郭新贤，韩 东，岳 晨

（南京航空航天大学能源与动力学院，江苏 南京 210016）

洗衣机衣物烘干具有重要应用价值。目前，市场上常用的有两种衣物烘干系统：一种是常规电加热烘干系统，另一种为热泵烘干系统。

常规电加热烘干虽然结构较简单，但是其烘干过程较长，热风效率较低，烘干温度很高[1-2]，很容易引起衣物的烫伤和褶皱，另外，电加热烘干的能耗较大。以往所研究的热泵烘干虽然前期比常规电加热烘干节能[3]，但是在烘干的中后期，除湿主要是去除湿物料中的结合水，由于空气跟干燥物料之间的传质系数小，使得干燥室进出口空气状态变化较小，输入的电能大部分以热能的形式排出系统。

以上烘干方式存在能耗大、烘干温度高的不足，开发设计新型节能环保洗衣机衣物烘干工艺具有大的市场需求。

目前国内外研究者在此方面已做出大量探索性工作。Manuel[4]对于烘干衣物的能量节约进行了研究，研究表明，常规电加热烘干系统需要较大的能量，鉴于能量消耗较大的缺点，提出了一种闭式循环烘干系统，该系统主要是利用换热器将吸湿后的空气冷凝，然后再经过加热器重新吸湿，换热器的使用明显改善了能量效率，换热器的最佳尺寸不依赖于衣物的重量，本质上取决于空气流量的大小。Deans[5]以部分实验参数为基准，模拟了不同环境工况对于烘干性能的影响，结果表明，烘干过程的能量消耗主要取决于环境空气的温度和相对湿度。Ahmadul等[6]对于热泵烘干衣物进行研究，对于达到相同的烘干效果，热泵烘干衣物需要2 h，而商用的烘干机需要2.5 h，自然烘干衣物则需要6.5 h。Bansal等[7]针对常规电加热烘干系统能量消耗较大的缺点，提出并研究了另外3种烘干系统，结果表明开式循环烘干系统和带有回热装置的闭式循环烘干系统大约能够节能14%，然而闭式循环烘干系统能够节能7%。Bansal等[8-9]提出用热水取代电加热器的烘干工艺，研究结果表明，影响系统性能的主要因素为热水流量和热水进口温度。

通过与常规的烘干工艺相比，空气低温烘干循环系统具有零水耗、低能耗、烘干温度低的优点，因此将该系统用于衣物烘干领域具有较大潜力。

Akira等[10]日本学者初步研究了空气低温烘干循环系统的冷凝性能，通过实验，该系统能够达到的冷凝量为22 g/min。Brauna等[11]对于空气循环烘干系统进行模拟分析，比起常规电加热烘干系统，该系统能够实现节能40%。

而已有研究设计的系统方案，主要是从理论的热力学性能角度开展，较少考虑烘干温度问题、衣物对烘干工艺的要求。

为此，本文主要基于机械热泵原理，设计考虑低能耗、零水耗、烘干温度低特点的洗衣机衣物低温烘干工艺，并借助EES软件，通过与常规电加热烘干工艺对比，对其热力学性能进行分析。并对影响该系统整体热力学性能的关键操作参量进行分析，研究其热力学性能潜力及来源。

1 衣物烘干方案

如图1所示，常规电加热烘干系统工作于常压状态，该系统虽然结构简单、运行可靠，但是该系统耗能较大，进入滚筒温度较高，并且需要消耗大量的冷却水。

图2为常规电加热烘干系统的焓湿图，状态点与系统流程图标注的状态点相对应，吸湿后的湿空气1经过换热器放热后变为饱和湿空气2（相对湿度为100%），最后经过电加热器加热到0（含湿量不变），完成一个循环。

图1 常规电加热烘干系统流程图

图2 常规电加热烘干系统焓湿图

图3 空气低温烘干循环系统流程图

图4 空气低温烘干循环系统温熵图

图3为设计出的空气低温烘干循环系统方案原理流程图。该系统由滚筒、电动机、压缩机、换热器、风冷器、分离器、排水管、膨胀机、风机、电加热器组成，其工作原理是从滚筒吸湿后的湿空气通过压缩机变为高温高压的空气，随后经过换热器放热变为相对湿度较大的湿空气，接着进入风冷器继续放热为饱和湿空气，此时湿空气还处于高压，然后进入膨胀机作功，变为低温常压的湿空气，随后，经过膨胀后的空气与滚筒出来的另一股空气混合为流量较大的空气，这股大流量空气吸收换热器中的热量，吸热后的空气最终通过电加热器加热为高温空气，此时，湿空气的相对湿度较低，至此，完成了一个循环。

图4为空气低温烘干循环系统的温熵图，状态点与系统流程图的状态点相对应。

比起常规电加热式烘干系统，空气低温烘干循环系统能够节能 15.7%，该系统节能的关键部件在于换热器，因为换热器主要是回收系统中的热量，对于该系统而言，回收的热量越大，节能就越明显，因此要最大限度地利用换热器回收热量。本文设计出的空气低温烘干工艺具有零水耗、低能耗、烘干温度低的优点。

2 系统建模

采用 EES软件对空气低温烘干系统的四大设备建立系统模型。

2.1 压缩机

压缩机为活塞式压缩机，采用等熵效率零维模型进行建模。压缩机的绝热效率定义为可逆绝热压缩所消耗功与压缩机实际消耗功的比值，见式（1）。

对于该系统中的空气压缩，可以将式（1）简化为式（2）。

式中，Tc,out,s为等熵压缩的压缩机出口温度；Tc,in为压缩机进口温度；ma为干气体流量；Wc,s为压缩机等熵压缩消耗比功；Wc,a为压缩机实际消耗比功；hc,out,s为等熵压缩出口比焓；hc,in为压缩机进口比焓；Tc,out,s为实际压缩出口温度；ηc为绝热效率。

2.2 换热器

换热器中，高温湿空气将热量放给低温空气，换热器是这个系统的核心部件，它回收的热量多少直接影响整个系统的效率。换热器有有两种类型：显热式换热器和显热与潜热同时存在的换热器。对于这两种换热器，通过使用ε-NTU方法来模拟换热器性能。见式（3）、式（4）。

式中，εhx为换热器的总换热效率；Qmax为换热器理想情况的最大换热量，Qhx为换热器中实际换热量；mh与mc分别为热、冷侧干空气流量；hh,in与hc,in分别为热、冷侧进口的比焓；hh,out,min为热侧流体出口可能达到的最小比焓；hc,out,max为冷侧流体出口可能达到的最大比焓；hc,out,max是通过冷侧流体进口压力、含湿量和热侧流体进口温度来计算；对于显热换热器而言，hh,out,min是通过热侧流体进口压力、含湿量和冷侧流体进口温度来计算；对于具有潜热存在的换热器而言，hh,out,min是通过热侧流体进口压力、相对湿度 100%和冷侧流体进口温度来计算的。

实际换热量Qhx通过式（5）计算。

式中，me,w为换热器中冷凝水量；he,w为冷凝水的比焓。对于显热换热器，没有冷凝水析出，后一项为零。

2.3 膨胀机

膨胀机为活塞式膨胀机，同样采用等熵效率零维模型进行建模，并且结构上与压缩机同轴处理，参考文献[12]，膨胀效率用来衡量膨胀机的性能，膨胀效率定义为实际膨胀作功与理论绝热膨胀作功的比值，见式（6）。

式中，me,w,ahe,w,a表示实际膨胀过程冷凝水的能量。由于该文中冷凝水能量较小，因此式（6）可以简化为式（7）。

2.4 滚筒

滚筒采用绝热模型，滚筒中吸湿过程为等焓过程，水分蒸发需要吸收的热量为式（8）。

吸湿过程中质量守恒方程如式（9）。

式中，γ(T)为温度T时的汽化潜热；mevap为衣物中水分质量。

2.5 系统评价指标

评价干燥系统性能特性参数主要有总功率消耗、冷凝速率、节能百分比、MER（moisture extraction rate）、COP和技术经济性，总功率消耗计算式如式（10）。

