張聯(lián)英， 付永霞， 張宏飛， 王秋旺

（1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

閉式熱泵干衣機(jī)干衣性能實(shí)驗(yàn)研究

張聯(lián)英1， 付永霞1， 張宏飛1， 王秋旺2

（1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

對(duì)閉式熱泵干衣機(jī)干衣性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采用熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP、除濕能耗比SPC、單位時(shí)間除濕量MER、單位能耗除濕量SMER等指標(biāo)考察其性能.研究結(jié)果表明，熱泵系統(tǒng)的COP值在低負(fù)載時(shí)隨著衣物含水率的增大而增大，在較高負(fù)載時(shí)，在含水率為45%時(shí)達(dá)到最大值；熱泵干燥系統(tǒng)的SMER值在低負(fù)載時(shí)隨著衣物含水率的增大而增大，在較高負(fù)載時(shí)隨著含水率的增大而增大且基本維持在較高的數(shù)值；熱泵系統(tǒng)和熱泵干燥系統(tǒng)相互影響相互制約，熱泵系統(tǒng)的COP值與熱泵干燥系統(tǒng)的SMER值不能同時(shí)達(dá)到最大.

閉式熱泵干衣機(jī)；含水率；單位能耗除濕量

干衣機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用比較普遍，日本70%以 上的家庭將干衣機(jī)和洗衣機(jī)配套使用［1］，而我國(guó)僅在南方潮濕地區(qū)有所應(yīng)用，且應(yīng)用比例較大的是采用電加熱的傳統(tǒng)干衣機(jī).傳統(tǒng)干衣機(jī)將干燥過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣直接排放，不僅浪費(fèi)了熱量，而且對(duì)環(huán)境造成了濕污染.與傳統(tǒng)干衣機(jī)相比，熱泵干衣機(jī)具有節(jié)能、干燥產(chǎn)品質(zhì)量高、干燥條件易達(dá)到、與環(huán)境友好等方面的優(yōu)勢(shì).

許多學(xué)者在熱泵干衣機(jī)節(jié)能方面進(jìn)行了大量的研究工作.Chen等［2］在蒸發(fā)器前加裝了熱管，用來(lái)吸收濕空氣熱量，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器干燥后再將這部分熱量還給干燥系統(tǒng)內(nèi)的空氣，使其升溫.Chua等［3］對(duì)雙蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了研究，指出雙蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)比單蒸發(fā)器熱泵干燥系統(tǒng)熱回收率高35%，如果在系統(tǒng)前加預(yù)冷系統(tǒng)，可使熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP和單位能耗除濕量SMER分別相對(duì)提高12%～20%和25%～50%.Baines等［4］指出，風(fēng)機(jī)與熱交換器的匹配關(guān)系對(duì)干燥能耗有很大影響，匹配不當(dāng)會(huì)造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi).Yadav等［5］通過(guò)研究指出，熱泵干燥過(guò)程中各個(gè)參數(shù)及其經(jīng)濟(jì)性能受其負(fù)載及周圍環(huán)境的影響.

大多數(shù)研究者對(duì)熱泵干衣機(jī)的研究局限于對(duì)某個(gè)部件的節(jié)能上，而不是對(duì)整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)的節(jié)能.本文從熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)節(jié)能出發(fā)，采用熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP、除濕能耗比SPC、單位時(shí)間除濕量MER、單位能耗除濕量SMER等性能指標(biāo)考察其節(jié)能狀況，并且對(duì)熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化給出了相應(yīng)的建議.

1 熱泵干燥的工作原理

熱泵干燥裝置由熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示.熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管及蒸發(fā)器等組成；干燥系統(tǒng)由冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)和干燥室組成.在熱泵系統(tǒng)中，熱泵工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓氣體，進(jìn)入冷凝器冷凝，向干燥系統(tǒng)中的空氣放熱，然后經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，從干燥系統(tǒng)中的空氣吸熱變成低溫低壓氣體，至此完成一個(gè)熱泵循環(huán)；在干燥系統(tǒng)中，由冷凝器出來(lái)的高溫干燥空氣進(jìn)入干燥室，與濕物料進(jìn)行熱質(zhì)交換，流出干燥室的溫濕空氣經(jīng)蒸發(fā)器將部分顯熱和潛熱傳給工質(zhì)，溫度降至露點(diǎn)，水分冷凝析出，含濕量很低的低溫干燥空氣通過(guò)冷凝器加熱升溫變成具有較強(qiáng)吸濕能力的高溫干燥空氣，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下再次進(jìn)入干燥室，至此干燥空氣完成一次循環(huán).周而復(fù)始，不斷將濕物料中的濕分轉(zhuǎn)移.

