引言大型料理机通过电机带动刀片高速转动达到对食品加工的作用，消耗大量电能的同时，刀片与较坚硬的食物发生摩擦时也易造成较大的负载，导致电机产生余热，这些热量如果没有得到有效的排除，不仅对大气环境造成污染，同时导致电机使用寿命降低，影响料理机工作性能。空气源热泵基于热力制冷循环原理，通过工质和少量耗电，可由低温热源向高温热源提供热量，与传统的电加热或者燃煤锅炉相比，空气源热泵具有优越的节能减排功能，随着我国国民经济的增长和居民消费升级，将为空气源热泵的发展提供更加广阔的空间[1-2]。作为一种新型热泵技术，热泵热水器通过热泵技术有效利用室外空气热量的高效热水供应系统，空气源热泵热水器（ASHPWH）系统是一种利用热泵技术有效利用室外空气热量的高效热水供应装置，有望通过减少二氧化碳排放而有助于减缓气候变化[3]。空气源热泵热水系统已在酒店、宾馆、医院、学校等场所得到广泛应用[4]。热泵热水器有水源和空气源两类，由于水源受到一定限制，主要应用的还是空气源热泵热水器，无论哪种空气源热泵热水器都会遇到变工况的问题，其性能对环境有很强的依赖性。冬季性能较差，制热功率不足；夏季供热有余，有超压的危险[5]。袁朝阳[6]等关于环境温度对空气源热泵热水器系统性能影响的研究表明，环境温度越低，压比越大，压缩机排气温度升高，造成质量流量减小，系统能效比降低，并且环境温度越低系统制热量越小，研究发现，系统过热度受环境温度的影响，而且制热量又随过热度而发生变化。Wang[7]等对寒冷地区住宅低温空气源热泵供暖系统进行设计和试验，并计算整个采暖季节系统的节能性能。结果表明，低温空气源热泵系统在寒冷地区运行稳定，具有节能效果。Wang[8]等提出一种模型预测控制方法，优化跨临界CO2空气源热泵热水器的运行，将MPC策略应用于空气源热泵热水器，实时优化运行性能，仿真结果证明MPC的控制有效性。张群力[9]等为充分回收燃气锅炉排放烟气中的冷凝余热，提出一种热泵型烟气冷凝余热回收方式。现有的大型料理机具有自动清洗功能，通过在杯身中加水，用电机带动刀片高速转动，利用离心力达到清洗的功能。仅依靠刀片带动冷水的清洗，不仅耗能而且清洁不彻底。热水比冷水清洁效果更佳，热水使料理机杯身内壁附着的油脂分子运动加速，便于液相分布，从而使油渍和杯内壁分离，达到更彻底的清洁效果。料理机自动清洗过程中，为了达到更好的清洗效果，需要先加热冷水，再通过电机带动刀片高速转动，进行清洗，消耗更多的电能才能达到更彻底的清洗效果。研究设计一种用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统，该系统能够有效地对料理机的电机产生的热量进行热回收，并能够节能高效地制取热水，进而对料理机进行更高效彻底的自动清洗，达到节能环保的目的。对该系统的经济性及环保效益进行分析，研究成果可为今后料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的设计提供参考依据。1用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统1.1用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统原理大型料理机的结构如图1所示。大型料理机主要由主机、杯盖、杯身以及配用附件组成，其中主机由高速串激电机、传动器件、安全开关组件、电机安装支架、控制按键、外观壳体以及散热系统组成；散热系统由风道、进风口和出风口组成，料理机散热系统的进风口设置在机侧，出风口设置在机器的尾部（空间上两者需要有效的分隔，避免出风口的热风回流到进风口内，从而降低电机使用寿命）；杯体由传动器件、刀座组、杯身（常用材料有304不锈钢、高硼硅玻璃、TRITAN塑料和PC塑料）、杯盖以及密封部件组成。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.017.F001图1大型料理机结构用于大型料理机的热回收型空气源热泵清洗原理如图2所示。大型料理机的热回收型空气源热泵主要包括蒸发器、气液分离器、压缩机、冷凝器、保温水箱、水泵、储液罐、干燥过滤器、节流阀等，冷凝器为管壳式换热器，一般由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.017.F002图2用于料理机的热回收型空气源热泵清洗原理料理机在加工食物时，料理机主机中的电机不断产生余热，为了实现余热回收，系统单向阀、节流阀、截止阀1、截止阀2打开，蒸发器为翅片式换热器，料理机加工食材过程中，电机散热系统送出的热空气与蒸发器中的低温低压液态制冷剂进行换热。