式中，Wd为驱动滚筒消耗功率；Wc为压缩机消耗功率；We为膨胀机作功；Wh为电加热器消耗功率。另外，对于常规电加热式衣物烘干系统，压缩机消耗功率和膨胀机作功为0。

冷凝速率是一个重要的参数，它决定了衣物烘干系统的除湿效果。

对于常规电加热烘干系统而言见式（11）。

对于空气循环低温烘干系统而言见式（12）。

式中，m为冷凝速率；ma为干空气流量；ω1、ω3、ω9分别为各点的含湿量。

节能百分比主要是反映空气循环低温烘干系统相对于常规电加热烘干系统的节能性。见式（13）。

式中，W总1为常规电加热烘干系统的总能耗；W总2为空气循环低温烘干系统的总能耗；ε为节能百分比。

MER是一个综合性能指标，定义如式（14）。

式中，Δtcycle为干燥循环所需时间，Mwet为总湿衣物重量。MER能够很好地反映烘干系统的性能，该值越小，说明对于输入相同大小的功率，烘干时间越短。

COP主要是评价该系统的输入能量利用效率，见式（15）。

3 系统整体热力学性能结果及分析

3.1 系统基本操作参数及假设

（1）进入滚筒的空气温度不能超过130 ℃；

（2）滚筒内部吸湿过程保持 1 atm（1 atm=101325 Pa）；

（3）湿衣物质量为5 kg，其中含水率为70%；

（4）系统循环空气流量为40 kg/h；

（5）滚筒出来另外一股空气流量为110 kg/h；

（6）比起系统总能量消耗，可以忽略风机消耗功率；

（7）滚筒消耗功率200 W；

（8）滚筒出口空气相对湿度90%；

（9）压缩机和膨胀机效率为 80%，换热器效率83%，压缩机压缩比为1.29；

（10）冷却水的费用为0.4元/t；

（11）全年工作时间为7200 h；

（12）1 kW·h电的价格为0.5元。

3.2 结果分析

通过使用 EES软件对于两种烘干系统进行理论模拟，在保持冷凝量、湿衣物重量相等的情况下，得到两种烘干系统模拟结果对比情况，如表1。

通过表1可以看出，与常规电加热热风烘干系统方案相比，该系统具有显著的热力性能优势。在保证冷凝量为1.02 kg/h的情况下，该设计系统的单位能耗除湿速率MER仅为0.5018，较常规电加热热风烘干系统降低了16.5%，COP为0.79，较常规电加热热风烘干系统提高了 16.5%；此外，相比较常规电加热烘干系统方案烘干温度 90 ℃，该方案设计的滚筒操作温度仅为57.68℃，有效拓展了可烘干衣物的范围；另外，设计的系统年节约成本为781.2元，在未来烘干衣物领域具有很大的潜力。

表1 两种烘干系统对比情况

4 关键操作参量影响分析

4.1 系统空气流量

图5为系统空气流量对系统烘干时间和总功率消耗的影响规律，系统空气流量即为经过压缩机的流量。由图5可知，当系统空气流量由40 kg/h增大为67 kg/h，烘干时间由197.4 min减小为117.8 min，总功率消耗由0.7363 kW增大为1.233 kW，系统空气流量的增大会使得冷凝速率增加，因此烘干时间会缩短，但是系统总功率消耗也会随系统干空气流量增大而成正比增加。

4.2 风机空气流量

图5 系统空气流量对烘干时间和总功率消耗影响

图6 风机流量对滚筒前温度和滚筒前相对湿度影响

图6为风机流量对滚筒前温度和滚筒前相对湿度的影响规律。由图6可知，风机空气流量的增加能够有效的降低进入滚筒的温度，当风机流量增加到150 kg/h，进入滚筒的温度降低为54.91 ℃，此温度比风机流量为 60 kg/h的进入滚筒温度低14.1%。同时，保证进入滚筒的湿空气焓值不变，因此相对湿度就会增大。另外，风机流量对于系统功率消耗、冷凝速率等参数影响不大。

4.3 压缩机效率

保持换热器的换热量和风冷器的散热量不变，因此，能量输入基本保持不变，MER（以含湿率70%，湿衣物质量5 kg为基准）的值直接取决于冷凝速率。

图7为压缩机效率对系统烘干时间和冷凝速率的影响规律，由图7可知，压缩机效率由0.6增加到0.88时，冷凝速率相对应的由0.9005 kg/h增加为 1.058 kg/h。这是因为当压缩机功率增大时，压缩机出口温度会相应降低，当经过换热器和风冷器放出同样热量时，风冷器出口的空气温度会更低，冷凝速率就相应增大，同时，烘干时间也会从233.2 min降低到198.4 min。

图7 压缩机效率对烘干时间和冷凝速率影响

图8 压缩机效率对MER和COP影响

图8为压缩机效率对MER和COP的影响规律。由图 8可知，随着压缩机效率的增大，MER逐渐减小，其变化规律与干燥时间变化规律类似，与理论公式相符合，这是因为总功率消耗和湿衣物质量基本不变，MER的变化直接取决于冷凝速率的变化规律。同时，随着压缩机效率的提高，COP也随之增大。

4.4 膨胀机效率

图9为膨胀机效率对系统烘干时间和冷凝速率的影响规律。由图 9可知，随着膨胀机功率由 0.6增加到0.87时，冷凝速率也会正比例增加，烘干时间由216.2 min减小为201.2 min，比起压缩机效率的影响，膨胀机效率对于烘干时间影响较小。

图9 膨胀机效率对烘干时间和冷凝速率影响

图10为膨胀机效率对MER的影响规律。由图10可知，随着膨胀机效率的增大，MER逐渐减小，其变化规律与干燥时间变化规律类似。这是因为风冷器散热量不变，膨胀机效率增大，仅仅会使得冷凝水量增加，对于总能耗影响较小，因此，烘干时间如何变化基本决定了 MER的变化规律。同时，随着膨胀机效率提高，COP也随之增大。

4.5 滚筒出口温度

图11为滚筒出口温度对系统烘干时间和冷凝速率的影响规律。由图11可知，随着滚筒出口温度的提高，冷凝速率得以增大，随之烘干时间变短，当滚筒出口温度为 54 ℃时，冷凝速率达到 1.695 kg/h，烘干时间只有123.9 min。

图10 膨胀机效率对MER和COP影响

图11 滚筒出口温度对冷凝速率和烘干时间影响

5 结 论

通过使用 EES软件对于空气低温烘干循环系统进行理论模拟分析，可以得出以下结论。

（1）通过将空气低温烘干循环系统的模拟结果与常规电加热烘干系统的结果进行比较，在保持冷凝速率相等的情况下，本文设计的烘干系统能够节能15.7%，并且滚筒前温度为57.68 ℃，比常规电加热烘干系统滚筒前温度低35.7%，MER值也较常规电加热系统低16.5%；COP值为0.79，较常规电加热烘干系统提高16.5%。

（2）系统空气流量由40 kg/h增加为67 kg/h，烘干时间会缩短40.3%，风机流量由60 kg/h增加为150 kg/h，进入滚筒的温度降低14.1%。

（3）压缩机效率由0.6增加到0.88时，系统烘干时间降低34.8 min，膨胀机效率由0.6提高到0.87时，系统烘干时间降低15 min，压缩机效率影响要比膨胀机效率明显；另外，随着压缩机效率和膨胀机效率的提高，烘干系统的COP随之增大。

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