热泵式干衣机的设计与实验研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 1.96MB 78 页 15积分
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摘 要
随着国民经济的增长及人民物质生活水平的提高，干衣机已逐渐走入人们的
日常生活。目前市场上最为普及的干衣机产品为电热式滚筒干衣机，它属于清洁
类家用电器，其工作原理是利用直接的电加热元件产生的高温空气来烘干衣物。
虽然在一定程度上减轻了人们的家庭劳动，但它属于高能耗产品，与目前全社会
提倡节能口号不相符合。
我国能源资源从总体上看是比较丰富的，但主要能源的人均水平低于世界平
均水平，为了实现国家的可持续发展计划，必须节约能源。本文从节能的角度出
发，考虑到电热式干衣机的能耗较大，决定尝试将空调用热泵系统应用到干衣机
中，取代其电热装置。
本文首先介绍了电热式干衣机和热泵式干衣机的结构及工作原理，并电热式
干衣机和热泵式干衣机进行了理论能效分析，接着对电热式干衣机进行了相关的
性能测试，从而对电热式干衣机有较为充分的认识。在此基础上，本文设计研制
了热泵式干衣机，对其进行了设计选型以及样机的组装。利用空调器测试用焓差
实验室对设计的热泵式干衣机进行了实际的干衣性能测试，并与电热式干衣机进
行了比较，得出能效方面的相关参数。
最后本文在以上的理论和实验研究的基础上，提出了对电热式干衣机和热泵
式干衣机在实际运行方面的改进措施，目的在于提高这两种干衣机的干衣能效值。
也为热泵式干衣机的发展提供一定的参考数据。
关键词：节能 电热式干衣机 热泵式干衣机 能效对比
ABSTRACT
With the growth of the national economy and the improvement of people’s living
standards, clothes dryer has been gradually gone into people’s daily lives. At present ,
the most popular clothes dryer is electric tumbler dryer, it is clean household appliance,
its working principle is to use electric element to produce high temperature air drying
clthes. Although electric clothes dryer can reduce people’s family work ,it belongs to
high energy consumption produnct, it dose not conform to the slogan of energy
conservation.
Generally speaking, our country’s resources are relatively rich, however, the main
resources are lower than world’s average level. In order to achieve the country’s
sustainable development plan, we must save nature resources. From the view of energy
saving, taking account of the high energy consumption of the electric clothes dryer, the
dissertation decided to fix heat pump system into clothes dryer, replacing heating
elements.
The dissertation firstly introduced the structure and working principle of electric clothes
dryer and heat pump clothes dryer, and then analyzed energy efficient for the two type
of clothes dryer, by the performance testing experiments, the dissertation got more
understanding for electric clothes dryer. Then the dissertation designed and developed
heat pump clothes dryer, and carried out drying performance testing experiments in the
air-conditioner enthalpy difference testing lab, and then compared energy efficient
parameters with electric clothes dryer.
Finally, on the basis of theoretical and experimental study, the dissertation brought
forward improved measures for the two clothes dryers in actual operations, the purpose
of these advices is to enhance drying efficient and offer referrences for the development
of heat pump clothes dryer.
Keywords: energy saving, electric clothes dryer, heat pump clothes
dryer, energy efficiency contrast
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 研究课题的背景和意义 ..................................................................................1
§1.2 文献综述 ..........................................................................................................3
§1.2.1 空气源热泵发展历史 ...........................................................................3
§1.2.2 热泵干燥技术的发展前景 ...................................................................4
§1.2.3 国内干衣机的发展情况和研究现状 ...................................................5
§1.2.4 国外干衣机的发展情况和研究现状 ...................................................6
§1.2.5 干衣机能效标准 ...................................................................................7
§1.3 本文主要研究内容 ..........................................................................................9
第二章 干衣机理论能效分析 .......................................................................................10
§2.1 现有干衣机的类型 ........................................................................................10
§2.1.1 电热式干衣机 .....................................................................................11
