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热电热泵干衣机的研制
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内容提示：简介 热电制冷因为制冷效率较低，难以在一般民用建筑空调制冷领域推广，但热电系统作为热泵目的使用时，相对于直接电加热形式，则不失为一种节能形式；依据热电热泵原理，研制了干衣机样机，参照类似家用电器性能测试标准要求，建立了实验测试系统；分别针对不同工况进行了系统的实验测试，依据测试数据作了性能分析，指出了进一步优化样机的方向；测试表明，热电热泵干衣机具有节能、环保、安全兼备的优势，而且系统简单，调控
罗清海 汤广发 王静伟
简介： 热电制冷因为制冷效率较低，难以在一般民用建筑空调/制冷领域推广，但热电系统作为热泵目的使用时，相对于直接电加热形式，则不失为一种节能形式；依据热电热泵原理，研制了干衣机样机，参照类似家用电器性能测试标准要求，建立了实验测试系统；分别针对不同工况进行了系统的实验测试，依据测试数据作了性能分析，指出了进一步优化样机的方向；测试表明，热电热泵干衣机具有节能、环保、安全兼备的优势，而且系统简单，调控便利，工作方式人性化，给人们生活带来更大便利。（参考《建筑中文网》）
关键字：热电热泵 干衣机 节能环保
0.引言
热电制冷又称半导体制冷，具有无工质、无运转部件、体积小、结构简单、便于控制等独特优越性，在恒温控制、电子设备冷却以及军事、航天等特殊领域有着广泛的应用；但目前因其受热电材料温差电性能的限制而制冷效率较低，受热电模块生产工艺的限制而成本较高，大大限制了这项技术在一般民用建筑空调或制冷场合的应用 。热电热泵是将热电制冷系统作致热用途时的一种称呼，半导体热电器件的这种双重用途具有重要的使用价值，在适当的温度范围内，具有较高的致热系数，相对于直接以焦耳热形式加热的电热装置而言，不失为一种节能途径[1]。阴冷、雨湿天气，衣服等物件因久晾不干而给人们带来烦恼，普通电烘干机因为电耗大，存在安全隐患，产生噪声、湿气污染，使衣服皱缩等缺憾而难以推广，热电热泵干衣机克服了普通电干衣机的不足，为家电节能提供了新思路，同时拓展了热电系统的应用领域。
1.热电热泵的力能模型当热电单元模型用作热泵时，其力能模型[1]如图1所示：
为方便讨能，作如下假定：
(1) 等截面直电臂结构热电单元模型电偶臂的侧面被绝热；
(2) 冷端温度维持在Tc恒定不变，热端放出的热量Qh被用来加热媒体Tc＜Th；
(3) 两器件臂的材料均匀，其性能参数随温度的变化可以忽略不计；
(4) 电路中的汤姆逊热可以忽略不计。
在上述条件成立时，有关量如下：
功率消耗： 
（1）
帕尔帖热： 
（2）
总热功率，即制热量： 
（3）
热传导： 
（4）
热电热泵和致冷器的差别在于：焦耳热的一半传到冷端，会使致冷器的效率降低，对于热泵，一半焦耳热将附加到热端，而使效率得到提高。
致热功率： 
（5）
致热系数： 
（6）
最大致热系数： 
（7）
最大产热量： 
（8）
式中：ΔT=Th - Tc
热泵致热系数η、温差ΔT以及优值Z之间的关系如图2所示。由图2可见：致热系数在1.5～7.0之间，即比1.0大得多，热电热泵作为一种节能途径是很有希望的。
优值Z代表了热电材料的一种特性，综合了有关材料的电学和热学两方面的因素，它从根本上决定了热电器件的效率。目前，工程上应用的热电材料的优值的大致范围为：1.5～3.0×10-3K-1。
2.热电热泵干衣机的研制热电制冷模块通适当直流电后，一个端面制冷吸热，另一个端面制热放热，这就是热电热泵现象。由上述热电热泵力能分析可知，要提高热泵效率，应当从三个方面着手：（1）提高热电材料优值系数；（2）减少系统工作温差ΔT；（3）提高热电堆片冷、热端温度平均值。从工程应用的角度分析，热电材料的优值不足一时难以克服；系统工作温差一方面受工作条件的制约，同时受系统冷、热端热传递的制约；热电堆片冷、热端温度平均值则受工作条件和热电堆片的许可工作温度范围的限制。
依据热电热泵原理，研制的热电热泵干衣机的工作流程如图3所示。
干衣机由冷端散热器、热电制冷片、热端散热器、送风道、烘干室、回风道、风机、电路单元、接水盘等主要部件组成，流程图为简单起见，没有标出风机等部件。
