熱泵式干衣機設計

熱泵式干衣機設計1熱泵式干衣機的設計分析1.1熱泵式干衣機工作原理熱泵與電加熱、PTC加熱等能量轉換方式不同，是一種能量轉移裝置。具體來說就是以消耗部分能源為代價，從低位熱源中吸取熱量，然后將消耗的能源與吸取的熱量一起傳遞給高位熱源，實現(xiàn)加熱的目的，可見這種工作方式比現(xiàn)有干衣機要節(jié)約能源。如圖1所示。禹壓堀機I藤炭恭 一1劑的流向藤炭恭 一1劑的流向a■熱泵結枸與原理示青圖1中熱泵由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個主要部分構成，內部充以適宜的循環(huán)工質?；竟ぷ鬟^程為：低溫低壓的工質飽和蒸氣從蒸發(fā)器出來，進入壓縮機；壓縮機消耗少量電能，把低壓工質蒸氣壓縮為高壓高溫過熱蒸氣，進入冷凝器；工質在冷凝器中凝結，同時把工質內部積蓄的熱量傳給被加熱空氣，工質自身變?yōu)楦邏褐袦仫柡鸵?；之后進入節(jié)流閥，通過節(jié)流閥后變?yōu)榈蛪旱蜏貪裾魵猓M入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器中吸收干衣箱排風或環(huán)境大氣、地下水、海水、河水、湖水等低溫熱源處的熱量，工質變?yōu)榈蛪旱蜏仫柡驼魵?，又進入壓縮機開始下一個循環(huán)。如此持續(xù)運行，實現(xiàn)熱量由低溫熱源向被加熱空氣的連續(xù)高效泵送。1.2熱泵式干衣機的結構與原理

熱泵式干衣機的結構和原理示意如圖2所示，熱泵式干衣機由熱泵系統(tǒng)、干衣箱、循環(huán)風系統(tǒng)構成。熱泵系統(tǒng)又由熱泵壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個主要部分及循環(huán)工質、干燥過濾器等輔助部件構成；干衣箱由上下導流板、衣物架、衣物、箱壁、新風調節(jié)進出口、新風凈化裝置（可不加）、箱門等構成；循環(huán)風系統(tǒng)由循環(huán)風機、風道構成。整套裝置通過密封循環(huán)風道，將熱泵與干衣箱有機地結合為一個緊湊高效的干燥系統(tǒng)。鶏栗慕發(fā)器 暑腕?扳陵味干燥電氣HHI -I--IT:;—?陵味干燥電氣HHI -I--IT:;—?Iu巽干燥喘三據(jù)干八、衣架干衣鐮儲環(huán)風機2熱泵式干衣機結構與原理示資圖2中熱泵式干衣機的基本工作過程為：熱泵冷凝器加熱循環(huán)空氣，產生40-80°C左右的干燥空氣，在循環(huán)風機推動下進入干衣箱；在干衣箱中，干燥空氣流過濕衣物表面，與濕衣物間進行熱濕交換，吸收其中的水分，變?yōu)?0-40C左右的低溫潮濕空氣，排出干衣箱，進入熱泵蒸發(fā)器；在熱泵蒸發(fā)器中，低溫潮濕空氣被冷卻至露點溫度以下，析出從濕衣物中吸收的水分，變?yōu)?C左右的冷凍干燥空氣，進入熱泵冷凝器；在熱泵冷凝器中，冷凍干燥空氣又被加熱為40-80C左右的中溫干燥空氣，通過循環(huán)風機提高壓力后再進入干衣箱，開始下一個循環(huán)。如此循環(huán)運行，實現(xiàn)衣物的連續(xù)高效干燥。1.3熱泵式干衣機的優(yōu)點從以上工作過程分析可見，利用熱泵型干衣機進行干燥可以克服現(xiàn)有干衣機的缺陷，實現(xiàn)節(jié)能、適應性廣及與環(huán)境友好的目的。①熱泵是能量轉移裝置，與現(xiàn)有干衣機相比能夠節(jié)約能源。按保守估計，以熱泵系統(tǒng)能效比僅為2.5計，要提供2359kJ的汽化潛熱，只需要耗費943.6kJ的電能。如假設風機、漏熱、旋轉運動部件等因素所導致的耗電量與原有干衣機相同，則最大耗電量為3985kJ,實現(xiàn)節(jié)能26.2%。如對這些因素進行適當優(yōu)化，則節(jié)能效果更為明顯。②由于流經冷凝器的空氣的絕對含濕量d很小，熱泵系統(tǒng)在比較低的冷凝溫度下即可降低空氣的相對濕度，提高空氣的吸濕能力，從而有利于擴大干衣機適用衣料的范圍。③無須設置排風管，也不會將熱濕空氣排至室內，不會影響室內裝修及室內空氣環(huán)境。1.4熱泵式干衣機的類型及研發(fā)現(xiàn)狀鑒于以上原因，國內外許多科研人員都曾研究、試制過熱泵型干衣機。有多種類型的熱泵型干衣機，下面分別予以簡要介紹。第一類是蒸汽壓縮式熱泵干衣機，這種類型的干衣機利用蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器對來自衣物的潮濕空氣進行降溫除濕，冷凝器用來對空氣進行等濕升溫，加熱后的空氣再去對衣物進行干燥。由于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)是一種非常成熟的技術，用于熱泵工況時供熱效率高，工作安全可靠，因而這種類型的干衣機得到了最為廣泛的研究。目前我國已有多項以蒸汽壓縮制冷原理為基礎的熱泵型干衣機專利，這些專利主要介紹了干衣機的具體部件、結構等。屈百達［2］應用分布參數(shù)控制理論建立了衣物溫度控制模型，進行了干衣機內衣物溫度分布控制參數(shù)研究。在設計及應用研究方面，陳東等［3］確定了熱泵型干衣機中的結構與工作參數(shù)，包括循環(huán)風參數(shù)、冷凝器、蒸發(fā)器、循環(huán)風道、干衣箱及其他輔助部件的工作參數(shù)與結構參數(shù)，為蒸汽壓縮式熱泵型干衣機的設計提供了很好的基礎數(shù)據(jù)。E.L.Schmidt等［4］、K.Klocker等［5］研制了可以用做干衣機的CO2超臨界循環(huán)熱泵干燥設備。這種類型干衣機的系統(tǒng)壓力高，對系統(tǒng)氣密性要求高，與蒸汽壓縮式相比效率較低、造價較高。其優(yōu)點在于工作介質環(huán)保，在對環(huán)保要求越來越嚴格的今天，其發(fā)展前景看好。另外，由于家用干衣機對運行過程中的噪聲要求比較嚴格，陸金銘等［6］設計制造了熱泵干衣機實驗臺，并對其進行了噪聲分析，主要包括熱泵機組及其配管系統(tǒng)的模態(tài)和諧響應分析；張銳軍等［7,8］也對該實驗臺的板架和配管系統(tǒng)進行了噪音分析及減震降噪措施的研究。第二類是基于帕爾帖效應的熱電熱泵干衣機，羅清海等［9］研制了該種干衣機樣機并針對不同工況進行了系統(tǒng)的實驗測試。其優(yōu)點在于工作安靜，但是效率仍低于蒸汽壓縮式循環(huán)，且比后者更易受環(huán)境溫度波動的影響。上述兩類系統(tǒng)中，一般不允許拆卸換熱器進行常規(guī)清洗，因此J.E.Braun等［10］研制了基于逆布雷頓循環(huán)的空氣循環(huán)熱泵干衣機樣機。該類型干衣機的優(yōu)點在于可以拆卸清洗換熱器，工作介質環(huán)保，在有壓縮空氣的條件下使用方便。但其效率雖高于電-熱轉換型干衣機，仍低于蒸汽壓縮式。1.5結論主要針對熱泵式干衣機的基本構成和原理展開討論，并對熱泵式干衣機的工作過程進行加深的了解和研究，確定熱泵式干衣機的研究方向和條件。2熱泵式干衣機設計中結構與參數(shù)的確定以熱風進干衣箱溫度為60°C，出干衣箱為30°C，出熱泵蒸發(fā)器為0°C,濕衣物干燥能力平均每小時5kg為例，說明熱泵式干衣機結構與設計參數(shù)的確定方法。2.1循環(huán)風參數(shù)確定0°C時飽和濕空氣的含濕量為：622x0.0006112/(0.101325-0.0006112)-3.80g水蒸汽/kg干空氣。加熱到60C時，含濕量不變。1kg熱風在流化床中由60C降到30C吸收的水分量約為：l.Oxl.Ox(60-30)/2350-13g水分/kg干空氣。此濕空氣的相對濕度為：(13-4)/28-60%(28g水蒸汽/kg干空氣是30C時的飽和濕空氣含濕量)。吸收1kg水分所需的加熱量為：1.833KJ。