衣物护理机热泵系统匹配应用研究

陈张飞 方 勇

（合肥品冠科技有限公司 合肥 231131）

引言

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人逐渐开始关注衣物的护理保养，而不仅仅是只关注衣物的洗涤。对衣物深度护理、除皱塑型、消毒除菌等衣物护理方式的较多关注，使得衣物护理机产品的逐渐进入大众视野。衣物护理机作为一个比较新的产品品类，也正在经历从单纯的PTC加热烘干到利用热泵系统进行加热烘干的过程。针对热泵系统应用在衣物护理机的开发中，也逐渐从粗放式的整机匹配过渡到精细化的应用研究中，要求开发过程中不仅仅是达到烘干的目的，而且要考虑热泵系统各位置的温度是否最优。同时对于衣物护理来说，不仅要考虑水蒸汽的冷凝，还要考虑腔室内空气的加热温度，这些要求都使得衣物护理机热泵系统匹配存在较多的变量，对衣物护理机的实际开发提出了更高的要求。

如图1和图2，衣物护理机主要利用热泵系统中蒸发器的制冷量对湿热空气进行冷凝，利用冷凝器对蒸发器冷凝后的空气进行加热，加热后的空气通过风道出风口进入到衣物护理机腔室内部对衣物进行加热，然后产生的湿热空气再次经过蒸发器冷凝，通过不断的循环最终达到烘干的效果。热泵系统不仅考虑制冷剂充注量对系统温度和衣物护理机内部温度的影响，还要考虑到衣物护理机内放置不同衣物时对温度的不同要求。下面针对影响衣物护理机热泵系统的三个主要因素进行分析研究，定向的探究热泵系统中毛细管的长度、风机转速的大小及制冷剂的充注量对衣物护理机性能的影响。

图1 热泵型衣物护理机工作原理

图2 衣物护理机

1 毛细管长度对系统的影响分析

衣物护理机产品采用毛细管对热泵系统进行节流降压，而毛细管的长度决定着热泵系统内高压端流向低压端的制冷剂流量、蒸发温度、冷凝温度等参数，是整个热泵系统必不可少的关键零部件[1]。热泵系统中冷凝器的过热冷却段、冷凝段直接决定热泵系统的出风温度，而出风口温度决定着衣物护理机整机的护理及烘干性能。蒸发温度对衣物护理机内部到来的湿热空气冷凝起到了关键作用，蒸发温度过高则蒸汽冷凝较慢，进而烘干效率降低。

毛细管长度的确定一直没有准确的理论对其计算，更多的是通过实验验证其长度是否与系统匹配，检测系统温度、出风口温度等指标选择相匹配的长度。将热泵系统放置在35 ℃环境温度下进行测试，分别验证不同长度的毛细管对整个热泵系统不同位置温度的影响。使用0.8 m、1.1 m、1.7 m、2 m、2.3 m长度的毛细管分别进行系统测试，重点检测冷凝温度、蒸发温度及出风口温度的变化情况。

表1、图3和图4实验数据证明，随着毛细管长度的增加，冷凝温度、蒸发温度及出风温度呈现先下降后上升的趋势，毛细管的长度过长或者过短，都会对系统温度产生影响，进而影响系统内的压力，可能导致系统内压力超过压缩机阀片的使用压力范围。开发过程中，理论上选择下降转上升的拐点对应的毛细管长度，然而在实际应用中，要结合对应产品的实际温度要求，在拐点左右小区间内都可以选择，以达到衣物护理机腔室温度的要求。

图3 冷凝温度与蒸发温度随毛细管长度的变化

图4 出风口温度随毛细管长度的变化

表1 系统温度随毛细管长度的变化数据

2 风机转速的验证研究

不同种类的衣物对衣物护理机腔室空气的温度要求不一样，大多数衣物在55 ℃温度下护理及烘干较为适宜，但一些功能性衣物则需要相对低的温度进行护理。针对衣物护理机不同的温度需求，热泵系统可以通过调节风机转速的大小，以实现控制衣物护理机内部温度高低变化的目的，而此时热泵系统呈现的变化则是蒸发温度及冷凝温度的升高或降低，风速高相当于增加蒸发器和冷凝器的换热效率，风速低则降低了它们的换热效率。

加热空气所需的热量与风口面积、风速、进出口温差之间的关系如公式（1），保证加热空气所需的热量不变，在空气进风口温度、风口面积及空气物性参数不变的情况下，风速与空气出风口温度则成反比例的关系[2]。

式中：

Q — 加热空气所需的热量，kW；

S — 风口面积，m2；

V — 风速，m/s；

ρ— 空气平均温度下的密度，kg/m3；

Cp — 空气平均温度下的定压比热容，kJ/kg·K；

ΔT— 空气的进出风口温差，K。

风机的风速与风机转速成正比例关系，因此风机的转速大小不仅影响着进出风风速的大小，也使热泵系统内的蒸发温度和冷凝温度与其息息相关，最终达到直接控制出风口温度的效果，以保证衣物护理机内部的温度达标。通过调节风机转速为850 rpm、1 050 rpm、1 250 rpm、1 550 rpm，研究不同转速下热泵系统温度的变化，下面是对热泵系统风机进行不同转速的验证，热泵系统各位置的温度变化关系。

由图5、图6知，风机转速升高，对应的冷凝温度降低，蒸发温度升高，同时使得出风口的温度也不断降低，结果导致衣物护理机内温度的变化。风机转速低，则出风口温度高，衣物护理机腔室内升温速度快但空气流动慢，整机的烘干效率降低；风机转速高，则出风口温度低，升温速度慢，衣物护理机腔室内空气流动快。因此，在保证热泵系统不变的情况下，针对衣物护理机风机转速的匹配，需要在升温速度与烘干效率之间进行取舍，做到两者兼顾的较优匹配，以确保整机达到较高的性能指标。

图6 风机转速对出风口温度的影响

3 制冷剂充注量的验证研究

在衣物护理机的热泵系统中，蒸发器的主要作用是对湿空气中的蒸汽进行冷凝，而冷凝器的作用是对经过蒸发器冷凝后的干空气进行加热。可以看出，在制冷剂充注量合适的情况下，热泵系统的蒸发器温度不能保持过低也不能过高，过低则会导致出风口温度偏低，影响衣物护理机腔室内温度，过高则会导致蒸发器冷凝湿蒸汽效率过低，影响衣物护理机的烘干性能。

因此针对衣物护理机产品的特点，需要对热泵系统制冷剂的充注量进行匹配分析，做到既能保证把蒸汽冷凝下来，又能使经过它的空气温度不至于降低过多。衣物护理机热泵系统中不同的R134a充注量与系统温度的关系验证数据研究如表2、图7和图8。

图7 制冷剂充注量对蒸发器进出口温度的影响

图8 制冷剂充注量对出风口温度的影响

表2 不同制冷剂充注量系统温度

表2、图7和图8数据表明：随着制冷剂充注量的不断的减少，蒸发器末端液态制冷剂逐渐减少直至完全没有，温度上则表现为蒸发器出口的温度逐渐大于蒸发器进口的温度，而后蒸发器出口温度快速升高，同时也使出风口温度呈现先降后升的趋势。因此根据衣物护理机产品特点及温度的要求，使系统保证一定的过热度是较为合适的匹配标准，从开始出现蒸发器出口温度大于蒸发器进口温度的临界点开始，选择保证2 ～ 5 ℃的过热度对应的制冷剂充注量，则是较为合适的制冷剂充注量，既能考虑到蒸发器的冷凝效率，又能兼顾到出风口温度不至于过低。

4 结论

热泵系统作为衣物护理机的核心组件，起到对衣物进行加热护理、冷凝烘干的主要作用，相对于PTC加热器有其独特的优势，完善对热泵系统的匹配应用研究是提高衣物护理机性能非常重要的一环。

本文通过对毛细管长度、风机转速及制冷剂充注量的研究证明，毛细管长度的确定需要结合系统温度拐点找到最佳匹配长度，无论是过长还是过短，系统温度都会产生较大的变化，进而对压缩机有较大的影响；风机转速的变化，可以使出风口的温度随之变化，在护理不同类型衣物时，可以通过调节风机转速对衣物护理机内部进行温度控制，但同时需要在烘干效率上进行取舍；为了兼顾蒸发温度不能太高和出风口温度不能太低，选择使系统有（2 ～ 5）℃的过热度对应的制冷剂充注量较为适宜，可以保证到蒸发器既能快速的冷凝水蒸汽，又能使出风口温度达到衣物护理机的要求。