熱泵干衣機(jī)仿真與優(yōu)化

張春路 楊 亮 曾潮運(yùn)

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所 上海 201804)

熱泵干衣機(jī)仿真與優(yōu)化

張春路 楊 亮 曾潮運(yùn)

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所 上海 201804)

本文建立了熱泵干衣機(jī)數(shù)學(xué)模型，包括穩(wěn)態(tài)的熱泵系統(tǒng)模型和動(dòng)態(tài)的衣物干燥過程熱質(zhì)交換模型。利用模型仿真研究了各部件大小的匹配關(guān)系對(duì)單位能耗除濕量SMER和干燥時(shí)間的影響，并對(duì)重要的系統(tǒng)參數(shù)如循環(huán)風(fēng)量、新風(fēng)比例和制冷劑充注量進(jìn)行了優(yōu)化研究。將模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，干衣時(shí)間的誤差小于3 min，耗電量的誤差為-2.3%。結(jié)果表明，循環(huán)風(fēng)量180 m3/h、新風(fēng)比例9%～10%時(shí)SMER最大；在冷凝溫度限值之內(nèi)，增加充注量有利于SMER的提高。研究結(jié)果可供熱泵干衣機(jī)設(shè)計(jì)參考。

熱泵；干衣機(jī)；干燥；仿真；優(yōu)化

干衣機(jī)利用電加熱或者熱泵技術(shù)使衣物中的水分即時(shí)蒸發(fā)，由于干衣快速且不受天氣條件限制，在現(xiàn)代生活中需求越來越廣泛。傳統(tǒng)電加熱式干衣機(jī)雖然克服了衣物自然干燥的部分缺點(diǎn)，但仍存在能耗大、吹過衣物的潮濕空氣直接排入房間造成濕污染等問題。相比之下，熱泵干衣機(jī)節(jié)能且為低溫烘干，多數(shù)面料均可使用，是干衣機(jī)今后主要的發(fā)展方向。

圖1所示為熱泵干衣機(jī)的工作原理圖。熱泵干衣機(jī)由熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)組成。熱泵系統(tǒng)采用制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器組成。干燥系統(tǒng)采用空氣循環(huán)系統(tǒng)，由冷凝器出來的高溫低濕空氣進(jìn)入干衣筒，與衣物進(jìn)行熱質(zhì)交換，然后變成低溫高濕的空氣進(jìn)入蒸發(fā)器降溫除濕后變成含濕量很低的低溫空氣，最后通過冷凝器加熱升溫變成具有較強(qiáng)吸濕能力的高溫干燥空氣，從而完成一個(gè)空氣循環(huán)。

圖1 熱泵干衣機(jī)工作原理Fig.1 Schematic of heat pump clothes dryer

由于熱泵干衣機(jī)是個(gè)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，存在兩個(gè)閉合循環(huán)：制冷循環(huán)和空氣循環(huán)，仿真方法研究難度較大。迄今對(duì)熱泵干衣機(jī)的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究[1-2]和理論分析[3-4]。涉及的仿真研究，只對(duì)熱泵系統(tǒng)建立傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真模型，而將衣物模型簡化處理，如假設(shè)干燥速率恒定[5-6](干衣過程沿等濕球線進(jìn)行)，并將干衣筒進(jìn)、出口干球溫度和含濕量的變化關(guān)系定義為干衣效率，見式(1)；或者假定干燥過程為等焓過程，并給定空氣出筒的相對(duì)濕度，以避免建立復(fù)雜的動(dòng)態(tài)熱質(zhì)交換模型。

(1)

式中：ηdry為干衣效率，通常約為0.75；Tin和Tout為干衣筒進(jìn)、出口的空氣溫度，℃；Tsat為空氣等濕球線與飽和線的交點(diǎn)溫度，℃；Win和Wout為干衣筒進(jìn)、出口的空氣含濕量，kg/kg干空氣。

另一方面，不論電加熱式還是熱泵式，衣物的干燥大致分為三個(gè)過程[7]：1)衣物和干衣筒的升溫過程；2)衣物的穩(wěn)定干燥過程，此時(shí)出筒空氣基本飽和，衣物溫度基本恒定；3)降速干燥過程，此時(shí)空氣出筒相對(duì)濕度不斷下降，衣物溫度會(huì)持續(xù)上升直至干衣過程結(jié)束，所以真實(shí)干燥過程不是等焓過程，干燥速率也不恒定。以往對(duì)熱泵干衣機(jī)的分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅針對(duì)穩(wěn)定干燥過程，而忽略衣物升溫過程和降速干燥過程。實(shí)際上這兩個(gè)過程所需時(shí)間占到了干衣過程的40%～50%。如果不建立衣物動(dòng)態(tài)熱質(zhì)交換模型，并將其與熱泵系統(tǒng)模型結(jié)合，將無法預(yù)測系統(tǒng)干衣時(shí)間、能耗等主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

本文以熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)建模和系統(tǒng)分析優(yōu)化為主要目標(biāo)，將熱泵系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型和衣物熱質(zhì)交換動(dòng)態(tài)模型相結(jié)合，模擬了衣物干燥的全過程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用驗(yàn)證后的模型，對(duì)熱泵干衣系統(tǒng)進(jìn)行了部件大小匹配研究和系統(tǒng)重要參數(shù)的優(yōu)化，為干衣機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。

1 熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)建模

1.1 熱泵系統(tǒng)建模

圖2所示為在GREATLAB制冷空調(diào)系統(tǒng)通用仿真平臺(tái)上建立的熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)模型[8]。熱泵系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器采用翅片管換熱器，節(jié)流元件為毛細(xì)管，制冷工質(zhì)為R134a。熱泵系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型參見[9-10]，這里不再累述。

由能量守恒定律知：冷凝器釋放給空氣的熱量大于蒸發(fā)器從空氣中吸收的熱量，系統(tǒng)中空氣閉合循環(huán)不可能處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則衣物溫度會(huì)一直升高，直至系統(tǒng)因排氣壓力過高而無法運(yùn)行。通常有幾種系統(tǒng)布置方式來保持空氣循環(huán)的穩(wěn)定[11]：引入一定比例的新風(fēng)、主冷凝器后串聯(lián)輔助冷凝器、蒸發(fā)器前增加空氣與室內(nèi)空氣輔助冷卻器、旁通一部分空氣不經(jīng)過蒸發(fā)器等方式，或者幾種方式聯(lián)合起來應(yīng)用[12]。本文研究的樣機(jī)(如圖2所示，圖中的數(shù)字是GREATLAB[8]仿真模型中部件與流體節(jié)點(diǎn)的編號(hào))采用了兩種方式來帶走多余的熱量：引入8%左右的新風(fēng)量，并在主冷凝器出口處設(shè)置了一個(gè)輔助冷凝器和輔助風(fēng)機(jī)來保持空氣循環(huán)的穩(wěn)定。輔助冷凝器進(jìn)風(fēng)為室內(nèi)環(huán)境溫度，經(jīng)過輔助冷凝器、輔助冷凝風(fēng)機(jī)、吹向壓縮機(jī)殼體后從后背板孔流出。

圖2 GREATLAB建立的熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)模型Fig.2 System model of a heat pump clothes dryer in GREATLAB

本文建立的熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)不同的是：當(dāng)冷凝器出口溫度大于某設(shè)定值(排氣壓力過高)時(shí)，會(huì)開啟輔助風(fēng)機(jī)以降低排氣壓力；當(dāng)冷凝器出口溫度低于另一設(shè)定值，輔助風(fēng)機(jī)會(huì)關(guān)閉。建模時(shí)為了保證系統(tǒng)的統(tǒng)一性：輔助風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，輸入正常風(fēng)量值；輔助風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，輸入一個(gè)趨近于0的風(fēng)量值，而并不在模型中簡單刪除輔助冷凝器和輔助風(fēng)機(jī)。這是因?yàn)榧词馆o助風(fēng)機(jī)關(guān)停，輔助冷凝器仍然有自然對(duì)流和制冷劑液體儲(chǔ)存的作用。

1.2 衣物動(dòng)態(tài)熱質(zhì)交換模型

出于過程仿真與優(yōu)化的需要，衣物干燥模型不能過于復(fù)雜，本文建立衣物與濕空氣之間的動(dòng)態(tài)傳熱傳質(zhì)模型假設(shè)如下：

1)干燥過程中，紡織衣物隨滾筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)衣物的溫度、衣物的含水量和衣物比熱在空間上的分布均勻一致；

2)假設(shè)干燥過程時(shí)間步長Δt內(nèi)，滾筒的溫度、衣物的溫度、衣物內(nèi)水分的溫度均勻一致、衣物表面飽和空氣層的含濕量均勻一致；

3)干燥衣物過程中，衣物表面空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)為常數(shù)；

4)使用活性系數(shù)來表征衣物表面空氣層內(nèi)水蒸氣的飽和程度。

下面簡述衣物干燥過程的數(shù)學(xué)模型。干燥過程中，空氣出口溫度降低、含濕量增加，衣物水分蒸發(fā)速率由式(2)計(jì)算[13]。

(2)

式中：mevap為單位時(shí)間內(nèi)衣物水分蒸發(fā)量，kg/s；k為衣物表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；Aclo為衣物有效表面積，m2；ρv為衣物表面飽和水蒸汽的密度，kg/m3；Wclo為衣物表面飽和空氣的含濕量，kg/kg干空氣；Win和Wout分別為進(jìn)、出口空氣含濕量，kg/kg干空氣；a為紡織衣物的活性系數(shù)，其定義見式(3)[14]。

(3)

式中：β、γ、δ為與紡織品材料有關(guān)的常數(shù)；X為衣物內(nèi)水分占衣物干重的比例。對(duì)全棉衣物來說，β=18，γ=30，δ=2[14]。

由質(zhì)量守恒方程知，干衣筒內(nèi)空氣含濕量的增加量與衣物水分的蒸發(fā)量相等。

mevap=ma(Wout-Win)

(4)

式中：ma為干空氣的質(zhì)量流量，kg/s。

衣物干燥過程的能量平衡示意圖如圖3所示。干燥過程中，空氣與衣物發(fā)生熱量交換，部分熱量Qload被衣物和滾筒吸收，用于加熱衣物和滾筒；部分散入環(huán)境中的熱量為Qloss，同時(shí)空氣與衣物發(fā)生質(zhì)量交換，衣物中的部分水分mevap進(jìn)入空氣中，衣物中的蒸發(fā)水分與衣物表面的溫度一致，均為Tclo。

圖3 單位時(shí)間步長內(nèi)筒體的能量平衡示意圖Fig.3 Energy balance within the drum over a time interval

由能量守恒方程推算出下一時(shí)刻衣物溫度，可由下式(5)計(jì)算：

Tclo,t+Δt=Tclo,t+

(5)

式中：Tclo,t為當(dāng)前時(shí)刻t的衣物溫度，℃；Tclo,t+Δt為下一時(shí)刻t+Δt的衣物溫度，℃；hin和hout分別為進(jìn)、出口空氣焓值，J/kg；hw,f為衣物表面蒸發(fā)水分的飽和液體焓，J/kg；Mclo為衣物干重，kg；cp,clo為衣物比熱，J/(kg5K)；cp,w為水的比熱，J/(kg5K)；MD為滾筒質(zhì)量，kg；cp,D為滾筒材料比熱，J/(kg5K)。此外，考慮到熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜程度，干燥時(shí)間步長取20 s。

(6)

(7)

2 熱泵干衣機(jī)模型驗(yàn)證

測試中采用的家用熱泵干衣機(jī)換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。熱泵系統(tǒng)中采用毛細(xì)管作為節(jié)流元件(1.4 mm×500 mm)，制冷劑的充注量為360 g，循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為170 m3/h，輔助風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為80 m3/h。系統(tǒng)測試的環(huán)境參數(shù)為23 ℃，相對(duì)濕度55%，初始負(fù)載溫度為20 ℃，衣物干重為8.027 kg，初始含水率為0.7，干燥后的衣物重量為8.275 kg。干燥總時(shí)間為160 min。

表1 家用熱泵干衣機(jī)換熱器參數(shù)Tab.1 Heat exchanger design parameters of a heat pump clothes dryer

為了監(jiān)測熱泵干衣機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，在熱泵循環(huán)管線上設(shè)置有2個(gè)壓力測點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)排氣壓力和吸氣壓力(壓力測量精度0.25%)；設(shè)置有8個(gè)溫度測試點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)測壓縮機(jī)排氣、壓縮機(jī)吸氣、冷凝器出口、節(jié)流前、蒸發(fā)器進(jìn)口，空氣進(jìn)筒和出筒、壓縮機(jī)環(huán)境溫度(溫度測量精度±0.5 K)。此外，熱泵干衣機(jī)實(shí)測結(jié)果中包含熱泵系統(tǒng)的開機(jī)過程(制冷系統(tǒng)高、低壓的建立過程)和停機(jī)過程，而本文所建立的模型本質(zhì)上是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型：即穩(wěn)態(tài)的熱泵系統(tǒng)模型結(jié)合動(dòng)態(tài)的衣物模型，不能模擬熱泵系統(tǒng)的開、停過程。所以在進(jìn)行實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比之前，已經(jīng)將開、停機(jī)階段數(shù)據(jù)去除，最后總干燥時(shí)間縮短至151 min，耗電量為1.95 kW·h。仿真所得的干燥時(shí)間為148 min，耗電量為1.905 kW·h。總體結(jié)果吻合很好，干衣時(shí)間的誤差小于3 min，耗電量的誤差為-2.3%。除了干衣機(jī)的整體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，模型還能預(yù)測系統(tǒng)的過程參數(shù)，為了更加全面、準(zhǔn)確的驗(yàn)證模型，將系統(tǒng)重要參數(shù)隨時(shí)間變化的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比。

圖4所示為熱泵系統(tǒng)排氣壓力、吸氣壓力實(shí)測與仿真結(jié)果的對(duì)比。從趨勢上來說，整個(gè)干燥過程前50 min為初始衣物升溫過程，隨著衣物溫度的升高，吸氣壓力和排氣壓力均升高。由于出筒濕球溫度變化不大，吸氣壓力的上升幅度遠(yuǎn)低于排氣壓力。當(dāng)排氣壓力升至2100 kPa時(shí)，輔助冷凝器風(fēng)機(jī)開啟，排氣壓力下降，吸氣壓力上升；當(dāng)冷凝器出口溫度低于設(shè)定值時(shí)，輔助風(fēng)機(jī)關(guān)閉，排氣壓力上升，吸氣壓力下降。圖4的結(jié)果也表明，初始衣物升溫過程結(jié)束后，排氣壓力和吸氣壓力開始周期性的振蕩，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的干燥階段。從精度上來說，整個(gè)干燥過程由于蒸發(fā)器的工況相對(duì)穩(wěn)定，吸氣壓力的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的吻合度非常高；冷凝器的工況則變化非常大，因此排氣壓力的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差別略大一些，特別是初始升溫和降速干燥階段，由于紡織品活性系數(shù)a會(huì)隨衣物溫度和含水量變化[15]，而模型只初步考慮了其隨含水量X的變化，與實(shí)際情況有出入，造成了模型的偏差。

通常出筒空氣溫度和衣物溫度非常接近(一般相差不到1 K)，可以將其近似看成衣物溫度，因此出筒空氣溫度是熱泵干衣機(jī)的重要參數(shù)之一，圖5所示為出筒溫度實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出兩者吻合度還是很不錯(cuò)的，衣物溫度也經(jīng)歷了三個(gè)階段，初始升溫階段，中間平穩(wěn)階段和最后的升溫階段。由于衣物活性系數(shù)a的計(jì)算沒有考慮溫度的變化，在降速干燥階段預(yù)測的活性系數(shù)將低于真實(shí)值，因此最后階段衣物溫度的仿真結(jié)果比實(shí)測結(jié)果上升得更快一些，但是誤差也不到4 K，精度可以接受。

圖4 系統(tǒng)壓力實(shí)測與仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.4 Comparison of system pressures between measured and predicted results

圖5 空氣出筒溫度實(shí)測與仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.5 Comparison of air temperature leaving drum between experimental and modeling results

圖6 系統(tǒng)功耗實(shí)測與仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.6 Comparison of system power consumption between experimental and modeling results

圖6所示為系統(tǒng)功耗實(shí)測與仿真結(jié)果的對(duì)比。從圖中可看出，不僅總的耗電量誤差小，功耗的即時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果也吻合很好。因此仿真模型得到了較為全面的驗(yàn)證，精度良好，可以將其用于后續(xù)的指導(dǎo)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品優(yōu)化中。

3 熱泵干衣機(jī)參數(shù)分析與優(yōu)化

以往文獻(xiàn)對(duì)熱泵干衣機(jī)的研究主要集中在干燥過程的經(jīng)濟(jì)性能受其負(fù)載及周圍環(huán)境的影響。為了對(duì)熱泵干燥裝置的性能進(jìn)行深入的研究，常用單位能耗除濕量(SMER)來綜合評(píng)價(jià)一個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)。本文將利用仿真方法研究各部件大小的匹配關(guān)系對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響，以及一些重要系統(tǒng)參數(shù)，如循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量、熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量和新風(fēng)比例的優(yōu)化。

3.1 系統(tǒng)部件匹配

在研究系統(tǒng)部件大小對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響時(shí)，會(huì)依次變化壓縮機(jī)的大小、冷凝器的大小和蒸發(fā)器的大小。此處大小為相對(duì)大小，如1.0代表測試系統(tǒng)的大小，0.9表示壓縮機(jī)排氣量縮小10%或換熱器面積縮小10%，以此類推。為了保證比較的公平性，新系統(tǒng)和原系統(tǒng)在初始狀態(tài)下應(yīng)具有相同的系統(tǒng)過熱度和過冷度，即新系統(tǒng)的充注量和毛細(xì)管尺寸都需要重新校正。而系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量與原系統(tǒng)一致。

圖7所示為壓縮機(jī)相對(duì)大小對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響。在換熱器大小一定的情況下， SMER隨著壓縮機(jī)容量的增大而降低，干燥時(shí)間隨著壓縮機(jī)容量的增大而縮短。當(dāng)壓縮機(jī)容量增大20%時(shí)，SMER下降了7.8%，干燥時(shí)間縮短了7%左右，約10 min。

圖7 壓縮機(jī)相對(duì)大小對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響Fig.7 Impact of compressor size on SMER and drying time

圖8所示為換熱器相對(duì)大小對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響。在壓縮機(jī)容量一定的情況下，SMER隨著換熱器的增大而升高，干燥時(shí)間也會(huì)縮短。總體上看，相對(duì)蒸發(fā)器，冷凝器對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大，這一點(diǎn)與常規(guī)制冷系統(tǒng)不同，但整體影響力明顯小于壓縮機(jī)。在計(jì)算范圍內(nèi)當(dāng)冷凝器增大30%時(shí)，SMER上升了2.4%～5.8%，時(shí)間縮短了4～8 min；當(dāng)蒸發(fā)器增大30%時(shí)，SMER上升了1.5%～3.2%，時(shí)間縮短了3～6 min；需要注意的是隨著換熱面積的持續(xù)增大，這種影響逐漸減小。

圖8 換熱器相對(duì)大小對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響Fig.8 Impact of heat exchanger size on SMER and drying time

3.2 循環(huán)風(fēng)量

Baines P G等[16]指出，循環(huán)風(fēng)機(jī)與熱交換器的匹配關(guān)系對(duì)干燥能耗有很大影響，匹配不當(dāng)會(huì)造成能量浪費(fèi)。圖9所示為循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響。在研究風(fēng)量變化時(shí)，保持風(fēng)機(jī)效率一定。從圖中可以看出，干燥時(shí)間隨著風(fēng)量的增大持續(xù)縮短，但對(duì)SMER來說，循環(huán)風(fēng)量存在最優(yōu)值，在180 m3/h左右。風(fēng)量增大，由于蒸發(fā)溫度升高、冷凝溫度降低，對(duì)提高熱泵系統(tǒng)COP肯定是有利的；但是風(fēng)量過大，會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱表面的溫度升高，將不利于除濕。熱泵干衣機(jī)的主要功能是除濕，熱泵系統(tǒng)COP高并不等同于單位能耗除濕量SMER也同時(shí)達(dá)到最大值。所以選擇合適的循環(huán)風(fēng)量對(duì)熱泵干衣機(jī)的設(shè)計(jì)是非常重要的。

圖9 循環(huán)風(fēng)量對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響Fig.9 Impact of circulation air flow rate on SMER and drying time

圖10系統(tǒng)充注量對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響Fig.10 Impact of heat pump system charge on SMER and drying time

3.3 制冷劑充注量

對(duì)常規(guī)空調(diào)熱泵系統(tǒng)來說，制冷劑充注量對(duì)制冷(熱)量和COP來說，都存在最優(yōu)值，但對(duì)于熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)，情況會(huì)有所不同。圖10所示為系統(tǒng)充注量對(duì)SMER和干燥時(shí)間的影響。從圖中可以看出，隨著充注量的增大，干燥時(shí)間將略有縮短。在本文計(jì)算范圍內(nèi)，充注量從340 g增加至460 g，干燥時(shí)間減少了11 min，主要原因是排氣壓力升高加快，初始衣物升溫過程縮短。但充注量在合理范圍內(nèi)對(duì)SMER的影響沒有想象中的大，在計(jì)算范圍內(nèi)，SMER隨著充注量的增大僅上升了2.5%。并且當(dāng)充注量偏小時(shí)，對(duì)SMER影響大；當(dāng)充注量超過400 g后就基本沒有影響了。主要原因是隨著充注量的增大，系統(tǒng)排氣壓力過高，原來設(shè)計(jì)的輔助冷凝器偏小，即使干衣過程輔助風(fēng)機(jī)一直開啟，也無法帶走全部多余的熱量。本文計(jì)算的充注量最多就算到460 g是因?yàn)榘茨壳霸O(shè)計(jì)的輔助冷凝器無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，壓縮機(jī)的排氣壓力將超過安全運(yùn)行范圍。這也從一個(gè)側(cè)面反映出，熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)與普通熱泵空調(diào)系統(tǒng)的不同，前者更復(fù)雜，系統(tǒng)耦合性非常高，迫切需要仿真的方法來研究各個(gè)參數(shù)的影響，才能對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 新風(fēng)比例

在熱泵循環(huán)中，由于蒸發(fā)器吸收的熱量小于冷凝器排放的熱量，為維持循環(huán)空氣的能量平衡，在空氣循環(huán)中引入了一部分新風(fēng)，如圖2所示。引入多少新風(fēng)比例合適，需要進(jìn)行參數(shù)分析。圖11所示為新風(fēng)比例對(duì)SMER、干燥時(shí)間和輔助冷凝風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間的影響。本文研究的熱泵干衣系統(tǒng)中已經(jīng)由輔助冷凝器帶走了一部分熱量，因而所需新風(fēng)比例低于常規(guī)系統(tǒng)。樣機(jī)的新風(fēng)比例為8%，仿真計(jì)算的新風(fēng)比例范圍為6%～12%。新風(fēng)比例對(duì)SMER的影響也存在最優(yōu)值。仿真結(jié)果表明，對(duì)本系統(tǒng)來說，新風(fēng)比例在9%～10%時(shí)SMER最高。當(dāng)新風(fēng)比例從6%升至9%時(shí)，SMER提高了2.9%。當(dāng)新風(fēng)比例持續(xù)增大時(shí)，輔助冷凝風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間逐步下降；當(dāng)新風(fēng)比例超過10%時(shí)，仿真過程會(huì)發(fā)現(xiàn)輔助冷凝風(fēng)機(jī)完全不需要開啟，新風(fēng)已經(jīng)能帶走全部多余的熱量，這也是為什么當(dāng)新風(fēng)比例超過10%時(shí)，新風(fēng)比例對(duì)SMER幾乎沒有影響，曲線變得平緩，反而由于新風(fēng)比例的增加，干燥時(shí)間快速上升。因此，熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)也需要選擇合適的新風(fēng)比例，新風(fēng)比例的大小還與輔助冷凝器的大小相關(guān)，新風(fēng)比例過小，將無法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，輔助冷凝器開啟時(shí)間過長，輔助風(fēng)機(jī)的能耗增大；當(dāng)新風(fēng)比例過大時(shí)，雖然輔助風(fēng)機(jī)不需要開啟，但同時(shí)也將新風(fēng)中的水分帶入了系統(tǒng)，將導(dǎo)致干燥時(shí)間過長，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖11 新風(fēng)比例對(duì)SMER、干燥時(shí)間和 輔助冷凝風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間的影響Fig.11 Impact of RAR on SMER, drying time and operation time of auxiliary condenser fan

4 結(jié)論

通過建立熱泵干衣機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)熱泵干衣機(jī)干燥衣物的全過程進(jìn)行了仿真模擬。仿真模擬的干衣過程與一臺(tái)小型家用干衣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，仿真精度良好，干衣時(shí)間的誤差小于3 min，耗電量誤差為-2.3%。

采用驗(yàn)證后的仿真模型數(shù)值分析研究了各部件大小的匹配關(guān)系對(duì)單位能耗除濕量SMER和干燥時(shí)間的影響，并對(duì)重要的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果表明，循環(huán)風(fēng)量在180 m3/h左右時(shí)SMER達(dá)到最佳值；新風(fēng)比例在9%～10%時(shí)SMER最高；SMER隨著充注量的增大而上升，但充注量過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失穩(wěn)，研究結(jié)果可供熱泵干衣機(jī)設(shè)計(jì)參考。

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About the corresponding author

Zhang Chunlu, male, professor, director of Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Tongji University, +86 13671825133, E-mail: chunlu.zhang@gmail.com. Research fields: refrigeration and heat pump system modeling, optimization and control, cold chain, advanced refrigeration and heat pump systems.

Simulation and Optimization of a Heat Pump Clothes Dryer

Zhang Chunlu Yang Liang Zeng Chaoyun

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 201804, China)

A model of heat pump clothes dryer was developed in this paper, which includes the steady-state heat pump system model and the dynamic fabric drying process model. The simulation results reached a good agreement with the test data of a household heat pump clothes dryer. The drying time error is within 3 minutes and the electricity consumption error is -2.3%. Based on the model, the impact of component size and key system parameters (such as circulation air flow rate, ratio of circulating air, and refrigerant charge) on SMER (Specific Moisture Extraction Rate) and drying time were analyzed. The results indicated that maximum SMER would be achieved at 180 m3/h circulation air flow rate and 9%-10% fresh air to circulating air. Within condensing temperature limit, more refrigerant charge would favor SMER. The results are useful for the system design of heat pump clothes dryer.

heat pump; clothes dryer; drying; simulation; optimization

2015年4月16日

0253- 4339(2015) 06- 0040- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.040

TB651；TQ051.5

A

張春路，男，教授，制冷與低溫工程研究所所長，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，13671825133，E-mail：chunlu.zhang@gmail.com。研究方向：制冷/熱泵系統(tǒng)仿真、優(yōu)化與控制，冷鏈，先進(jìn)制冷/熱泵系統(tǒng)。