热泵式干衣机设计

热泵式干衣机设计1热泵式干衣机的设计分析1.1热泵式干衣机工作原理热泵与电加热、PTC加热等能量转换方式不同，是一种能量转移装置。具体来说就是以消耗部分能源为代价，从低位热源中吸取热量，然后将消耗的能源与吸取的热量一起传递给高位热源，实现加热的目的，可见这种工作方式比现有干衣机要节约能源。如图1所示。禹压堀机I藤炭恭 一1剂的流向藤炭恭 一1剂的流向a■热泵结枸与原理示青图1中热泵由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个主要部分构成，内部充以适宜的循环工质。基本工作过程为：低温低压的工质饱和蒸气从蒸发器出来，进入压缩机；压缩机消耗少量电能，把低压工质蒸气压缩为高压高温过热蒸气，进入冷凝器；工质在冷凝器中凝结，同时把工质内部积蓄的热量传给被加热空气，工质自身变为高压中温饱和液；之后进入节流阀，通过节流阀后变为低压低温湿蒸气，进入蒸发器；在蒸发器中吸收干衣箱排风或环境大气、地下水、海水、河水、湖水等低温热源处的热量，工质变为低压低温饱和蒸气，又进入压缩机开始下一个循环。如此持续运行，实现热量由低温热源向被加热空气的连续高效泵送。1.2热泵式干衣机的结构与原理

热泵式干衣机的结构和原理示意如图2所示，热泵式干衣机由热泵系统、干衣箱、循环风系统构成。热泵系统又由热泵压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个主要部分及循环工质、干燥过滤器等辅助部件构成；干衣箱由上下导流板、衣物架、衣物、箱壁、新风调节进出口、新风净化装置（可不加）、箱门等构成；循环风系统由循环风机、风道构成。整套装置通过密封循环风道，将热泵与干衣箱有机地结合为一个紧凑高效的干燥系统。鶏栗慕发器 暑腕•扳陵味干燥电气HHI -I--IT:;—・陵味干燥电气HHI -I--IT:;—・Iu巽干燥喘三据干八、衣架干衣镰储环风机2熱泵式干衣机结构与原理示資图2中热泵式干衣机的基本工作过程为：热泵冷凝器加热循环空气，产生40-80°C左右的干燥空气，在循环风机推动下进入干衣箱；在干衣箱中，干燥空气流过湿衣物表面，与湿衣物间进行热湿交换，吸收其中的水分，变为20-40C左右的低温潮湿空气，排出干衣箱，进入热泵蒸发器；在热泵蒸发器中，低温潮湿空气被冷却至露点温度以下，析出从湿衣物中吸收的水分，变为0C左右的冷冻干燥空气，进入热泵冷凝器；在热泵冷凝器中，冷冻干燥空气又被加热为40-80C左右的中温干燥空气，通过循环风机提高压力后再进入干衣箱，开始下一个循环。如此循环运行，实现衣物的连续高效干燥。1.3热泵式干衣机的优点从以上工作过程分析可见，利用热泵型干衣机进行干燥可以克服现有干衣机的缺陷，实现节能、适应性广及与环境友好的目的。①热泵是能量转移装置，与现有干衣机相比能够节约能源。按保守估计，以热泵系统能效比仅为2.5计，要提供2359kJ的汽化潜热，只需要耗费943.6kJ的电能。如假设风机、漏热、旋转运动部件等因素所导致的耗电量与原有干衣机相同，则最大耗电量为3985kJ,实现节能26.2%。如对这些因素进行适当优化，则节能效果更为明显。②由于流经冷凝器的空气的绝对含湿量d很小，热泵系统在比较低的冷凝温度下即可降低空气的相对湿度，提高空气的吸湿能力，从而有利于扩大干衣机适用衣料的范围。③无须设置排风管，也不会将热湿空气排至室内，不会影响室内装修及室内空气环境。