設濕衣物中的平均含水率為60%，則每小時需除去水分：5x0.6-3kg循環(huán)空氣需要的加熱負荷為：3x4563x1000/3600-3803W2.2熱泵系統(tǒng)的結構與參數(shù)確定2.2.1熱泵冷凝器冷凝器型式可采用翅片管式換熱器(銅管，鋁翅片)，取冷凝器的平均傳熱系數(shù)為:30w/(m2?K),空氣與熱泵循環(huán)工質的平均傳熱溫差為：10°C時，則冷凝器的傳熱面積為：3803/(30x10)-13m2o熱泵蒸發(fā)器空氣側的平均溫度為：(30+0)/2-15°C,取蒸發(fā)器中空氣與熱泵工質的平均傳熱溫差為：10°C,則熱泵工質的平均蒸發(fā)溫度為：15-10-5°C。熱泵冷凝器空氣側的平均溫度為：(60+0)/2-30°C,取冷凝器中空氣與熱泵工質的平均傳熱溫差也為：10°C,則熱泵工質的平均冷凝溫度為：10+30-40°C。2.2.2熱泵壓縮機對電驅動熱泵，當熱泵循環(huán)工質的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為上述值時，熱泵的制熱性能系數(shù)可取為5,則熱泵壓縮機的功率為:3805/5-761W。壓縮機型式可采用回轉式空調壓縮機（熱泵式干衣機通過采用非共沸混合工質，在進排氣壓力、壓縮機排氣溫度等方面可與空調工況相近，且回轉式壓縮機市場應用量大，價格、可靠性、維護等方面均占優(yōu)勢）。2.2.3熱泵蒸發(fā)器熱泵蒸發(fā)器的負荷為:3803-761-3042W。蒸發(fā)器也采用翅片管式，取蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為:40W/（m2?K），空氣與熱泵循環(huán)工質的平均傳熱溫差為：10°C,則蒸發(fā)器的傳熱面積為:3042/（40xl0）-7.6m2。2.2.4其它熱泵循環(huán)工質且采用具有變溫相變特性的非共沸混合工質。工質優(yōu)選的基本方法是使混合工質在相變中的變溫特性與空氣的溫度變化相匹配，組元數(shù)以二元或三元為宜，具體配比可利用相關的物性計算軟件確定。2.3熱泵式干衣機精細設計中需進一步研究的問題上述熱泵式干衣機設計中結構與參數(shù)的確定方法是以經驗為主的較粗略確定方法，精細設計時應力求根據(jù)用戶條件和要求進行各層次的量化、優(yōu)化設計，包括部件結構及參數(shù)的最優(yōu)化、干衣機整體結構與參數(shù)的最優(yōu)化、干衣機運行與調控的最優(yōu)化等。部件的優(yōu)化內容包括換熱器（蒸發(fā)器、冷凝器）的管材及規(guī)格、管子排列、翅片厚、翅片間距、翅片形狀等，壓縮機與節(jié)流裝置的參數(shù)計算、調節(jié)范圍與方式，熱泵循環(huán)工質的組成與配比優(yōu)選，風道形狀及導流板的形狀、尺寸、材料，風機風量、壓頭、噪聲，干衣箱氣流組織、衣物間距、隔熱材料、壁厚，不同衣物（衣料、尺寸、形狀、含水率等）的最佳干燥工藝，衣物與空氣間的熱質傳遞強化，衣物干燥終點水分合理確定，空氣在風道、衣物內的流動特性等。干衣機的運行調控優(yōu)化內容包括運行參數(shù)的測量和監(jiān)控（循環(huán)空氣的溫度、濕度、速度、氣流組織等），根據(jù)衣物干度和干燥進程適時調整加熱量與風速等，調控策略與方式（變頻調節(jié)、模糊控制等），干衣機起動時的輔助加熱、間歇式干衣機干燥終點的鑒別與控制等。2.4結論本文簡要介紹了熱泵式干衣機的原理與結構，在此基礎上，對熱泵式干衣機設計中基本結構與參數(shù)的確定進行了分析，并對進一步精細設計中需研究的問題及熱泵式干衣機的市場應用前景進行了探討。3熱泵式及電熱式干衣機的節(jié)能試驗研究與比較試驗主要內容是對電熱式干衣機和熱泵式干衣機進行實際能效對比測試。在試驗中2種于衣機采用相同的環(huán)境條件。另外試驗干燥衣物質量也相同。在以上條件下，比較2種干衣機的耗電功率以及干衣時間和效果。本試驗數(shù)據(jù)均為每隔5min記錄1次環(huán)境條件。3.1試驗條件環(huán)境條件:環(huán)境干球溫度為20°C.環(huán)境相對濕度為60%。試驗衣物：.5kg（干質量）。干衣時間：電熱式干衣機，干衣溫度有高溫和低溫2種干衣模式。根據(jù)試驗衣物的干質量，選擇高溫烘干時間為100mm；低溫烘干時問為150min。熱泵式干衣樣機則根據(jù)干衣機滾筒排風的相對濕度控制干衣烘干時間。3.2運行工況對比3個工況，表1列出了包括干衣時間、衣物干質量、濕質量、烘干后的質量、是否烘干等物理量。濕衣質量指衣物浸濕后用洗衣機甩干的質量。為了保證試驗的一致性，對于甩干后的衣物通過噴灑少量的水霧以確保衣物質量相同。表1 干衣機運行工況干衣機工況干衣質量/kg濕前質量/kg烘干后質量/kg是否烘干電熱高溫lOOmin2.53.62.6是電熱低溫150min2.53.62.6是熱泵干衣140min2.53.62.5是依據(jù)GB/T20292—2006《家用滾筒干衣機性能測試方法》對試驗負載干燥后的最終含水率的規(guī)定，本試驗衣物最終均烘干。3.3試驗數(shù)據(jù)表2是對3種干衣方式能耗試驗數(shù)據(jù)的總結。表中干衣送風溫度與干衣功率數(shù)據(jù)為干衣全過程的平均值。從表2可以看出，熱泵干衣消耗的電能最少，其次為電熱高溫，最差的是電熱低溫。電熱高溫的干衣時間最短，低溫干衣次之，熱泵干衣最長，與低溫干衣相差10min。對于干衣送風溫度，電熱高溫最高，其次是熱泉干衣，最低為電熱低溫。表2 3種干衣方式能耗試驗數(shù)據(jù)方式時間/min送風溫度/°c功率/W電能/(kW?h)電熱高溫100609801.49電熱低溫150476601.56熱泵干衣140504601.073.4單位除濕能耗根據(jù)實測數(shù)據(jù)，按照式(3)計算，整理出如圖3所示的單位除濕能耗分布圖。由圖可以看出，在開始階段，3種干衣方式的單位除濕能耗均較低。干衣過程進行大約80min后，單位除濕能耗開始上升。對于電熱式干衣，單位除濕能耗的上升是由于在干衣后期，衣物中的水分減少，水分蒸發(fā)減緩，且電熱功率并未改變的緣故；對于熱泵式干衣機?由于在干衣后期，一方面衣物中水分的減少，另一方面熱泵系統(tǒng)的制冷量大部分消耗在冷卻空氣上，而除去的水分較少，故單位除濕能耗開始上升。

孟囁總步孟囁總步?-w題養(yǎng)薯圖3 3種干衣方式單位除濕能耗對比根據(jù)單位除濕能耗分布圖，計算3種干衣方式在整個干衣過程中的平均單位除濕能耗，見表4。表4干衣全過程平均單位除濕能耗 KW/(kg/h)干衣方式電熱高溫電熱低溫熱泵干衣平均單位除濕能耗1.8471.9951.372根據(jù)熱泵系統(tǒng)產生的熱量與輸人的總功率的比值，計算得到如圖4所示的熱泵制熱能效比。試驗EER數(shù)值由試驗開始5min后進行計算。由圖可以看出，熱泵系統(tǒng)能效比值分布在1.60?2.60之間，在干衣的中后期有逐漸下降的趨勢。對于熱泵系統(tǒng)來講，其能效比與熱泵系統(tǒng)運行工況密切相關。根據(jù)熱泵能效比分布圖，計算得到在整個干衣過程中熱泵系統(tǒng)的平均能效比圖4 熱泵系統(tǒng)能效比3.5結論通過對熱泵式于衣機和電熱式干衣機的理論與試驗分析，可以得到以下結論:（1） 熱泵式干衣機的除濕能耗顯著低于電熱能耗，但干衣時間稍長；（2） 與電熱式干衣相比，熱泵式干衣在干衣前期具有較大優(yōu)勢，其全程除濕量低于電熱高溫，但高于電熱低溫；（3） 根據(jù)單位除濕能耗的計算數(shù)值，熱泵干衣的平均單位除濕能耗低于電熱干衣，這表明熱泵式干衣具有節(jié)能潛力。4熱泵式干衣機的市場應用前景4.1熱泵式干衣機市場分析對招待所、旅館、學生公寓等單位，衣物干燥量大、基本采用電作為能源，在費用、衣物干燥質量等方面，熱泵式干衣機均具有突出的綜合競爭力，具有明顯的市場優(yōu)勢。與此同時，這部分市場有很大的空間，僅學生公寓方面，以作者單位為例，在校學生在1萬人以上，以每人平均每周洗衣.5kg濕衣物@計算，則每天需干燥濕衣物7000kg以上；此外，招待所、旅館方面，隨著我國旅游業(yè)的興起，這部分市場正在迅速增長，洗衣、干衣房、熨衣房的增設，對提高單位的檔次，吸收更多的游客，具有較大的價值。對家用場合，熱泵式干衣機和電加熱式干衣機各有利弊。二者相比，前者的優(yōu)點是節(jié)能、衣物受灰塵和細菌的污染少、對房間無熱濕污染；后者