热空气为蒸发器中低温低压的液态制冷剂蒸发提供热量，被蒸发器中低温低压的液态制冷剂吸收热量的空气又重新回到料理机主机中散热系统的进风口，驱动压缩机，蒸发器中低温低压液态制冷剂吸热蒸发后经过气液分离器，再进入压缩机被压缩成高温高压气态制冷剂。高温高压气态制冷剂再进入冷凝器被冷凝成高压液态制冷剂，高压液态制冷剂依次通过储液罐、干燥过滤器后，通过膨胀阀被节流成低温低压液态制冷剂，低温低压液态制冷剂又重新进入蒸发器，对料理机主机中的电机在料理机运行过程中产生的热量进行热回收，防止热量直接排放到大气中，造成污染环境。水泵抽取自来水，冷凝器中管程流体即制冷剂，壳程流体即水泵抽取的自来水，水泵抽取自来水与热泵中冷凝器中的制冷剂进行换热，由此冷凝器中的制冷剂冷凝放出的热量传给由水泵抽取的自来水，自来水经过换热被加热成55 ℃的热水，进入保温水箱[10]。料理机在加工完食物后，需要自动清洗时，通过调节阀按需调节热水的流量，保温水箱中的热水通过环形水管流往杯盖的8个均匀的能双向转动角度为0~90°的喷嘴，全方位地喷向杯身及杯底内部，加大清洗力度，进而更加彻底地清洗杯身，清洗的食物残渣通过泄流阀排出杯外，达到低耗能且高效的清洗效果。1.2料理机的热回收型空气源热泵清洗系统性能分析1.2.1计算模型用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统压-焓图如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.017.F003图3用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统压-焓图相关计算模型为：q1=h1- h4 (1)q2=h2- h3 (2)h3=h4 (3)w1=h2- h1 (4)Q1=MR(h1- h4) (5)Q2=MR(h2- h3) (6)W1=MR(h2- h1) (7)COPh=Q2W1=h2- h3h2- h1 (8)COPC=Q1W1=h1- h4h2- h1 (9)式中：q1——蒸发器吸收的单位质量制热量，kJ/kg；h1——蒸发器出口的比焓，kJ/kg；h4——蒸发器进口的比焓，kJ/kg；q2——冷凝器释放单位质量制冷量，kJ/kg；h2——冷凝器进口的比焓，kJ/kg；h3——冷凝器出口的比焓，kJ/kg；w1——压缩机的单位质量耗功量，kJ/kg；Q1——蒸发器吸收的制热量，kW；MR——质量流量，kg/s；Q2——冷凝器释放的制冷量，kW；W1——压缩机的耗功量，kW；COPh——制热系数；COPC——制冷系数。1.2.2模拟试验及结果分析实验台包含测试系统即主系统、辅助系统和电加热器，其中主系统主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀等组成，辅助系统与主系统的组成部件相同。利用辅助系统蒸发器产生的冷量与电加热器产生的热量平衡，共同产生试验所需的恒定温度，模拟余热给空气源热泵提供的环境温度，利用实验台模拟用于料理机的热回收型空气源热泵系统，数据均采用实验台进行测量。利用大型料理机加工食材的过程中，料理机主机中的电机产生的余热为空气源热泵系统提供热源，余热温度Te取决于电机中绝缘材料的耐热等级与料理机所在操作环境的温度，绝缘材料的耐热等级分为A、E、B、F、H共5个等级，极限工作温度分别为：105 ℃、120 ℃、130 ℃、155 ℃、180 ℃。以A级材料为例，A级材料性能参考温度为80 ℃[11]，大型料理机操作环境温度设定为25 ℃，压力为一个标准大气压，空气源热泵系统所用制冷剂为R410A，在冷凝温度为65 ℃、过冷度为6 ℃工况下，对Te分别取30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃和50 ℃进行热力学分析，得出压缩机耗能分别为：1.35 kW、1.27 kW、1.20 kW、1.12 kW和1.05 kW。传统料理机在自动清洗过程中，需要先在料理机中将自来水加热成热水，再利用刀片对热水进行高速搅拌，才能达到清洁的效果。以一般料理机加热功率为1.2 kW，搅拌功率为0.5 kW进行对比分析，传统料理机清洗系统的功耗为1.7 kW。由计算结果可知，用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的功耗均低于传统料理机的清洗系统，当Te=50 ℃时，用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的功耗仅为传统料理机清洗系统的61.76%。用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统COP均在4.3以上，且Te越高，用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的功耗越低，COP越高。2用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统能效及环保效益分析以大型料理机一个循环耗能10 kWh为基准，制热量为10 kWh的耗热量，Qh=3.6×104 kJ。对传统大型料理机清洗系统与用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统能效和环保效益、运行费用进行对比。传统大型料理机清洗系统一次能源消耗量为：Q=Qhηhηeηeact (10)用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一次能源消耗为：Q=QhCOPACEηeηeact (11)式中：Qh——耗热量，kJ；ηh——电热水器供热效率，取值为95%[12]；ηe——全国平均发电效率，取值为35%；ηeact——电网传输效率，取值为92%[13]；COPACE——空气源热泵性能系数，取值为4.3。传统大型料理机清洗系统与用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统环保效益、经济性对比，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.017.T001表1传统大型料理机清洗系统与用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统环保效益、经济性对比料理机清洗系统传统大型料理机清洗系统用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统燃料种类电电+余热是否污染环境有几乎无热效率0.954.30标准煤热能消耗量/kJ1.18×1052.26×104折合标准煤/kg4.030.77污染气体排放/kg二氧化碳10.051.92二氧化硫0.300.06氮氧化物0.150.03一个循环耗电量/kWh32.787.22电价/（元/kWh）0.560.56一个循环过程运行费用/元18.364.04用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统标准煤热能消耗量仅占传统大型料理机清洗系统的19.15%；用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一个循环过程二氧化碳排放量仅占传统大型料理机清洗系统的19.10%；用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一个循环过程二氧化硫排放量仅占传统大型料理机清洗系统的20%；用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一个循环过程氮氧化物排放量仅占传统大型料理机清洗系统的20%；用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一个循环过程运行费用仅占传统大型料理机清洗系统的22%。3结语通过余热温度分别取30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃工况下，对用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统进行的热力学分析，以及对传统大型料理机清洗系统与用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统环保效益、经济性的对比分析，得出以下结论：（1）用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的功耗均低于传统料理机的清洗系统，当余热温度Te=50 ℃时，用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统的功耗仅为传统料理机清洗系统的61.76%。（2）余热温度Te越高，用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统压缩机功率越低，COP越高，且均高于4.0，满足当制热量小于或等于10 kW时，空气源热泵热水的能效等级指标要求。（3）用于料理机的热回收型空气源热泵清洗系统一个循环过程所消耗的标准煤热能消耗量、二氧化碳排放量、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量、运行费用分别为：4.03 kg、1.92 kg、0.06 kg、0.03 kg、4.04元，均明显低于传统大型料理机清洗系统。