家用热泵式干衣机的分析研究与探讨

家用热泵式干衣机的分析研究与探讨

颜珍，侯兰香，李垒

(枣庄学院机电工程学院，山东枣庄277160)

[摘要]干衣机是一种高能耗设备，需要大量的热量来加热衣物中的水分使其汽化，传统电加热方式的干衣机能耗高且干燥效果不佳.热泵是一种高效的热量输运设备，其利用压缩机消耗少量的功来实现热量由蒸发器向冷凝器的转移.热泵干衣机充分利用了热泵的热量与冷量，降低了能耗的同时增强了干燥的效果.本文对热泵式干衣机进行了理论分析与计算，计算对比了热泵式干衣机和电加热式干衣机的耗电量与干燥速率，验证了其可行性，同时对主要的部件进行了设计与计算.分析了热泵式干衣机在整个干燥过程中不同阶段的干燥效果的变化规律，提高干燥预热阶段和后期的除湿能耗比是降低干燥能耗的有效途径.最后，提出了一些改进办法，为进一步优化热泵干衣机的结构、降低热泵干衣机的能耗指出了方向.

[关键词]热泵；干衣机；节能；除湿[收稿日期]2015-07-25

[作者简介]颜珍(1987-)，女，山东济宁人，枣庄学院机电工程学院助教，工学硕士，主要从事制冷设备检测与研究.

[中图分类号]TB663 [文献标识码]A

0引言

热泵式干衣机是热泵系统与空气循环系统的有机结合，它具有结构简单、使用方便、耗能低，且对环境污染很小等优点，符合我国节能减排政策.从上世纪八十年代起，我国开始对热泵干燥技术进行研究，目前，热泵干燥技术已经已经广泛的应用于各个工业领域，但主要都是大型的干燥装置，针对小型的家用干衣机类的热泵干燥装置，我国仍处于研究阶段，尚未普及.

1物料中的含湿量

热泵干燥装置是由热泵循环和空气循环两个循环过程组成.热泵是一种高效的加热装置，它通过消耗少量的高品质能源，可以实现热能由低温处向高温处的转移，其基本结构原理如图1所示.

图1　热泵干燥装置基本结构示意图　　　图2　空气循环标准工况焓湿图

通常在物料中描述其湿含量时常用有两种方法：第一种是干基含湿量，一般用xm表示；第二种是湿基含湿量，一般用ωm表示.物料的干基湿含量xm是指物料中的水分质量mwm与物料中干物质质量mdm(纯物质)之比，其公式表示形式为

(1)

物料的湿基含湿量ωm是指物料中的所含的水分的质量与物料的总质量(水分质量mwm加上干物质质量mdm)之比，也称为湿度，其公式表示形式为

(2)

设计的热泵干衣机的容量为匹配家用洗衣机甩干后的衣物重量，甩干后的含水质量设为1.3kg，干燥时间通常随衣物材质的变化而发生变化，一般设定为1h干燥完毕，要对热泵系统主要部件进行选型，就需要确定热泵系统的工况和空气的循环状态，根据冷凝压力、蒸发压力和制冷量来选取压缩机，根据循环空气的风量、风速与进出换热器温差大小来确定冷凝器与蒸发器结构等.设定计算的标准工况如图2中的曲线区域1-3-4所示.在图2中，设定从蒸发器出来的空气状态点3温度为10℃，相对湿度为100%，此时的焓值为28.7kJ/kg，含湿量为6.9g/kg；进入冷凝器后，升至状态点4，含湿量不变，温度升至50℃，查焓湿图可得，此时的相对湿度为9.7%，焓值为68.6kJ/kg；热干空气进入干燥箱后，与被干燥物料进行热湿交换，出干燥箱时焓值降为原来的90%，为61.74kJ/kg，温度降为30℃，则此时的含湿量为11.4g/kg，相对湿度为46%.整个空气循环的各个状态点的参数汇总于表1.

表1　空气循环各个状态点参数值

2压缩机的选型

由于衣柜中湿空气的焓降对干燥效果的重要影响，假设湿空气经过干燥衣柜后，焓值保持不变[1].

在此循环中，干燥每克水分所需要的冷量

(3)

干燥1.3kg水分，所需要的总冷量U为

U=1300×7.15=9295kJ

(4)

设定为1h干燥完，则热泵系统的制冷量Q为

(5)

在干燥过程中，空气热量为提供水分蒸发所需要的潜热，因此，即使在热泵系统的冷凝器散热量大于其蒸发量，并需要不断地向外界散发热量的情况下，也不希望该潜热在未进入衣柜时排出.因此，在热泵系统的结构设计中，要么将辅助换热器安装在衣柜后面，要么在风道中衣柜的后部蒸发器前部某一位置引入新风.这样，即保证了热量的充分利用，同时又解决了循环热量不断增加的问题[2].

3热泵干衣机的评价指标

衡量干燥设备的两个重要指标是除湿能耗比和干燥速率.其中，除湿能耗比为干燥单位质量的水分所需要的耗电量，通常简写为SEC[3]，其公式表示为

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(6)

式中Mde——从物料中去除的水分的质量，kg；Wtot——总耗能功率，kW；τ为干燥时间，h.

另一个消费者关心的参数是干燥速率，瞬时干燥速率的计算式为

Wde=Q空气×(d1-d4)

(7)

除了除湿能耗比和干燥速率，还有以下几个指标也是用来衡量整个热泵系统的干燥效果的.

(1)热泵的制热系数COPH

热泵的制热系数的定义为制取的热量与所消耗的驱动能量之比，用COPH表示，公式表示为

(8)

式中Qc——热泵的制热量，kW；Wc——热泵的消耗功率，kW.

