熱泵式干衣機(jī)設(shè)計(jì)

熱泵式干衣機(jī)設(shè)計(jì)1熱泵式干衣機(jī)的設(shè)計(jì)分析1.1熱泵式干衣機(jī)工作原理熱泵與電加熱、PTC加熱等能量轉(zhuǎn)換方式不同，是一種能量轉(zhuǎn)移裝置。具體來(lái)說(shuō)就是以消耗部分能源為代價(jià)，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(shí)現(xiàn)加熱的目的，可見(jiàn)這種工作方式比現(xiàn)有干衣機(jī)要節(jié)約能源。如圖1所示。禹壓堀機(jī)I藤炭恭 一1劑的流向藤炭恭 一1劑的流向a■熱泵結(jié)枸與原理示青圖1中熱泵由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個(gè)主要部分構(gòu)成，內(nèi)部充以適宜的循環(huán)工質(zhì)。基本工作過(guò)程為：低溫低壓的工質(zhì)飽和蒸氣從蒸發(fā)器出來(lái)，進(jìn)入壓縮機(jī)；壓縮機(jī)消耗少量電能，把低壓工質(zhì)蒸氣壓縮為高壓高溫過(guò)熱蒸氣，進(jìn)入冷凝器；工質(zhì)在冷凝器中凝結(jié)，同時(shí)把工質(zhì)內(nèi)部積蓄的熱量傳給被加熱空氣，工質(zhì)自身變?yōu)楦邏褐袦仫柡鸵?；之后進(jìn)入節(jié)流閥，通過(guò)節(jié)流閥后變?yōu)榈蛪旱蜏貪裾魵?，進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器中吸收干衣箱排風(fēng)或環(huán)境大氣、地下水、海水、河水、湖水等低溫?zé)嵩刺幍臒崃?，工質(zhì)變?yōu)榈蛪旱蜏仫柡驼魵?，又進(jìn)入壓縮機(jī)開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。如此持續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)熱量由低溫?zé)嵩聪虮患訜峥諝獾倪B續(xù)高效泵送。1.2熱泵式干衣機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

熱泵式干衣機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理示意如圖2所示，熱泵式干衣機(jī)由熱泵系統(tǒng)、干衣箱、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成。熱泵系統(tǒng)又由熱泵壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個(gè)主要部分及循環(huán)工質(zhì)、干燥過(guò)濾器等輔助部件構(gòu)成；干衣箱由上下導(dǎo)流板、衣物架、衣物、箱壁、新風(fēng)調(diào)節(jié)進(jìn)出口、新風(fēng)凈化裝置（可不加）、箱門等構(gòu)成；循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)、風(fēng)道構(gòu)成。整套裝置通過(guò)密封循環(huán)風(fēng)道，將熱泵與干衣箱有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)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(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)2熱泵式干衣機(jī)結(jié)構(gòu)與原理示資圖2中熱泵式干衣機(jī)的基本工作過(guò)程為：熱泵冷凝器加熱循環(huán)空氣，產(chǎn)生40-80°C左右的干燥空氣，在循環(huán)風(fēng)機(jī)推動(dòng)下進(jìn)入干衣箱；在干衣箱中，干燥空氣流過(guò)濕衣物表面，與濕衣物間進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)提高壓力后再進(jìn)入干衣箱，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。如此循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)衣物的連續(xù)高效干燥。1.3熱泵式干衣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)從以上工作過(guò)程分析可見(jiàn)，利用熱泵型干衣機(jī)進(jìn)行干燥可以克服現(xiàn)有干衣機(jī)的缺陷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、適應(yīng)性廣及與環(huán)境友好的目的。①熱泵是能量轉(zhuǎn)移裝置，與現(xiàn)有干衣機(jī)相比能夠節(jié)約能源。按保守估計(jì)，以熱泵系統(tǒng)能效比僅為2.5計(jì)，要提供2359kJ的汽化潛熱，只需要耗費(fèi)943.6kJ的電能。如假設(shè)風(fēng)機(jī)、漏熱、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件等因素所導(dǎo)致的耗電量與原有干衣機(jī)相同，則最大耗電量為3985kJ,實(shí)現(xiàn)節(jié)能26.2%。如對(duì)這些因素進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，則節(jié)能效果更為明顯。②由于流經(jīng)冷凝器的空氣的絕對(duì)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(duì)濕度，提高空氣的吸濕能力，從而有利于擴(kuò)大干衣機(jī)適用衣料的范圍。③無(wú)須設(shè)置排風(fēng)管，也不會(huì)將熱濕空氣排至室內(nèi)，不會(huì)影響室內(nèi)裝修及室內(nèi)空氣環(huán)境。1.4熱泵式干衣機(jī)的類型及研發(fā)現(xiàn)狀鑒于以上原因，國(guó)內(nèi)外許多科研人員都曾研究、試制過(guò)熱泵型干衣機(jī)。有多種類型的熱泵型干衣機(jī)，下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。第一類是蒸汽壓縮式熱泵干衣機(jī)，這種類型的干衣機(jī)利用蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器對(duì)來(lái)自衣物的潮濕空氣進(jìn)行降溫除濕，冷凝器用來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行等濕升溫，加熱后的空氣再去對(duì)衣物進(jìn)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(shù)，用于熱泵工況時(shí)供熱效率高，工作安全可靠，因而這種類型的干衣機(jī)得到了最為廣泛的研究。目前我國(guó)已有多項(xiàng)以蒸汽壓縮制冷原理為基礎(chǔ)的熱泵型干衣機(jī)專利，這些專利主要介紹了干衣機(jī)的具體部件、結(jié)構(gòu)等。屈百達(dá)［2］應(yīng)用分布參數(shù)控制理論建立了衣物溫度控制模型，進(jìn)行了干衣機(jī)內(nèi)衣物溫度分布控制參數(shù)研究。在設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究方面，陳東等［3］確定了熱泵型干衣機(jī)中的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，包括循環(huán)風(fēng)參數(shù)、冷凝器、蒸發(fā)器、循環(huán)風(fēng)道、干衣箱及其他輔助部件的工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，為蒸汽壓縮式熱泵型干衣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。E.L.Schmidt等［4］、K.Klocker等［5］研制了可以用做干衣機(jī)的CO2超臨界循環(huán)熱泵干燥設(shè)備。這種類型干衣機(jī)的系統(tǒng)壓力高，對(duì)系統(tǒng)氣密性要求高，與蒸汽壓縮式相比效率較低、造價(jià)較高。其優(yōu)點(diǎn)在于工作介質(zhì)環(huán)保，在對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的今天，其發(fā)展前景看好。另外，由于家用干衣機(jī)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的噪聲要求比較嚴(yán)格，陸金銘等［6］設(shè)計(jì)制造了熱泵干衣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行了噪聲分析，主要包括熱泵機(jī)組及其配管系統(tǒng)的模態(tài)和諧響應(yīng)分析；張銳軍等［7,8］也對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的板架和配管系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)的熱電熱泵干衣機(jī)，羅清海等［9］研制了該種干衣機(jī)樣機(jī)并針對(duì)不同工況進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。其優(yōu)點(diǎn)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(dòng)的影響。上述兩類系統(tǒng)中，一般不允許拆卸換熱器進(jìn)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(jī)樣機(jī)。該類型干衣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以拆卸清洗換熱器，工作介質(zhì)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(zhuǎn)換型干衣機(jī)，仍低于蒸汽壓縮式。1.5結(jié)論主要針對(duì)熱泵式干衣機(jī)的基本構(gòu)成和原理展開(kāi)討論，并對(duì)熱泵式干衣機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行加深的了解和研究，確定熱泵式干衣機(jī)的研究方向和條件。2熱泵式干衣機(jī)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)與參數(shù)的確定以熱風(fēng)進(jìn)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(shí)5kg為例，說(shuō)明熱泵式干衣機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法。2.1循環(huán)風(fēng)參數(shù)確定0°C時(shí)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(shí)，含濕量不變。1kg熱風(fēng)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(duì)濕度為：(13-4)/28-60%(28g水蒸汽/kg干空氣是30C時(shí)的飽和濕空氣含濕量)。吸收1kg水分所需的加熱量為：1.833KJ。設(shè)濕衣物中的平均含水率為60%，則每小時(shí)需除去水分：5x0.6-3kg循環(huán)空氣需要的加熱負(fù)荷為：3x4563x1000/3600-3803W2.2熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(zhì)的平均傳熱溫差為：10°C時(shí)，則冷凝器的傳熱面積為：3803/(30x10)-13m2o熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)的平均溫度為：(30+0)/2-15°C,取蒸發(fā)器中空氣與熱泵工質(zhì)的平均傳熱溫差為：10°C,則熱泵工質(zhì)的平均蒸發(fā)溫度為：15-10-5°C。熱泵冷凝器空氣側(cè)的平均溫度為：(60+0)/2-30°C,取冷凝器中空氣與熱泵工質(zhì)的平均傳熱溫差也為：10°C,則熱泵工質(zhì)的平均冷凝溫度為：10+30-40°C。2.2.2熱泵壓縮機(jī)對(duì)電驅(qū)動(dòng)熱泵，當(dāng)熱泵循環(huán)工質(zhì)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為上述值時(shí)，熱泵的制熱性能系數(shù)可取為5,則熱泵壓縮機(jī)的功率為:3805/5-761W。壓縮機(jī)型式可采用回轉(zhuǎn)式空調(diào)壓縮機(jī)（熱泵式干衣機(jī)通過(guò)采用非共沸混合工質(zhì)，在進(jìn)排氣壓力、壓縮機(jī)排氣溫度等方面可與空調(diào)工況相近，且回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)市場(chǎng)應(yīng)用量大，價(jià)格、可靠性、維護(hù)等方面均占優(yōu)勢(shì)）。2.2.3熱泵蒸發(fā)器熱泵蒸發(fā)器的負(fù)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(zhì)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(zhì)且采用具有變溫相變特性的非共沸混合工質(zhì)。工質(zhì)優(yōu)選的基本方法是使混合工質(zhì)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(guān)的物性計(jì)算軟件確定。2.3熱泵式干衣機(jī)精細(xì)設(shè)計(jì)中需進(jìn)一步研究的問(wèn)題上述熱泵式干衣機(jī)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)與參數(shù)的確定方法是以經(jīng)驗(yàn)為主的較粗略確定方法，精細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求根據(jù)用戶條件和要求進(jìn)行各層次的量化、優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)的最優(yōu)化、干衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的最優(yōu)化、干衣機(jī)運(yùn)行與調(diào)控的最優(yōu)化等。部件的優(yōu)化內(nèi)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(jī)與節(jié)流裝置的參數(shù)計(jì)算、調(diào)節(jié)范圍與方式，熱泵循環(huán)工質(zhì)的組成與配比優(yōu)選，風(fēng)道形狀及導(dǎo)流板的形狀、尺寸、材料，風(fēng)機(jī)風(fēng)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(zhì)傳遞強(qiáng)化，衣物干燥終點(diǎn)水分合理確定，空氣在風(fēng)道、衣物內(nèi)的流動(dòng)特性等。干衣機(jī)的運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化內(nèi)容包括運(yùn)行參數(shù)的測(cè)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(jìn)程適時(shí)調(diào)整加熱量與風(fēng)速等，調(diào)控策略與方式（變頻調(diào)節(jié)、模糊控制等），干衣機(jī)起動(dòng)時(shí)的輔助加熱、間歇式干衣機(jī)干燥終點(diǎn)的鑒別與控制等。2.4結(jié)論本文簡(jiǎn)要介紹了熱泵式干衣機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)熱泵式干衣機(jī)設(shè)計(jì)中基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)的確定進(jìn)行了分析，并對(duì)進(jìn)一步精細(xì)設(shè)計(jì)中需研究的問(wèn)題及熱泵式干衣機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。3熱泵式及電熱式干衣機(jī)的節(jié)能試驗(yàn)研究與比較試驗(yàn)主要內(nèi)容是對(duì)電熱式干衣機(jī)和熱泵式干衣機(jī)進(jìn)行實(shí)際能效對(duì)比測(cè)試。在試驗(yàn)中2種于衣機(jī)采用相同的環(huán)境條件。另外試驗(yàn)干燥衣物質(zhì)量也相同。在以上條件下，比較2種干衣機(jī)的耗電功率以及干衣時(shí)間和效果。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為每隔5min記錄1次環(huán)境條件。3.1試驗(yàn)條件環(huán)境條件:環(huán)境干球溫度為20°C.環(huán)境相對(duì)濕度為60%。試驗(yàn)衣物：.5kg（干質(zhì)量）。干衣時(shí)間：電熱式干衣機(jī)，干衣溫度有高溫和低溫2種干衣模式。