熱泵在衣物護理機中的研究與應用

(合肥品冠科技有限公司，安徽 合肥 231131)

1 概述

衣物護理機由烘干機等多設備逐漸演變而來的新產品物種，具有蒸汽殺菌、烘干除塵、除皺、褲線管理等多種功能。主要是對護理機內部的溫度、蒸汽進行管理，以達到衣物護理的目的。

紡織纖維材料隨著溫度的變化，其各項性質均會產生相應的變化，如比熱容將逐漸增大，從玻璃態向高彈態轉換區間，比熱容增加最快，且在完成轉換后，比熱容增加逐漸變慢。玻璃態向高彈態轉變的溫度在一定區間內完成，不同材料的轉變區間寬度不同，而影響玻璃化轉變溫度的因素主要有兩種，一種是內因結構性因素，一種是外界因素，如溫升速度、外力大小等。

2 陶瓷片加熱技術分析

目前通過蒸汽發生器產生蒸汽噴射到護理間室內進行蒸汽殺菌，陶瓷片加熱器對外界空氣進行加熱通過風機將熱空氣輸送到間室內，對衣服進行烘干、除塵，隨著熱空氣的輸入，護理室內的蒸汽被送到環境空氣中。一個護理過程中間室內溫度見表1。

表1 一個護理過程中間室內溫度

圖1 陶瓷片加熱器護理過程室內曲線

陶瓷片加熱方式對衣物一次護理需要消耗非常高的電能，同時在烘干過程中為防止持續加熱帶來的過高溫度，采用短時間斷電停止加熱，致使溫度降低，重新加熱時再次升溫，不僅耗電而且不能保證衣服護理時所需的持續穩定溫度。陶瓷片加熱器護理過程室內曲線如圖1所示。采用陶瓷片加熱實現護理功能的技術顯得非常原始化，不僅不能有效地降低能耗，對蒸汽進行回收，而且護理室內部的空氣排出會對周圍的環境產生二次危害。

3 熱泵技術應用分析

3.1 衣物護理機中熱泵系統研究

熱泵系統采用壓縮機變頻控制及電子膨脹閥精準流量控制，使整個熱泵系統始終保持在最佳運行條件下，烘干過程剛開始時需要大量的熱量，此時壓縮機轉速迅速提升，以確保間室溫度能夠迅速提升起來，間室溫度達到要求后，壓縮機轉速自動調節使熱量與間室的熱量損失達到動態平衡，并最終維持恒定轉速，使間室內溫度穩定在衣服護理的目標溫度。電子膨脹閥的流量隨著壓縮機轉速的提升(見圖2)，開度逐漸增大，能夠使整個熱泵系統與衣物護理機達到合理匹配的效果。

熱泵使護理室很快達到目標溫度并能維持不變直至護理結束。

圖2 電子膨脹閥流量曲線

3.2 烘干護理性能分析

衣服的烘干護理不僅與溫度有關，而且與溫度持續穩定的時間有關。那么衣物護理機就需要對保溫及溫度的穩定持續性有一定的要求，衣物護理機的熱負荷計算依然遵循傳熱學平板導熱的理論計算。

平板導熱量主要取決于材料的導熱系數、厚度以及兩側的溫差大小。雙層平壁導熱的計算如下：

式中:

Q——熱負荷，W

λ1、λ2——熱導率，單位為W /(m·K)

δ1、δ2——絕熱層厚度，單位為m

A——導熱面積，單位為m2

tw1——外壁面溫度，單位為℃

tw3—— 內壁面溫度，單位為℃

衣物護理機箱體的導熱可以看作雙層平壁導熱，即空氣層與保溫層。保溫層與空氣層能夠保證在有效的烘干護理中，溫度持續穩定即可，并不需要非常嚴格的保溫條件。

采用變頻熱泵提供護理時烘干的熱量來源，能夠平穩的持續提供熱量，避免了使用陶瓷加熱片開停機導致的溫降與溫升，使衣物能夠始終如一的在一種溫度區間內進行烘干護理。如表2對熱泵式護理機內部烘干溫度進行的實驗測試。

烘干期間溫度能夠持續平穩穩定，對衣物達到良好的烘干護理效果(見圖3)。

表2 熱泵式護理機內部烘干溫度

圖3 熱泵式護理機內部烘干溫度曲線

3.3 冷凝功能分析及驗證

熱泵式護理機充分利用了熱量的轉換過程，蒸發器是熱泵系統中主要的吸熱單元，冷凝器放出的熱量通過加熱間室空氣，加熱后的空氣及護理室內的蒸汽經過蒸發器冷凝，既完成了熱量的交換，又將護理間室內的蒸汽冷凝回收。標準除菌程序護理過程中，熱泵系統冷凝器前后、蒸發器前后空氣的溫度數據，蒸發器能夠達到很好的冷凝效果。

蒸發器前后溫差大概20 ℃左右，55 ℃的濕熱空氣通過低溫蒸發器，濕熱空氣迅速被凝結為冷凝水及低溫空氣，通過蒸發器后的空氣為含水量很低的干冷空氣，干冷空氣經過冷凝器再次加熱進入護理間室進而完成一個循環。熱泵系統能夠很好的做到蒸汽的冷凝回收，這是陶瓷片加熱器所不能具有的優點。

4 陶瓷片加熱與熱泵耗電量對比

一個完整的衣物護理過程主要包括蒸汽準備、蒸汽噴射、烘干3個主要步驟，而陶瓷片加熱器式與熱泵式護理機耗電量差異主要在烘干過程，一般標準護理程序烘干過程用時20～30 min/s，整個烘干過程主要是對空氣進行加熱，同時使蒸汽冷凝，以達到衣物護理烘干的主要功能。熱泵式護理機通過冷凝器散熱對空氣進行加熱，同時護理機內的濕熱空氣經過蒸發器被冷凝，最后再次被冷凝器加熱完成一個循環。熱泵本質上是一個熱量轉移的過程，相比直接用電加熱更加節能省電。在相同的烘干時間下，不同的烘干方式所消耗的電能對比，電能節省將近70%。

5 結語

根據衣物護理機熱量需求的不同，壓縮機轉速動態調整，電子膨脹閥流量動態匹配，整個熱泵系統能夠隨著衣物護理機的使用而進行動態匹配；烘干護理的實現過程，熱泵能使衣物護理機間室擁有持續穩定的溫度，而不是陶瓷片加熱器工作過程導致溫度的不斷升降；熱泵系統中蒸發器能夠對熱蒸汽起到很好的冷凝效果，做到冷凝水的回收，不會對周圍環境產生二次污染。熱泵另外一個巨大的優勢就是節能，比陶瓷片加熱器節能至少50%以上，節能效果是非常明顯的。