新型家用热泵式干衣机的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.39MB 70 页 15积分

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摘要

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，

传统的电加热方式的干衣机能耗高且干燥效果不佳。热泵是一种高效的热量输运

设备，通过压缩机消耗少量的功实现热量由蒸发器处向冷凝器处的转移。本课题

将蒸汽压缩式热泵系统与空气循环有机的结合，应用于家用干衣机中。首先热泵

系统中的蒸发器处的冷量用于对空气进行降温除湿，然后低含湿量的空气通过冷

凝器，升温获得高温、低相对湿度的空气，进而进入衣柜干燥衣物。热泵干衣机

充分利用了热泵的热量与冷量，降低了能耗的同时增强了干燥的效果。

本课题对热泵式干衣机进行了理论分析与计算，计算对比了热泵式干衣机和

电加热式干衣机的耗电量与干燥速率，验证了其可行性。对主要的部件进行了设

计与计算，搭建了热泵干衣机实验台，测量了实验过程中热泵系统的耗电量、温

度、压力参数，空气循环系统的温度、相对湿度，得出了在环境温度 20℃，相对

湿度为 60%，引入新风量为 49%的条件下，热泵式干衣机的除湿能耗比 SEC 为

1.22kWh/kg，较电加热式干衣机的 1.847kWh/kg，其节能约 35%。分析了热泵式干

衣机在整个干燥过程中不同阶段的干燥效果的变化规律，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。分析了在不同的风量下，热泵系统

性能与干燥效果的变化。最后，提出了一些改进办法，为进一步优化热泵干衣机

的结构、降低热泵干衣机的能耗指出了方向。

关键词：热泵干衣机节能干燥热泵干燥

ABSTRACT

Clothes dryer is a high energy-consuming equipments, it needs a lot of thermal

energy to heat the water in the clothes to make its vaporization, the traditional clothes

dryer use electric heating mode, which is very energy-wasting and the drying effect is

bad. Heat-pump is a high-efficiency heat-transfer mode, the heat energy will transfer

from the evaporator to the condenser only by consuming a small quantity of electric

energy. This project combines the vapor compression heat pump and the air circulation.

First, the circulating air flow through the evaporator, after cooling and dehumidification,

the air flow through the condenser, then it turn into high-temperature and low-relative

humidity air. At last, the air enters into the oven to drying the clothes. The heat-pump

takes full use of the heat and the refrigerating output, reduces the energy consumption

with high drying effect.

This project includes: theoretical analysis and calculation of heat-pump dryer,

comparison of the power consumption and the drying rate of heat-pump dryer and

electrical heating dryer, test and verification of the feasibility of heat-pump dryer,

Design of the major components, and building of the laboratory bench, measurement of

the temperature, pressure, power consumption of heat-pump, the temperature and

relative humidity of circulating air. When the ambient temperature is 20℃，the relative

humidity is 60%, and the SEC of heat-pump is 1.22kWh/kg. Compared with the

electrical heating dryer, the energy saving is 35%. Analysis of the drying effect of

different stage and enhancement of the drying initial and later stage are effective ways

to improve the SEC. The drying effect of different air quantity are Compared. At last,

some improvements to optimize the heat-pump clothes dryer are introduced.

Key Words: heat-pump, clothes dryer, energy conservation, dry,

heat-pump dryer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 引言 ...................................................................................................................1

§1.2 干衣机的发展与现状 .......................................................................................4

§1.3 国内外关于干衣机的研究进展 .......................................................................7

§1.4 本课题研究的主要内容 .................................................................................12

第二章热泵干衣机的基本原理与理论分析 ...............................................................14

§2.1 热泵干衣机的基本结构与理论循环 .............................................................14

§2.2 热泵干燥装置的分类 .....................................................................................15

§2.3 热泵干燥装置空气循环的实际过程 .............................................................17

§2.4 热泵干衣机的问题分析 .................................................................................18

§2.4.1 热泵干衣机中的热量平衡 ...................................................................18

§2.4.2 冷量有效利用率 ...................................................................................19

§2.4.3 热泵干衣机的快速启动 .......................................................................19

§2.4.4 干衣机的自动控制 ...............................................................................19

§2.5 热泵干燥装置的主要优点 .............................................................................21

§2.6 本章小结 .........................................................................................................22

第三章主要设备的计算与选型方法 ...........................................................................23

§3.1 标准工况的确定 .............................................................................................23