设备运行时，在风机作用下，气流被热端散热器加热后，热气流经过送风道进入烘干室，适当的气流速度通过衣料缝隙带走水分，然后，温度较高的高湿气体由回风道进入冷端散热器，冷却、冷凝放热后排出，在热泵作用下，温湿气流在冷端放出的热量被回收，与消耗的电功率共同作用，通过热端热交换器加热气流用于烘干室干燥衣料。
由于冷、热端气流介质温差非常小，因此，分别通过冷、热端热传递过程后，热电制冷片的实际工作温差也比较小；组装过程中，散热器基准面通过精磨工艺保证了平整度，同时，散热器与热电制冷片结合面之间的接触面涂抹导热脂，有效地减少热传递过程中因为接触热阻引起的寄生温差；为了实验改装方便，散热器和热电制冷片之间采用螺钉固定，螺钉套塑料套管和隔热垫圈，有效地减少了热桥引起的效率损失。
散热器散热面积与热泵冷、热端热传递功率之间的匹配经过经过计算机程序在典型工况下进行了优化配置。
热电模块采用串、并联方式相结合的混联方式，以直流电供电；市电通过整流电路整流，要求波纹（脉动）系数少于10%。
热电制冷的运行分为最大产冷量工况和最大效率工况。最大效率工况意味着热电制冷模块最经济地工作，而最大产冷量工况则保证具有最大的产冷量。作为热电热泵干衣机，是将热电制冷片作为热泵加热用，从通常的衣服干燥用途考虑，在图3所示的特殊流程下，冷、热端温差不超过30℃，考虑常年运行，高效率应该是首要追求的目标，系统按照最大效率模式设计，以达到节能的目的。
在热电材料优值受到制约的现实条件下，该样机通过独特的循环流程创造性地减少了冷、热端之间的工作温差，同时提高了冷、热端温度平均值，既符合设备运行的工作条件和工艺要求，又满足热电制冷片的工作许可温度范围。这种形式的干衣机与普通电干衣机比较，系统简单，控制方便精确，消除了排气对房间的热、湿污染，同时有较高的能效系数，因而，具有节能、环保、安全兼备的优势。
与普通电干衣机比较，在工作方式上热电热泵干衣机更加人性化。普通电干衣机是将待干燥衣服叠成团后放置于滚筒式烘干箱，为了受热均匀，滚筒高速转动，因此引起振动和噪声，又导致干燥后的衣服皱缩变形，需要从新熨烫，更增添了麻烦和浪费了能源；而热电热泵干衣机在干燥过程中，衣服用普通衣架悬挂于烘干室中，干燥的热空气在适当的气流速度下通过衣料缝隙带走水分使衣服变得干爽，因而衣料不变形，无须从新熨烫。
3.热电热泵干衣机样机性能测试样机经过设计、加工、组装后，参照普通电干衣机的相关标准[2]，建立了样机性能测试系统，实验数据整理后如图4～6所示：
图4是送风速度1.2m/s，湿衣服初始总重量3.15kg,设定烘干室温度38℃，初始输入功率分别为300W、400W时，样机实际运行时，烘干室内温度、功率消耗随运行时间变化的情况。图5是送风速度1.2m/s，湿衣服初始总重量3.15kg,初始输入功率为300W，设定烘干室温度分别为38℃、40℃时，样机实际运行时，样机每30分钟阶段除湿量、能效系数随运行时间变化的情况。图6是湿衣服初始总重量3.15kg,初始输入功率为300W，设定烘干室温度为38℃，送风速度分别为1.2m/s、0.9m/s时，样机实际运行时，样机每30分钟阶段除湿量、能效系数随运行时间变化的情况。
结合实验记录，分析图4～6的数据，我们可以得出以下结论：
（1） 初始输入功率较大时，烘干室内温度上升较快，达到稳定运行所需要的时间较少；但稳定运行以后，不同初始输入功率工况的瞬时功率消耗基本一致。
（2） 在适当的范围内，烘干室设定温度较高时，达到稳定运行所需要的时间较长；运行初始阶段除湿量较大，但随后的衰减更快；而瞬时能效系数则始终相对较低。因为，温度越高，水分蒸发越快，运行初始阶段除湿量自然增加，但较高的烘干室温度必然导致围护结构散热损失加大，因此能效系数有所降低。
（3） 在适当的范围内，较高的送风速度有利于水分蒸发，较高的气流速度强化了气流介质与散热器的热交换，因此，在较高的送风速度下，样机达到稳定运行所需要的时间较少，能效系数较高，衣料干燥较快。
（4） 运行初始阶段衣料水分大，所以阶段除湿量大，功耗也大，随着衣料水分减少，系统进入较稳定运行状态，在设定的温度下，除湿量减少，功耗相应减少；衣料干燥到一定程度，气流湿度降低，与散热器热交换能力下降，能效系数在达到最大值后呈下降趋势。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200612/8757.htm
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