§2.1.2 热泵式干衣机 .....................................................................................12
§2.2 热泵干衣过程理论分析 ................................................................................13
§2.3 干衣机理论能效分析 ....................................................................................15
§2.3.1 除湿量 .................................................................................................16
§2.3.2 除湿能效比 .........................................................................................17
§2.3.3 热泵能效比 .........................................................................................18
§2.4 本章小结 ........................................................................................................18
第三章 热泵式干衣机的设计 ......................................................................................20
§3.1 设计构想 .........................................................................................................20
§3.2 结构设计 ........................................................................................................20
§3.2.1 热泵结构设计 .....................................................................................20
§3.2.2 热泵与干衣机的结构设计 .................................................................22
§3.3 压缩机、冷凝器与蒸发器的设计计算 ........................................................22
§3.3.1 系统热力计算 .....................................................................................22
§3.3.2 压缩机的选型计算 .............................................................................24
§3.3.3 蒸发器设计选型 .................................................................................25
§3.3.4 冷凝器设计选型 .................................................................................28
§3.4 节流装置 ........................................................................................................30
§3.5 设计样机的主要技术参数 ............................................................................30
§3.6 本章小结 ........................................................................................................31
第四章 实验测量系统介绍 ...........................................................................................33
§4.1 焓差实验室的介绍 ........................................................................................33
§4.1.1 实验室的构造 .....................................................................................33
§4.1.2 实验室工况的保证 .............................................................................34
§4.1.3 实验数据的测量与记录 .....................................................................35
§4.1.4 实验室的控制系统 .............................................................................36
§4.2 实验装置流程及测量仪器 ............................................................................37
§4.2.1 实验装置流程 .....................................................................................37
§4.2.2 实验测量仪器 .....................................................................................38
§4.3 本章小结 ........................................................................................................40
第五章 干衣机的实验研究 ...........................................................................................41
§5.1 实验目的、内容与方法 ................................................................................41
§5.1.1 实验目的 .............................................................................................41
§5.1.2 实验内容 .............................................................................................41
§5.1.3 实验方法 .............................................................................................41
§5.2 实验步骤与测量参数 ....................................................................................41
