直排式和半封閉式熱泵干衣機性能的實驗研究

李偉，宋朋洋，歐陽新萍*

（1-上海理工大學制冷技術(shù)研究所，上海200093；2-液化空氣上海有限公司，上海200093）

直排式和半封閉式熱泵干衣機性能的實驗研究

李偉1，宋朋洋2，歐陽新萍*1

（1-上海理工大學制冷技術(shù)研究所，上海200093；2-液化空氣上海有限公司，上海200093）

熱泵干衣機具有節(jié)能的效果。本文對直排式熱泵干衣機和半封閉式熱泵干衣機的性能進行了實驗研究。實驗表明，半封閉式熱泵干衣機較直排式熱泵干衣機具有更快的干燥速率，且干燥速率變化小?；趯嶒灁?shù)據(jù)，本文分析了兩種干衣機不同階段的干燥特性以及產(chǎn)生差異的原因；縮短熱泵干衣機的預(yù)熱時間、提高干燥后期的干燥效率是降低熱泵干衣機除濕能耗的有效方法。

節(jié)能；熱泵干衣機；干燥速率

0 引言

普通干衣機是一種高能耗設(shè)備，需要大量的熱量來加熱衣物中的水分使其汽化。目前我國干衣機主要是電熱型，其基本原理為通過電加熱方式，把環(huán)境空氣加熱至較高溫度（40 ℃～80 ℃）的干熱空氣，使干熱空氣在風機吹送下流過衣物表面，帶走衣物內(nèi)蒸發(fā)出來的水分，實現(xiàn)衣物的干燥[1]。傳統(tǒng)的干衣機存在能耗大、干衣速度慢、衣物易變形以及影響室內(nèi)空氣質(zhì)量等缺點[2-5]。近些年來，國內(nèi)外有眾多學者對節(jié)能干燥機進行了研究。CONDE[6]討論了工業(yè)干燥機的工藝和它們存在的不足，并提出了兩套可行的具有回熱裝置的系統(tǒng)。BANSAL等[7]提出了仿真模型并比較了通風式和冷凝式兩種干衣機的性能。GOPALNARAYANAN等[8]分析了采用傳統(tǒng)蒸氣壓縮熱泵在家用干衣機中的應(yīng)用情況。他們發(fā)現(xiàn)，節(jié)能達到69%、干燥時間縮短33%在理論上是可以實現(xiàn)的。BRAUN等[9]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，解決了傳統(tǒng)蒸氣壓縮熱泵不允許拆卸換熱器進行清洗的缺點，其效率雖高于電熱式干衣機，但低于蒸氣壓縮式。TAKUSHIMA等[10]開發(fā)和測試了兩種空氣循環(huán)熱泵式干衣機模型。他們通過調(diào)節(jié)外換熱器的換熱率發(fā)現(xiàn)空氣循環(huán)熱泵式干衣機的除濕率是傳統(tǒng)干衣機的6倍。然而，他們沒有足夠的數(shù)據(jù)來驗證該模型。在國內(nèi)，宋朋洋等[2]提出了一種新型家用熱泵干衣機，通過對比發(fā)現(xiàn)這種干衣機比傳統(tǒng)電熱式干衣機要節(jié)能50%，干衣效果更好，對環(huán)境無濕污染。羅青海等[11]實驗研究了熱電熱泵干衣機，指出了熱電熱泵干衣機較普通的電加熱干衣機能節(jié)約能耗 35%左右，具有明顯的節(jié)能效果。李陽春等[12]對比研究了幾種典型的熱泵干燥系統(tǒng)，結(jié)果表明，帶輔助冷卻器的干燥系統(tǒng)性能更好。韋幫遠等[3]分析了開式熱泵干衣機的性能，為新型熱泵干衣機的設(shè)計提供了一種思路。

此次實驗將蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)與空氣循環(huán)有機結(jié)合，應(yīng)用于家用干衣機中。蒸汽壓縮式熱泵干燥技術(shù)最早于1950年在美國獲得專利，之后以其明顯的節(jié)能優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域獲得了迅速應(yīng)用，如日本在20世紀90年代已有超過10%的干燥裝置采用熱泵干燥技術(shù)[13-16]。

本文分析熱泵干衣機在整個干燥過程不同階段的干燥效果的變化規(guī)律，指出提高干燥預(yù)熱階段和后期的除濕能耗比是降低干燥能耗的有效途徑。這為進一步優(yōu)化熱泵干衣機的結(jié)構(gòu)、降低熱泵干衣機的能耗提供了方向。

1 熱泵干衣機的工作原理及其分類

1.1 熱泵干衣機的工作原理

熱泵干衣機由兩個循環(huán)組成：空氣循環(huán)和熱泵循環(huán)。熱泵干衣機的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

熱泵循環(huán)中，壓縮機做功，消耗少量電能，驅(qū)動制冷工質(zhì)循環(huán)，使制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收來自干燥箱的排氣廢熱，轉(zhuǎn)移至冷凝器中加熱進入干燥箱內(nèi)的空氣?？諝庋h(huán)中，在風機的推動下，經(jīng)過衣物的高溫高濕空氣先經(jīng)過蒸發(fā)器放熱，低至露點溫度以后，水分冷凝析出，利用重力作用使冷凝水自由降落在下方的接水盤中[17]，低溫低濕的空氣再經(jīng)過冷凝器升溫，最后高溫、低相對濕度的空氣流經(jīng)衣物，與衣物進行熱濕交換，放出熱量、帶走水分。

1.2 熱泵裝置的分類

因為研究所需，本文按照空氣循環(huán)類型進行分類。按照引入環(huán)境空氣的比例，可分為直排式、半封閉式、封閉式3大類。

直排式熱泵干衣機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特點在于結(jié)構(gòu)簡單、操控方便，但廢氣排放量大、對環(huán)境空氣參數(shù)影響大，且干燥速率不穩(wěn)定、相對偏低。

圖2 直排式熱泵干衣機工作原理圖

半封閉式熱泵干衣機的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其結(jié)構(gòu)和調(diào)控都比直排式熱泵干衣機復(fù)雜。但廢氣排放量少，干燥速率相對較高、穩(wěn)定。

封閉式熱泵干衣機的基本形式如圖4所示。由于壓縮機的做功，冷凝器的散熱量必大于蒸發(fā)器的吸熱量。若系統(tǒng)與外界無熱量交換，則封閉循環(huán)空氣的熱量會不斷增加、空氣溫度會越來越高，導(dǎo)致整個空氣循環(huán)的參數(shù)點上移，從而導(dǎo)致冷凝壓力不斷增高，最終因高壓保護或壓縮機高溫保護而停機[18]。因此，通常在系統(tǒng)中增加一個輔助冷卻器來維持循環(huán)參數(shù)的穩(wěn)定。

圖3 半封閉式熱泵干衣機裝置原理圖

圖4 封閉式熱泵干衣機原理圖

2 實驗系統(tǒng)及方法

本文針對直排式熱泵干衣機和半封閉式熱泵干衣機展開研究，實驗系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 實驗系統(tǒng)圖

當進行直排式熱泵干衣機實驗時，可將干燥箱與蒸發(fā)器之間的管道卸掉，全部新風從蒸發(fā)器進入，干燥箱排風進入環(huán)境。圖 5的開路（開口）位置與圖2、圖3不同，但原理相似，干燥效果也基本相同，只是所適用的環(huán)境和運行參數(shù)有區(qū)別。圖 5更適用于空氣濕度較大的環(huán)境，另外圖 5的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力都會低一些，因此進、出干燥箱的空氣溫度也會低一些，對于一些不耐高溫的衣料更適用一些。

在實驗中主要關(guān)心熱泵干衣機的除濕能耗和干燥速率這兩個數(shù)據(jù)，同時通過觀察干燥不同階段，空氣溫濕度的變化，分析不同階段的干燥特性，根據(jù)干燥特性提出熱泵干衣機的系統(tǒng)優(yōu)化建議。

本實驗分兩組進行：第一組，直排式熱泵干衣機實驗，將干燥箱與蒸發(fā)器之間的管道卸掉；第二組，半封閉式熱泵干衣機實驗，重新安裝上干燥箱與蒸發(fā)器之間的管道，進風和排風的風量可調(diào)控。

本次實驗參考相關(guān)標準[19]：GB/T 20292-2006《家用滾筒式干衣機性能測試方法》進行實驗。本次實驗中，共采用6件衣物，其中棉織物3件，易處理衣物3件，共計1.985 kg。實驗開始時衣物的含水率在表1允許的范圍內(nèi)。為保證衣物的均勻性，在衣物甩干以后，使用噴灑器均勻地將水噴灑在衣物表面，衣物的最終含水率在表2允許的范圍內(nèi)。

表1 衣物初始含水率

表2 衣物最終含水率

3 熱泵干衣機的評價指標及實驗誤差分析

3.1 性能評價指標

衡量干燥設(shè)備的兩個重要指標是除濕能耗比和干燥速率。

除濕能耗比（Specific Extraction Consumption，SEC）的定義為干燥單位質(zhì)量的水分所需要的耗電量，公式表示為：

式中：

Mde——從物料中除去水分的質(zhì)量，kg；

Wtot——總耗能功率，kW；

干燥速率Wde的計算式為：

式中：

Ga——循環(huán)空氣的質(zhì)量流量，kg/h；

d1——衣柜出口空氣含濕量，g/kg；

d4——冷凝器出口空氣含濕量，g/kg。

3.2 誤差分析

實驗系統(tǒng)主要的測試參數(shù)包括空氣循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)器進出口處濕空氣溫度與相對濕度、冷凝器出口處濕空氣溫度與相對濕度、風量和耗電量，誤差分析如下。

1） 溫度測量誤差。實驗系統(tǒng)中所有的溫度測試點都采用PT1000熱電阻，測溫誤差為±0.15 ℃。

2） 相對濕度測量誤差。相對濕度的測量采用CHTM-01B相對濕度模塊，工作范圍為0～60%RH，相對濕度的變化范圍為0～100%RH，對應(yīng)線性輸出0～3V電壓。相對濕度的測量誤差為±5%RH。

3） 風量測量誤差。風量的測量采用TESTO 405 V-1熱線風速儀，測量誤差為±5%測量值。

4） 耗電量誤差。耗電量的測量采用電能表，測量誤差為±0.5%。

5） 重量測量值誤差。重量測試采用賽多利斯QUINTIX5100-1CN電子天平，測試誤差為±1 g，精度為±0.19%。

熱泵干衣機的性能評價指標如除濕能耗比、干燥速率等誤差，可以由誤差傳遞公式來計算：

根據(jù)式(1)～(3)可知，除濕能耗比誤差為0.63%，干燥速率誤差為0.93%。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 直排式熱泵干衣機數(shù)據(jù)分析

實驗中測得蒸發(fā)器、冷凝器和干燥箱三個設(shè)備的出口溫度、相對濕度隨時間變化的曲線，如圖6所示。環(huán)境空氣參數(shù)為：溫度22.4 ℃，相對濕度56%；風量197 m3/h。由于是開式系統(tǒng)，進入蒸發(fā)器的空氣參數(shù)始終是環(huán)境參數(shù)，因此，蒸發(fā)器出口的溫度比較穩(wěn)定，在10 ℃左右，相對濕度在76%左右。冷凝器出口溫度也基本穩(wěn)定在(44.6～46) ℃，相對濕度恒定在9.4%～10.1%。開始時，熱空氣的熱量傳給溫度較低的衣物，同時衣物中的水分不斷汽化，隨著衣物的溫度不斷升高，熱空氣傳給衣物的熱量越來越少。由圖6(a)可以看出，在(0～40) min，衣柜出口溫度平穩(wěn)上升；在40 min后，溫度上升速率加快；這是因為干燥速率下降，水分汽化所需熱量減少，熱量依然留在空氣中，并未傳遞給水分汽化使用，此時，熱量沒有得到充分利用。

圖6 直排式系統(tǒng)空氣溫度和含濕量隨時間的變化曲線

圖6(b)為空氣含濕量隨時間變化曲線，點劃線為衣柜進出口含濕量差值的變化曲線?？梢钥闯?，(0～6) min是預(yù)熱階段，此過程中，每千克干空氣帶走的水分質(zhì)量不斷增加，除濕速率逐漸升高。這是因為剛開始運行時，大部分熱量用來加熱衣物中的水分，變?yōu)樗值娘@熱，汽化的水分很少。當水分溫度不斷上升，對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差值不斷增大后，水分遷移驅(qū)動力增大，水分開始大量汽化。所以，縮短干燥預(yù)熱時間，有助于提高熱泵干衣機的除濕能耗比。在(6～40) min，隨著衣物表面易汽化的水分汽化，衣物內(nèi)部的水分不斷向表面流動，水分遷移的阻力不斷增大，干燥速率緩慢下降。在40 min后，衣物中剩下大量不易遷移不易蒸發(fā)的結(jié)合水分，此時汽化不僅要克服水分子之間的作用力，還需克服水分子與固體間結(jié)合的作用力[20]，因此干燥速率有明顯的下降。在整個干燥過程中，含濕量差值的最大值為8.416 g/kg，最小值為1.514 g/kg，僅為最大值的1/5左右。因此，提高干燥后期的除濕能耗比，是提高直排式熱泵干衣機效率的關(guān)鍵。經(jīng)計算，除濕能耗比為1.24 kWh/kg，平均干燥速率為1.18 kg/h。

4.2 半封閉式熱泵干衣機

圖7為半封閉式熱泵干衣機空氣循環(huán)參數(shù)的變化曲線，環(huán)境空氣參數(shù)同上，風量191 m3/h。圖7(a)可以看出，半封閉式熱泵干衣機，其循環(huán)空氣溫度不斷上升，當溫度上升到一定值時，通過干燥箱出口到蒸發(fā)器進口段風管管壁向外界散熱，加上部分排風帶走的熱量之和，與壓縮機輸入功帶來的熱量達到平衡。30 min處，溫度急劇下降是由于打開衣柜進行衣物放置位置調(diào)整時，衣柜內(nèi)大量熱量散發(fā)出去引起。

圖7(b)為半封閉式熱泵干衣機空氣含濕量的變化曲線，從含濕量的變化中，可以更清晰地看到干燥效果的變化。在30 min處，由于開衣柜，導(dǎo)致熱量的損失，影響了衣物中水分的汽化，所以干燥速率在30 min處有所下降。

圖7(b)與圖6(b)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，較直排式熱泵干衣機，半封閉式熱泵干衣機具有更大的進出衣柜的含濕量差值。同時，半封閉式熱泵干衣機在干燥后期，沒有干燥速率下降的現(xiàn)象，濕空氣含濕量的差值始終保持在5 g/kg干空氣以上。這是由于隨著干燥的進行，半開式熱泵干衣機空氣溫度不斷上升，不斷地增加傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力，因此，可以一直保持一個較高的干燥速率，平均干燥速率為1.66 kg/h。半封閉式熱泵干衣機在干燥過程中熱量利用較充分，干燥速率更高一些。除濕能耗比為1.22 kWh/kg，與直排式差不多。

圖7 半封閉式熱泵干衣機空氣循環(huán)參數(shù)的變化曲線

5 結(jié)論

1） 熱泵干衣機具有節(jié)能的效果。半封閉式熱泵干衣機與直排式熱泵干衣機在除濕能耗比相同的情況下具有更快的干燥速率，并且，半封閉式熱泵干衣機可以減少濕空氣的排放，相對于直排式熱泵干衣機來說，對環(huán)境更友好。

2） 為了維持封閉式熱泵干衣機的穩(wěn)定運行，需要在系統(tǒng)中加入輔助冷卻器。

3） 縮短熱泵干衣機的預(yù)熱時間以及提高干燥后期的干燥效率，是兩種提高直排式和半封閉式熱泵干衣機除濕能耗比的途徑。

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Experimental Study on Performance of Straight Emission Type and Semi Closed Type Heat Pump Dryers

LI Wei1, SONG Pengyang2, OUYANG Xinping*1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China;2-Liquefied Air Shanghai Co., Ltd., Shanghai 200093, China)

Heat pump dryer has the energy saving effect. Experimental investigation on the performance of straight emission type and semi closed type heat pump dryers was carried out in this paper. Experimental results show that, the semi closed type heat pump dryer has faster drying rate and smaller change in drying rate than the straight emission type heat pump dryer. Based on the experimental data, the drying characteristics of two kinds of dryers at different stages, and the causes of the differences are analyzed. Shortening the preheating time of heat pump dryers and improving the drying efficiency in the later drying stage are two effective ways to decrease the dehumidification energy consumption ratio of heat pump dryers.

Energy conservation; Heat pump dryer; Drying rate

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.105

*歐陽新萍（1964-），男，教授，研究方向：制冷換熱器及強化換熱。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號上海理工大學，郵編：200093。聯(lián)系電話：021-55273428。E-mail：xpoy@163.com。