變頻干衣機能效提升電控方案研究

陳桂平 張偉 劉子薦 劉可

（無錫小天鵝股份有限公司 江蘇無錫 214028）

1 引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，家用干衣機已經(jīng)越來越受到人們的歡迎。在西方國家干衣機尤為盛行。在我國南方陰雨較多的地區(qū)，空氣相對濕度較大，衣服晾曬時間較長給人們帶來不便，干衣機也開始受到人們的青睞。市面上的干衣機按照烘干所使用的能源可以分為燃氣式、電熱絲加熱式、PTC自限溫元件加熱。燃氣式干衣機在歐美國家較為流行。電加熱干衣機的干衣效果受環(huán)境的影響較大，時有未干透就停機或干燥過頭而損壞衣物及浪費能源的現(xiàn)象產(chǎn)生。隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，國外開始將PTC 自限溫發(fā)熱元件用于家用干衣機領(lǐng)域，通過電加熱的方式，把空氣溫度加熱至一定溫度，在風(fēng)機作用下使熱空氣流經(jīng)衣物表面，通過熱濕交換帶走衣物的水分，實現(xiàn)衣物的快速干燥。按照外形分為柜式和滾筒式。按照控制方式可分為機械式和電腦程控式，還可按照水分排除方式分為排氣式和排水式等等。

2 干衣機的工作原理及空氣處理過程

傳統(tǒng)干衣機依靠內(nèi)部的加熱元件對進入機體內(nèi)的外界空氣進行加熱，同時依靠電機帶動滾筒或葉輪轉(zhuǎn)動，使加熱后的空氣與衣物接觸，增濕后經(jīng)過濾排出機外。這類干衣機存在很多不足：首先，能源浪費嚴(yán)重，大量的高品質(zhì)能源(電能)被直接轉(zhuǎn)換為熱能；其次，通過衣物的較高溫高濕的氣流直接排入室內(nèi)，影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。如果設(shè)置排氣管道將其排到室外，則安裝較為麻煩且不利于移動。市場上較受推崇的冷凝式干衣機，其工作原理如圖1所示。

它是通過干衣桶(滾筒)的空氣循環(huán)是封閉的，不排放。在熱交換器處，通過衣物后的高溫高濕空氣被室內(nèi)空氣或自來水冷卻，水分冷凝排出。如果是室內(nèi)空氣冷卻方式，則干衣機的使用不影響室內(nèi)空氣濕度；如果是自來水冷卻方式，則室內(nèi)空氣的溫度和濕度都不受影響。因此，冷凝式干衣機的優(yōu)勢是對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響較小甚至無影響或不用設(shè)置排氣管道，且能耗比直排式干衣機的會低一些，但其仍采用電加熱方式，能耗還是偏大。熱泵式干衣機中空氣可以形成循環(huán)流動。熱泵是一種高效加熱裝置，它通過消耗少量高品位能源(電、燃料燃燒、高溫蒸汽等)，可把大量低溫?zé)崮茏優(yōu)楦邷責(zé)崮?即把熱能由低溫泵送到高溫)，用于生活供暖、提供干燥熱風(fēng)等。熱泵式干衣機的工作原理如圖2所示。在整個熱泵干衣機系統(tǒng)中，熱泵循環(huán)與空氣循環(huán)在蒸發(fā)器與冷凝器處相關(guān)聯(lián)，進行熱量交換。熱泵循環(huán)中，通過壓縮機做功，消耗少量的電能，驅(qū)動制冷劑循環(huán)，使得制冷劑在蒸發(fā)器中以較低的溫度吸收來自桶內(nèi)的排氣廢熱合并壓縮機的耗能，在冷凝器中以較高的溫度排出熱量給將進入衣柜的空氣。工作原理圖如圖2及圖3所示。

圖1 冷凝式干衣機結(jié)構(gòu)與原理示意圖

圖2 熱泵式干衣機的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

圖3 空氣循環(huán)焓濕圖

①在空氣循環(huán)中，在風(fēng)機的推動下，經(jīng)過衣物的濕熱空氣首先在輔助冷卻器中放出部分熱量后降溫，含濕量不變（過程1→2）。②吸收衣物水分之后的潮濕空氣流過熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，實現(xiàn)降溫除濕過程。即：空氣的干球溫度t降低，同時空氣中攜帶的水蒸氣在蒸發(fā)器表面凝結(jié)成水，絕對含濕量d降低（過程2→3）；③降溫除濕后的空氣經(jīng)過冷凝器，實現(xiàn)等濕升溫。即：空氣的干球溫度t升高，絕對含濕量d不變，相對濕度降低（過程3→4）；④由冷凝器吹出的高溫低濕空氣流過衣物，等焓增濕降溫后再回到蒸發(fā)器（過程4→1），重新開始循環(huán)。熱泵是能量轉(zhuǎn)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(shè)風(fēng)機、漏熱、旋轉(zhuǎn)運動部件等因素所導(dǎo)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(dāng)優(yōu)化，則節(jié)能效果更為明顯。由于流經(jīng)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。無須設(shè)置排風(fēng)管，也不會將熱濕空氣排至室內(nèi)，不會影響室內(nèi)裝修及室內(nèi)空氣環(huán)境。

3 普通干衣機控制方法

下面是不同類型的干衣機主要控制方法。

3.1 傳統(tǒng)直排式干衣機—溫度傳感器NTC控制

在干衣機的適當(dāng)位置上放置NTC感知溫度變化，利用溫度采樣的變化規(guī)律，推斷負載烘干時間或烘干溫度點。烘干曲線如圖4所示。

通常將溫度傳感器NTC通常放置在排風(fēng)口處，在機器運行過程中，空氣被加熱元件加熱后進入桶內(nèi)，通過滾筒的轉(zhuǎn)動與衣物接觸，帶走衣物中的水分，是桶內(nèi)溫度不斷上升，在達到時間t之后溫度逐漸趨于平衡，基本變化不大，隨著衣物的含水量越來越少，在時間t1后桶內(nèi)溫度呈上升趨勢，當(dāng)溫度上升到溫度T時，則判斷衣物已達到標(biāo)準(zhǔn)的烘干精度范圍內(nèi)。但是此方法穩(wěn)定性差，受環(huán)境影響波動較大，軟件控制難度大。

3.2 冷凝式干衣機—濕度傳感器控制

濕度傳感器的工作原理是當(dāng)雙金屬條與衣物接觸，負載的含水率不同，電阻值也不相同，利用負載接觸電阻值的變化規(guī)律，推斷出負載的烘干濕度值。通過調(diào)整濕度值，使其烘干精度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的同時減少機器的耗電量，從而減少能量的損失。按熱泵式干衣機的實驗數(shù)據(jù)顯示，濕度值降低100，烘干含水率降低5%的同時節(jié)省0.01kWh的耗電量。除單純利用調(diào)整濕度值來提高能效外，也可結(jié)合加熱管的開關(guān)控制烘干精度。拿冷凝式干衣機來說，始終用兩根加熱管加熱的前提下，在烘干時間達到T或達到濕度值X的時，負載所蒸發(fā)出的水量已經(jīng)趨于穩(wěn)定，此時如果繼續(xù)使用兩根加熱管加熱，既達不到好的烘干效果也浪費了能量，還可能對衣物造成一定的損害。這時我們采取如圖5的控制方法，此控制方法對應(yīng)的濕度值與功率關(guān)系如圖6所示。

圖4 傳統(tǒng)干衣機烘干曲線圖

圖5 加熱管控制流程圖

圖6 加熱管開關(guān)控制的功率圖

圖7 雙變頻與普通熱泵對比圖

圖8 普通熱泵的功率圖

圖9 雙變頻熱泵式干衣機的功率

機器開始運行時，采用兩根加熱管同時加熱，隨著負載含水率下降，桶內(nèi)溫度不斷升高，在達到濕度值A(chǔ)時，切換成單根1800W功率的加熱管，在濕度值達到B時，切換到700W加熱，這樣在不同濕度情況下，使得熱量的使用效率更高，提高能效。

4 雙變頻熱泵式干衣機控制方法

4.1 變頻式電機及變頻壓縮機

4.1.1 變頻電機

普通電機都是按恒頻恒壓設(shè)計的。變頻電動機是變頻器驅(qū)動的電動機的統(tǒng)稱。變頻電機可以在變頻器的驅(qū)動下實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)負載變化的需求。根據(jù)不同的負載調(diào)節(jié)電機的頻率，提高電機的工作效率，合理利用能源，減少損耗。

4.1.2 變頻壓縮機

變頻壓縮機是較轉(zhuǎn)速恒定的壓縮機而言，可通過某種控制方法或手段使其轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，連續(xù)改變輸出的能量。目前，變頻式壓縮機廣泛應(yīng)用于空調(diào)及冰箱領(lǐng)域，不再單純利用壓縮機的關(guān)停來降低溫度，大大減少能量的浪費。我們利用這一特點將變頻式壓縮機用于熱泵式干衣機中，提升能效。

4.2 雙變頻熱泵干衣機控制原理

雙變頻式干衣機與普通熱泵干衣機控制原理對比圖如圖7所示。

普通熱泵式干衣機直接控制壓縮機及電機，壓縮機及電機的功率恒定，在整個烘干過程中，當(dāng)桶內(nèi)衣物濕度較小時，熱循環(huán)系統(tǒng)的溫度就會上升，恒功率輸出就會在一定程度上會造成熱能的浪費。另外，壓縮機的溫升增大會減低壓縮機的效率，導(dǎo)致熱循環(huán)系統(tǒng)的能效下降。

雙變頻熱泵式干衣機引入了變頻電機和變頻壓縮機。通過控制變頻壓縮機的驅(qū)動頻率，能夠使壓縮機的輸出功率連續(xù)變化，在熱循環(huán)系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)條件發(fā)生改變時，能夠迅速調(diào)整變頻壓縮機的輸出功率，使熱循環(huán)系統(tǒng)維持工作在高效率的平衡工作狀況。從而到達提高熱循環(huán)系統(tǒng)能效的目的。而變頻壓縮機的自身效率較普通電機高。數(shù)據(jù)表明，普通壓縮機的效率在50%～60%之間，而變頻壓縮機的效率則高達70%～80%。由此可見，雙變頻熱泵干衣機能效可高效率提升。

在烘干過程中，衣物中的水分不斷減少，變頻電機會根據(jù)不同時間段衣物的不同含水量來調(diào)節(jié)電機的頻率，通過不同時間段對頻率的調(diào)節(jié)，使干衣機運行在一個穩(wěn)定高效的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示，普通感應(yīng)電機的效率在40%～60%之間，而變頻電機的效率則可達到60%～80%。足可看出，熱泵干衣機引用變頻電機可帶來的能效水平的提升。

上述的說明都可從整機的運行功率中顯示出來。如圖8及圖9是普通熱泵與雙變頻熱泵的功率對比圖，如圖可看出，普通熱泵干衣機的功率在600～1000W之間，而雙變頻干衣機的整機功率在不同的頻率段可均控制在600W左右，大大降低了整機功率，從而提升了整機能效。

5 結(jié)語

以上對干衣機工作原理及控制方法的介紹顯示，熱泵型干衣機與現(xiàn)有類型干衣機相比在節(jié)能、環(huán)保、適應(yīng)性廣等方面都有一定的優(yōu)勢，其中使用變頻壓縮機式熱泵干衣機的在資源利用方面更占有優(yōu)勢，有一定的發(fā)展空間。

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