§5.2.1 实验环境条件 .....................................................................................41
§5.2.2 实验用衣物 .........................................................................................42
§5.2.3 实验时间控制 .....................................................................................42
§5.2.4 实验项目 .............................................................................................42
§5.3 实验数据分析 ................................................................................................43
§5.3.1 电热式干衣机排风相对湿度 .............................................................43
§5.3.2 对比实验实测数据 .............................................................................44
§5.3.2.1 电热高温实验数据 ..................................................................45
§5.3.2.2 电热低温实验数据 ..................................................................46
§5.3.2.3 热泵干衣实验数据 ..................................................................47
§5.3.2.4 三种干衣方式实验数据对比 ..................................................49
§5.3.3 能效对比实验数据 .............................................................................50
§5.3.3.1 除湿量 ......................................................................................50
§5.3.3.2 除湿能效比 ..............................................................................52
§5.3.3.3 热泵能效比 ..............................................................................54
§5.4 热泵干燥系统优化运行 ................................................................................55
§5.4.1 辅助换热循环 .....................................................................................55
§5.4.2 回热干燥循环 .....................................................................................56
§5.5 电热式干衣机能效提高途径 ....................................... 错误！未定义书签。
§5.6 热泵式干衣机能效提高途径 ........................................................................57
§5.6.1 设计样机的改进途径 .........................................................................57
§5.6.2 热泵式干衣机能效提高途径 .............................................................58
§5.7 本章小结 ........................................................................................................59
第六章 结论与展望 .......................................................................................................60
§6.1 主要工作和结论 ............................................................................................60
§6.2 今后的研究方向 ............................................................................................61
§6.3 展望 ................................................................................................................61
符号表 .............................................................................................................................62
附录 1 ..............................................................................................................................65
附录 2 ..............................................................................................................................67
附录 3 ..............................................................................................................................69
参考文献 .........................................................................................................................71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................74
致 谢 .............................................................................................................................75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究课题的背景和意义
随着经济快速增长，社会生产力和科学技术的不断发展，人们的生活日趋丰
富多采。这就要求从更高的层次上能动地满足人们日益增长的物质生活水平，在
这些背景下，针对南方潮湿的气候以及长江中下游地区的梅雨季节给人们晾晒衣
物带来的困难，干衣机产品已逐渐走入人们的视线，但目前在我国，家用干衣机
的作用还未被广大百姓所认识，因此干衣机市场还基本处于萌芽状态。据介绍，