根據(jù)試驗(yàn)衣物的干質(zhì)量，選擇高溫烘干時(shí)間為100mm；低溫烘干時(shí)問(wèn)為150min。熱泵式干衣樣機(jī)則根據(jù)干衣機(jī)滾筒排風(fēng)的相對(duì)濕度控制干衣烘干時(shí)間。3.2運(yùn)行工況對(duì)比3個(gè)工況，表1列出了包括干衣時(shí)間、衣物干質(zhì)量、濕質(zhì)量、烘干后的質(zhì)量、是否烘干等物理量。濕衣質(zhì)量指衣物浸濕后用洗衣機(jī)甩干的質(zhì)量。為了保證試驗(yàn)的一致性，對(duì)于甩干后的衣物通過(guò)噴灑少量的水霧以確保衣物質(zhì)量相同。表1 干衣機(jī)運(yùn)行工況干衣機(jī)工況干衣質(zhì)量/kg濕前質(zhì)量/kg烘干后質(zhì)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(jī)性能測(cè)試方法》對(duì)試驗(yàn)負(fù)載干燥后的最終含水率的規(guī)定，本試驗(yàn)衣物最終均烘干。3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2是對(duì)3種干衣方式能耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)。表中干衣送風(fēng)溫度與干衣功率數(shù)據(jù)為干衣全過(guò)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(shí)間最短，低溫干衣次之，熱泵干衣最長(zhǎng)，與低溫干衣相差10min。對(duì)于干衣送風(fēng)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(yàn)數(shù)據(jù)方式時(shí)間/min送風(fēng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照式(3)計(jì)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(kāi)始階段，3種干衣方式的單位除濕能耗均較低。干衣過(guò)程進(jìn)行大約80min后，單位除濕能耗開(kāi)始上升。對(duì)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(duì)于熱泵式干衣機(jī)?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(kāi)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(duì)比根據(jù)單位除濕能耗分布圖，計(jì)算3種干衣方式在整個(gè)干衣過(guò)程中的平均單位除濕能耗，見(jiàn)表4。表4干衣全過(guò)程平均單位除濕能耗 KW/(kg/h)干衣方式電熱高溫電熱低溫?zé)岜酶梢缕骄鶈挝怀凉衲芎?.8471.9951.372根據(jù)熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與輸人的總功率的比值，計(jì)算得到如圖4所示的熱泵制熱能效比。試驗(yàn)EER數(shù)值由試驗(yàn)開(kāi)始5min后進(jìn)行計(jì)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(shì)。對(duì)于熱泵系統(tǒng)來(lái)講，其能效比與熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況密切相關(guān)。根據(jù)熱泵能效比分布圖，計(jì)算得到在整個(gè)干衣過(guò)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(jié)論通過(guò)對(duì)熱泵式于衣機(jī)和電熱式干衣機(jī)的理論與試驗(yàn)分析，可以得到以下結(jié)論:（1） 熱泵式干衣機(jī)的除濕能耗顯著低于電熱能耗，但干衣時(shí)間稍長(zhǎng)；（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(shì)，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(jì)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(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用前景4.1熱泵式干衣機(jī)市場(chǎng)分析對(duì)招待所、旅館、學(xué)生公寓等單位，衣物干燥量大、基本采用電作為能源，在費(fèi)用、衣物干燥質(zhì)量等方面，熱泵式干衣機(jī)均具有突出的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，具有明顯的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，這部分市場(chǎng)有很大的空間，僅學(xué)生公寓方面，以作者單位為例，在校學(xué)生在1萬(wàn)人以上，以每人平均每周洗衣.5kg濕衣物@計(jì)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(guó)旅游業(yè)的興起，這部分市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)，洗衣、干衣房、熨衣房的增設(shè)，對(duì)提高單位的檔次，吸收更多的游客，具有較大的價(jià)值。對(duì)家用場(chǎng)合，熱泵式干衣機(jī)和電加熱式干衣機(jī)各有利弊。二者相比，前者的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、衣物受灰塵和細(xì)菌的污染少、對(duì)房間無(wú)熱濕污染；后者