热泵式干衣机设计

热泵式干衣机设计

1 热泵式干衣机的设计分析

1.1 热泵式干衣机工作原理

热泵与电加热、PTC加热等能量转换方式不同，是一种能量转移装置。具体来说就是以消耗部分能源为代价，从低位热源中吸取热量，然后将消耗的能源与吸取的热量一起传递给高位热源，实现加热的目的，可见这种工作方式比现有干衣机要节约能源。如图1所示。

图1中热泵由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个主要部分构成，内部充以适宜的循环工质。基本工作过程为：低温低压的工质饱和蒸气从蒸发器出来，进入压缩机；压缩机消耗少量电能，把低压工质蒸气压缩为高压高温过热蒸气，进入冷凝器；工质在冷凝器中凝结，同时把工质内部积蓄的热量传给被加热空气，工质自身变为高压中温饱和液；之后进入节流阀，通过节流阀后变为低压低温湿蒸气，进入蒸发器；在蒸发器中吸收干衣箱排风或环境大气、地下水、海水、河水、湖水等低温热源处的热量，工质变为低压低温饱和蒸气，又进入压缩机开始下一个循环。如此持续运行，实现热量由低温热源向被加热空气的连续高效泵送。

1.2 热泵式干衣机的结构与原理

热泵式干衣机的结构和原理示意如图2所示，热泵式干衣机由热泵系统、干衣箱、循环风系统构成。热泵系统又由热泵压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个主要部分及循环工质、干燥过滤器等辅助部件构成；干衣箱由上下导流板、衣物架、衣物、箱壁、新风调节进出口、新风净化装置（可不加）、箱门等构成；循环风系统由循环风机、风道构成。整套装置通过密封循环风道，将热泵与干衣箱有机地结合为一个紧凑高效的干燥系统。

图2中热泵式干衣机的基本工作过程为：热泵冷凝器加热循环空气，产生

40-80℃左右的干燥空气，在循环风机推动下进入干衣箱；在干衣箱中，干燥空

气流过湿衣物表面，与湿衣物间进行热湿交换，吸收其中的水分，变为20-40℃左右的低温潮湿空气，排出干衣箱，进入热泵蒸发器；在热泵蒸发器中，低温潮湿空气被冷却至露点温度以下，析出从湿衣物中吸收的水分，变为0℃左右的冷冻干燥空气，进入热泵冷凝器；在热泵冷凝器中，冷冻干燥空气又被加热为40-80℃左右的中温干燥空气，通过循环风机提高压力后再进入干衣箱，开始下一个循环。如此循环运行，实现衣物的连续高效干燥。

1.3热泵式干衣机的优点

从以上工作过程分析可见，利用热泵型干衣机进行干燥可以克服现有干衣机的缺陷，实现节能、适应性广及与环境友好的目的。①热泵是能量转移装置，与现有干衣机相比能够节约能源。按保守估计，以热泵系统能效比仅为2.5计，要提供2359kJ的汽化潜热，只需要耗费943.6kJ的电能。如假设风机、漏热、

旋转运动部件等因素所导致的耗电量与原有干衣机相同，则最大耗电量为3985kJ，实现节能26.2%。如对这些因素进行适当优化，则节能效果更为明显。②由于流经冷凝器的空气的绝对含湿量d很小，热泵系统在比较低的冷凝温度下即可降低空气的相对湿度，提高空气的吸湿能力，从而有利于扩大干衣机适用衣料的范围。

③无须设置排风管，也不会将热湿空气排至室内，不会影响室内装修及室内空气环境。

1.4热泵式干衣机的类型及研发现状

鉴于以上原因，国内外许多科研人员都曾研究、试制过热泵型干衣机。有多种类型的热泵型干衣机，下面分别予以简要介绍。第一类是蒸汽压缩式热泵干衣机，这种类型的干衣机利用蒸汽压缩式制冷系统中的蒸发器对来自衣物的潮湿空气进行降温除湿，冷凝器用来对空气进行等湿升温，加热后的空气再去对衣物进行干燥。由于蒸汽压缩式制冷系统是一种非常成熟的技术，用于热泵工况时供热效率高，工作安全可靠，因而这种类型的干衣机得到了最为广泛的研究。目前我国已有多项以蒸汽压缩制冷原理为基础的热泵型干衣机专利，这些专利主要介绍了干衣机的具体部件、结构等。屈百达[2]应用分布参数控制理论建立了衣物温度控制模型，进行了干衣机内衣物温度分布控制参数研究。在设计及应用研究方面，陈东等[3]确定了热泵型干衣机中的结构与工作参数，包括循环风参数、冷凝器、蒸发器、循环风道、干衣箱及其他辅助部件的工作参数与结构参数，为蒸汽压缩式热泵型干衣机的设计提供了很好的基础数据。E. L. Schmidt等[4]、K. Klocker等[5]研制了可以用做干衣机的CO2超临界循环热泵干燥设备。这种类型干衣机的系统压力高，对系统气密性要求高，与蒸汽压缩式相比效率较低、造价较高。其优点在于工作介质环保，在对环保要求越来越严格的今天，其发展前景看好。另外，由于家用干衣机对运行过程中的噪声要求比较严格，陆金铭等[6]设计制造了热泵干衣机实验台，并对其进行了噪声分析，主要包括热泵机组及其配管系统的模态和谐响应分析；张锐军等[7,8]也对该实验台的板架和配管系统进行了噪音分析及减震降噪措施的研究。第二类是基于帕尔帖效应的热电热泵干衣机，罗清海等[9]研制了该种干衣机样机并针对不同工况进行了系统的实验测试。其优点在于工作安静，但是效率仍低于蒸汽压缩式循环，且比后者更易受环境温度波动的影响。上述两类系统中，一般不允许拆卸换热器进行常规清洗，因此J.E.Braun等[10]研制了基于逆布雷顿循环的空气循环热泵干衣机样机。该类型干衣机的优点在于可以拆卸清洗换热器，工作介质环保，在有压缩空气的

条件下使用方便。但其效率虽高于电-热转换型干衣机，仍低于蒸汽压缩式。1.5 结论

主要针对热泵式干衣机的基本构成和原理展开讨论，并对热泵式干衣机的工作过程进行加深的了解和研究，确定热泵式干衣机的研究方向和条件。

2 热泵式干衣机设计中结构与参数的确定

以热风进干衣箱温度为60℃，出干衣箱为30℃，出热泵蒸发器为0℃，湿衣物干燥能力平均每小时5㎏为例，说明热泵式干衣机结构与设计参数的确定方法。

2.1 循环风参数确定

0℃时饱和湿空气的含湿量为：

622x0.0006112/(0.101325-0.0006112)-3.80g水蒸汽/kg干空气。

加热到60℃时，含湿量不变。

1kg热风在流化床中由60℃降到30℃吸收的水分量约为：

1.0x1.0x（60-30）/2350-13g水分/kg干空气。

此湿空气的相对湿度为：

（13-4）/28-60%(28g水蒸汽/kg干空气是30℃时的饱和湿空气含湿量)。

吸收1kg水分所需的加热量为：1.833KJ。

设湿衣物中的平均含水率为60%，则每小时需除去水分：5x0.6-3kg

循环空气需要的加热负荷为：3x4563x1000/3600-3803W

2.2 热泵系统的结构与参数确定

2.2.1热泵冷凝器

冷凝器型式可采用翅片管式换热器（铜管，铝翅片），取冷凝器的平均传热系数为:30w/(m²·K), 空气与热泵循环工质的平均传热温差为:10℃时，则冷凝器的传热面积为：3803/(30x10)-13m²。

热泵蒸发器空气侧的平均温度为：(30+0)/2-15℃, 取蒸发器中空气与热泵工质的平均传热温差为:10℃, 则热泵工质的平均蒸发温度为:15-10-5℃。

热泵冷凝器空气侧的平均温度为:(60+0)/2-30℃, 取冷凝器中空气与热泵工质的平均传热温差也为:10℃, 则热泵工质的平均冷凝温度为:10+30-40℃。