(2)干燥器的热效率ηt

干燥器的热效率是指在干燥过程中，物料内水分汽化时所需要的热量与提供给物料的总热量之比，一般用ηt来表示，其公式表达形式为

(9)

4热泵干衣机与电加热干衣机主要参数的对比

在干燥过程的不同阶段，会呈现不同的干燥特性，为了方便对比，本文选取稳定干燥阶段作为对比.假定两种干衣机的进口空气温度值相等 (都为50℃)，同时，其衣柜结构和排气温度(设定为30℃)也是相通的.若环境温度为20℃，相对湿度为60%，则，通过衣柜时的热量损失均为10%，各去除1kg水分.

对于一般的电加热直排式干衣机，若假定外界环境温度为20℃，相对应的空气的相对湿度为60%，此时的焓值为42kJ/kg，含湿量为8.7g/kg.通过PTC元件加热升至50℃，含湿量保持不变仍为8.7g/kg，此时的焓值为73kJ/kg，相对湿度变为11%.通过衣物表面后，设定温度降至30℃，考虑到10%的散热损失，焓值降为原来的90%，为65kJ/kg，含湿量变为13.9g/kg，相对湿度为52%，最后经干燥箱排出外，进入到室内环境.电加热式干衣机的空气循环状态点的参数如表2所示.

表2　电加热式干衣机空气循环状态点参数

4.1耗电量的比较

由于热泵系统中冷凝器的散热量要大于蒸发器的换热量，其差值与压缩机的输入功大致相等，因此，热泵干衣装置由两种设计方案：

方案一：满足冷量需求.若以满足冷量需求进行设计，则热量超过设计值，将多余热量直接排出.满足冷量为7780kJ，假定此蒸汽压缩式制冷系统的制冷系数COP为2.5，则压缩机输入的功为3113kJ，风机功率0.1kW，每小时耗功360kJ，除湿能耗比SEC为0.97kWh/kg，约为电加热干衣机耗电量的53%.

方案二：满足热量需求.若以满足热量需求进行设计，则冷量出现不足，需要环境对从衣柜出来的空气进一步冷却.假设此热泵的热泵系数为3.5，则此热泵系统的压缩机的输入功为2225kJ，风机功率0.1kW，每小时耗功360kJ，则除湿能耗比SEC为0.7kWh/kg，约为电加热干衣机耗电量的39%.

上述计算是理论值，实际热泵干衣机运行时，不会按照方案一直将多余的热量排放，这部分热量还可以干燥衣物，若直接排放会将会浪费大量的热量；同时，也不会按照方案二完全使用环境冷却来补充系统冷量的不足，因为当环境温度较高时，很有可能出现冷却量不够的现象.实际应用中，应该综合上述两种设计方案.

4.2环境负荷的比较

对于电热式干衣机，每干燥1kg的水份，散发到室内环境的热量为6635kJ，蒸发到室内环境的水份为1kg；对于全封闭式热泵式干衣机，每带走1kg水份，散发到室内环境的热量为3475kJ，其水份全部冷凝，对室内环境的湿污染为0；半封闭式热泵干衣机每带走1kg水分，散发到室内环境的热量依然为3475kJ，对室内环境的湿污染取决于引入的新风量，但是一定小于电加热式干衣机.

4.3干燥效果的比较

热泵干衣机的进入衣柜的空气具有更低的相对湿度，主要原因是空气进入冷凝器之前已先通过蒸发器进行了降温除湿，与其对应的衣物的平衡含湿量也将更低，即干燥效果将会更好.我们的上述的讨论都是在假定环境温度为20℃，物料相对湿度为60%的前提下讨论的，阴雨天气，对于电加热直排式干衣机，空气含湿量本身就较大，因此，在同样的进风温度下，衣物的平衡含湿量将会升高，干燥效果下降.

5总结

热泵干衣机其能耗低于电加热式干衣机是显而易见的，但是如何使其能在不同的工况下都能稳定的运行，是将其推广使用的最大问题.如何控制当一年四季环境温湿度不同时，热泵干衣机都能高效的运行；如何保持干燥的不同阶段系统内多余热量的准确排放，如何判断衣物是否彻底干燥，这都是有待解决的问题.在此，总结并提出一些优化的方案.

(1)采用热泵专用压缩机.热泵干衣机的运行工况较空调有很大不同，热泵干衣机为了提升干燥效果，需要获得更高的高低温差值，始终工作在较大的压比、排气压力与排气温度下，选用更适合此工况的热泵用压缩机.

(2)自动化控制.可根据干燥的不同阶段采用不同的运行策略，在干燥初期，以加热为主要目的，空气可以仅通过冷凝器不通过蒸发器达到快速加热的目的；在干燥后期，排出衣柜的空气依然具有高温、低相对湿度，此时，可在衣柜出口设置一个旁通风管，将部分空气重新引入衣柜进口，使热干空气反复流经衣物.

(3)采用回热的优化方式.为了获得更高的空气高低温差值，可采用回热的方式.

(4)采用洛伦兹循环.卡诺循环具有最高的制冷系数，但是洛伦兹循环理论上具有最高的制冷系数.对于热泵干衣机来说，空气流经蒸发器或者冷凝器时，均具有较大的温度变化，使用洛伦兹循环使制冷剂相变温度与变温热源相匹配，将会收获更好的制冷系数.

参考文献

[1]GB/T 23118-2008家用和类似用途滚筒式洗衣干衣机技术要求[S].

[2]NGUYEN DINH DUG,李保国,薛雅萌.木鳖果热泵低温干燥工艺研究[J].制冷学报,2014,35(6)：109-113.

[3]谢继红,陈东,李桂水.内加热式热泵干燥装置的设计[J].化工装备技术,2013,34(1)：1-4.

[责任编辑：韩学政]