圖1 熱泵干燥裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump drying equipment

2 性能指標(biāo)

熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP指熱泵供熱量與壓縮機(jī)耗功之比.COP值越大，系統(tǒng)越節(jié)能，熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果越好，其定義式為

式中，Qc為冷凝器釋放熱，kJ；Wc為壓縮機(jī)耗功，kJ.

除濕能耗比SPC指干燥設(shè)備每除去1 kg水分所消耗的能量［6］，用來(lái)評(píng)價(jià)干燥系統(tǒng)的能耗，其定義式為

式中，Wh為干燥系統(tǒng)的能耗，kJ；m為干燥系統(tǒng)除去的水分，kg.

單位時(shí)間除濕量MER指干燥過(guò)程中所除去的濕分與干燥時(shí)間的比值［6］，反映了干燥速度的快慢，但沒(méi)有考慮干燥系統(tǒng)的綜合性能，其定義式為

式中，t為干燥時(shí)間，h.

單位能耗除濕量SMER是指熱泵干燥系統(tǒng)每消耗1 kJ能量所除去的水分質(zhì)量［7］，是衡量干燥系統(tǒng)性能的指標(biāo)，其定義式為

式中，W為熱泵干燥系統(tǒng)消耗的能量，kJ.

3 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)采用小天鵝滾筒洗衣機(jī)為干燥室，管翅式換熱器為蒸發(fā)器和冷凝器，毛細(xì)管為工質(zhì)回路的節(jié)流裝置，制冷工質(zhì)為R134a，壓縮機(jī)采用空調(diào)用渦旋式壓縮機(jī)，進(jìn)／回風(fēng)口采用多個(gè)小孔，使干燥介質(zhì)（空氣）在干燥室內(nèi)均勻分布.本實(shí)驗(yàn)采用閉式循環(huán)，在干燥過(guò)程中采用橡塑保溫管材對(duì)干燥介質(zhì)管路進(jìn)行保溫來(lái)減少熱量損失.實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示，其中t1-t5，t6-t10是均勻地分布在冷凝器外部和蒸發(fā)器外部的溫度測(cè)點(diǎn)，濕度測(cè)試點(diǎn)為h1，h2，h3.q為質(zhì)量流量.

在多種工況下對(duì)熱泵干衣機(jī)進(jìn)行實(shí)際能效對(duì)比測(cè)試.通過(guò)電子秤稱重來(lái)獲得干燥前后物料的質(zhì)量差（即除濕量），采用型號(hào)為DDSHT-17215的單相全電子電能表來(lái)測(cè)量熱泵干燥系統(tǒng)的總耗電量.為保證干燥充分且避免耗費(fèi)更多的能量，衣物在干燥室內(nèi)的烘干時(shí)間定在3 h，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a.稱得標(biāo)準(zhǔn)干布條質(zhì)量m1，然后浸入自來(lái)水桶全部浸透；

b.對(duì)布條進(jìn)行脫水，脫水后質(zhì)量為m2，含水率

c.將布條放入干燥室內(nèi)，設(shè)定工作時(shí)間3 h；

d.對(duì)儀表進(jìn)行調(diào)零和校正后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

e.根據(jù)設(shè)定時(shí)間測(cè)試和記錄各個(gè)測(cè)試點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)；

f.對(duì)干燥后的布條進(jìn)行稱重，質(zhì)量記為m3，除濕量即為m2與m3質(zhì)量之差；

g.重復(fù)a—f所有步驟，直到所有測(cè)試工況完成.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 除濕量隨含水率的變化

如圖3所示，負(fù)載為1.05 kg時(shí)，除濕量m隨含水率wt的增大而增大，且基本呈線性關(guān)系變化，說(shuō)明此時(shí)干衣機(jī)除濕能力有較大富裕，干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)效率高，在開(kāi)始階段除去的是與衣物以松散方式結(jié)合的自由水分，接著再除去的是結(jié)合水.負(fù)載為1.50 kg時(shí)，除濕量隨含水率的增大而迅速增加，但在含水率45%時(shí)存在一個(gè)峰值，隨后呈下降趨勢(shì).從整體上來(lái)說(shuō)，此負(fù)載下的除濕量較高，在此過(guò)程中除去的主要是自由水.負(fù)載為2.25 kg時(shí)，除濕量卻小于負(fù)載為1.50 kg時(shí)的除濕量，主要是因?yàn)樨?fù)載較大，衣物在干燥滾筒內(nèi)與干燥空氣接觸不充分，對(duì)傳熱及水分的擴(kuò)散產(chǎn)生了不利影響.同樣在含水率45%時(shí)也存在一個(gè)峰值，后呈下降趨勢(shì).