1.4热泵式干衣机的类型及研发现状鉴于以上原因，国内外许多科研人员都曾研究、试制过热泵型干衣机。有多种类型的热泵型干衣机，下面分别予以简要介绍。第一类是蒸汽压缩式热泵干衣机，这种类型的干衣机利用蒸汽压缩式制冷系统中的蒸发器对来自衣物的潮湿空气进行降温除湿，冷凝器用来对空气进行等湿升温，加热后的空气再去对衣物进行干燥。由于蒸汽压缩式制冷系统是一种非常成熟的技术，用于热泵工况时供热效率高，工作安全可靠，因而这种类型的干衣机得到了最为广泛的研究。目前我国已有多项以蒸汽压缩制冷原理为基础的热泵型干衣机专利，这些专利主要介绍了干衣机的具体部件、结构等。屈百达［2］应用分布参数控制理论建立了衣物温度控制模型，进行了干衣机内衣物温度分布控制参数研究。在设计及应用研究方面，陈东等［3］确定了热泵型干衣机中的结构与工作参数，包括循环风参数、冷凝器、蒸发器、循环风道、干衣箱及其他辅助部件的工作参数与结构参数，为蒸汽压缩式热泵型干衣机的设计提供了很好的基础数据。E.L.Schmidt等［4］、K.Klocker等［5］研制了可以用做干衣机的CO2超临界循环热泵干燥设备。这种类型干衣机的系统压力高，对系统气密性要求高，与蒸汽压缩式相比效率较低、造价较高。其优点在于工作介质环保，在对环保要求越来越严格的今天，其发展前景看好。另外，由于家用干衣机对运行过程中的噪声要求比较严格，陆金铭等［6］设计制造了热泵干衣机实验台，并对其进行了噪声分析，主要包括热泵机组及其配管系统的模态和谐响应分析；张锐军等［7,8］也对该实验台的板架和配管系统进行了噪音分析及减震降噪措施的研究。第二类是基于帕尔帖效应的热电热泵干衣机，罗清海等［9］研制了该种干衣机样机并针对不同工况进行了系统的实验测试。其优点在于工作安静，但是效率仍低于蒸汽压缩式循环，且比后者更易受环境温度波动的影响。上述两类系统中，一般不允许拆卸换热器进行常规清洗，因此J.E.Braun等［10］研制了基于逆布雷顿循环的空气循环热泵干衣机样机。该类型干衣机的优点在于可以拆卸清洗换热器，工作介质环保，在有压缩空气的条件下使用方便。但其效率虽高于电-热转换型干衣机，仍低于蒸汽压缩式。1.5结论主要针对热泵式干衣机的基本构成和原理展开讨论，并对热泵式干衣机的工作过程进行加深的了解和研究，确定热泵式干衣机的研究方向和条件。2热泵式干衣机设计中结构与参数的确定以热风进干衣箱温度为60°C，出干衣箱为30°C，出热泵蒸发器为0°C,湿衣物干燥能力平均每小时5kg为例，说明热泵式干衣机结构与设计参数的确定方法。2.1循环风参数确定0°C时饱和湿空气的含湿量为：622x0.0006112/(0.101325-0.0006112)-3.80g水蒸汽/kg干空气。加热到60C时，含湿量不变。1kg热风在流化床中由60C降到30C吸收的水分量约为：l.Oxl.Ox(60-30)/2350-13g水分/kg干空气。此湿空气的相对湿度为：(13-4)/28-60%(28g水蒸汽/kg干空气是30C时的饱和湿空气含湿量)。吸收1kg水分所需的加热量为：1.833KJ。设湿衣物中的平均含水率为60%，则每小时需除去水分：5x0.6-3kg循环空气需要的加热负荷为：3x4563x1000/3600-3803W2.2热泵系统的结构与参数确定2.2.1热泵冷凝器冷凝器型式可采用翅片管式换热器(铜管，铝翅片)，取冷凝器的平均传热系数为:30w/(m2・K),空气与热泵循环工质的平均传热温差为：10°C时，则冷凝器的传热面积为：3803/(30x10)-13m2o热泵蒸发器空气侧的平均温度为：(30+0)/2-15°C,取蒸发器中空气与热泵工质的平均传热温差为：10°C,则热泵工质的平均蒸发温度为：15-10-5°C。