汪先送 譚發(fā)剛 宗建成 鄧德喜 鄭雅心

1. 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311；

2. 無(wú)錫小天鵝電器有限公司 江蘇無(wú)錫 214028

0 引言

熱泵干衣機(jī)是在傳統(tǒng)電熱式滾筒干衣機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種內(nèi)循環(huán)式干衣機(jī)，其利用熱泵系統(tǒng)取代電熱式干衣機(jī)的電加熱系統(tǒng)及冷凝系統(tǒng)。熱泵干衣機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是能量利用效率及蒸汽冷凝效率高，更節(jié)能、更省時(shí)；二是烘干溫度低，保護(hù)衣物面料，烘干效果好；三是烘干過(guò)程為內(nèi)循環(huán)過(guò)程，沒(méi)有熱量或濕氣污染室內(nèi)環(huán)境；四是設(shè)置有一層或多層濾網(wǎng)，有效過(guò)濾烘干過(guò)程中產(chǎn)生的線屑，更潔凈健康[1-4]。

目前，關(guān)于熱泵干衣機(jī)的研究主要集中在性能優(yōu)化方面。張聯(lián)英等[5]研究閉式熱泵干衣機(jī)的COP及SMER隨含水率及負(fù)載重量的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)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。張春路等[6]建立了穩(wěn)態(tài)的熱泵系統(tǒng)模型和動(dòng)態(tài)的衣物干燥過(guò)程熱質(zhì)交換模型，并研究了各部件大小的匹配關(guān)系對(duì)單位能耗除濕量SMER和干燥時(shí)間的影響，得出循環(huán)風(fēng)量180 m3/h、新風(fēng)比例9%～10%時(shí)SMER最大，而干衣時(shí)間則隨著循環(huán)風(fēng)量的增加而減小。李偉等[7]研究了直排式熱泵干衣機(jī)和半封閉式熱泵干衣機(jī)的干衣性能，發(fā)現(xiàn)縮短熱泵干衣機(jī)的預(yù)熱時(shí)間以及提高干燥后期的干燥效率，是兩種提高直排式和半封閉式熱泵干衣機(jī)除濕能耗比的途徑。趙家強(qiáng)等[8]提出了一種能大幅度提升能效的單吸雙排氣梯級(jí)加熱熱泵系統(tǒng)的干衣機(jī)，與單循環(huán)熱泵干衣機(jī)相比，梯級(jí)排氣熱泵系統(tǒng)的整機(jī)平均COP提升了25.1%，平均干衣能耗降低了23.3%。

以上研究均聚焦在熱泵干衣機(jī)的性能優(yōu)化，而實(shí)際使用過(guò)程中，由于衣物烘干過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的線屑并附著在濾網(wǎng)上，需要用戶手動(dòng)清潔，但用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分用戶并未及時(shí)清潔濾網(wǎng)，甚至直到濾網(wǎng)臟堵、無(wú)法正常干衣才清潔濾網(wǎng)或?qū)で笫酆髱椭欢鵀V網(wǎng)臟堵會(huì)增大風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻力，導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量降低，繼而導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)能力及能效降低[9-10]；另一方面，濾網(wǎng)附著灰塵及線屑后，易導(dǎo)致細(xì)菌滋生、異味等問(wèn)題，不利于健康[11]。濾網(wǎng)清潔問(wèn)題已成為影響熱泵干衣機(jī)使用體驗(yàn)以及其生命周期中碳排放的重要因素，如何將濾網(wǎng)上的線屑與濾網(wǎng)自動(dòng)分離，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)自清潔，提高用戶體驗(yàn)，降低實(shí)際使用場(chǎng)景下的能耗，已成為熱泵干衣機(jī)領(lǐng)域的重要研究課題。而高速離心分離技術(shù)是一種高效分離方法，已廣泛用于化工、食品、醫(yī)藥、家電、環(huán)保、生物工程領(lǐng)域[12-14]。本文設(shè)計(jì)了一種干衣機(jī)離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)，并對(duì)比原機(jī)研究了離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)基本性能及干衣性能的影響；同時(shí)還模擬用戶實(shí)際使用場(chǎng)景，對(duì)該場(chǎng)景下原機(jī)及濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)的干衣性能進(jìn)行了研究分析。

1 離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)的熱泵干衣機(jī)及其原理

圖1為濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)及其原理圖，相對(duì)于常規(guī)熱泵干衣機(jī)，其最主要區(qū)別是采用離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)取代了熱泵干衣機(jī)的常規(guī)濾網(wǎng)。圖2是離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由前殼、圓形濾網(wǎng)、驅(qū)動(dòng)濾網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)、密封圈以及后殼裝配而成。熱泵干衣機(jī)正常工作時(shí)，電機(jī)和濾網(wǎng)保持靜止，濾網(wǎng)攔截干衣過(guò)程中產(chǎn)生的線屑。啟動(dòng)濾網(wǎng)自清潔時(shí)，噴水系統(tǒng)對(duì)濾網(wǎng)噴水，濾網(wǎng)上的線屑被水淋濕，重量大幅度增加；隨后電機(jī)帶動(dòng)濾網(wǎng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速1000 r/min以上，濾網(wǎng)上的線屑在離心力的作用下，從濾網(wǎng)上剝離，并被水流沖到收集盒或由排污泵排走；隨后噴水裝置停止，濾網(wǎng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)將網(wǎng)布上的殘留水分脫離，濾網(wǎng)恢復(fù)干燥；隨后電機(jī)和濾網(wǎng)停止運(yùn)行；自清潔過(guò)程持續(xù)時(shí)間約30 s。

圖1 離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)的熱泵干衣機(jī)及其原理圖

圖2 離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文測(cè)試項(xiàng)包括原機(jī)及濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)的風(fēng)量、噪聲等基本性能，以及干衣時(shí)間、干衣能耗、含水率等干衣性能，所涉及的實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要有負(fù)載清洗、脫水、烘干，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)載計(jì)重，干衣時(shí)間、能耗的測(cè)試和記錄等，主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表1所示。本文所提出的濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)（簡(jiǎn)稱“自清潔樣機(jī)”）是基于某品牌在中國(guó)大陸地區(qū)銷售的10 kg熱泵干衣機(jī)（簡(jiǎn)稱“原機(jī)”）改裝離心分離濾網(wǎng)系統(tǒng)而來(lái)。為了確保離心自清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作可靠性，測(cè)試所用負(fù)載選用烘干過(guò)程線屑產(chǎn)生量極大的新毛巾，測(cè)試負(fù)載1為金號(hào)白色400 g浴巾，配重的測(cè)試負(fù)載2為潔麗雅80 g白色毛巾。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器及測(cè)試負(fù)載

2.2 負(fù)載準(zhǔn)備與測(cè)試過(guò)程

（1）調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（55±5）%，選取所需重量的測(cè)試負(fù)載，稱重記錄初始狀態(tài)重量；

（2）將標(biāo)準(zhǔn)衣物放入小天鵝滾筒洗衣機(jī)（TD100-1422WDFG）中，選擇混合洗程序，調(diào)節(jié)脫水轉(zhuǎn)速1000 r/min，清洗、脫水，調(diào)節(jié)負(fù)載重量為60%含水率；

（3）取出測(cè)試負(fù)載放入干衣機(jī)中，選擇“混合”檔位進(jìn)行干衣，最終含水率在±3%為合格；

（4）待干衣過(guò)程停止時(shí)降溫，稱重，記錄干衣時(shí)間、干衣能耗，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試3次取平均值。

2.3 確定自清潔方案的最惡劣工況

按2.2節(jié)的準(zhǔn)備及測(cè)試過(guò)程，分別在原機(jī)上測(cè)試負(fù)載重量2 kg、5 kg、8 kg及10 kg新毛巾，干衣時(shí)間以及濾網(wǎng)收集的線屑重量如表2所示。從表2中可以看出，5 kg負(fù)載條件下，單位時(shí)間產(chǎn)生的線屑重量最大，約為0.039 g/min，為自清潔方案的最惡劣的工況，故本研究的負(fù)載重量定為5 kg，即熱泵干衣機(jī)容量的半載工況。由于干衣過(guò)程中產(chǎn)生的線屑量較大，因此，單個(gè)干衣周期過(guò)程分別在第55 min、85 min以及干衣結(jié)束后分別對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行離心自清潔。

表2 不同重量負(fù)載烘干后濾網(wǎng)收集的線屑重量

3 結(jié)果與分析

在熱泵干衣機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量直接影響著干衣時(shí)間的長(zhǎng)短，而系統(tǒng)運(yùn)行噪聲也是系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。表3是原機(jī)及自清潔樣機(jī)空載風(fēng)量、噪聲及功率測(cè)試數(shù)據(jù)。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，原機(jī)空載風(fēng)量均值為311 m3/h，自清潔樣機(jī)平均風(fēng)量為298 m3/h，自清潔樣機(jī)風(fēng)量比原機(jī)小13 m3/h，下降約4.2%，降幅較小，對(duì)整機(jī)性能影響不大；功率方面，原機(jī)空載送風(fēng)功率185 W，自清潔樣機(jī)空載送風(fēng)功率182.7 W，二者較為接近；噪聲方面，原機(jī)空載噪聲平均65.8 dB(A)，自清潔樣機(jī)空載噪聲平均66.1 dB(A)，自清潔樣機(jī)噪聲比原機(jī)略高0.3 dB(A)，影響較小。綜合空載風(fēng)量、送風(fēng)功率及噪聲來(lái)看，原機(jī)及自清潔樣機(jī)數(shù)值均較為接近，可以判斷濾網(wǎng)離心自清潔方案具有初步可行性。

表3 原機(jī)及自清潔樣機(jī)空載風(fēng)量、功率及噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

表4是原機(jī)及自清潔樣機(jī)清潔濾網(wǎng)條件下的半載工況干衣性能測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：原機(jī)及自清潔樣機(jī)在清潔濾網(wǎng)的前提下，原機(jī)平均干衣時(shí)間116.3 min，干衣能耗1.452 kW?h，干燥后負(fù)載含水率約-1.47%；自清潔樣機(jī)平均干衣時(shí)間116.0 min，干衣能耗1.461 kW?h，干燥后負(fù)載含水率約-1.40%。從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，濾網(wǎng)潔凈條件下，自清潔樣機(jī)與原機(jī)在干衣時(shí)間、干衣能耗基本一致，負(fù)載干燥后的含水率均控制在±3%范圍內(nèi)，干衣效果好，可以判斷濾網(wǎng)離心自清潔方案具有可行性。

表4 原機(jī)及自清潔樣機(jī)清潔濾網(wǎng)條件下的半載工況干衣性能測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3、圖4分別是原機(jī)不清潔濾網(wǎng)條件下半載工況的干衣時(shí)間、干衣能耗以及負(fù)載干燥后的含水率，從圖中可以看出，隨著干衣次數(shù)增加，原機(jī)干衣時(shí)間呈現(xiàn)先大幅增加，隨后基本保持穩(wěn)定；而干衣能耗則呈現(xiàn)先小幅增加，在第4個(gè)干衣周期干衣能耗出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，隨后干衣能耗趨于穩(wěn)定；負(fù)載干燥后的含水率則呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，且在第4個(gè)干衣周期后負(fù)載的含水率明顯超出±3%的合格范圍，第4、5個(gè)周期的含水率分別為12.0%和16.1%，即出現(xiàn)了明顯的衣物干不透現(xiàn)象。圖5是第5個(gè)周期后的原機(jī)濾網(wǎng)照片，從照片中可以看出，濾網(wǎng)已經(jīng)積滿線屑，此時(shí)風(fēng)道系統(tǒng)阻力顯著加。表5為第5個(gè)周期后的原機(jī)空載風(fēng)量及功率測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試結(jié)果可以看出，此時(shí)原機(jī)空載風(fēng)量為251 m3/h，而原機(jī)清潔濾網(wǎng)條件下的風(fēng)量為311 m3/h，可以看出，系統(tǒng)風(fēng)量降低了60 m3/h，降幅高達(dá)19.3%。從原機(jī)不清潔濾網(wǎng)的測(cè)試結(jié)果可以看出，若不及時(shí)清潔濾網(wǎng)，濾網(wǎng)阻力增大，引起系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量顯著降低，導(dǎo)致干衣時(shí)間、干衣能耗增加，甚至出現(xiàn)衣物干不透的現(xiàn)象。

表5 原機(jī)不清潔濾網(wǎng)工作5個(gè)周期后空載風(fēng)量及功率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 原機(jī)不清潔濾網(wǎng)條件下的干衣時(shí)間、干衣能耗

圖4 原機(jī)不清潔濾網(wǎng)條件下的含水率

圖5 原機(jī)不清潔濾網(wǎng)干衣5個(gè)周期后的濾網(wǎng)照片

為了驗(yàn)證自清潔樣機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，本文進(jìn)行了自清潔樣機(jī)半載工況下100個(gè)周期的可靠性測(cè)試。圖6、圖7分別是自清潔樣機(jī)工作100個(gè)周期的干衣時(shí)間、干衣能耗及含水率測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試結(jié)果可以看出：自清潔樣機(jī)運(yùn)行100個(gè)周期的干衣時(shí)間、干衣能耗及含水率均呈相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，未出現(xiàn)某個(gè)指標(biāo)顯著增加的現(xiàn)象，且負(fù)載烘干后的含水率在±3%的合格范圍內(nèi)；自清潔樣機(jī)在100個(gè)周期的平均干衣時(shí)間117.6 min，平均干衣能耗1.478 kW?h，平均含水率-1.5%，與原機(jī)及長(zhǎng)期運(yùn)行前的自清潔樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)均較為接近，且數(shù)據(jù)一致性高。

圖6 自清潔樣機(jī)100個(gè)周期可靠性測(cè)試過(guò)程的干衣時(shí)間、干衣能耗

圖7 自清潔樣機(jī)100個(gè)周期可靠性測(cè)試過(guò)程的含水率

表6為自清潔樣機(jī)運(yùn)行100個(gè)周期后半載工況的性能測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試結(jié)果可以看出：100個(gè)周期長(zhǎng)期運(yùn)行后，自清潔樣機(jī)半載干衣時(shí)間117.3 min，干衣能耗1.469 kW?h，含水率-1.44%，空載風(fēng)量平均為296.7 m3/h，空載送風(fēng)功率平均為183 W，空載運(yùn)行噪聲平均為66.3 dB(A)。對(duì)比原機(jī)，長(zhǎng)期運(yùn)行前、長(zhǎng)期運(yùn)行后的自清潔樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，長(zhǎng)期運(yùn)行后自清潔樣機(jī)的干衣性能、空載循環(huán)風(fēng)量、整機(jī)運(yùn)行噪聲與原機(jī)及長(zhǎng)期運(yùn)行前的自清潔樣機(jī)均基本一致，無(wú)明顯差距。結(jié)合自清潔樣機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，該濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)方案長(zhǎng)期運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，方案可靠性好。

表6 自清潔樣機(jī)工作100個(gè)周期后的半載工況性能測(cè)試數(shù)據(jù)

考慮到用戶實(shí)際使用場(chǎng)景中，其衣物烘干過(guò)程中產(chǎn)生線屑的量通常沒(méi)有新毛巾那么多，因此，以烘干過(guò)程線屑產(chǎn)生量相對(duì)較小、更接近用戶實(shí)際負(fù)載的已洗烘過(guò)10個(gè)周期后的毛巾為負(fù)載，測(cè)試原機(jī)干衣性能。圖8為原機(jī)的干衣時(shí)間和干衣能耗曲線，圖9為原機(jī)的含水率曲線，從圖中可以看出，干衣時(shí)間隨著運(yùn)行周期增加呈上升趨勢(shì)；干衣能耗整體上先增大，在第15個(gè)周期出現(xiàn)下降，而導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是第15個(gè)干衣周期結(jié)束后衣物含水率為10.4%，出現(xiàn)明顯干不透現(xiàn)象。

圖8 原機(jī)模擬用戶使用場(chǎng)景下的干衣時(shí)間和干衣能耗

圖9 原機(jī)模擬用戶使用場(chǎng)景下的含水率

基于以上數(shù)據(jù)，本文模擬用戶實(shí)際使用場(chǎng)景計(jì)算了原機(jī)和離心自清潔樣機(jī)整個(gè)生命周期中的干衣時(shí)間以及干衣能耗。首先，對(duì)熱泵干衣機(jī)的實(shí)際使用場(chǎng)景做了以下假設(shè)：原機(jī)方面，用戶發(fā)現(xiàn)衣物未干透現(xiàn)象就會(huì)對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行清潔，即每運(yùn)行15個(gè)周期后對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行清潔，由此可得出原機(jī)每個(gè)濾網(wǎng)清潔周期的平均干衣時(shí)間133.1 min，干衣能耗1.618 kW?h；自清潔樣機(jī)取長(zhǎng)運(yùn)100個(gè)周期的平均數(shù)據(jù)，平均干衣時(shí)間117.6 min，平均干衣能耗1.478 kW?h；假設(shè)用戶每天使用干衣機(jī)1次，負(fù)載重量為半載5 kg，干衣機(jī)的使用年限為10年。根據(jù)以上假設(shè)，可以計(jì)算得出使用原機(jī)的和自清潔樣機(jī)工作10年的總干衣時(shí)間和總干衣能耗，見(jiàn)表7。

從表7計(jì)算結(jié)果可以看出，按模擬用戶實(shí)際使用場(chǎng)景來(lái)計(jì)算，10年內(nèi)，原機(jī)總干衣時(shí)間為8097 h，自清潔樣機(jī)總干衣時(shí)間為7154 h，自清潔樣機(jī)總干衣時(shí)間減少了943 h，降幅11.6%，這不但能減小機(jī)器運(yùn)行過(guò)程機(jī)械損耗，同時(shí)也減少了烘干過(guò)程用戶等待時(shí)間；10年內(nèi)，原機(jī)總干衣能耗5906 kW?h，自清潔樣機(jī)總干衣能耗5395 kW?h，自清潔樣機(jī)總干衣能耗減少了511 kW?h，降幅8.7%，自清潔樣機(jī)實(shí)際使用場(chǎng)景下的碳排放更低，用戶使用成本也更低。

表7 原機(jī)與自清潔樣機(jī)生命周期內(nèi)干衣時(shí)間及干衣能耗對(duì)比

4 結(jié)論

本文將離心分離技術(shù)應(yīng)用于10 kg熱泵干衣機(jī)的濾網(wǎng)自清潔，提出了一種熱泵干衣機(jī)濾網(wǎng)自清潔方案，并測(cè)試驗(yàn)證了原機(jī)及自清潔樣機(jī)的基本性能及干衣性能，得出以下結(jié)論：

（1）基本性能方面，自清潔樣機(jī)空載循環(huán)風(fēng)量及空載運(yùn)行噪聲與原機(jī)接近。自清潔樣機(jī)空載循環(huán)風(fēng)量298 m3/h，較原機(jī)低13 m3/h，降幅4.2%；空載噪聲66.1 dB(A)，較原機(jī)高0.3 dB(A)。

（2）干衣性能方面，自清潔樣機(jī)半載干衣性能與原機(jī)較為接近。原機(jī)平均干衣時(shí)116.3 min，干衣能耗1.452 kW?h，干燥后負(fù)載含水率約-1.47%；自清潔樣機(jī)平均干衣時(shí)間116.0 min，干衣能耗1.461 kW?h，干燥后負(fù)載含水率約-1.40%。

（3）不清潔濾網(wǎng)條件下，隨著干衣次數(shù)增加，原機(jī)干衣時(shí)間呈上升趨勢(shì)，干衣能耗先增加后減小，含水率呈上升趨勢(shì)，且在第4個(gè)干衣周期開(kāi)始出現(xiàn)干不透現(xiàn)象；造成該現(xiàn)象的主要原因是濾網(wǎng)線屑堆積，風(fēng)道阻力增大，空載循環(huán)風(fēng)量由311 m3/h大幅降低到251 m3/h，降幅高達(dá)19.3%。

（4）自清潔樣機(jī)在100個(gè)周期可靠性測(cè)試過(guò)程中，干衣性能呈相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)趨勢(shì)，100個(gè)周期的平均干衣時(shí)間117.6 min，平均干衣能耗1.478，平均含水率-1.5%。自清潔樣機(jī)100個(gè)周期后干衣性能、空載循環(huán)風(fēng)量、整機(jī)運(yùn)行噪聲等與長(zhǎng)運(yùn)前自清潔樣機(jī)及原機(jī)基本一致，該濾網(wǎng)離心自清潔熱泵干衣機(jī)方案穩(wěn)定可靠。

（5）通過(guò)模擬用戶實(shí)際使用場(chǎng)景分析，使用10年，自清潔樣機(jī)比原機(jī)總干衣時(shí)間縮短943 h，降幅11.6%；自清潔樣機(jī)總干衣能耗減少511 kW?h，降幅8.7%；自清潔樣機(jī)碳排放及用戶使用成本更低。