引言在我国南方潮湿地区，干衣机越来越受到人们的欢迎[1]。传统烘干机采用电加热方式，将干燥介质空气加热至40~80℃，通过风机形成空气循环，带走湿衣物中的水分，从而减少衣物的干燥时间[2]。传统干衣机运行需要消耗大量的高品位电能，造成资源浪费，干燥过程中产生的高温高湿的空气会对环境造成湿污染[3]。将热泵干燥技术应用于干衣机，能够节水省电，不会对环境造成污染，对衣物的伤害较小，适用于大部分面料，热泵干衣机是实现节能减排途径之一。张壁光[4-5]等分析热泵干燥机的节能效果和高温热泵的必要性，并成功研制双热源式热泵干燥机，用于木材干燥。罗清海[6]等通过试验设计新型热泵干衣机，在常规工况下比电热干衣机节能约50%。梁仁建[7]通过试验验证多功能干衣除湿机除干衣功能外，可以用于房间除湿，节能环保效果好。宋朋洋[8]等通过试验验证，新型热泵式干衣机常规工况下节能约50%，对环境影响较小。张春路[9]等利用仿真模型研究系统中各部件的改变对系统的影响，探究合适系统的循环风量和新风比例。李伟[10]等通过试验发现，半封闭式热泵干衣机较直排式热泵干衣机干燥效果更好。热泵干燥系统加入空气回热器能够提高除湿干燥效果，大部分学者采用重力热管回热器在蒸发器和冷凝器之前进行预冷和预热[11-13]。介绍采用空气回热器交叉换热的闭式热泵干衣机，通过调节风量和电子膨胀阀开度，对系统运行时的各种性能指标进行分析，了解系统的节能状况。1热泵机组工作原理热泵干衣系统是采用回热器除湿冷却再加热循环的闭式热泵干燥系统，主要由热泵系统和干燥系统组成。热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和电子膨胀阀组成，热泵干衣系统的热泵系统如图1所示。干燥系统是由干燥室、冷凝器、蒸发器、回热器及风机组成的闭式空气循环系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F001图1热泵干衣系统的热泵系统空气循环的流动方向为：风机进风→底部干燥室进风口→干燥室内吸收被干燥物料的水分→上部干燥室出风口→回热器降温→蒸发器降温减湿→回热器加热升温→冷凝器加热升温→干热空气风机回风。空气干燥过程在闭式循环系统中完成无含尘空气排放，无废热排放。空气循环系统试验装置如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F002图2空气循环系统试验装置2试验方法为了验证热泵干衣机的干燥速率和节能效果，准备干燥物料为4.5 kg不同材质的干衣物，全部浸湿为初始重量12 kg的湿衣物，平放置于干燥箱内，调节风机频率为35 Hz、40 Hz、45 Hz和50 Hz，并分别调节电子膨胀阀开度为15%、20%、23%和25%，共16组测试，每组试验25 min。观察风量和电子膨胀阀对系统的影响以及整体的系统性能。根据试验装置示意图完成试验装置的搭建，布置测点安装相应传感器，采集到相应数据，数据采集仪器参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.T001表1数据采集仪器参数仪器型号量程无线万向风速风温记录仪WWFWZY-10.5~30.0 m/s高周波水分测定仪JK-100F0~100%温湿度传感器EL-FTD56MRH：0~100%T：0~80 ℃压力传感器PMC330UNF7/16-0.1~3.0 MPa温度变送器PT100-20~110 ℃热电阻CKWZP-035-50~300 ℃模拟量采集模块12路DAQM-42064~20 mA单位时间除水量MER为：MER=Mt (1)系统耗电量W为：W=Wcom+Wfan (2)单位能耗除湿量SMER为：SMER=MW (3)空气侧制热量Qh为：Qh=ρVhc1-hc23 600 (4)热泵的制热效率COP为：COP=QhP (5)式中：M——干燥系统的除水量，kg；t——干燥时间，h；Wcom—压缩机耗电量，kWh；Wfan——风机耗电量，kWh；W——系统耗电量，kWh；ρ——空气密度，kg/m3；V——空气的质量流量，m3/h；hc1——冷凝器进口处空气焓值，kJ/kg；hc2——冷凝器出口处空气焓值，kJ/kg；Qh——系统制热量，kW；P——压缩机理论功耗，kW；COP——热泵性能系数。3结果与分析3.1干燥系统性能分析不同风机频率和电子膨胀阀开度下干燥系统的MER变化如图3所示。干燥系统的MER随风量变化成正比关系，风机频率调节为50 Hz时MER最优。干燥系统的MER随膨胀阀开度变化成正比关系，膨胀阀开度为15%~23%时，干燥系统MER变化趋势陡峭，开度在23%~25%趋于平缓。随着风机频率增加，与衣物进行热湿交换的空气质量流量增大，相同时间内干燥的水分增大，干燥速度加快；电子膨胀阀开度增大，制冷剂质量流量提高，压缩机吸气压力和排气压力上升，同时在风机的作用下蒸发器的进口干球温度升高与蒸发器的温差变大，空气中的水蒸气含量越大，蒸发器负荷越大，除水量增大。因此，风量和电子膨胀阀开度对干燥系统的MER均具有影响，系统的MER随着风量的增大而增大，电子膨胀阀开度为25%时，风机频率50 Hz风量为2 870 m3/h的MER比风机频率35 Hz风量为1 700 m3/h的MER增大18.75%；系统MER随电子膨胀阀开度的增大而增大，风机频率为50 Hz时，电子膨胀阀开度为25%时的MER比电子膨胀阀开度为15%时的MER增大4.4%。结合不同风机频率和膨胀阀开度的变化情况，膨胀阀开度在不同风机频率下，取开度25%为优，风机频率结合干燥需求选取50 Hz为宜，此时风量为2 870 m3/h，MER最大，为11.4 kg/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F003图3不同风机频率和电子膨胀阀开度下干燥系统的MER变化MER只能代表干燥速度的快慢，并不能代表干燥系统的性能。SMER表示单位能耗的除水量，与除水量成正比，与耗电量成反比，更能够体现干燥系统的除湿能力和节能效果。系统的除水量随着风量和电子膨胀阀的增大而增大，系统的耗电量主要由压缩机的耗电量和风机的耗电量组成，随着电子膨胀阀开度的增大和风量的变化导致进气压力和吸气压力增大，压缩机的耗电量增大，随着风机频率的增大，风机的耗电量也逐步增大。不同风机频率和电子膨胀阀开度下干燥系统的SMER变化如图4所示。系统的SMER随风量增大而增大，电子膨胀阀调节为25%时，风机频率为50 Hz风量为2 870 m3/h的SMER比风机频率35 Hz风量为1 700 m3/h的SMER提升48.1%；SMER的变化随电子膨胀阀开度的增大呈现先增大后减小的趋势，除水量增大的速率小于耗电量增大的速率，在风机频率为35 Hz和40 Hz两种情况下，膨胀阀开度调节为20%时，SMER达到峰值；风机频率为45 Hz、膨胀阀开度调节为23%时，SMER达到峰值；风机频率为50 Hz、膨胀阀调节为25%时，SMER达到最大。在达到峰值之前，除水量增大的速率大于耗电量增大的速率，呈上升趋势，达到峰值后，除水量增大的速率小于耗电量增大的速率，呈下降趋势。风机频率为50 Hz、电子膨胀阀开度为25%时，干燥系统节能效果非常明显，此时SMER为0.95 kg/kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F004图4不同风机频率和电子膨胀阀开度下干燥系统的SMER变化3.2热泵系统性能分析不同风机频率下电子膨胀阀开度对制热量的影响如图5所示。风机频率为35 Hz和40 Hz时，制热量的变化趋势相似，电子膨胀阀开度逐渐增大，质量流量增加，制热量增加。后期随着膨胀阀的开度增大，吸气压力和排气压力虽然增大，但是焓差变小，制冷剂质量流量变化波动不大，使系统制热量下降。表明风机频率调节为35 Hz和40 Hz时，电子膨胀阀调节为20%时在相同风量大小的情况下制热量最大分别为18.21 kW和15.87 kW，比相同风量时制热量最低的情况下增大10.8%和10.7%。风机频率调节为45 Hz和50 Hz时的制热量变化趋势相似，在膨胀阀调节为15%时制热量最大，提高电子膨胀阀开度，焓差降低制热量逐渐减小。表明在风机频率调节为45 Hz与50 Hz时，系统制热量随着开度增大而减小。电子膨胀阀开度调节为15%时，在相同风量的情况下制热量最大分别为21 kW和25.66 kW，比相同风量的大小制热量最小的情况下增大7.2%和7.4%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F005图5不同风机频率下电子膨胀阀开度对制热量的影响风量较小时，冷凝器空气侧的对流换热和传质系数较小，且较小的风量不能使制冷剂完全蒸发，因此风机频率调节为35 Hz时，制热量比其他3种工况小。随着风量的增加，空气侧的对流换热和传质系数不断增加，冷凝器换热能力增强，制冷剂在冷凝器的焓差逐渐增大，制热量随着风量的增大而增大，风机频率调节为50 Hz时，制热量大于其他4种工况。以电子膨胀阀开度为15%为例，风机调节为50 Hz时的制热量比风机频率调节为35 Hz时的制热量增加61.7%，表明风量对制热量的影响显著。制热量在风机频率为50 Hz、电子膨胀阀开度为15%的情况下达到最大，为25.66 kW。不同风机频率下不同电子膨胀阀开度对应的系统COP如图6所示。相同风量下，COP随电子膨胀阀的开度增大而增大，因为进入系统的制冷剂质量流量增多，吸气压力和排气压力均有所上升，压缩机的功耗增加，压缩机功耗增加的速率大于制热量增加的速率，COP总体上升。风机频率调节为50 Hz时，COP略优于其他工况。风机频率为50 Hz、电子膨胀阀调节为15%时，COP为5.23，比风机频率为35 Hz、电子膨胀阀开度为15%的COP增大15.5%。系统整体COP4.5，表明热泵系统的节能效果显著。COP和SMER分别表示热泵系统和干燥系统的节能效果，通过对比COP和SMER分析，发现风机频率为50 Hz、膨胀阀开度为25%时，COP和SMER可以同时达到最优情况，此时SMER为0.95 kg/kWh ，COP为5.23。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.012.F006图6不同风机频率下不同电子膨胀阀开度对应的系统COP4结语以带回热器的闭式热泵干衣机为研究对象，通过试验证明带空气回热器的闭式热泵干衣机具有良好的干燥效率，能够大幅度地降低干燥所需的能耗，全过程绿色无污染，解决了传统干衣机带来的能耗和污染问题。（1）干燥系统的MER随风量的增大而增大，随电子膨胀阀开度的增大而增大。风机频率调节为50 Hz、循环风量为2 868 m3/h、电子膨胀阀开度为25%的情况下，MER最高，为11.4 kg/h。SMER随风量的增大而增大，随电子膨胀阀开度变化呈先上升后下降趋势变化。在风机频率调节为50 Hz、循环风量为2 868 m3/h、电子膨胀阀开度为25%的情况下，SMER最大，为0.95 kg/kWh，此时干燥系统的干燥能力最佳。（2）系统的制热量随着风量的增大而增大。在风机频率调节为35 Hz和40 Hz时，制热量随电子膨胀阀开度的增加先增大后减小；在风机频率调节为45 Hz和50 Hz时，制热量随电子膨胀阀的开度增大而减少。制热量在风机频率为50 Hz、循环风量为2 868 m3/h、电子膨胀阀开度为15%的情况下，制热量达到最大，为25.66 kW。系统COP随电子膨胀阀的开度增大而增大，热泵系统各个状态下的COP4.5，节能效果好。风机频率为50 Hz，循环风量为2 868 m3/h、电子膨胀阀开度为25%时，COP最高，为5.23，此时的热泵系统性能最佳。（3）通过分干燥系统的干燥能力和热泵系统的性能，选择风机频率调节为50 Hz、循环风量为2 868 m3/h、电子膨胀阀开度为25%，对所需衣物进行干燥，干燥时间较短且系统较节能。