閉式熱泵干衣機干衣性能實驗研究

張聯(lián)英， 付永霞， 張宏飛， 王秋旺

（1.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，西安 710049；2.西安交通大學能源與動力工程學院，西安 710049）

閉式熱泵干衣機干衣性能實驗研究

張聯(lián)英1， 付永霞1， 張宏飛1， 王秋旺2

（1.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，西安 710049；2.西安交通大學能源與動力工程學院，西安 710049）

對閉式熱泵干衣機干衣性能進行實驗研究，采用熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP、除濕能耗比SPC、單位時間除濕量MER、單位能耗除濕量SMER等指標考察其性能.研究結(jié)果表明，熱泵系統(tǒng)的COP值在低負載時隨著衣物含水率的增大而增大，在較高負載時，在含水率為45%時達到最大值；熱泵干燥系統(tǒng)的SMER值在低負載時隨著衣物含水率的增大而增大，在較高負載時隨著含水率的增大而增大且基本維持在較高的數(shù)值；熱泵系統(tǒng)和熱泵干燥系統(tǒng)相互影響相互制約，熱泵系統(tǒng)的COP值與熱泵干燥系統(tǒng)的SMER值不能同時達到最大.

閉式熱泵干衣機；含水率；單位能耗除濕量

干衣機在發(fā)達國家應用比較普遍，日本70%以 上的家庭將干衣機和洗衣機配套使用［1］，而我國僅在南方潮濕地區(qū)有所應用，且應用比例較大的是采用電加熱的傳統(tǒng)干衣機.傳統(tǒng)干衣機將干燥過程中產(chǎn)生的廢氣直接排放，不僅浪費了熱量，而且對環(huán)境造成了濕污染.與傳統(tǒng)干衣機相比，熱泵干衣機具有節(jié)能、干燥產(chǎn)品質(zhì)量高、干燥條件易達到、與環(huán)境友好等方面的優(yōu)勢.

許多學者在熱泵干衣機節(jié)能方面進行了大量的研究工作.Chen等［2］在蒸發(fā)器前加裝了熱管，用來吸收濕空氣熱量，經(jīng)過蒸發(fā)器干燥后再將這部分熱量還給干燥系統(tǒng)內(nèi)的空氣，使其升溫.Chua等［3］對雙蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)進行了研究，指出雙蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)比單蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)熱回收率高35%，如果在系統(tǒng)前加預冷系統(tǒng)，可使熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP和單位能耗除濕量SMER分別相對提高12%～20%和25%～50%.Baines等［4］指出，風機與熱交換器的匹配關(guān)系對干燥能耗有很大影響，匹配不當會造成能量的嚴重浪費.Yadav等［5］通過研究指出，熱泵干燥過程中各個參數(shù)及其經(jīng)濟性能受其負載及周圍環(huán)境的影響.

大多數(shù)研究者對熱泵干衣機的研究局限于對某個部件的節(jié)能上，而不是對整個熱泵干燥系統(tǒng)的節(jié)能.本文從熱泵干衣機系統(tǒng)節(jié)能出發(fā)，采用熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP、除濕能耗比SPC、單位時間除濕量MER、單位能耗除濕量SMER等性能指標考察其節(jié)能狀況，并且對熱泵干衣機系統(tǒng)優(yōu)化給出了相應的建議.

1 熱泵干燥的工作原理

熱泵干燥裝置由熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示.熱泵系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、毛細管及蒸發(fā)器等組成；干燥系統(tǒng)由冷凝器、蒸發(fā)器、風機和干燥室組成.在熱泵系統(tǒng)中，熱泵工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣體，進入冷凝器冷凝，向干燥系統(tǒng)中的空氣放熱，然后經(jīng)毛細管節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器，從干燥系統(tǒng)中的空氣吸熱變成低溫低壓氣體，至此完成一個熱泵循環(huán)；在干燥系統(tǒng)中，由冷凝器出來的高溫干燥空氣進入干燥室，與濕物料進行熱質(zhì)交換，流出干燥室的溫濕空氣經(jīng)蒸發(fā)器將部分顯熱和潛熱傳給工質(zhì)，溫度降至露點，水分冷凝析出，含濕量很低的低溫干燥空氣通過冷凝器加熱升溫變成具有較強吸濕能力的高溫干燥空氣，在循環(huán)風機的作用下再次進入干燥室，至此干燥空氣完成一次循環(huán).周而復始，不斷將濕物料中的濕分轉(zhuǎn)移.

圖1 熱泵干燥裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump drying equipment

2 性能指標

熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP指熱泵供熱量與壓縮機耗功之比.COP值越大，系統(tǒng)越節(jié)能，熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果越好，其定義式為

式中，Qc為冷凝器釋放熱，kJ；Wc為壓縮機耗功，kJ.

除濕能耗比SPC指干燥設(shè)備每除去1 kg水分所消耗的能量［6］，用來評價干燥系統(tǒng)的能耗，其定義式為

式中，Wh為干燥系統(tǒng)的能耗，kJ；m為干燥系統(tǒng)除去的水分，kg.

單位時間除濕量MER指干燥過程中所除去的濕分與干燥時間的比值［6］，反映了干燥速度的快慢，但沒有考慮干燥系統(tǒng)的綜合性能，其定義式為

式中，t為干燥時間，h.

單位能耗除濕量SMER是指熱泵干燥系統(tǒng)每消耗1 kJ能量所除去的水分質(zhì)量［7］，是衡量干燥系統(tǒng)性能的指標，其定義式為

式中，W為熱泵干燥系統(tǒng)消耗的能量，kJ.

3 實驗裝置與實驗步驟

實驗采用小天鵝滾筒洗衣機為干燥室，管翅式換熱器為蒸發(fā)器和冷凝器，毛細管為工質(zhì)回路的節(jié)流裝置，制冷工質(zhì)為R134a，壓縮機采用空調(diào)用渦旋式壓縮機，進／回風口采用多個小孔，使干燥介質(zhì)（空氣）在干燥室內(nèi)均勻分布.本實驗采用閉式循環(huán)，在干燥過程中采用橡塑保溫管材對干燥介質(zhì)管路進行保溫來減少熱量損失.實驗裝置圖如圖2所示，其中t1-t5，t6-t10是均勻地分布在冷凝器外部和蒸發(fā)器外部的溫度測點，濕度測試點為h1，h2，h3.q為質(zhì)量流量.

在多種工況下對熱泵干衣機進行實際能效對比測試.通過電子秤稱重來獲得干燥前后物料的質(zhì)量差（即除濕量），采用型號為DDSHT-17215的單相全電子電能表來測量熱泵干燥系統(tǒng)的總耗電量.為保證干燥充分且避免耗費更多的能量，衣物在干燥室內(nèi)的烘干時間定在3 h，實驗步驟如下：

a.稱得標準干布條質(zhì)量m1，然后浸入自來水桶全部浸透；

b.對布條進行脫水，脫水后質(zhì)量為m2，含水率

c.將布條放入干燥室內(nèi)，設(shè)定工作時間3 h；

d.對儀表進行調(diào)零和校正后啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

e.根據(jù)設(shè)定時間測試和記錄各個測試點相關(guān)數(shù)據(jù)；

f.對干燥后的布條進行稱重，質(zhì)量記為m3，除濕量即為m2與m3質(zhì)量之差；

g.重復a—f所有步驟，直到所有測試工況完成.

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 除濕量隨含水率的變化

如圖3所示，負載為1.05 kg時，除濕量m隨含水率wt的增大而增大，且基本呈線性關(guān)系變化，說明此時干衣機除濕能力有較大富裕，干燥過程中的傳熱傳質(zhì)效率高，在開始階段除去的是與衣物以松散方式結(jié)合的自由水分，接著再除去的是結(jié)合水.負載為1.50 kg時，除濕量隨含水率的增大而迅速增加，但在含水率45%時存在一個峰值，隨后呈下降趨勢.從整體上來說，此負載下的除濕量較高，在此過程中除去的主要是自由水.負載為2.25 kg時，除濕量卻小于負載為1.50 kg時的除濕量，主要是因為負載較大，衣物在干燥滾筒內(nèi)與干燥空氣接觸不充分，對傳熱及水分的擴散產(chǎn)生了不利影響.同樣在含水率45%時也存在一個峰值，后呈下降趨勢.

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment installing

圖3 除濕量隨含水率的變化Fig.3 Change of dehumidification with moisture content

4.2 耗電量隨含水率的變化

如圖4所示，負載為1.05 kg時，耗電量w先是變化很小，后在含水率50%時突然增大；負載為1.50 kg與2.25 kg時，耗電量分別在45%，40%時存在峰值，然后兩者的耗電量呈下降趨勢.出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是該系統(tǒng)在設(shè)計時，在蒸發(fā)器的出口設(shè)定了一個溫度值，若干燥空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后的溫度高于該溫度，將不再對濕物料進行干燥，熱泵系統(tǒng)停止運行；反之，則繼續(xù)運行.在負載較大、含水率較高的情況下，由于潛熱的存在，水蒸氣放出熱量變成水，與沒有潛熱或潛熱較小的情況相比，空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后的溫度變高，熱泵系統(tǒng)提前終止運行，但此時的除濕量變小，這可以在圖3得到驗證，且耗電量也變小.所以，負載為2.25 kg時的耗電量小于負載為1.05 kg時的耗電量.

4.3 COP隨含水率的變化

圖4 耗電量隨含水率的變化Fig.4 Change of electricity consumption with moisture content

熱泵的COP反映了熱泵系統(tǒng)的節(jié)能水平，其值越大，節(jié)能效果越好.如圖5所示，負載為1.05 kg時，COP值持續(xù)升高，呈線性關(guān)系，可見在低負載時干衣機有較大的節(jié)能潛力.本次實驗COP值在負載1.50 kg、含水率45%時達到最大值，高達3.8，在含水率50%時又呈下降趨勢.負載為2.25 kg時，COP在含水率45%時達到最大值.

壓縮機的功耗是熱泵干燥系統(tǒng)的主要功耗，所以，圖5與圖4的變化趨勢相似.COP值的大小僅僅反映了熱泵干衣機的節(jié)能效果，而沒有考慮干衣機的整體運行情況.對于較為復雜的干衣系統(tǒng)，在考察其節(jié)能性時，不能僅以COP值作為參考.小型空氣源熱泵的COP值一般介于2.0～3.0之間，而本實驗臺充分利用了干燥室廢氣中的大量潛熱和顯熱，可提高熱泵系統(tǒng)的COP值，即提高熱泵系統(tǒng)的能量利用率.

圖5 COP隨含水率的變化Fig.5 Change of COP with moisture content

4.4 SPC隨含水率的變化

SPC是反映熱泵干燥系統(tǒng)能耗的指標，在不同的負載條件下，SPC隨含水率的增大均呈下降趨勢，如圖6所示，在衣物含水率為40%～50%的情況下，負載為2.25 kg時的SPC值明顯低于負載為1.05 kg和1.50 kg時的SPC值.說明在含水率40%～50%的情況下，熱泵干燥系統(tǒng)除去1 kg水分所消耗的能量較低，此時水分是以自由水的形式被除去的.

圖6 SPC隨含水率的變化Fig.6 Change of SPC with moisture content

4.5 MER隨含水率的變化

MER反映系統(tǒng)的除濕速率，與除濕量及COP的變化趨勢類似.MER只考慮了干燥產(chǎn)品的輸出速率而不考慮系統(tǒng)的整體性能.如圖7所示，在負載為1.05 kg時，MER持續(xù)增大；在負載1.50 kg、含水率45%時，MER達到最大值；負載為2.25 kg時，MER值也在含水率45%時達到最大值.綜上所述，在含水率40%～50%時，系統(tǒng)的除濕速率較快.

圖7 MER隨含水率的變化Fig.7 Change of MER with moisture content

4.6 SMER隨含水率的變化

作為熱泵干燥系統(tǒng)最重要的性能指標參數(shù)SMER能充分反映出熱泵干衣機系統(tǒng)的能量利用率.SMER與耗電量成反比，與除濕量成正比.

圖8 SMER隨含水率的變化Fig.8 Change of SMER with moisture content

如圖8所示（見下頁），負載為1.05 kg時，SMER隨著待干衣物含水率的升高而逐漸增大，基本呈線性增長.可見干衣機在低負載運行時，干衣機的除濕能力遠遠大于實際所除去的水分，使得設(shè)備的有效利用率不高，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，系統(tǒng)的干燥能力有盈余，對能源造成了一定程度的浪費.引起這種現(xiàn)象的原因是干燥介質(zhì)空氣在出干燥室后，經(jīng)過與待干衣物的熱濕交換，從衣物中吸濕放熱，所吸收的水分使空氣未能達到飽和狀態(tài)，再經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱析濕，空氣中所含水分全部變?yōu)槔淠龀?隨著含水率的增大，干燥介質(zhì)從干燥室出來后其相對濕度增大，逐漸達到蒸發(fā)器除濕上限.