§3.2 干燥介质的选取 .............................................................................................24

§3.3 压缩机的选型 .................................................................................................25

§3.4 湿空气循环风量大小的确定 .........................................................................26

§3.5 冷凝器的设计与计算 .....................................................................................26

§3.6 蒸发器的设计与计算 .....................................................................................30

§3.7 本章小结 .........................................................................................................35

第四章热泵干燥装置评价标准与理论分析 ...............................................................36

§4.1 热泵干衣机的评价指标 .................................................................................36

§4.2 热泵干衣机与电加热干衣机的对比 .............................................................37

§4.2.1 对比基础 ...............................................................................................37

§4.2.2 常规干燥装置的耗电量 .......................................................................38

§4.2.3 热泵干燥装置的耗电量 .......................................................................38

§4.2.4 节能分析 ...............................................................................................38

§4.2.5 环境负荷的比较 ...................................................................................39

§4.2.6 干燥效果的比较 ...................................................................................39

§4.3 多余热量的处理 .............................................................................................39

§4.4 本章小结 .........................................................................................................42

第五章实验台与实验方案 ...........................................................................................43

§5.1 实验装置 .........................................................................................................43

§5.1.1 热泵系统 ...............................................................................................43

§5.1.2 空气循环系统 .......................................................................................46

§5.1.3 测量系统 ...............................................................................................46

§5.1.4 电控系统 ...............................................................................................48

§5.2 实验台的调试 .................................................................................................49

§5.3 试验标准 .........................................................................................................50

§5.4 实验方法 .........................................................................................................51

§5.5 本章小结 .........................................................................................................51

第六章实验结果与数据处理 .......................................................................................52

§6.1 直排式热泵干衣机数据分析 .........................................................................52

§6.2 半封闭式热泵干衣机数据分析 .....................................................................54

§6.3 不同风速下半封闭式热泵干衣机实验与分析 .............................................58

§6.4 本章小结 .........................................................................................................59

第七章结论与展望 .....................................................................................................60

§7.1 课题内容 .........................................................................................................60

§7.2 热泵干衣机的优化方向 .................................................................................60

主要符号说明 .................................................................................................................62

参考文献 .........................................................................................................................64

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................................................67

致谢 ...............................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 引言

能源是人类社会生存和发展的基础，煤炭、石油、天然气等建立在化石燃料

基础上的能源，支撑着人类社会的工业到日常生活。然而，人类社会的快速发展

和资源环境的矛盾却日益严峻，资源面临枯竭，环境日益恶化。如何降低生产与

生活中各种能源消耗已经显得越来越重要。

干燥的目的是去除物料中的水分，使物料便于贮存、运输和使用，或满足

进一步加工的需要，是典型的耗能工艺。干燥装置在生活与生产中都有着广泛的

应用。例如，生活中对衣物、织物等家庭用品的干燥，在生产中，由于一些加工

工艺要求和储存要求等对原料或者成品进行的干燥，如奶粉、方便食品的加工，

茶叶、粮食的保存等。随着人民生活水平的提高和工业、农业等产业的快速发展，

干燥装置的应用领域也越来越多，对干燥装置的要求也越来越高。由于科学技术

的迅速发展和学科领域之间的交叉与渗透，传统的干燥技术也发生了日新月异的

变化，如何降低干燥能耗，提高干燥效果是干燥技术的研究方向。

物料中所含的水分，通常分为非结合水和结合水。非结合水是附着在物

料表面和孔隙中的水分，水分汽化仅需克服水分子之间的作用力；结合水则

与物料存在某种物理的或化学的作用力，汽化时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[1]。

工程上将物料中的水分除去的方法包括机械法（如离心力、压榨力等将水以

液态形式排出）、加热方法（将水分汽化排出）、化学吸附方法（利用吸附剂将物

料中的水分除去）等。物料经过机械除湿后仍保留了较高的水分，一般为 40%～

60%左右[2]，机械除湿法只能除去物料中的自由水分，结合水分仍残留在物料中。

要想获得较好的干燥效果，需要采用加热干燥的方法，通过加热汽化物料中的水

分除去结合水，达到工程上所要求的含水量。化学除湿法，由于吸附剂的除湿能

力有限，且需要投入吸附剂，因此应用较少。

工程上应用较多的是加热干燥的方法，其基本原理是通过加热物料从而提高

水分边界层与周围主体空气的水蒸气分压力差，增大水分迁移的动力。当空气与

水分接触时，由于水分子做不规则的运动，在贴近水表面处存在一个温度等于水

温的饱和空气边界层，边界层处的水蒸汽分压力取决于物料的表面水的温度。我

们将远离边界层的空气称为主体空气，主体空气与水分的热湿交换的强弱主要取

决于主体空气与边界层处的饱和空气的温差与水蒸汽分压力差。如果边界层内空

气的温度高于主体空气，则热量由边界层传向主体空气；反之，热量则由主体空

气传向边界层。当边界层内水蒸气分压力高于主体空气时，则水蒸气分子将由边

新型家用热泵式干衣机的研究

界层向主体空气迁移，同时，水滴中的水分子跃出水面补充到边界层中；反之，

则水蒸气分子由主体空气向边界层内迁移，同时，边界层中过多的水蒸气分子将

回到水面。边界层与主体空气之间温差是热交换的推动力，水蒸气分压力差则是

湿交换的推动力[3]。

物料中湿含量有两种表示方法：干基含湿量，一般用

表示；湿基含湿量，

一般用



表示。物料的干基湿含量

定义为物料中的水分质量

wmm

与物料中干物

质质量

dmm

之比，用公式表示为



(1-1)

物料的湿基含湿量



定义为物料中的水分质量

wmm

与物料的总质量（水分质

量

wmm

加上干物质质量

dmm

）之比，有时也称为湿度，用公式表示为

xm dm

m m





(1-2)

当被干燥物料和湿空气接触，经历足够长的时间以后，物料中的水分向空气

逸出的速度与物料从空气中吸收水分的速度会达到动态平衡，此时物料中的水分

含量称为该物料对应于给定空气温度与相对湿度的平衡含湿量。当空气的温度与

相对湿度不相同时，所对应的物料的平衡含湿量也有所不同；当空气温度与相对

湿度相同而物料不同时，物料的平衡含湿量也不同。一般来说，物料的平衡含湿

量随着干燥介质的相对湿度的降低而降低，随着干燥介质的温度的升高而降低。

因此，想要对物料进行较为彻底的干燥，必须提升干燥介质的温度，同时降低干

燥介质的相对湿度。随着干燥过程的进行，在干燥的后期，物料中的水分主要以

结合水分的形式存在，位于物料细胞、纤维管壁以及毛细管中，与物料的结合能

力较强，水分汽化迁移至空气中需要更大的推动力，这时，要想进一步干燥，需

进一步提升干燥介质温度，同时降低干燥介质相对湿度[4]。传统的电加热干燥方式

仅仅依靠加热空气来提升干燥介质温度，从而获得进一步的干燥效果，到达更低

的平衡含湿量。在阴雨天气，湿空气的相对湿度本身就较高，要想获得同等的干

燥效果，就需要将空气加热到更高的温度，这就需要耗费更多的电能，且高温干

燥对热敏性高的物料是不利的。物料在干燥的过程中，水分不断的由物料转移到

空气中去，导致物料周围的空气的相对湿度的逐渐增大，因此，为了获得更好的

干燥效果，需要及时的将湿空气排除，同时，从外界引入一部分干燥空气，减少

干燥室内的空气的相对湿度，使得干燥过程连续不断地进行。

干燥速率定义为单位时间内从物料中除去的水分的质量。物料在干燥过程中，

干燥速率随着时间的变化而变化，并不是一成不变的。有以下几个过程：1、预热

阶段。干燥的初始阶段，热源将热量通过空气传递给物料表面，使其表面温度上

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摘要：

摘要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，传统的电加热方式的干衣机能耗高且干燥效果不佳。热泵是一种高效的热量输运设备，通过压缩机消耗少量的功实现热量由蒸发器处向冷凝器处的转移。本课题将蒸汽压缩式热泵系统与空气循环有机的结合，应用于家用干衣机中。首先热泵系统中的蒸发器处的冷量用于对空气进行降温除湿，然后低含湿量的空气通过冷凝器，升温获得高温、低相对湿度的空气，进而进入衣柜干燥衣物。热泵干衣机充分利用了热泵的热量与冷量，降低了能耗的同时增强了干燥的效果。本课题对热泵式干衣机进行了理论分析与计算，计算对比了热泵式干衣机和电加热式干衣机的耗电量与干燥速率，验证了其可行性。对...

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