热泵式干衣机设计

热泵式干衣机设计热泵由压缩机、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。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°C〜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20C〜40°C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0°C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40C〜80°C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。由此可见，热泵式干衣机可有如下几个突出优点：加热低温空气所用的热量绝大部分来自热泵蒸发器从干衣箱排风中吸收的余热（包括干燥空气的显热和水蒸汽的潜热），少部分是热泵压缩机的电能，系统具有较高的能效，电能的消耗量（运行费用）比直接电加热方式大幅度降低；在热泵蒸发器中用冷冻方法析出空气在干衣箱中吸收的衣物中的水分，出热泵蒸发器后冷冻干燥空气中的含湿量已很小（0°C时，仅为约4g水蒸气/kg干空气），只需再加热到中温，即可具有较好的吸湿能力，从而使衣物可以在较温和的条件下被干燥，可减少高温干燥对衣物材料的热损伤；热泵式干衣机是采用空气的密闭循环方式，可减少空气中灰尘和细菌对衣物的污染，且没有潮湿排入房间。因此，在降低能量消耗、减少对衣物的损伤、防止衣物在干燥过程中的灰尘与细菌污染、防止干衣机对房间的热湿污染等方面，热泵式干衣机均有突出的优势，是一种较理想的中小型衣物干燥装置。1・1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。循环风参数确定：0°C时饱和湿空气的含湿量为：622X0.0006122/(0.101325-0.0006122)=3.80g水蒸气/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：1.0X1.0X(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水蒸气/kg干空气是30C时的饱和湿空气含量)吸收lkg水分所需的空气循环量为：1000/13=77kg~60m3吸收1kg水分所需的加热量为：77X1X(60-0)+77X0.04X1.8X(60-0)=4620+33=4653kg.设湿衣物中的平均含水率为60%，则每小时需要除水分：5X0.6=3kg.循环空气需要的加热负荷为：3X4563X1000/3600=3803W热泵系统的结构与参数确定：①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/(m2k),空气与热泵循环工质的平均传热温差为10C时，则冷凝器的传热面积为：3803/(30X10)13m2热泵蒸发器空气侧的平均温度为:(30+0)/2=15C,取蒸发器中空气与热泵工质的平均传热温差为10C,则热泵工质的平均蒸发温度为15-10=5C.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10C，则热泵工质的平均冷凝温度为：10+30=40°C。Q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为•，则热泵压缩机的功率为：3803/5=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)。④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/(m2k)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/(40X10)=7.6m2。Q其他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。1・3循环风道结构与参数的确定：Q风道结构实际结构中，对中型干衣机，需单独建立示意图所示的循环风道，截面形状多为矩形，短边尺寸应不小于0.1m，对小型家用热泵式干衣机，不单独设循环风道，通过干衣箱内适当的气流布置，使吸收衣物水分后的湿空气沿箱壁循环，分别通过热泵蒸发器和冷凝器。对本文中所取热泵式干衣机数据，可采用后一种简化结构，循环风量应约为：60X3=180m3oQ循环风机循环风机可采用轴流式风机，规格可根据风量与出口风压要求来确定。风压则与风道、干衣箱内衣物布置、热泵冷凝器及蒸发器的结构和运行参数通过流体力学计算得到。1.4干衣箱结构与参数的确定：干衣箱的设计内容主要包括干衣箱的形状和尺寸确定、被干燥衣物的布置、干衣箱隔热设计等。其中干衣箱的形状及尺寸主要取决于用户干燥衣物的多少与大小；被干燥衣物的布置可为悬挂式，衣架间隔应为0.1〜0・2m，热空气自下而上穿过衣物。隔热层可采用聚氨酯等隔热材料，厚度可为0.02〜0.05m。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。干衣机整体优化的内容包括干衣机各部分的恰当布置，使结构紧凑、部件运行参数相匹配，干衣机内部循环空气与环境空气的适当交换，间歇式干衣机结构与气流组织，连续式干衣机结构与气流组织等。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。1.5热泵式干衣机与电加热式干衣机的比较耗电量的比较（以从衣物中吸收1kg水分计算）对电加热式干衣机，设环境空气的平均温度为：20°C，相对湿度为60%，通过电加热器升温到60C，进入干衣箱，在箱内吸收衣物水分，降温到30C，排出箱外，进入环境。Q20C时，相对湿度60%的环境空气的水蒸气压力为:0.0023385X0.6=0.001403Mpa⑥含湿量为：622X0.0014031/（0.101325-0.001403）=8.73g水蒸气/kg干空气加热到60C时，含湿量不变。Q1kg热风在流化床中由60C降到30C吸收的水分量约为：1.0X1.0X（60-30）/2350=13g水分/kg干空气。Q此时湿空气的相对湿度为：（13+9）/28=79%（28g水蒸气/kg干空气是30C时的饱和湿空气的含湿量）。©吸收lkg水分所需的空气循环量为：1000/13=77kg=60m3。⑥吸收1kg水分所需耗电量为：77X1.0X（60—20）+77X0.009X1.8X（60—20）=3130kj对热泵式干衣机，利用第二节中的数据可知，吸收1kg水分所需加热量为4653kj,取热泵制热系数为5。Q热泵式干衣机从衣物中吸收1kg水分的耗电量为：4653/5=931kj故同样从衣物中吸收1kg水，热泵式干衣机的电耗是电加热式干衣机电耗的：931/3130=1/3.4。1.6热泵式干衣机与电加热式干衣机的综合技术经济比较热泵式干衣机尽管比电加热式干衣机运行耗电少，但热泵式干衣机的初投资比电加热式干衣机大。对具体一个用户而言，采用哪种方案适宜，需对初投资、运行费用、干衣机占用空间、操控维护等综合考虑。此处以第二节中每小时需干燥湿衣物5kg的小型干衣机为例，进行综合技术经济分析。Q运行费用：以学生公寓干衣机为背景，设干衣机每天运行12小时，每小时干燥湿衣物5kg,则每天电加热式干衣机耗电量为（暂不考虑风机等其它设备的少量电耗）：3X3130X1000X12/3600000=31.3kw・h热泵式干衣机每天耗电量为：0.761X12=9.1kw・h热泵干衣机比电加热式干衣机每天省电:31.3-9.1=22.2kw・h以茂名市民用电费0.4/kw・h计算，每天省电费：22.2X0.6=8.88元，每月省电费266.4元。©初投资：对本例，热泵式干衣机与电加热式干衣机初投资的主要区别在于多出热泵压缩机、热泵蒸发器、循环风道、节流阀、热泵工质等，按市场零售价计算，约折合1500元。由此，采用热泵式干衣机方案时，初投资要多约1500元，但运行费每月省266元，运行6个月即可省出开始时多出的初投资。需要说明的是，此处数据是以一个简单例子进行分析计算的，实际工程中的可选方案及所考虑的内容远比上述内容复杂。如家庭场合，干衣机使用不太频繁，且对干衣机的简洁、紧凑可能考虑较多；当企业单位衣物干衣机附近有蒸汽源、燃煤或燃气热风炉时，均需进行具体的综合技术经济分析。1.7热泵式干衣机的市场分析对招待所、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；后者的优点是价低、紧凑、简洁，用户对两者的取舍取决于用户的爱好，也取决于热泵式干衣机能否通过技术进步在成本、结构方面与电加热式相近。在需大型干衣设备的场合（纺织、制衣等单位），热泵式干衣机除可采用电能驱动外，也可视当地条件采用天然气、蒸汽、油、煤等能源，通过适宜的工程设计，也可望在综合技术经济方面比直接加热干衣方式有明显的优势。第二章热泵式干衣机的试验研究与性能分析2.1热泵式干衣机热泵式干衣机与电热式干衣机在结构上的最大区别是采用了闭式循环，利用蒸

发器降温除湿，利用冷疑器加热循环空气。冷凝器和蒸发器分别可以看作是整个干燥循环的加热器和冷却器。其结构原理如图所示，主要由热泵干燥系统、不锈钢滚筒、循环风及纤维过滤网等组成。擬pl6BHJta®擬pl6BHJta®图一1.热泵干燥系统；2.滚筒；3电脑控制磨盘4.纤维过滤网；5.电热风机；6.热泵风机。干衣机理论能效分析根据上图干衣机流程和原理，笔者将着重分析对干衣能效有较大影响的指标：除湿量、单位除湿能耗、热泵能效比。除湿量干衣机的除湿量是指某一时刻的除湿能力（kg/h）。下图表示干衣机在工作过程中空气处理i-d图，由于干衣过程的工况是变化的，因此只是干衣过程某一时刻的状态。3V 电襯式 热象式^=100%3V 电襯式 热象式^=100%图二1-2•等湿加热；2-3•等焓加湿；a-b•等湿加热；b-c•等焓加湿；c-a.除湿降温。图二中实践代表电热式干衣机空气处理过程，空气以环境状态点1进入干衣机，利用PTC元件将空气加热至状态点2。湿空气流经衣物达到状态点3,然后直接排出干衣机。电热式干衣机除湿量的计算可以由状态点2和3的绝对含湿量之差一及干衣机循环风量得出：H]=（d3-d2）QHl为电热式干衣机除湿量（kg/h）；d2和d3为绝对含湿量（kg/kg）；Q为循环风量（kg/h）。图二中虚线表示热泵干衣机处理状态，吸收衣物水分之后的潮湿空气流过热泵系统的蒸发器，实现降温除湿的过程c-a。空气经过冷凝器，实现等湿升温过程a-bo空气流过衣物等恰增湿降温后再回蒸发器，重新开始循环，即过程b-c。根据干衣机进出口空气状态计算除湿量，如式所示：H2=（dc-db）Q式中：H2为热泵式干衣机除湿量（kg/h）；db和de为绝对含湿量（kg/kg）；Q为循环风量（kg/h）。2.4单位除湿能耗单位除湿能耗SPC的定义为除去单位质量的水分所耗的能量。单位除湿能耗越小，代表干衣机效率越高。对于电热式干衣机，总耗能即干衣机输入总功率，包括发热元件、循环风机能耗和其他运行损失；对于热泵式干衣机，总能耗即热泵输入功率与干衣机滚筒输入功率的总和。利用除湿量以及对应的电功率数值直接计算单位除湿能耗，计算公式如下：SPC=W/H式中：SPC为单位除湿能耗（KW/（kg/h））；W为输入总功率（kw）；H为瞬时除湿量（kg/h）。以上公式对电热式干衣机和热泵式干衣机都适用。干衣机的单位除湿能更好地反映干衣机工作性能，因为它引入了能耗值，考虑了干衣机运行的经济性问题。在相同的除湿能力下，能耗低的干衣机才是值得深入研究的节能产品。2.5热泵能效比热泵能效比EER为热泵制热量与热泵输入总功率的比值。它不但反映压缩机在某一工况下运行的能效指标，而且也反映带动压缩机工作的转动和电机效率。在热泵式干衣机运行过程中，需要计算其EER值，这样可以通过比较干衣机的单位除湿能耗与热泵系统能效比得到两者之间的相互关系，为热泵式干衣机的优化运行提供参考数据。热泵系统EEP的计算公式如下：EER=Q0/P公式中：EER为热泵能效比（W/W）；Q0为制热量（W）；P为热泵系统输入功率（W）。2.6热泵式及电热式干衣机的实验研究与比较实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种干衣机进行实际能效对比测试。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记录一次。2.7试验条件环境条件：环境干燥温度为20°C，环境相对湿度为60%。试验衣物：2.5kg（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100min；低温烘干时间为150min。热泵式干衣机则根据干衣机滚筒排风的相对湿度控制干衣烘干时间。2.8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干衣机运行工况訓农工况电n)in£5、氏2.fi电熱■低谢151mtn2.52.6陪事下衣140Tflin2.53■.內2.5是根据GB/T20292-2006《家用滚筒干衣机性能测试方法》对实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。2.9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lOmin。对于干衣送风温度，电热高温最高，其次是热泵干衣，最低为电热低温。表23种干衣方式能耗试验数据~宙间/曲并送凤温廈丿匚功率/训电能电ausss训W1,49电鷄低温15U47侧h5ft热泵干衣-■i胡A幼八:\crt附11戶J覽比；认吐“n■丄护2.10能效对比除湿量是电热式干衣机和热泵式干衣机除湿量的对比分布。从图三可以看出，无论采用哪种方式，在开始的80min内其除湿量均处于较高水平，但在以后的时间内均有下降的趋势，这是衣物中的水分随着干衣过程的进行逐渐减少的缘故。在开始的80min内，电热高温的除湿量最大，其次是热泵干衣，最小的为电热低温。除湿量的大小与衣物中水分蒸发速度的快慢有关。相同条件下，干衣温度越高，衣物中水分相对蒸发越快，除湿量也就越大，这是电热高温的除湿量大于电热低温的缘故。由图还可以看出，电热低温在PTC发热元件停止加热后的10min内，其除湿量处于负值状态，这是由于环境空气在经过干热的衣物后，一部分含湿量被干燥衣物所致的缘故。对整个干衣过程的除湿量而言，根据图三所示的除湿量分布数据，计算了三种干衣方式在整个干衣过程中的除湿量值，见表3f-期泵干衣 T一电热哥握 电热低粗O.KOr 10 20 30 40 50 60 70踊90 100 110 120B0940 150时间/min图三3种干衣方式除湿量对比干衣方式电热高溫