負載為1.50 kg時，當含水率由30%增大到35%時，SMER有較大幅度增加，之后變化幅度不大.隨著含水率的增加，SMER基本維持在較穩(wěn)定的數(shù)值，在0.6 kg／（kW·h）左右浮動，說明此時干衣機在較為理想的狀態(tài)運行，其能耗、除濕量及系統(tǒng)的整體性能匹配良好.

負載為2.25 kg時，SMER變化幅度較大.盡管其除濕量不是最大的，但其耗電量較小，因而有較高的SMER.隨著含水率的升高，SMER迅速增大，當含水率為50%時，SMER達到0.68 kg／（kW·h），在此狀態(tài)下，熱泵干衣機的各個部件匹配良好，干燥介質(zhì)從干燥室吸收的熱量在蒸發(fā)器中釋放，濕分也完全析出，能量利用效率大大提高；同時，這些熱量通過冷凝器再次傳給干燥介質(zhì)，使其溫度升高，達到良性循環(huán).

從圖8和圖5中對比可以看出，SMER與COP不能同時達到最大值，這說明熱泵系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)相互影響.綜合考慮熱泵干衣機的COP，SPC，MER，SMER等性能指標，建議在實際運行中使衣物的初始含水率在40%～50%，接近設(shè)計工況下為宜，此時整個熱泵干燥系統(tǒng)具有較高的效率.

5 結(jié) 論

熱泵干衣系統(tǒng)中熱泵COP在低負載時隨著含水率的增大而增大，在較高負載時，COP在含水率為45%時達到最大值；SMER在低負載時隨著含水率的增大而增大，在較高負載時隨著含水率的增大而增大，且基本維持在較高的數(shù)值；COP與SMER不能同時達到最大，熱泵干燥系統(tǒng)中熱泵循環(huán)和干燥循環(huán)相互影響、相互制約.綜合考慮熱泵干衣機的各個性能指標，建議在實際運行中使衣物的初始含水率在40%～50%之間，接近設(shè)計工況下為宜，此時整個熱泵干燥系統(tǒng)具有較高的效率.

［1］ 錦文.家用干衣機應該有所作為［J］.家用電器，2003（11）：61-62.

［2］ Chen P Y S，Helmer W A.Design and test of a solardehumidifier kiln with storage and heat recovery systems［J］.Forrest Product Journal，2007，37（5）：26 -35.

［3］ Chua K J，Chou S K.A modular approach to study the performance of a two-stage heat pump system for drying［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25（8／9）：1363-1379.

［4］ Baines P G，Carrington C G.Analysis of rankine cycle heat pump driers［J］.International Journal of Energy Research，1988，7（12）：495-510.

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［6］ 文鍵.二氧化碳熱泵干燥系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安交通大學，2002.

［7］ Oktay Z，Arif H.Performance evaluation of a heat pump assisted mechanical opener dryer［J］.Energy Conversion and Management，2003，44（8）：1193-1207.

（編輯：石 瑛）

Experimental Research on Drying-cloth Per formance of Closed Heat Pump Dryer

ZHANGLian-ying1， FUYong-xia1， ZHANGHong-fei1， WANGQiu-wang2
（1.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

The performance of closed heat pump dryer was investigated.The indexes of coefficient of performance of heat pump systems COP，specific dehydration power consumption SPC，average specific dehumidification MER，specific dehumidification SMER and so on were used to study its performance.The results indicate that the value of COP increases with the increase of moisture content at the lower load，and it arrives at the highest value when the moisture content is 45%at the higher load.The SMER of heat pump and drying system increases with the increase of moisture content at the lower load，and it basically remains at a high value when the load is higher.Because the heat pump system and drying system restrict and interact with each other，the values of COP and SMER can’t reach its highest value simultanuously.

closed heat pump dryer；moisture content；specific dehumidification

TK 124

A

1007-6735（2013）04-0382-05

2012-05-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（XJJ2012106）；陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2012K10-16）

張聯(lián)英（1968-），女，副教授.研究方向：傳熱傳質(zhì)的強化.E-mail：zhangly＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn