热泵式干衣机的试验研究与性能分析.pdf
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热泵式干衣机的试验研究与性能分析.pdf
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热泵式干衣机的试验研究与性能分析王大伟翁文兵徐剑?
上海理工大学?
摘要介绍电热式干衣机和热泵式干衣机的工作流程及原理,分析电热式干衣机和热泵式干衣机的理论能效值,并设计一套热泵式干衣机试验系统。
对电热式干衣机和热泵式干衣机进行试验研究,并根据试验数据对除湿量、单位除湿能耗和热泵能效比进行对比分析,结果表明热泵式干衣机在节能方面有很大优势。
关键词节能电热式干衣机热泵式干衣机能效对比?
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0#针对南方潮湿的气候以及长江中下游地区的梅雨季节给晾晒衣物带来的困难,干衣机产品已逐渐走人人们的视线。
日本70%以上的家庭干衣机是和洗衣机配套使用的;在欧美等一些发达国家人们已经普遍使用干衣机来干燥衣物。
目前市场上最为普及的干衣机产品为电热式滚筒干衣机,其工作原理是利用直接的电加热元件产生的高温空气烘干衣物,能耗较高。
另外,这种干燥方法还容易发生局部过热而损伤衣物。
热泵式干衣机,将热泵技术应用于干衣机中,取代电热装置。
试验研究与性能分析表明,与传统电热式干衣机相比,热泵式干衣机不但干衣温度较低,降低了衣物的损耗,同时能耗较低,具有显著的节能效果。
l干衣机装置与原理1.1电热式干衣机电热式一干衣机是目前市场的主流产品,其结构原理如图1所示,主要由PTC自限温发热元件、不锈钢滚筒、循环风机及纤维过滤器等组成。
户户户一一一翎卜卜一一333/kkk国国国田。
ollla二图1电热式干衣机结构原理图1.PI发热元件;2.滚筒;3.电脑控制膜盘;4.纤维过海网;5.风机。
工作流程:
室内空气由循环风机吸入滚筒,首先由PTC发热元件加热,获得2()一4()C的温升,而后干热的空气与潮湿的衣物在滚筒内进行热湿交换,再经过纤维过滤网由风机将湿热的空气排至室外。
主要原理是利用高温干热的空气使潮湿衣物中水收稿日期:
20()8一05一20通讯作者:
王大伟,Erna,l:
dawei205()163.eom第6期王大伟等:
热泵式干衣机的试验研究与性能分析分蒸发出来,并将其带出干衣机,空气在滚筒内与潮湿衣物进行热湿交换可近似看作等焙过程。
1.2热泵式干衣机热泵式干衣机与电热式干衣机在结构上的最大区别是采用了闭式循环,利用蒸发器降温除湿,利用冷凝器加热循环空气。
冷凝器和蒸发器分别可以看作是整个干燥循环的加热器和冷却器2。
其结构原理如图2所示,主要由热泵干燥系统、不锈钢滚筒、循环风机及纤维过滤网等组成。
端象5.111且启l!
l加热空气循环图2热泵式干衣机结构原理图1.热泵干澡系统;2.滚筒;3.电脑控制膜盘;4.纤维过注网;5,电热风机;6.热泵风机。
2干衣机理论能效分析根据2种干衣机的干衣流程和原理,笔者将着重分析对干衣能效有较大影响的指标:
除湿量、单位除湿能耗、热泵能效比。
2.1除湿量干衣机的除湿量是指某一时刻的除湿能力(kg/h)。
图3表示干衣机在工作过程中空气处理i-d图,由于干衣过程的工况是变化的,因此它只是干衣过程某一时刻的状态。
图3中实线代表电热式干衣机空气处理过程,空气以环境状态点1进入干衣机,利用PTC元件将空气加热至状态点2。
湿空气流经衣物,达到状态点3,而后直接排出干衣机。
电热式干衣机除湿量的计算可以由状态点2和3的绝对含湿量之差以及干衣机循环风量得出,如式
(1)所示:
H,=(d3一dZ)Q
(1)式中:
H,为电热式干衣机除湿量(kg/h);dZ和姚为绝对含湿量(kg/kg);Q为循环风量(k留h)。
图3中虚线表示热泵干衣机处理状态,吸收衣物水分之后的潮湿空气流过热泵系统的蒸发器,实现降温除湿的过程。
一a。
空气经过冷凝器,实现等湿升温过程a一b。
空气流过衣物等焙增湿降温后再回蒸发器,重新开始循环,即过程b一。
根据干衣机进出口空气状态计算除湿量,如式
(2)所示:
H:
=(d。
一d、)Q
(2)式中:
凡为热泵式干衣机除湿量(kg/h);db和dc为绝对含湿量(吨/kg);Q为循环风量(kg/h)。
2.2单位除湿能耗单位除湿能耗S尸C的定义为除去单位质量的水分所消耗的能量。
单位除湿能耗越小,代表干衣机干衣效率越高。
对于电热式干衣机,总能耗即干衣机输人总功率,包括发热元件、循环风机能耗和其他运行损失;对于热泵式干衣机,总能耗即热泵输人功率与干衣滚筒输人功率的总和。
笔者利用除湿量以及对应的电功率数值直接计算单位除湿能耗,计算公式如式(3)所示:
八一W勺厂七=;下月(3)电热式热泵式图3千衣机空气处理卜d图1一2.等湿加热:
2一3.等给加湿;b.等湿加热;bsec.等治加湿;一a.除湿降温。
式中:
S尸C为单位除湿能耗(kw/(kg/h);W为输人总功率(kW);H为瞬时除湿量(kg/h)。
以上公式对电热式干衣机和热泵式干衣机都适用。
干衣机的单位除湿能耗能更好地反映干衣机工作性能,因为它引入了能耗值,考虑了干衣机运行的经济性问题。
在相同的除湿能力下,能耗低的干衣机才是值得深人研究的节能产品。
2.3热泵能效比热泵能效比EE况为热泵制热量与热泵输人总功率的比值。
它不但反映压缩机在某一工况下运行的能效指标,而且也反映带动压缩机工作的传动和电机效率。
在热泵式干衣机运行过程中,需要计算其EER值,这样可以通过比较干衣机的单位除湿能耗与热泵系统能效比得到两者之间的卜|L以.|卜制冷与空调第8卷相互关系,为热泵式干衣机的优化运行提供参考数据。
热泵系统EER的计算公式如式(4)所示:
。
n_Q0乙乙八一一二万厂(4)式中:
EER为热泵能效比(W/W);Q,为制热量(W);尸为热泵系统输人功率(W)。
3热泵干衣机样机的设计E.L.Sehmidt等,和K.Kloeker等4二研制了可以用作干衣机的C02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,与蒸气压缩式相比,效率较低、造价较高。
J.E.Braun等5j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,其效率虽高于电热式干衣机,但仍低于蒸气压缩式。
试验样机采用普通电热式干衣机改装。
采用蒸气压缩式循环,增加热泵除湿单元(见图4)。
除湿单元的进回风口分别连接原干衣机的出风口和进风口,形成闭式循环。
图4热泵除湿单元4热泵式及电热式干衣机的试验研究与比较试验主要内容是对电热式干衣机和热泵式干衣机进行实际能效对比测试。
在试验中2种干衣机采用相同的环境条件。
另外试验干燥衣物质量也相同。
在以上条件下,比较2种干衣机的耗电功率以及干衣时间和效果。
本试验数据均为每隔5min记录1次。
4.1试验条件环境条件:
环境干球温度为20,环境相对湿度为60%。
试验衣物:
2.5kg(干质量)。
干衣时间:
电热式干衣机,干衣温度有高温和低温2种干衣模式。
根据试验衣物的干质量,选择高温烘干时间为100min;低温烘干时间为巧0min。
热泵式干衣样机则根据干衣机滚筒排风的相对湿度控制干衣烘干时间。
4.2运行工况对比3个工况,表1列出了包括干衣时间、衣物干质量、湿质量、烘干后的质量、是否烘干等物理量。
湿衣质量指衣物浸湿后用洗衣机甩干的质量。
为了保证试验的一致性,对于甩干后的衣物通过喷洒少量的水雾以确保衣物质量相同。
表1干衣机运行工况干衣机工况电热高温10()电热低温150热泵干衣140干衣质量/kg湿衣质量/kg烘干后质量/kg是否烘干nlIn111Inr】11n2.53.62.6是2.53.62.6是2.53.62.5是依据GB/T20292一20O6(家用滚筒干衣机性能测试方法户了对试验负载干燥后的最终含水率的规定,本试验衣物最终均烘干。
4.3试验数据表2是对3种干衣方式能耗试验数据的总结。
表中干衣送风温度与干衣功率数据为干衣全过程的平均值。
从表2可以看出,热泵干衣消耗的电能最少,其次为电热高温,最差的是电热低温。
电热高温的干衣时间最短,低温干衣次之,热泵干衣最长,与低温干衣相差10min。
对于干衣送风温度,电热高温最高,其次是热泵干衣,最低为电热低温。
表23种干衣方式能耗试验数据方式时间/min送风温度/功率/W电能/(kwh)电热高温电热低温热泵干衣10015014():
;98()66)4(,(1:
第6期王大伟等:
热泵式干衣机的试验研究与性能分析4.4能效对比4.4.1除湿量图5是电热式干衣机和热泵式干衣机除湿量的对比分布。
从图中可以看出,无论采用哪种方式,在开始的80min内其除湿量均处于较高水平,但在以后的时间内均有下降的趋势,这是衣物中的水分随着干衣过程的进行逐渐减少的缘故。
在开始的80min内,电热高温的除湿量最大,其次是热泵干衣,最小的为电热低温。
除湿量的大小与衣物中水分蒸发速度的快慢有关:
相同条件下,干衣温度越高,衣物中水分相对蒸发越快,除湿量也就越大,这就是电热高温的除湿量大于电热低温的缘故。
由图还可以看出,电热低温在PTC发热元件停止加热后的10min内,其除湿量处于负值状态,这是由于环境空气在经过干热的衣物后,一部分含湿量被干燥衣物所吸收的缘故。
对整个干衣过程的除湿量而言,笔者根据图5所示的除湿量分布数据,计算了3种干衣方式在整个干衣过程中的除湿量值,见表3。
表3干衣全过程平均除湿l干衣方式电热高温电热低温k留h热泵干衣除湿量0.5460.4050.4414.4.2单位除湿能耗根据实测数据,按照式(3)计算,整理出如图6所示的单位除湿能耗分布图。
由图可以看出,在开始阶段,3种干衣方式的单位除湿能耗均较低。
干衣过程进行大约80min后,单位除湿能耗开始上升。
对于电热式干衣,单位除湿能耗的上升是由于在干衣后期,衣物中的水分减少,水分蒸发减缓,且电热功率并未改变的缘故;对于热泵式干衣机,由于在干衣后期,一方面衣物中水分的减少,另一方面热泵系统的制冷量大部分消耗在冷却空气上,而除去的水分较少,故单位除湿能耗开始上升。
-刊卜-热泵干衣一电热高温一电热低温n甘n八曰nnO几乙O月,n八UO八八曰UO(急拐)l喇涯躺102030405060708090100110120130140150时间加in图53种千衣方式除湿t对比-今-热泵干衣一电热高温一电热低温152535455565758595105115125135时间/min600500姗200300100000(急召)乡络摧招逝踌卿划图63种干衣方式单位除湿能耗对比,制冷与空调第8卷6575时间/min-土l二】口月.8595105115125135热泵系统能效比卜上r,月曰4月J,nU八U00八U八U八曰曰月斗,n曰O八U4,乙,一,-11奴澎超根据单位除湿能耗分布图,计算3种干衣方式在整个干衣过程中的平均单位除湿能耗,见表4。
表4干衣全过程平均单位除湿能耗干衣方式电热高温电热低温kw/(k留h)热泵干衣平均单位除湿能耗1.8471.995飞.3722)与电热式干衣相比,热泵式干衣在干衣前期具有较大优势,其全程除湿量低于电热高温,但高于电热低温;3)根据单位除湿能耗的计算数值,热泵干衣的平均单位除湿能耗低于电热干衣,这表明热泵式干衣具有节能潜力。
参考文献王智超.空气循环热泵除湿技术的理论和试验分析.制冷学报,20()7,28
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954一965.l引门IJ门esJ1门4几j厂ILLesLL-4.4.3热泵能效比根据热泵系统产生的热量与输人的总功率的比值,计算得到如图7所示的热泵制热能效比。
试验EER数值由试验开始5min后进行计算。
由图可以看出,热泵系统能效比值分布在1.60一2.60之间,在干衣的中后期有逐渐下降的趋势。
对于热泵系统来讲,其能效比与热泵系统运行工况密切相关。
根据热泵能效比分布图,计算得到在整个干衣过程中热泵系统的平均能效比为2.27。
5结论通过对热泵式干衣机和电热式干衣机的理论与试验分析,可以得到以下结论:
1)热泵式干衣机的除湿能耗显著低于电热能耗,但干衣时间稍长;45中国制冷空调工业协会标准CRAA430433一2008(空气过滤器已;正式出版!
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