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment installing

圖3 除濕量隨含水率的變化Fig.3 Change of dehumidification with moisture content

4.2 耗電量隨含水率的變化

如圖4所示，負(fù)載為1.05 kg時(shí)，耗電量w先是變化很小，后在含水率50%時(shí)突然增大；負(fù)載為1.50 kg與2.25 kg時(shí)，耗電量分別在45%，40%時(shí)存在峰值，然后兩者的耗電量呈下降趨勢(shì).出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，在蒸發(fā)器的出口設(shè)定了一個(gè)溫度值，若干燥空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器后的溫度高于該溫度，將不再對(duì)濕物料進(jìn)行干燥，熱泵系統(tǒng)停止運(yùn)行；反之，則繼續(xù)運(yùn)行.在負(fù)載較大、含水率較高的情況下，由于潛熱的存在，水蒸氣放出熱量變成水，與沒(méi)有潛熱或潛熱較小的情況相比，空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器后的溫度變高，熱泵系統(tǒng)提前終止運(yùn)行，但此時(shí)的除濕量變小，這可以在圖3得到驗(yàn)證，且耗電量也變小.所以，負(fù)載為2.25 kg時(shí)的耗電量小于負(fù)載為1.05 kg時(shí)的耗電量.

4.3 COP隨含水率的變化

圖4 耗電量隨含水率的變化Fig.4 Change of electricity consumption with moisture content

熱泵的COP反映了熱泵系統(tǒng)的節(jié)能水平，其值越大，節(jié)能效果越好.如圖5所示，負(fù)載為1.05 kg時(shí)，COP值持續(xù)升高，呈線性關(guān)系，可見(jiàn)在低負(fù)載時(shí)干衣機(jī)有較大的節(jié)能潛力.本次實(shí)驗(yàn)COP值在負(fù)載1.50 kg、含水率45%時(shí)達(dá)到最大值，高達(dá)3.8，在含水率50%時(shí)又呈下降趨勢(shì).負(fù)載為2.25 kg時(shí)，COP在含水率45%時(shí)達(dá)到最大值.

壓縮機(jī)的功耗是熱泵干燥系統(tǒng)的主要功耗，所以，圖5與圖4的變化趨勢(shì)相似.COP值的大小僅僅反映了熱泵干衣機(jī)的節(jié)能效果，而沒(méi)有考慮干衣機(jī)的整體運(yùn)行情況.對(duì)于較為復(fù)雜的干衣系統(tǒng)，在考察其節(jié)能性時(shí)，不能僅以COP值作為參考.小型空氣源熱泵的COP值一般介于2.0～3.0之間，而本實(shí)驗(yàn)臺(tái)充分利用了干燥室廢氣中的大量潛熱和顯熱，可提高熱泵系統(tǒng)的COP值，即提高熱泵系統(tǒng)的能量利用率.

圖5 COP隨含水率的變化Fig.5 Change of COP with moisture content

4.4 SPC隨含水率的變化

SPC是反映熱泵干燥系統(tǒng)能耗的指標(biāo)，在不同的負(fù)載條件下，SPC隨含水率的增大均呈下降趨勢(shì)，如圖6所示，在衣物含水率為40%～50%的情況下，負(fù)載為2.25 kg時(shí)的SPC值明顯低于負(fù)載為1.05 kg和1.50 kg時(shí)的SPC值.說(shuō)明在含水率40%～50%的情況下，熱泵干燥系統(tǒng)除去1 kg水分所消耗的能量較低，此時(shí)水分是以自由水的形式被除去的.

圖6 SPC隨含水率的變化Fig.6 Change of SPC with moisture content

4.5 MER隨含水率的變化

MER反映系統(tǒng)的除濕速率，與除濕量及COP的變化趨勢(shì)類似.MER只考慮了干燥產(chǎn)品的輸出速率而不考慮系統(tǒng)的整體性能.如圖7所示，在負(fù)載為1.05 kg時(shí)，MER持續(xù)增大；在負(fù)載1.50 kg、含水率45%時(shí)，MER達(dá)到最大值；負(fù)載為2.25 kg時(shí)，MER值也在含水率45%時(shí)達(dá)到最大值.綜上所述，在含水率40%～50%時(shí)，系統(tǒng)的除濕速率較快.

圖7 MER隨含水率的變化Fig.7 Change of MER with moisture content

4.6 SMER隨含水率的變化

作為熱泵干燥系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)參數(shù)SMER能充分反映出熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)的能量利用率.SMER與耗電量成反比，與除濕量成正比.