在日本就有 70%以上的家庭干衣机是和洗衣机配套使用的[1]；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。根据一些国家和地区的经验表明，到一
定阶段，干衣机在城市家庭中普及率应该与洗衣机、电冰箱等其他常用家用电器
的普及率大致相当。目前国内很多的高层住宅使得人们无法在室外晾晒衣物，很
多家庭都将衣物晾挂于室内阳台。然而室内晾衣存在很多弊病，除了晾晒时间长、
干燥效果差、影响家居美观外，更严重的是，室内的紫外线强度根本达不到必要
的杀菌效果，沾附于衣物上的细菌、螨虫等微生物长期潜伏下来，会对人的身体
健康造成严重威胁。科学研究证明，在室内晾晒衣物对大肠杆菌、酵母菌、螨虫
等微生物的杀灭率不到 15%[2]。如遇阴雨天气，由于衣物长时间不干，微生物还会
在潮湿环境下大量繁殖导致衣物发霉。随着国人生活水平的不断提高、健康意识
的逐渐觉醒以及外来生活方式的渗透影响，大众对于家用干衣机这一健康时尚家
居用品的需求会逐渐显现出来。预计未来两三年内，国内市场对于家用干衣机的
需求将呈现爆发式的增长。
目前国内干衣机市场主流产品是以 PTC 为发热元件的电热式滚筒干衣机，它
属于清洁类家用电器，有着使用方便、干燥速度快的优点，在一定程度上弥补了
晾晒空间不足，阴雨天气空气湿度大造成的影响。但它也存在着以下问题，首先
是电能消耗较大，不节能。电热式干衣机利用高品位的电能转化为低品位的热能
来烘干潮湿衣物，而后将湿热的空气直接排出干衣机，能源消耗较大且利用不够
合理；其次是烘干温度较高，对衣物损伤较大。电热式干衣机工作温度一般可达
到60℃，丝绸、羊毛之类材质的衣物不合适高温烘干，且高温对衣物损伤较大；
最后就是电热式干衣机存在一定安全隐患。据美国消费者安全委员会的调查显示，
在1998 年有接近 15600 起电热式干衣机发生火灾，导致 20 人死亡、370 人受伤和
7540 万美元的损失[3] 。此外，由于电热式干衣机的工作方式属于开式循环，直接
吸入环境空气，它的使用会受到环境条件的影响，当外界环境相对湿度较大的时
热泵式干衣机的设计与实验研究
2
候，其干衣性能会有所降低。综合以上可以看出，电热式滚筒干衣机由于采用的
供热方式过分剧烈、能量分布不够均匀，干燥质量往往难以保证，不是干燥衣物
的最佳途径。
在以上的不利因素中，电热式干衣机最主要的弊端是其电能消耗较大，大多
数电热式干衣机每脱 1kg 水需要 1-2.8kWh 电量[4]。而目前节约用电作为国家节能
减排工作的重要内容，是我们应该共同承担的社会和历史责任。能源是一个国家
经济增长和社会发展的重要基础，目前我国经济进入了一个飞速发展的时期，能
源问题变得日益突出，并迅速从国内空间层次跨入到国际空间层次，成为国家安
全的一个日益敏感且令人关注的问题。据 2004 年统计，我国的能源消费总量仅次
于美国，居世界第二位[5]。国家能源研究中心的数据表明，每创造 100 万美元的国
内生产总值，中国的能源消耗是美国的 2.5 倍，是欧盟国家的 5倍，日本的 9倍[6]。
2003 年全国生产原煤 16.67 亿吨，其中发电用煤的消费已达到 8.5 亿吨，占全部煤
炭消费的 50%以上[7] 。国民经济的快速发展，城市化和重化工业的高速增长带动
了电力需求强劲增长，使得“缺电”现象日渐严重。2004 年入夏以来，全国大部
分地区严重“缺电”，许多大城市都采取了紧急措施，北京市对 6000 家企业限电；
上海、杭州除了对数千家企业限电外，还关闭了市内繁华地段和旅游景点的装饰
性照明用电；广州市遇到 10 多年来首次较严重的缺电局面，2004 年实行错峰用电
并对广州市工业企业实行轮休制度。2004 年底全国 21 个省份电力供需形势紧张，
江苏省在 2003 年因为非典原因使 GDP 下降 0.4%，而因为“缺电”使得全省 GDP
下降 0.6%[8] 。用电高峰负荷增长很快，电网负荷率逐年下降，峰谷差值渐渐拉大，
全国平均峰谷差率一般在 5%左右，但有的电网峰谷差己高达 40%[9]。为保证电力
充足，国家和政府不惜花费巨资投入电力建设，以缓解供电紧张形势，近几年来，
我国电力工业，特别是火力发电得到了前所未有的发展，但我们也应该清楚的认
识到，我国电力供求矛盾仍将十分突出，我国的电力工业发展存在诸多不合理因
素，不利于国民经济的健康可持续发展。2005 年全国总发电量中，火电占 81.5%，
水电占 16%，核电占 2.1%[10]。目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的 50%
左右，在我国大气污染中，火电厂的大气污染物排放占有很大比例。2002 年我国
火电厂排放的 SO2约占全国排放总量的 40％，2004 年则达到了 50%[11-12] 。同时
火电厂也是温室气体 CO2的主要排放源，与此同时火电厂大量 SO2的排放也是造
成酸雨的主要原因，在酸雨作用下，土壤中的营养元素会释放出来，并随着雨水
被淋溶掉，长期的酸雨会使土壤变得贫瘠。酸雨还会使存在于土壤、岩石中的金
属元素溶解，流入河川或湖泊，使得鱼类大量死亡，并使水生植物及引水灌溉的
农作物累积有害金属，最后经过食物链进入人体，影响人类的健康[13]。
第一章 绪论
3
由以上分析可以看出节约用电对于国民经济的发展和自然环境的保护有着很
大的意义。节约用电不仅可以减少煤炭资源的使用，而且可以起到减少大气污染
的作用，对于节能减排有着至关重要的影响。基于以上的社会背景，考虑到节能
的效果，决定尝试将空调用热泵系统应用到干衣机内，取代其电加热装置。热泵
是利用逆卡诺循环的原理，用压缩机将气态工质压缩为高温高压状态，然后在冷
凝器中向高温区放出热量而冷凝为液态，经节流减压后在蒸发换热器中从低温区
吸收热量又蒸发为气态工质。如果循环目的是利用冷凝器放出的热量，则为供热
过程；如果利用蒸发器吸收热量则为制冷过程。
利用热泵装置进行干燥还有着如下优点[14] ：首先是高效节能，热泵干燥装置
中加热干燥介质的热量主要来自回收干燥器排出的温湿空气中所含的显热，需要
输入的能量只有热泵压缩机的耗能，而热泵又有消耗少量用户能量而制取大量热
能的优势。因此与常规干燥装置相比，热泵干燥装置的能源效率高，具有明显的
节能优势，其节能幅度一般在 30%以上；其次是常压下低温干燥，通过控制热泵
的蒸发温度和冷凝温度，可对干燥器的进气温度和含湿量根据物料要求进行调节，
可在常压下进行 0-100℃之间的干燥；最后是干燥介质可封闭循环，干燥介质可在
干燥器、热泵蒸发器、热泵冷凝器组成的封闭通道中循环利用，通过其能量与状
态变化将物料中的水分连续除去。这样也就使得热泵干燥有着对环境友好的优点，
热泵干燥装置中干燥介质可在其中封闭循环，没有粉尘、挥发性物质及异味随干
燥废气向环境排放而带来的污染。干燥器排气中的余热被热泵回收用于加热干燥
介质，对环境的热污染很小。而对于应用到干衣机的热泵装置来说，又有着如下
的优点，首先热泵是一种节能装置，在能源利用效率方面要优于直接电加热装置；
其次，采用热泵制取热空气温度不会很高，适宜干燥的衣物范围更广，且对衣物
的损伤也会小很多；最后，热泵作为一项成熟的技术，其系统的安全性能更好，
不易出现火灾等安全问题。更易实现能耗小，清洁、安全的烘衣目标。
本文研究的热泵式干衣机期望在节能、适用范围、安全性能等方面较电热式
干衣机取得一定的提高和改善，也为热泵及干衣机的发展提出一种新的思路。
§1.2 文献综述
§1.2.1 空气源热泵发展历史
随着工业革命的发展，19 世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”
送到温度较高的介质这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家 J.P.Joule 提出了
“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854 年，
W.Thomson 教授发表论文，提出了热量倍增器的概念，首次描述了热泵的设想。
摘要：

摘要随着国民经济的增长及人民物质生活水平的提高，干衣机已逐渐走入人们的日常生活。目前市场上最为普及的干衣机产品为电热式滚筒干衣机，它属于清洁类家用电器，其工作原理是利用直接的电加热元件产生的高温空气来烘干衣物。虽然在一定程度上减轻了人们的家庭劳动，但它属于高能耗产品，与目前全社会提倡节能口号不相符合。我国能源资源从总体上看是比较丰富的，但主要能源的人均水平低于世界平均水平，为了实现国家的可持续发展计划，必须节约能源。本文从节能的角度出发，考虑到电热式干衣机的能耗较大，决定尝试将空调用热泵系统应用到干衣机中，取代其电热装置。本文首先介绍了电热式干衣机和热泵式干衣机的结构及工作原理，并电热式干衣机...

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