热泵冷凝器空气侧的平均温度为：(60+0)/2-30°C,取冷凝器中空气与热泵工质的平均传热温差也为：10°C,则热泵工质的平均冷凝温度为：10+30-40°C。2.2.2热泵压缩机对电驱动热泵，当热泵循环工质的冷凝温度和蒸发温度为上述值时，热泵的制热性能系数可取为5,则热泵压缩机的功率为:3805/5-761W。压缩机型式可采用回转式空调压缩机（热泵式干衣机通过采用非共沸混合工质，在进排气压力、压缩机排气温度等方面可与空调工况相近，且回转式压缩机市场应用量大，价格、可靠性、维护等方面均占优势）。2.2.3热泵蒸发器热泵蒸发器的负荷为:3803-761-3042W。蒸发器也采用翅片管式，取蒸发器的传热系数为:40W/（m2・K），空气与热泵循环工质的平均传热温差为：10°C,则蒸发器的传热面积为:3042/（40xl0）-7.6m2。2.2.4其它热泵循环工质且采用具有变温相变特性的非共沸混合工质。工质优选的基本方法是使混合工质在相变中的变温特性与空气的温度变化相匹配，组元数以二元或三元为宜，具体配比可利用相关的物性计算软件确定。2.3热泵式干衣机精细设计中需进一步研究的问题上述热泵式干衣机设计中结构与参数的确定方法是以经验为主的较粗略确定方法，精细设计时应力求根据用户条件和要求进行各层次的量化、优化设计，包括部件结构及参数的最优化、干衣机整体结构与参数的最优化、干衣机运行与调控的最优化等。部件的优化内容包括换热器（蒸发器、冷凝器）的管材及规格、管子排列、翅片厚、翅片间距、翅片形状等，压缩机与节流装置的参数计算、调节范围与方式，热泵循环工质的组成与配比优选，风道形状及导流板的形状、尺寸、材料，风机风量、压头、噪声，干衣箱气流组织、衣物间距、隔热材料、壁厚，不同衣物（衣料、尺寸、形状、含水率等）的最佳干燥工艺，衣物与空气间的热质传递强化，衣物干燥终点水分合理确定，空气在风道、衣物内的流动特性等。干衣机的运行调控优化内容包括运行参数的测量和监控（循环空气的温度、湿度、速度、气流组织等），根据衣物干度和干燥进程适时调整加热量与风速等，调控策略与方式（变频调节、模糊控制等），干衣机起动时的辅助加热、间歇式干衣机干燥终点的鉴别与控制等。2.4结论本文简要介绍了热泵式干衣机的原理与结构，在此基础上，对热泵式干衣机设计中基本结构与参数的确定进行了分析，并对进一步精细设计中需研究的问题及热泵式干衣机的市场应用前景进行了探讨。3热泵式及电热式干衣机的节能试验研究与比较试验主要内容是对电热式干衣机和热泵式干衣机进行实际能效对比测试。在试验中2种于衣机采用相同的环境条件。另外试验干燥衣物质量也相同。在以上条件下，比较2种干衣机的耗电功率以及干衣时间和效果。本试验数据均为每隔5min记录1次环境条件。3.1试验条件环境条件:环境干球温度为20°C.环境相对湿度为60%。试验衣物：.5kg（干质量）。干衣时间：电热式干衣机，干衣温度有高温和低温2种干衣模式。根据试验衣物的干质量，选择高温烘干时间为100mm；低温烘干时问为150min。热泵式干衣样机则根据干衣机滚筒排风的相对湿度控制干衣烘干时间。3.2运行工况对比3个工况，表1列出了包括干衣时间、衣物干质量、湿质量、烘干后的质量、是否烘干等物理量。湿衣质量指衣物浸湿后用洗衣机甩干的质量。为了保证试验的一致性，对于甩干后的衣物通过喷洒少量的水雾以确保衣物质量相同。表1 干衣机运行工况干衣机工况干衣质量/kg湿前质量/kg烘干后质量/kg是否烘干电热高温lOOmin2.53.62.6是电热低温150min2.53.62.6是热泵干衣140min2.53.62.5是依据GB/T20292—2006《家用滚筒干衣机性能测试方法》对试验负载干燥后的最终含水率的规定，本试验衣物最终均烘干。3.3试验数据表2是对3种干衣方式能耗试验数据的总结。表中干衣送风温度与干衣功率数据为干衣全过程的平均值。从表2可以看出，热泵干衣消耗的电能最少，其次为电热高温，最差的是电热低温。电热高温的干衣时间最短，低温干衣次之，热泵干衣最长，与低温干衣相差10min。对于干衣送风温度，电热高温最高，其次是热泉干衣，最低为电热低温。表2 3种干衣方式能耗试验数据方式时间/min送风温度/°c功率/W电能/(kW・h)电热高温100609801.49电热低温150476601.56热泵干衣140504601.073.4单位除湿能耗根据实测数据，按照式(3)计算，整理出如图3所示的单位除湿能耗分布图。由图可以看出，在开始阶段，3种干衣方式的单位除湿能耗均较低。干衣过程进行大约80min后，单位除湿能耗开始上升。对于电热式干衣，单位除湿能耗的上升是由于在干衣后期，衣物中的水分减少，水分蒸发减缓，且电热功率并未改变的缘故；对于热泵式干衣机•由于在干衣后期，一方面衣物中水分的减少，另一方面热泵系统的制冷量大部分消耗在冷却空气上，而除去的水分较少，故单位除湿能耗开始上升。

孟囁总步孟囁总步?-w題養薯图3 3种干衣方式单位除湿能耗对比根据单位除湿能耗分布图，计算3种干衣方式在整个干衣过程中的平均单位除湿能耗，见表4。表4干衣全过程平均单位除湿能耗 KW/(kg/h)干衣方式电热高温电热低温热泵干衣平均单位除湿能耗1.8471.9951.372根据热泵系统产生的热量与输人的总功率的比值，计算得到如图4所示的热泵制热能效比。试验EER数值由试验开始5min后进行计算。由图可以看出，热泵系统能效比值分布在1.60〜2.60之间，在干衣的中后期有逐渐下降的趋势。对于热泵系统来讲，其能效比与热泵系统运行工况密切相关。根据热泵能效比分布图，计算得到在整个干衣过程中热泵系统的平均能效比图4 热泵系统能效比3.5结论通过对热泵式于衣机和电热式干衣机的理论与试验分析，可以得到以下结论:（1） 热泵式干衣机的除湿能耗显著低于电热能耗，但干衣时间稍长；（2） 与电热式干衣相比，热泵式干衣在干衣前期具有较大优势，其全程除湿量低于电热高温，但高于电热低温；（3） 根据单位除湿能耗的计算数值，热泵干衣的平均单位除湿能耗低于电热干衣，这表明热泵式干衣具有节能潜力。4热泵式干衣机的市场应用前景4.1热泵式干衣机市场分析对招待所、旅馆、学生公寓等单位，衣物干燥量大、基本采用电作为能源，在费用、衣物干燥质量等方面，热泵式干衣机均具有突出的综合竞争力，具有明显的市场优势。与此同时，这部分市场有很大的空间，仅学生公寓方面，以作者单位为例，在校学生在1万人以上，以每人平均每周洗衣.5kg湿衣物@计算，则每天需干燥湿衣物7000kg以上；此外，招待所、旅馆方面，随着我国旅游业的兴起，这部分市场正在迅速增长，洗衣、干衣房、熨衣房的增设，对提高单位的档次，吸收更多的游客，具有较大的价值。对家用场合，热泵式干衣机和电加热式干衣机各有利弊。二者相比，前者的优点是节能、衣物受灰尘和细菌的污染少、对房间无热湿污染；后者