家用熱泵式干衣機(jī)的分析研究與探討

顏珍，侯蘭香，李壘

(棗莊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

[摘要]干衣機(jī)是一種高能耗設(shè)備，需要大量的熱量來加熱衣物中的水分使其汽化，傳統(tǒng)電加熱方式的干衣機(jī)能耗高且干燥效果不佳.熱泵是一種高效的熱量輸運(yùn)設(shè)備，其利用壓縮機(jī)消耗少量的功來實(shí)現(xiàn)熱量由蒸發(fā)器向冷凝器的轉(zhuǎn)移.熱泵干衣機(jī)充分利用了熱泵的熱量與冷量，降低了能耗的同時(shí)增強(qiáng)了干燥的效果.本文對熱泵式干衣機(jī)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，計(jì)算對比了熱泵式干衣機(jī)和電加熱式干衣機(jī)的耗電量與干燥速率，驗(yàn)證了其可行性，同時(shí)對主要的部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算.分析了熱泵式干衣機(jī)在整個(gè)干燥過程中不同階段的干燥效果的變化規(guī)律，提高干燥預(yù)熱階段和后期的除濕能耗比是降低干燥能耗的有效途徑.最后，提出了一些改進(jìn)辦法，為進(jìn)一步優(yōu)化熱泵干衣機(jī)的結(jié)構(gòu)、降低熱泵干衣機(jī)的能耗指出了方向.

[關(guān)鍵詞]熱泵；干衣機(jī)；節(jié)能；除濕[收稿日期]2015-07-25

[作者簡介]顏珍(1987-)，女，山東濟(jì)寧人，棗莊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院助教，工學(xué)碩士，主要從事制冷設(shè)備檢測與研究.

[中圖分類號]TB663 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

0引言

熱泵式干衣機(jī)是熱泵系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、耗能低，且對環(huán)境污染很小等優(yōu)點(diǎn)，符合我國節(jié)能減排政策.從上世紀(jì)八十年代起，我國開始對熱泵干燥技術(shù)進(jìn)行研究，目前，熱泵干燥技術(shù)已經(jīng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，但主要都是大型的干燥裝置，針對小型的家用干衣機(jī)類的熱泵干燥裝置，我國仍處于研究階段，尚未普及.

1物料中的含濕量

熱泵干燥裝置是由熱泵循環(huán)和空氣循環(huán)兩個(gè)循環(huán)過程組成.熱泵是一種高效的加熱裝置，它通過消耗少量的高品質(zhì)能源，可以實(shí)現(xiàn)熱能由低溫處向高溫處的轉(zhuǎn)移，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

圖1　熱泵干燥裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖　　　圖2　空氣循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)工況焓濕圖

通常在物料中描述其濕含量時(shí)常用有兩種方法：第一種是干基含濕量，一般用xm表示；第二種是濕基含濕量，一般用ωm表示.物料的干基濕含量xm是指物料中的水分質(zhì)量mwm與物料中干物質(zhì)質(zhì)量mdm(純物質(zhì))之比，其公式表示形式為

(1)

物料的濕基含濕量ωm是指物料中的所含的水分的質(zhì)量與物料的總質(zhì)量(水分質(zhì)量mwm加上干物質(zhì)質(zhì)量mdm)之比，也稱為濕度，其公式表示形式為

(2)

設(shè)計(jì)的熱泵干衣機(jī)的容量為匹配家用洗衣機(jī)甩干后的衣物重量，甩干后的含水質(zhì)量設(shè)為1.3kg，干燥時(shí)間通常隨衣物材質(zhì)的變化而發(fā)生變化，一般設(shè)定為1h干燥完畢，要對熱泵系統(tǒng)主要部件進(jìn)行選型，就需要確定熱泵系統(tǒng)的工況和空氣的循環(huán)狀態(tài)，根據(jù)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和制冷量來選取壓縮機(jī)，根據(jù)循環(huán)空氣的風(fēng)量、風(fēng)速與進(jìn)出換熱器溫差大小來確定冷凝器與蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)等.設(shè)定計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)工況如圖2中的曲線區(qū)域1-3-4所示.在圖2中，設(shè)定從蒸發(fā)器出來的空氣狀態(tài)點(diǎn)3溫度為10℃，相對濕度為100%，此時(shí)的焓值為28.7kJ/kg，含濕量為6.9g/kg；進(jìn)入冷凝器后，升至狀態(tài)點(diǎn)4，含濕量不變，溫度升至50℃，查焓濕圖可得，此時(shí)的相對濕度為9.7%，焓值為68.6kJ/kg；熱干空氣進(jìn)入干燥箱后，與被干燥物料進(jìn)行熱濕交換，出干燥箱時(shí)焓值降為原來的90%，為61.74kJ/kg，溫度降為30℃，則此時(shí)的含濕量為11.4g/kg，相對濕度為46%.整個(gè)空氣循環(huán)的各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)匯總于表1.

表1　空氣循環(huán)各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)值

2壓縮機(jī)的選型

由于衣柜中濕空氣的焓降對干燥效果的重要影響，假設(shè)濕空氣經(jīng)過干燥衣柜后，焓值保持不變[1].

在此循環(huán)中，干燥每克水分所需要的冷量

(3)

干燥1.3kg水分，所需要的總冷量U為

U=1300×7.15=9295kJ

(4)

設(shè)定為1h干燥完，則熱泵系統(tǒng)的制冷量Q為

(5)

在干燥過程中，空氣熱量為提供水分蒸發(fā)所需要的潛熱，因此，即使在熱泵系統(tǒng)的冷凝器散熱量大于其蒸發(fā)量，并需要不斷地向外界散發(fā)熱量的情況下，也不希望該潛熱在未進(jìn)入衣柜時(shí)排出.因此，在熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要么將輔助換熱器安裝在衣柜后面，要么在風(fēng)道中衣柜的后部蒸發(fā)器前部某一位置引入新風(fēng).這樣，即保證了熱量的充分利用，同時(shí)又解決了循環(huán)熱量不斷增加的問題[2].

3熱泵干衣機(jī)的評價(jià)指標(biāo)

衡量干燥設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)是除濕能耗比和干燥速率.其中，除濕能耗比為干燥單位質(zhì)量的水分所需要的耗電量，通常簡寫為SEC[3]，其公式表示為

綜合分析問卷分析的結(jié)果，職業(yè)教育校企合作、校校合作開發(fā)課程，課程建設(shè)資源共享，共享性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的建立是現(xiàn)階段主要需求，我們也將通過課程的實(shí)際學(xué)習(xí)來逐步實(shí)現(xiàn)我們的教學(xué)目標(biāo)。

(6)

式中Mde——從物料中去除的水分的質(zhì)量，kg；Wtot——總耗能功率，kW；τ為干燥時(shí)間，h.

另一個(gè)消費(fèi)者關(guān)心的參數(shù)是干燥速率，瞬時(shí)干燥速率的計(jì)算式為

Wde=Q空氣×(d1-d4)

(7)

除了除濕能耗比和干燥速率，還有以下幾個(gè)指標(biāo)也是用來衡量整個(gè)熱泵系統(tǒng)的干燥效果的.

(1)熱泵的制熱系數(shù)COPH

熱泵的制熱系數(shù)的定義為制取的熱量與所消耗的驅(qū)動能量之比，用COPH表示，公式表示為

(8)

式中Qc——熱泵的制熱量，kW；Wc——熱泵的消耗功率，kW.

(2)干燥器的熱效率ηt

干燥器的熱效率是指在干燥過程中，物料內(nèi)水分汽化時(shí)所需要的熱量與提供給物料的總熱量之比，一般用ηt來表示，其公式表達(dá)形式為

(9)

4熱泵干衣機(jī)與電加熱干衣機(jī)主要參數(shù)的對比

在干燥過程的不同階段，會呈現(xiàn)不同的干燥特性，為了方便對比，本文選取穩(wěn)定干燥階段作為對比.假定兩種干衣機(jī)的進(jìn)口空氣溫度值相等 (都為50℃)，同時(shí)，其衣柜結(jié)構(gòu)和排氣溫度(設(shè)定為30℃)也是相通的.若環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為60%，則，通過衣柜時(shí)的熱量損失均為10%，各去除1kg水分.

對于一般的電加熱直排式干衣機(jī)，若假定外界環(huán)境溫度為20℃，相對應(yīng)的空氣的相對濕度為60%，此時(shí)的焓值為42kJ/kg，含濕量為8.7g/kg.通過PTC元件加熱升至50℃，含濕量保持不變?nèi)詾?.7g/kg，此時(shí)的焓值為73kJ/kg，相對濕度變?yōu)?1%.通過衣物表面后，設(shè)定溫度降至30℃，考慮到10%的散熱損失，焓值降為原來的90%，為65kJ/kg，含濕量變?yōu)?3.9g/kg，相對濕度為52%，最后經(jīng)干燥箱排出外，進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境.電加熱式干衣機(jī)的空氣循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如表2所示.

表2　電加熱式干衣機(jī)空氣循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

4.1耗電量的比較

由于熱泵系統(tǒng)中冷凝器的散熱量要大于蒸發(fā)器的換熱量，其差值與壓縮機(jī)的輸入功大致相等，因此，熱泵干衣裝置由兩種設(shè)計(jì)方案：

方案一：滿足冷量需求.若以滿足冷量需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則熱量超過設(shè)計(jì)值，將多余熱量直接排出.滿足冷量為7780kJ，假定此蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP為2.5，則壓縮機(jī)輸入的功為3113kJ，風(fēng)機(jī)功率0.1kW，每小時(shí)耗功360kJ，除濕能耗比SEC為0.97kWh/kg，約為電加熱干衣機(jī)耗電量的53%.

方案二：滿足熱量需求.若以滿足熱量需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則冷量出現(xiàn)不足，需要環(huán)境對從衣柜出來的空氣進(jìn)一步冷卻.假設(shè)此熱泵的熱泵系數(shù)為3.5，則此熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)的輸入功為2225kJ，風(fēng)機(jī)功率0.1kW，每小時(shí)耗功360kJ，則除濕能耗比SEC為0.7kWh/kg，約為電加熱干衣機(jī)耗電量的39%.

上述計(jì)算是理論值，實(shí)際熱泵干衣機(jī)運(yùn)行時(shí)，不會按照方案一直將多余的熱量排放，這部分熱量還可以干燥衣物，若直接排放會將會浪費(fèi)大量的熱量；同時(shí)，也不會按照方案二完全使用環(huán)境冷卻來補(bǔ)充系統(tǒng)冷量的不足，因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，很有可能出現(xiàn)冷卻量不夠的現(xiàn)象.實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該綜合上述兩種設(shè)計(jì)方案.

4.2環(huán)境負(fù)荷的比較

對于電熱式干衣機(jī)，每干燥1kg的水份，散發(fā)到室內(nèi)環(huán)境的熱量為6635kJ，蒸發(fā)到室內(nèi)環(huán)境的水份為1kg；對于全封閉式熱泵式干衣機(jī)，每帶走1kg水份，散發(fā)到室內(nèi)環(huán)境的熱量為3475kJ，其水份全部冷凝，對室內(nèi)環(huán)境的濕污染為0；半封閉式熱泵干衣機(jī)每帶走1kg水分，散發(fā)到室內(nèi)環(huán)境的熱量依然為3475kJ，對室內(nèi)環(huán)境的濕污染取決于引入的新風(fēng)量，但是一定小于電加熱式干衣機(jī).

4.3干燥效果的比較

熱泵干衣機(jī)的進(jìn)入衣柜的空氣具有更低的相對濕度，主要原因是空氣進(jìn)入冷凝器之前已先通過蒸發(fā)器進(jìn)行了降溫除濕，與其對應(yīng)的衣物的平衡含濕量也將更低，即干燥效果將會更好.我們的上述的討論都是在假定環(huán)境溫度為20℃，物料相對濕度為60%的前提下討論的，陰雨天氣，對于電加熱直排式干衣機(jī)，空氣含濕量本身就較大，因此，在同樣的進(jìn)風(fēng)溫度下，衣物的平衡含濕量將會升高，干燥效果下降.

5總結(jié)

熱泵干衣機(jī)其能耗低于電加熱式干衣機(jī)是顯而易見的，但是如何使其能在不同的工況下都能穩(wěn)定的運(yùn)行，是將其推廣使用的最大問題.如何控制當(dāng)一年四季環(huán)境溫濕度不同時(shí)，熱泵干衣機(jī)都能高效的運(yùn)行；如何保持干燥的不同階段系統(tǒng)內(nèi)多余熱量的準(zhǔn)確排放，如何判斷衣物是否徹底干燥，這都是有待解決的問題.在此，總結(jié)并提出一些優(yōu)化的方案.

(1)采用熱泵專用壓縮機(jī).熱泵干衣機(jī)的運(yùn)行工況較空調(diào)有很大不同，熱泵干衣機(jī)為了提升干燥效果，需要獲得更高的高低溫差值，始終工作在較大的壓比、排氣壓力與排氣溫度下，選用更適合此工況的熱泵用壓縮機(jī).

(2)自動化控制.可根據(jù)干燥的不同階段采用不同的運(yùn)行策略，在干燥初期，以加熱為主要目的，空氣可以僅通過冷凝器不通過蒸發(fā)器達(dá)到快速加熱的目的；在干燥后期，排出衣柜的空氣依然具有高溫、低相對濕度，此時(shí)，可在衣柜出口設(shè)置一個(gè)旁通風(fēng)管，將部分空氣重新引入衣柜進(jìn)口，使熱干空氣反復(fù)流經(jīng)衣物.

(3)采用回?zé)岬膬?yōu)化方式.為了獲得更高的空氣高低溫差值，可采用回?zé)岬姆绞?

(4)采用洛倫茲循環(huán).卡諾循環(huán)具有最高的制冷系數(shù)，但是洛倫茲循環(huán)理論上具有最高的制冷系數(shù).對于熱泵干衣機(jī)來說，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器或者冷凝器時(shí)，均具有較大的溫度變化，使用洛倫茲循環(huán)使制冷劑相變溫度與變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，將會收獲更好的制冷系數(shù).

參考文獻(xiàn)

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