圖8 SMER隨含水率的變化Fig.8 Change of SMER with moisture content

如圖8所示（見(jiàn)下頁(yè)），負(fù)載為1.05 kg時(shí)，SMER隨著待干衣物含水率的升高而逐漸增大，基本呈線性增長(zhǎng).可見(jiàn)干衣機(jī)在低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，干衣機(jī)的除濕能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所除去的水分，使得設(shè)備的有效利用率不高，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，系統(tǒng)的干燥能力有盈余，對(duì)能源造成了一定程度的浪費(fèi).引起這種現(xiàn)象的原因是干燥介質(zhì)空氣在出干燥室后，經(jīng)過(guò)與待干衣物的熱濕交換，從衣物中吸濕放熱，所吸收的水分使空氣未能達(dá)到飽和狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器吸熱析濕，空氣中所含水分全部變?yōu)槔淠龀?隨著含水率的增大，干燥介質(zhì)從干燥室出來(lái)后其相對(duì)濕度增大，逐漸達(dá)到蒸發(fā)器除濕上限.

負(fù)載為1.50 kg時(shí)，當(dāng)含水率由30%增大到35%時(shí)，SMER有較大幅度增加，之后變化幅度不大.隨著含水率的增加，SMER基本維持在較穩(wěn)定的數(shù)值，在0.6 kg／（kW·h）左右浮動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)干衣機(jī)在較為理想的狀態(tài)運(yùn)行，其能耗、除濕量及系統(tǒng)的整體性能匹配良好.

負(fù)載為2.25 kg時(shí)，SMER變化幅度較大.盡管其除濕量不是最大的，但其耗電量較小，因而有較高的SMER.隨著含水率的升高，SMER迅速增大，當(dāng)含水率為50%時(shí)，SMER達(dá)到0.68 kg／（kW·h），在此狀態(tài)下，熱泵干衣機(jī)的各個(gè)部件匹配良好，干燥介質(zhì)從干燥室吸收的熱量在蒸發(fā)器中釋放，濕分也完全析出，能量利用效率大大提高；同時(shí)，這些熱量通過(guò)冷凝器再次傳給干燥介質(zhì)，使其溫度升高，達(dá)到良性循環(huán).

從圖8和圖5中對(duì)比可以看出，SMER與COP不能同時(shí)達(dá)到最大值，這說(shuō)明熱泵系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)相互影響.綜合考慮熱泵干衣機(jī)的COP，SPC，MER，SMER等性能指標(biāo)，建議在實(shí)際運(yùn)行中使衣物的初始含水率在40%～50%，接近設(shè)計(jì)工況下為宜，此時(shí)整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)具有較高的效率.

5 結(jié) 論

熱泵干衣系統(tǒng)中熱泵COP在低負(fù)載時(shí)隨著含水率的增大而增大，在較高負(fù)載時(shí)，COP在含水率為45%時(shí)達(dá)到最大值；SMER在低負(fù)載時(shí)隨著含水率的增大而增大，在較高負(fù)載時(shí)隨著含水率的增大而增大，且基本維持在較高的數(shù)值；COP與SMER不能同時(shí)達(dá)到最大，熱泵干燥系統(tǒng)中熱泵循環(huán)和干燥循環(huán)相互影響、相互制約.綜合考慮熱泵干衣機(jī)的各個(gè)性能指標(biāo)，建議在實(shí)際運(yùn)行中使衣物的初始含水率在40%～50%之間，接近設(shè)計(jì)工況下為宜，此時(shí)整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)具有較高的效率.

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（編輯：石 瑛）

Experimental Research on Drying-cloth Per formance of Closed Heat Pump Dryer

ZHANGLian-ying1， FUYong-xia1， ZHANGHong-fei1， WANGQiu-wang2
（1.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

The performance of closed heat pump dryer was investigated.The indexes of coefficient of performance of heat pump systems COP，specific dehydration power consumption SPC，average specific dehumidification MER，specific dehumidification SMER and so on were used to study its performance.The results indicate that the value of COP increases with the increase of moisture content at the lower load，and it arrives at the highest value when the moisture content is 45%at the higher load.The SMER of heat pump and drying system increases with the increase of moisture content at the lower load，and it basically remains at a high value when the load is higher.Because the heat pump system and drying system restrict and interact with each other，the values of COP and SMER can’t reach its highest value simultanuously.

closed heat pump dryer；moisture content；specific dehumidification

TK 124

A

1007-6735（2013）04-0382-05

2012-05-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（XJJ2012106）；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012K10-16）

張聯(lián)英（1968-），女，副教授.研究方向：傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化.E-mail：zhangly＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn