衣物護理機熱泵系統(tǒng)匹配應用研究

陳張飛 方 勇

（合肥品冠科技有限公司 合肥 231131）

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的人逐漸開始關(guān)注衣物的護理保養(yǎng)，而不僅僅是只關(guān)注衣物的洗滌。對衣物深度護理、除皺塑型、消毒除菌等衣物護理方式的較多關(guān)注，使得衣物護理機產(chǎn)品的逐漸進入大眾視野。衣物護理機作為一個比較新的產(chǎn)品品類，也正在經(jīng)歷從單純的PTC加熱烘干到利用熱泵系統(tǒng)進行加熱烘干的過程。針對熱泵系統(tǒng)應用在衣物護理機的開發(fā)中，也逐漸從粗放式的整機匹配過渡到精細化的應用研究中，要求開發(fā)過程中不僅僅是達到烘干的目的，而且要考慮熱泵系統(tǒng)各位置的溫度是否最優(yōu)。同時對于衣物護理來說，不僅要考慮水蒸汽的冷凝，還要考慮腔室內(nèi)空氣的加熱溫度，這些要求都使得衣物護理機熱泵系統(tǒng)匹配存在較多的變量，對衣物護理機的實際開發(fā)提出了更高的要求。

如圖1和圖2，衣物護理機主要利用熱泵系統(tǒng)中蒸發(fā)器的制冷量對濕熱空氣進行冷凝，利用冷凝器對蒸發(fā)器冷凝后的空氣進行加熱，加熱后的空氣通過風道出風口進入到衣物護理機腔室內(nèi)部對衣物進行加熱，然后產(chǎn)生的濕熱空氣再次經(jīng)過蒸發(fā)器冷凝，通過不斷的循環(huán)最終達到烘干的效果。熱泵系統(tǒng)不僅考慮制冷劑充注量對系統(tǒng)溫度和衣物護理機內(nèi)部溫度的影響，還要考慮到衣物護理機內(nèi)放置不同衣物時對溫度的不同要求。下面針對影響衣物護理機熱泵系統(tǒng)的三個主要因素進行分析研究，定向的探究熱泵系統(tǒng)中毛細管的長度、風機轉(zhuǎn)速的大小及制冷劑的充注量對衣物護理機性能的影響。

圖1 熱泵型衣物護理機工作原理

圖2 衣物護理機

1 毛細管長度對系統(tǒng)的影響分析

衣物護理機產(chǎn)品采用毛細管對熱泵系統(tǒng)進行節(jié)流降壓，而毛細管的長度決定著熱泵系統(tǒng)內(nèi)高壓端流向低壓端的制冷劑流量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等參數(shù)，是整個熱泵系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵零部件[1]。熱泵系統(tǒng)中冷凝器的過熱冷卻段、冷凝段直接決定熱泵系統(tǒng)的出風溫度，而出風口溫度決定著衣物護理機整機的護理及烘干性能。蒸發(fā)溫度對衣物護理機內(nèi)部到來的濕熱空氣冷凝起到了關(guān)鍵作用，蒸發(fā)溫度過高則蒸汽冷凝較慢，進而烘干效率降低。

毛細管長度的確定一直沒有準確的理論對其計算，更多的是通過實驗驗證其長度是否與系統(tǒng)匹配，檢測系統(tǒng)溫度、出風口溫度等指標選擇相匹配的長度。將熱泵系統(tǒng)放置在35 ℃環(huán)境溫度下進行測試，分別驗證不同長度的毛細管對整個熱泵系統(tǒng)不同位置溫度的影響。使用0.8 m、1.1 m、1.7 m、2 m、2.3 m長度的毛細管分別進行系統(tǒng)測試，重點檢測冷凝溫度、蒸發(fā)溫度及出風口溫度的變化情況。

表1、圖3和圖4實驗數(shù)據(jù)證明，隨著毛細管長度的增加，冷凝溫度、蒸發(fā)溫度及出風溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，毛細管的長度過長或者過短，都會對系統(tǒng)溫度產(chǎn)生影響，進而影響系統(tǒng)內(nèi)的壓力，可能導致系統(tǒng)內(nèi)壓力超過壓縮機閥片的使用壓力范圍。開發(fā)過程中，理論上選擇下降轉(zhuǎn)上升的拐點對應的毛細管長度，然而在實際應用中，要結(jié)合對應產(chǎn)品的實際溫度要求，在拐點左右小區(qū)間內(nèi)都可以選擇，以達到衣物護理機腔室溫度的要求。

圖3 冷凝溫度與蒸發(fā)溫度隨毛細管長度的變化

圖4 出風口溫度隨毛細管長度的變化

表1 系統(tǒng)溫度隨毛細管長度的變化數(shù)據(jù)

2 風機轉(zhuǎn)速的驗證研究

不同種類的衣物對衣物護理機腔室空氣的溫度要求不一樣，大多數(shù)衣物在55 ℃溫度下護理及烘干較為適宜，但一些功能性衣物則需要相對低的溫度進行護理。針對衣物護理機不同的溫度需求，熱泵系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的大小，以實現(xiàn)控制衣物護理機內(nèi)部溫度高低變化的目的，而此時熱泵系統(tǒng)呈現(xiàn)的變化則是蒸發(fā)溫度及冷凝溫度的升高或降低，風速高相當于增加蒸發(fā)器和冷凝器的換熱效率，風速低則降低了它們的換熱效率。

