温度65℃ ,符合干衣机的使用需求。

烘干机电系统的投资回报比定义为温度每提升1 ℃折合花费的成本(元/℃)。为确定具有最佳投资回报比的制冷片数目方案,以入口风温20 ℃、风速15m/s恒定为例进行计算分析,得到结果如表1所示。

由表1所示结果可知,半导体制冷片数目越多,制冷量越高,同时风温提升越多,但耗电量及制冷片基础成本也随之增加。本设计产品采用4片均匀布置的制冷片,可得到风温的最佳投资回报比。

1.2 热电热泵系统介绍

热电热泵系统主要部件为基于帕尔帖效应的半导体热电片,作用是实现除湿和加热功能。装置结构及工作原理如图2所示。

半导体热电片冷端向下、热端向上安置在系统中,对应使得热泵系统风道下层具有除湿功能,上层具有加热功能。

除湿功能:利用风扇将干衣筒中的中温高湿空气抽出,送入干衣机下层风道与热电片冷端进行充分换热。中温高湿空气遇冷凝结变为低温干燥空气进入上层风道,同时凝结水经集水孔回收至底层集水槽。

加热功能:除湿后的低温干燥气体在上层风道中与热电片热端换热,被加热为高温干燥气体。利用风扇将高温干燥气体送入干衣筒。

热电热泵系统排出的干热空气通过与潮湿衣物的热交换,再次变成中温高湿气体,进入热泵系统继续循环,对衣物起到了烘干的作用。

1.3 热电热泵系统部件设计

1.3.1散热铝片设计计算

散热器肋片的疏密程度会影响流道的风阻和制冷片的散热。肋片数过多,会导致风阻过大,使风速严重损失,影响干燥效果;肋片数过少,会导致半导体制冷片散热不及时,使得半导体热电片冷端的效果恶化,导致冷端温度过高,失去冷凝的功能。因此,需要选择合适的肋片数。

在4片半导体制冷片正常工作的情况下,参考市场上的散热器结构,初定散热铝片的宽度与风道的宽度一致,即为260mm × 95mm ×100mm的长方体。设矩形肋片数与散热铝片长度(260 mm)的比例分别为0.1、0.25、0.3,即肋片数分别为26、65、78,计算结果如表2所示。

由表2所示的计算结果可知,热端散热器肋片数为65时干燥速率最优(即肋片数与宽度比例为0.25时)。

安装时,热端散热铝片保持水平安装即可;而冷端散热铝片上会有凝结水出现,在安装时需略微倾斜5°,使冷凝水能流入集水槽中。散热铝片及安装方式如图3所示。

1.3.2风道设计

风道截面积设计大小为105 mm× 95 mm。由于采用多重散热铝片作为换热元件,且反复对流换热会造成风道加长,因此流道的风阻显著增大。为了确保空气在真实状态下可以顺利流动,对空气在流道内的压力和流速变化在ANSYS软件中进行模拟,设定初始参数为:入口速度15 m/s,出口压力为标准大气压。所得结果如图4~7所示。

通过模拟可以看出,风机提供的压力足以实现空气顺利流动,故风道设计可行。同时,由模拟可以看出,弯道的存在对空气在制冷片处的流动影响并不大,故换热效果并未因弯道存在而受损失。

2 热电热泵系统设计计算

2.1潮湿衣物干燥过程中水的存在形式研究

通过对衣物干燥过程状态的记录,发现水在衣物中的存在状态是不同的,随着衣物逐渐变干,衣物的干燥速度会越来越慢。下面用棉衣物在环境温度20℃下的等温吸附线来说明衣物中的水分存在形式,如图8所示。

在特定的温度和空气相对湿度下,衣物的平均含水率将趋于不变,不会随着干燥时间的增加而减小,这被称为在对应环境温度和相对湿度条件下的平衡含水率^[8],如A点表示温度为20℃,对应的水分叫做平衡水分,平衡水分之外的水分称为自由水分。图中B点即在温度为20℃、相对湿度为46%时,平衡水分和自由水分的分界点。平衡水分随负载的性质、空气温度和空气相对湿度不同有较大差异,平衡含水率的定义公式如下:

式中:X_b为平衡含水率;m_b为平衡时负载的质量;m_BD 为衣物干质量。

由于在环境温度附近,制冷片单位时间可以从湿空气中抽走的热量是一定的,假设湿空气在经过制冷片冷端前后均为饱和状态,制冷片单位时间制冷量为q_c,制冷前后烩值分别为h₁和h₂,则当确定h2时,根据如下公式即可知h₁:

h₁=h₂十q_c

同时,根据饱和湿空气的烩湿图可知在空气烩值为h1和h2时对应的温度和绝对湿度。以3.1节所作实物模型为对象进行理论分析可知,在衣服足够潮湿的情况下,最佳除湿温度介于26~47℃。在此温度区间,空气中的水分都可以在制冷片的冷端得到有效凝结。

2.2 热端干燥部分计算

衣服表面的温度等于空气的湿球温度,且空气热量传导给衣服的速度与衣物上的结合水汽化带走潜热的速度相同。恒速阶段的干燥速度(也称水分汽化速度)NA,即单位时间单位面积(气固接触界面)内汽化水量,等于常量。其计算公式为传质或传热速率公式:

N_A=K_H(H_w—H)=α/r_w(t—t_w)

式中:K_H为传质系数;H_w为湿球温度下的气体饱和湿度;H为气流温度下的气体饱和湿度;α为给热系数,当空气平行于物料表面流动时,α=0.0143G0.8,G为气体的质量流速;r_w为湿球温度下的汽化潜热;t为气流的温度;t_w为空气的湿球温度。

恒速阶段的干燥时间T为:

式中:Gc为干物料的质量,这里视为单位质量物料(Gc=1 kg物料);A为气固接触界面的面积,这里视为单位面积(A=1 m²);X为含水量,这里取单位面积内X=0.1 kg水/kg干物料;N_A为单位时间单位面积被汽化的水量。

2.3冷端凝结部分计算

在冷凝过程中,湿空气实际吸收的冷量Qa由湿空气的降温显热Qx与冷凝潜热Qq两部分组成:

Qa=Qx十Qq=mcΔT十m_wγ=m_daΔh十m_wh₀

式中:m为湿空气质量;c为湿空气的比热容;ΔT为湿空气冷凝前后温度变化量;m_w为冷凝水的质量,即热电热泵的冷凝量;γ为湿空气的相变潜热系数;m_da为干空气质量;Δh为初终状态下湿空气的烩差;h₀为终状态下冷凝水的烩值。

3 热电热泵干衣机的性能评价

3.1 实物实验

基于干衣机的前期设计,对原理图的核心部分进行简化,绘制三维模型图如图9所示,并制作实物展开实验,如图10所示。

通过实验得出结论,热电片在一定功率、换热充分、空气流动稳定的情况下,温度会保持在一个相对稳定的数值,并能产生相对稳定的冷量和热量。

3.2 热泵式与电加热式干衣机耗电量比较

热电热泵干衣机之所以比传统的电加热式干衣机更加节能,不仅是因为热泵本身的热量传递效率高,更是因为收集了蒸汽冷凝时释放的余热回热端加以利用。使用热泵系数来表征热泵的效率,对于半导体热电片,热泵系数φ定义为:

式中:Q_h为热泵向高温热源输送的热量;W为热泵机组所消耗的功量;ε为制冷系数。

由公式可知,热泵的效率φ一定大于1。

对于热电热泵干衣机系统,输入定量的机械功时一定能获得多于输入功的热量^[5]。对于电加热干衣机,由热力学第二定律可知加热效率η一定小于1。对比可知,在输入电功率相同时,热电热泵在热端的加热效率一定优于使用电阻元件直接加热的效率;在达到相同加热效果时,热电热泵干衣机的耗电量也一定小于电加热式干衣机的耗电量。公式中表示的大于输入功的热量,是冷端水蒸气凝结放出的热量和本应被干衣机排出气体的废热。由于在系统中对两种余热进行回收和循环利用,所以热电热泵干衣机的节能效果更为显著。

除湿能效比SPC定义为除去单位质量的水分所消耗的能量(单位是kw·h/kg),是衡量干衣机节能性的通用标准。宋朋洋等^[5]提出热泵式干衣机的除湿能效比为0.525,传统电加热式干衣机能效比为0.945,即热泵干衣机比传统电热式干衣机要节能50%。

相比于传统的电加热式干衣机,热电热泵干衣机功耗明显降低。因为在SPC的计算中,关于传统电热式干衣机的主要论述都是假定在空气温湿度较低的干爽天气,而在冬季阴雨天气环境温度低、相对湿度大,电热式干衣机的除湿能效比还会更大。同时,由于热泵式干衣机的空气循环是封闭的,受环境中空气温湿度的影响更小,优点也会更加明显。

3.3 热电热泵与压缩机式热泵干燥速度比较

与热电热泵干衣机相比,压缩机式热泵干衣机在压缩机做功的基础上会额外消耗工质在毛细管中流动时的摩擦阻力做功,同时半导体热电片存在热端输出效率高的固有性能。因此,理论上相比压缩机式热泵干衣机,热电热泵干衣机能提高出口风温,缩短干燥时间。

利用家用干衣机(压缩机式)与制作的样机(图10)展开实验,控制衣物相同,添加的水量不同,即对相对湿度不同情况下的干燥问题进行定量研究,可比较不同工况下的干燥时间。

1)不同热端进口风速及不同空气含湿量对干燥时间的影响。

控制衣物温度为20℃ ,工作电压为12 V的4片半导体制冷片在热端进口风速不同的情况下,干燥时间(含同工况下家用压缩机热泵干衣机的干燥时间对比)随湿空气含湿量的变化分别如图11所示。

由图11可知,家用干衣机在干燥等量的水分时所需的干燥时间明显长于半导体热泵干衣机,时间缩短率为24%~57%,低风速及高含湿量情况下的时间缩短率更显著。

2)不同环境温度及不同空气含湿量对干燥时间的影响。

热端进口风速定为15 m/s,工作电压为12 V的4片半导体制冷片在衣物温度不同(实验中利用家用空调控制为环境温度不同)的情况下,干燥时间(含同工况下家用压缩机热泵干衣机的干燥时间对比)随湿空气含湿量的变化分别如图12所示。

由图12可知,压缩机热泵式干衣机在干燥等量的水分时所需的干燥时间明显长于新型半导体热泵烘干机,时间缩短率为27%~63%,环境温度低及含湿量高情况下的时间缩短率更显著。

4结论

1)基于帕尔帖效应的热电热泵干衣机在原理上是可行的,并能在衣物烘干的基本功能外实现节约电能50%以上;

2)在低风速、低环境温度及高含湿量的情况下,热电热泵干衣机的干燥速率明显优于压缩机热泵干衣机,在实验中干燥时间缩短率可提高至63%;

3)由于不同湿度下最佳除湿温度不同,烘干系统能效比会随着衣物的干燥而降低,因此风机速率和热电片功率的自动化控制存在优化空间。

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2025年第3期第19篇