直排式和半封闭式热泵干衣机性能的实验研究

李伟，宋朋洋，欧阳新萍*

（1-上海理工大学制冷技术研究所，上海200093；2-液化空气上海有限公司，上海200093）

直排式和半封闭式热泵干衣机性能的实验研究

李伟1，宋朋洋2，欧阳新萍*1

（1-上海理工大学制冷技术研究所，上海200093；2-液化空气上海有限公司，上海200093）

热泵干衣机具有节能的效果。本文对直排式热泵干衣机和半封闭式热泵干衣机的性能进行了实验研究。实验表明，半封闭式热泵干衣机较直排式热泵干衣机具有更快的干燥速率，且干燥速率变化小。基于实验数据，本文分析了两种干衣机不同阶段的干燥特性以及产生差异的原因；缩短热泵干衣机的预热时间、提高干燥后期的干燥效率是降低热泵干衣机除湿能耗的有效方法。

节能；热泵干衣机；干燥速率

0 引言

普通干衣机是一种高能耗设备，需要大量的热量来加热衣物中的水分使其汽化。目前我国干衣机主要是电热型，其基本原理为通过电加热方式，把环境空气加热至较高温度（40 ℃～80 ℃）的干热空气，使干热空气在风机吹送下流过衣物表面，带走衣物内蒸发出来的水分，实现衣物的干燥[1]。传统的干衣机存在能耗大、干衣速度慢、衣物易变形以及影响室内空气质量等缺点[2-5]。近些年来，国内外有众多学者对节能干燥机进行了研究。CONDE[6]讨论了工业干燥机的工艺和它们存在的不足，并提出了两套可行的具有回热装置的系统。BANSAL等[7]提出了仿真模型并比较了通风式和冷凝式两种干衣机的性能。GOPALNARAYANAN等[8]分析了采用传统蒸气压缩热泵在家用干衣机中的应用情况。他们发现，节能达到69%、干燥时间缩短33%在理论上是可以实现的。BRAUN等[9]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，解决了传统蒸气压缩热泵不允许拆卸换热器进行清洗的缺点，其效率虽高于电热式干衣机，但低于蒸气压缩式。TAKUSHIMA等[10]开发和测试了两种空气循环热泵式干衣机模型。他们通过调节外换热器的换热率发现空气循环热泵式干衣机的除湿率是传统干衣机的6倍。然而，他们没有足够的数据来验证该模型。在国内，宋朋洋等[2]提出了一种新型家用热泵干衣机，通过对比发现这种干衣机比传统电热式干衣机要节能50%，干衣效果更好，对环境无湿污染。罗青海等[11]实验研究了热电热泵干衣机，指出了热电热泵干衣机较普通的电加热干衣机能节约能耗 35%左右，具有明显的节能效果。李阳春等[12]对比研究了几种典型的热泵干燥系统，结果表明，带辅助冷却器的干燥系统性能更好。韦帮远等[3]分析了开式热泵干衣机的性能，为新型热泵干衣机的设计提供了一种思路。

此次实验将蒸气压缩式热泵系统与空气循环有机结合，应用于家用干衣机中。蒸汽压缩式热泵干燥技术最早于1950年在美国获得专利，之后以其明显的节能优势在工业领域获得了迅速应用，如日本在20世纪90年代已有超过10%的干燥装置采用热泵干燥技术[13-16]。

本文分析热泵干衣机在整个干燥过程不同阶段的干燥效果的变化规律，指出提高干燥预热阶段和后期的除湿能耗比是降低干燥能耗的有效途径。这为进一步优化热泵干衣机的结构、降低热泵干衣机的能耗提供了方向。

1 热泵干衣机的工作原理及其分类

1.1 热泵干衣机的工作原理

热泵干衣机由两个循环组成：空气循环和热泵循环。热泵干衣机的结构原理如图1所示。

热泵循环中，压缩机做功，消耗少量电能，驱动制冷工质循环，使制冷工质在蒸发器中吸收来自干燥箱的排气废热，转移至冷凝器中加热进入干燥箱内的空气。空气循环中，在风机的推动下，经过衣物的高温高湿空气先经过蒸发器放热，低至露点温度以后，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盘中[17]，低温低湿的空气再经过冷凝器升温，最后高温、低相对湿度的空气流经衣物，与衣物进行热湿交换，放出热量、带走水分。

1.2 热泵装置的分类

因为研究所需，本文按照空气循环类型进行分类。按照引入环境空气的比例，可分为直排式、半封闭式、封闭式3大类。

直排式热泵干衣机的结构如图2所示。其特点在于结构简单、操控方便，但废气排放量大、对环境空气参数影响大，且干燥速率不稳定、相对偏低。

图2 直排式热泵干衣机工作原理图

半封闭式热泵干衣机的结构如图3所示。其结构和调控都比直排式热泵干衣机复杂。但废气排放量少，干燥速率相对较高、稳定。

封闭式热泵干衣机的基本形式如图4所示。由于压缩机的做功，冷凝器的散热量必大于蒸发器的吸热量。若系统与外界无热量交换，则封闭循环空气的热量会不断增加、空气温度会越来越高，导致整个空气循环的参数点上移，从而导致冷凝压力不断增高，最终因高压保护或压缩机高温保护而停机[18]。因此，通常在系统中增加一个辅助冷却器来维持循环参数的稳定。

图3 半封闭式热泵干衣机装置原理图

图4 封闭式热泵干衣机原理图

2 实验系统及方法

本文针对直排式热泵干衣机和半封闭式热泵干衣机展开研究，实验系统图如图5所示。

图5 实验系统图

当进行直排式热泵干衣机实验时，可将干燥箱与蒸发器之间的管道卸掉，全部新风从蒸发器进入，干燥箱排风进入环境。图 5的开路（开口）位置与图2、图3不同，但原理相似，干燥效果也基本相同，只是所适用的环境和运行参数有区别。图 5更适用于空气湿度较大的环境，另外图 5的蒸发压力和冷凝压力都会低一些，因此进、出干燥箱的空气温度也会低一些，对于一些不耐高温的衣料更适用一些。

在实验中主要关心热泵干衣机的除湿能耗和干燥速率这两个数据，同时通过观察干燥不同阶段，空气温湿度的变化，分析不同阶段的干燥特性，根据干燥特性提出热泵干衣机的系统优化建议。

本实验分两组进行：第一组，直排式热泵干衣机实验，将干燥箱与蒸发器之间的管道卸掉；第二组，半封闭式热泵干衣机实验，重新安装上干燥箱与蒸发器之间的管道，进风和排风的风量可调控。

本次实验参考相关标准[19]：GB/T 20292-2006《家用滚筒式干衣机性能测试方法》进行实验。本次实验中，共采用6件衣物，其中棉织物3件，易处理衣物3件，共计1.985 kg。实验开始时衣物的含水率在表1允许的范围内。为保证衣物的均匀性，在衣物甩干以后，使用喷洒器均匀地将水喷洒在衣物表面，衣物的最终含水率在表2允许的范围内。

表1 衣物初始含水率

表2 衣物最终含水率

3 热泵干衣机的评价指标及实验误差分析

3.1 性能评价指标

衡量干燥设备的两个重要指标是除湿能耗比和干燥速率。

除湿能耗比（Specific Extraction Consumption，SEC）的定义为干燥单位质量的水分所需要的耗电量，公式表示为：

式中：

Mde——从物料中除去水分的质量，kg；

Wtot——总耗能功率，kW；

干燥速率Wde的计算式为：

式中：

Ga——循环空气的质量流量，kg/h；

d1——衣柜出口空气含湿量，g/kg；

d4——冷凝器出口空气含湿量，g/kg。

3.2 误差分析

实验系统主要的测试参数包括空气循环系统中蒸发器进出口处湿空气温度与相对湿度、冷凝器出口处湿空气温度与相对湿度、风量和耗电量，误差分析如下。

1） 温度测量误差。实验系统中所有的温度测试点都采用PT1000热电阻，测温误差为±0.15 ℃。

2） 相对湿度测量误差。相对湿度的测量采用CHTM-01B相对湿度模块，工作范围为0～60%RH，相对湿度的变化范围为0～100%RH，对应线性输出0～3V电压。相对湿度的测量误差为±5%RH。

3） 风量测量误差。风量的测量采用TESTO 405 V-1热线风速仪，测量误差为±5%测量值。

4） 耗电量误差。耗电量的测量采用电能表，测量误差为±0.5%。

5） 重量测量值误差。重量测试采用赛多利斯QUINTIX5100-1CN电子天平，测试误差为±1 g，精度为±0.19%。

热泵干衣机的性能评价指标如除湿能耗比、干燥速率等误差，可以由误差传递公式来计算：

根据式(1)～(3)可知，除湿能耗比误差为0.63%，干燥速率误差为0.93%。

4 实验数据分析

4.1 直排式热泵干衣机数据分析

实验中测得蒸发器、冷凝器和干燥箱三个设备的出口温度、相对湿度随时间变化的曲线，如图6所示。环境空气参数为：温度22.4 ℃，相对湿度56%；风量197 m3/h。由于是开式系统，进入蒸发器的空气参数始终是环境参数，因此，蒸发器出口的温度比较稳定，在10 ℃左右，相对湿度在76%左右。冷凝器出口温度也基本稳定在(44.6～46) ℃，相对湿度恒定在9.4%～10.1%。开始时，热空气的热量传给温度较低的衣物，同时衣物中的水分不断汽化，随着衣物的温度不断升高，热空气传给衣物的热量越来越少。由图6(a)可以看出，在(0～40) min，衣柜出口温度平稳上升；在40 min后，温度上升速率加快；这是因为干燥速率下降，水分汽化所需热量减少，热量依然留在空气中，并未传递给水分汽化使用，此时，热量没有得到充分利用。

图6 直排式系统空气温度和含湿量随时间的变化曲线

图6(b)为空气含湿量随时间变化曲线，点划线为衣柜进出口含湿量差值的变化曲线。可以看出，(0～6) min是预热阶段，此过程中，每千克干空气带走的水分质量不断增加，除湿速率逐渐升高。这是因为刚开始运行时，大部分热量用来加热衣物中的水分，变为水分的显热，汽化的水分很少。当水分温度不断上升，对应的饱和水蒸气分压力与空气中水蒸气分压力差值不断增大后，水分迁移驱动力增大，水分开始大量汽化。所以，缩短干燥预热时间，有助于提高热泵干衣机的除湿能耗比。在(6～40) min，随着衣物表面易汽化的水分汽化，衣物内部的水分不断向表面流动，水分迁移的阻力不断增大，干燥速率缓慢下降。在40 min后，衣物中剩下大量不易迁移不易蒸发的结合水分，此时汽化不仅要克服水分子之间的作用力，还需克服水分子与固体间结合的作用力[20]，因此干燥速率有明显的下降。在整个干燥过程中，含湿量差值的最大值为8.416 g/kg，最小值为1.514 g/kg，仅为最大值的1/5左右。因此，提高干燥后期的除湿能耗比，是提高直排式热泵干衣机效率的关键。经计算，除湿能耗比为1.24 kWh/kg，平均干燥速率为1.18 kg/h。

4.2 半封闭式热泵干衣机

图7为半封闭式热泵干衣机空气循环参数的变化曲线，环境空气参数同上，风量191 m3/h。图7(a)可以看出，半封闭式热泵干衣机，其循环空气温度不断上升，当温度上升到一定值时，通过干燥箱出口到蒸发器进口段风管管壁向外界散热，加上部分排风带走的热量之和，与压缩机输入功带来的热量达到平衡。30 min处，温度急剧下降是由于打开衣柜进行衣物放置位置调整时，衣柜内大量热量散发出去引起。

图7(b)为半封闭式热泵干衣机空气含湿量的变化曲线，从含湿量的变化中，可以更清晰地看到干燥效果的变化。在30 min处，由于开衣柜，导致热量的损失，影响了衣物中水分的汽化，所以干燥速率在30 min处有所下降。

图7(b)与图6(b)进行对比可以发现，较直排式热泵干衣机，半封闭式热泵干衣机具有更大的进出衣柜的含湿量差值。同时，半封闭式热泵干衣机在干燥后期，没有干燥速率下降的现象，湿空气含湿量的差值始终保持在5 g/kg干空气以上。这是由于随着干燥的进行，半开式热泵干衣机空气温度不断上升，不断地增加传热传质的驱动力，因此，可以一直保持一个较高的干燥速率，平均干燥速率为1.66 kg/h。半封闭式热泵干衣机在干燥过程中热量利用较充分，干燥速率更高一些。除湿能耗比为1.22 kWh/kg，与直排式差不多。

图7 半封闭式热泵干衣机空气循环参数的变化曲线

5 结论

1） 热泵干衣机具有节能的效果。半封闭式热泵干衣机与直排式热泵干衣机在除湿能耗比相同的情况下具有更快的干燥速率，并且，半封闭式热泵干衣机可以减少湿空气的排放，相对于直排式热泵干衣机来说，对环境更友好。

2） 为了维持封闭式热泵干衣机的稳定运行，需要在系统中加入辅助冷却器。

3） 缩短热泵干衣机的预热时间以及提高干燥后期的干燥效率，是两种提高直排式和半封闭式热泵干衣机除湿能耗比的途径。

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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

*欧阳新萍（1964-），男，教授，研究方向：制冷换热器及强化换热。联系地址：上海市杨浦区军工路516号上海理工大学，邮编：200093。联系电话：021-55273428。E-mail：xpoy@163.com。