加熱空氣所需的熱量與風口面積、風速、進出口溫差之間的關(guān)系如公式（1），保證加熱空氣所需的熱量不變，在空氣進風口溫度、風口面積及空氣物性參數(shù)不變的情況下，風速與空氣出風口溫度則成反比例的關(guān)系[2]。

式中：

Q — 加熱空氣所需的熱量，kW；

S — 風口面積，m2；

V — 風速，m/s；

ρ— 空氣平均溫度下的密度，kg/m3；

Cp — 空氣平均溫度下的定壓比熱容，kJ/kg·K；

ΔT— 空氣的進出風口溫差，K。

風機的風速與風機轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，因此風機的轉(zhuǎn)速大小不僅影響著進出風風速的大小，也使熱泵系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度與其息息相關(guān)，最終達到直接控制出風口溫度的效果，以保證衣物護理機內(nèi)部的溫度達標。通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速為850 rpm、1 050 rpm、1 250 rpm、1 550 rpm，研究不同轉(zhuǎn)速下熱泵系統(tǒng)溫度的變化，下面是對熱泵系統(tǒng)風機進行不同轉(zhuǎn)速的驗證，熱泵系統(tǒng)各位置的溫度變化關(guān)系。

由圖5、圖6知，風機轉(zhuǎn)速升高，對應的冷凝溫度降低，蒸發(fā)溫度升高，同時使得出風口的溫度也不斷降低，結(jié)果導致衣物護理機內(nèi)溫度的變化。風機轉(zhuǎn)速低，則出風口溫度高，衣物護理機腔室內(nèi)升溫速度快但空氣流動慢，整機的烘干效率降低；風機轉(zhuǎn)速高，則出風口溫度低，升溫速度慢，衣物護理機腔室內(nèi)空氣流動快。因此，在保證熱泵系統(tǒng)不變的情況下，針對衣物護理機風機轉(zhuǎn)速的匹配，需要在升溫速度與烘干效率之間進行取舍，做到兩者兼顧的較優(yōu)匹配，以確保整機達到較高的性能指標。

圖6 風機轉(zhuǎn)速對出風口溫度的影響

3 制冷劑充注量的驗證研究

在衣物護理機的熱泵系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的主要作用是對濕空氣中的蒸汽進行冷凝，而冷凝器的作用是對經(jīng)過蒸發(fā)器冷凝后的干空氣進行加熱。可以看出，在制冷劑充注量合適的情況下，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器溫度不能保持過低也不能過高，過低則會導致出風口溫度偏低，影響衣物護理機腔室內(nèi)溫度，過高則會導致蒸發(fā)器冷凝濕蒸汽效率過低，影響衣物護理機的烘干性能。

因此針對衣物護理機產(chǎn)品的特點，需要對熱泵系統(tǒng)制冷劑的充注量進行匹配分析，做到既能保證把蒸汽冷凝下來，又能使經(jīng)過它的空氣溫度不至于降低過多。衣物護理機熱泵系統(tǒng)中不同的R134a充注量與系統(tǒng)溫度的關(guān)系驗證數(shù)據(jù)研究如表2、圖7和圖8。

圖7 制冷劑充注量對蒸發(fā)器進出口溫度的影響

圖8 制冷劑充注量對出風口溫度的影響

表2 不同制冷劑充注量系統(tǒng)溫度

表2、圖7和圖8數(shù)據(jù)表明：隨著制冷劑充注量的不斷的減少，蒸發(fā)器末端液態(tài)制冷劑逐漸減少直至完全沒有，溫度上則表現(xiàn)為蒸發(fā)器出口的溫度逐漸大于蒸發(fā)器進口的溫度，而后蒸發(fā)器出口溫度快速升高，同時也使出風口溫度呈現(xiàn)先降后升的趨勢。因此根據(jù)衣物護理機產(chǎn)品特點及溫度的要求，使系統(tǒng)保證一定的過熱度是較為合適的匹配標準，從開始出現(xiàn)蒸發(fā)器出口溫度大于蒸發(fā)器進口溫度的臨界點開始，選擇保證2 ～ 5 ℃的過熱度對應的制冷劑充注量，則是較為合適的制冷劑充注量，既能考慮到蒸發(fā)器的冷凝效率，又能兼顧到出風口溫度不至于過低。

4 結(jié)論

熱泵系統(tǒng)作為衣物護理機的核心組件，起到對衣物進行加熱護理、冷凝烘干的主要作用，相對于PTC加熱器有其獨特的優(yōu)勢，完善對熱泵系統(tǒng)的匹配應用研究是提高衣物護理機性能非常重要的一環(huán)。

本文通過對毛細管長度、風機轉(zhuǎn)速及制冷劑充注量的研究證明，毛細管長度的確定需要結(jié)合系統(tǒng)溫度拐點找到最佳匹配長度，無論是過長還是過短，系統(tǒng)溫度都會產(chǎn)生較大的變化，進而對壓縮機有較大的影響；風機轉(zhuǎn)速的變化，可以使出風口的溫度隨之變化，在護理不同類型衣物時，可以通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速對衣物護理機內(nèi)部進行溫度控制，但同時需要在烘干效率上進行取舍；為了兼顧蒸發(fā)溫度不能太高和出風口溫度不能太低，選擇使系統(tǒng)有（2 ～ 5）℃的過熱度對應的制冷劑充注量較為適宜，可以保證到蒸發(fā)器既能快速的冷凝水蒸汽，又能使出風口溫度達到衣物護理機的要求。