濾網自清潔熱泵干衣機的性能研究

汪先送 譚發剛 宗建成 鄧德喜 鄭雅心

1. 廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311；

2. 無錫小天鵝電器有限公司 江蘇無錫 214028

0 引言

熱泵干衣機是在傳統電熱式滾筒干衣機的基礎上發展出的一種內循環式干衣機，其利用熱泵系統取代電熱式干衣機的電加熱系統及冷凝系統。熱泵干衣機具有以下優點：一是能量利用效率及蒸汽冷凝效率高，更節能、更省時；二是烘干溫度低，保護衣物面料，烘干效果好；三是烘干過程為內循環過程，沒有熱量或濕氣污染室內環境；四是設置有一層或多層濾網，有效過濾烘干過程中產生的線屑，更潔凈健康[1-4]。

目前，關于熱泵干衣機的研究主要集中在性能優化方面。張聯英等[5]研究閉式熱泵干衣機的COP及SMER隨含水率及負載重量的變化趨勢，發現熱泵系統和熱泵干燥系統相互影響、相互制約，熱泵系統的COP值與熱泵干燥系統的SMER值不能同時達到最大。張春路等[6]建立了穩態的熱泵系統模型和動態的衣物干燥過程熱質交換模型，并研究了各部件大小的匹配關系對單位能耗除濕量SMER和干燥時間的影響，得出循環風量180 m3/h、新風比例9%～10%時SMER最大，而干衣時間則隨著循環風量的增加而減小。李偉等[7]研究了直排式熱泵干衣機和半封閉式熱泵干衣機的干衣性能，發現縮短熱泵干衣機的預熱時間以及提高干燥后期的干燥效率，是兩種提高直排式和半封閉式熱泵干衣機除濕能耗比的途徑。趙家強等[8]提出了一種能大幅度提升能效的單吸雙排氣梯級加熱熱泵系統的干衣機，與單循環熱泵干衣機相比，梯級排氣熱泵系統的整機平均COP提升了25.1%，平均干衣能耗降低了23.3%。

以上研究均聚焦在熱泵干衣機的性能優化，而實際使用過程中，由于衣物烘干過程中會產生大量的線屑并附著在濾網上，需要用戶手動清潔，但用戶調研發現，大部分用戶并未及時清潔濾網，甚至直到濾網臟堵、無法正常干衣才清潔濾網或尋求售后幫助；而濾網臟堵會增大風機系統阻力，導致系統循環風量降低，繼而導致熱泵系統能力及能效降低[9-10]；另一方面，濾網附著灰塵及線屑后，易導致細菌滋生、異味等問題，不利于健康[11]。濾網清潔問題已成為影響熱泵干衣機使用體驗以及其生命周期中碳排放的重要因素，如何將濾網上的線屑與濾網自動分離，實現濾網自清潔，提高用戶體驗，降低實際使用場景下的能耗，已成為熱泵干衣機領域的重要研究課題。而高速離心分離技術是一種高效分離方法，已廣泛用于化工、食品、醫藥、家電、環保、生物工程領域[12-14]。本文設計了一種干衣機離心分離濾網系統，并對比原機研究了離心分離濾網系統對熱泵干衣機系統基本性能及干衣性能的影響；同時還模擬用戶實際使用場景，對該場景下原機及濾網離心自清潔熱泵干衣機的干衣性能進行了研究分析。

1 離心分離濾網系統的熱泵干衣機及其原理

圖1為濾網離心自清潔熱泵干衣機及其原理圖，相對于常規熱泵干衣機，其最主要區別是采用離心分離濾網系統取代了熱泵干衣機的常規濾網。圖2是離心分離濾網系統的詳細結構圖，該系統由前殼、圓形濾網、驅動濾網轉動的電機、密封圈以及后殼裝配而成。熱泵干衣機正常工作時，電機和濾網保持靜止，濾網攔截干衣過程中產生的線屑。啟動濾網自清潔時，噴水系統對濾網噴水，濾網上的線屑被水淋濕，重量大幅度增加；隨后電機帶動濾網高速轉動，轉速1000 r/min以上，濾網上的線屑在離心力的作用下，從濾網上剝離，并被水流沖到收集盒或由排污泵排走；隨后噴水裝置停止，濾網高速轉動將網布上的殘留水分脫離，濾網恢復干燥；隨后電機和濾網停止運行；自清潔過程持續時間約30 s。

圖1 離心分離濾網系統的熱泵干衣機及其原理圖

圖2 離心分離濾網系統及其結構圖

2 實驗設備及測試方法

2.1 實驗設備

本文測試項包括原機及濾網離心自清潔熱泵干衣機的風量、噪聲等基本性能，以及干衣時間、干衣能耗、含水率等干衣性能，所涉及的實驗過程主要有負載清洗、脫水、烘干，以及實驗過程中負載計重，干衣時間、能耗的測試和記錄等，主要的實驗設備如表1所示。本文所提出的濾網離心自清潔熱泵干衣機（簡稱“自清潔樣機”）是基于某品牌在中國大陸地區銷售的10 kg熱泵干衣機（簡稱“原機”）改裝離心分離濾網系統而來。為了確保離心自清潔系統設計及工作可靠性，測試所用負載選用烘干過程線屑產生量極大的新毛巾，測試負載1為金號白色400 g浴巾，配重的測試負載2為潔麗雅80 g白色毛巾。

表1 主要實驗設備、儀器及測試負載

2.2 負載準備與測試過程

（1）調節室內溫度（23±2）℃，相對濕度（55±5）%，選取所需重量的測試負載，稱重記錄初始狀態重量；

（2）將標準衣物放入小天鵝滾筒洗衣機（TD100-1422WDFG）中，選擇混合洗程序，調節脫水轉速1000 r/min，清洗、脫水，調節負載重量為60%含水率；

（3）取出測試負載放入干衣機中，選擇“混合”檔位進行干衣，最終含水率在±3%為合格；

（4）待干衣過程停止時降溫，稱重，記錄干衣時間、干衣能耗，每組實驗測試3次取平均值。

2.3 確定自清潔方案的最惡劣工況

按2.2節的準備及測試過程，分別在原機上測試負載重量2 kg、5 kg、8 kg及10 kg新毛巾，干衣時間以及濾網收集的線屑重量如表2所示。從表2中可以看出，5 kg負載條件下，單位時間產生的線屑重量最大，約為0.039 g/min，為自清潔方案的最惡劣的工況，故本研究的負載重量定為5 kg，即熱泵干衣機容量的半載工況。由于干衣過程中產生的線屑量較大，因此，單個干衣周期過程分別在第55 min、85 min以及干衣結束后分別對濾網進行離心自清潔。

表2 不同重量負載烘干后濾網收集的線屑重量

3 結果與分析

在熱泵干衣機系統中，系統循環風量直接影響著干衣時間的長短，而系統運行噪聲也是系統的一個重要性能指標。表3是原機及自清潔樣機空載風量、噪聲及功率測試數據。從測試數據可以看出，原機空載風量均值為311 m3/h，自清潔樣機平均風量為298 m3/h，自清潔樣機風量比原機小13 m3/h，下降約4.2%，降幅較小，對整機性能影響不大；功率方面，原機空載送風功率185 W，自清潔樣機空載送風功率182.7 W，二者較為接近；噪聲方面，原機空載噪聲平均65.8 dB(A)，自清潔樣機空載噪聲平均66.1 dB(A)，自清潔樣機噪聲比原機略高0.3 dB(A)，影響較小。綜合空載風量、送風功率及噪聲來看，原機及自清潔樣機數值均較為接近，可以判斷濾網離心自清潔方案具有初步可行性。

表3 原機及自清潔樣機空載風量、功率及噪聲測試數據

表4是原機及自清潔樣機清潔濾網條件下的半載工況干衣性能測試數據，從測試數據可以看出：原機及自清潔樣機在清潔濾網的前提下，原機平均干衣時間116.3 min，干衣能耗1.452 kW?h，干燥后負載含水率約-1.47%；自清潔樣機平均干衣時間116.0 min，干衣能耗1.461 kW?h，干燥后負載含水率約-1.40%。從以上測試數據可以看出，濾網潔凈條件下，自清潔樣機與原機在干衣時間、干衣能耗基本一致，負載干燥后的含水率均控制在±3%范圍內，干衣效果好，可以判斷濾網離心自清潔方案具有可行性。

表4 原機及自清潔樣機清潔濾網條件下的半載工況干衣性能測試數據

圖3、圖4分別是原機不清潔濾網條件下半載工況的干衣時間、干衣能耗以及負載干燥后的含水率，從圖中可以看出，隨著干衣次數增加，原機干衣時間呈現先大幅增加，隨后基本保持穩定；而干衣能耗則呈現先小幅增加，在第4個干衣周期干衣能耗出現明顯下降的趨勢，隨后干衣能耗趨于穩定；負載干燥后的含水率則呈現不斷增大趨勢，且在第4個干衣周期后負載的含水率明顯超出±3%的合格范圍，第4、5個周期的含水率分別為12.0%和16.1%，即出現了明顯的衣物干不透現象。圖5是第5個周期后的原機濾網照片，從照片中可以看出，濾網已經積滿線屑，此時風道系統阻力顯著加。表5為第5個周期后的原機空載風量及功率測試數據，從測試結果可以看出，此時原機空載風量為251 m3/h，而原機清潔濾網條件下的風量為311 m3/h，可以看出，系統風量降低了60 m3/h，降幅高達19.3%。從原機不清潔濾網的測試結果可以看出，若不及時清潔濾網，濾網阻力增大，引起系統循環風量顯著降低，導致干衣時間、干衣能耗增加，甚至出現衣物干不透的現象。

表5 原機不清潔濾網工作5個周期后空載風量及功率測試數據

圖3 原機不清潔濾網條件下的干衣時間、干衣能耗

圖4 原機不清潔濾網條件下的含水率

圖5 原機不清潔濾網干衣5個周期后的濾網照片

為了驗證自清潔樣機長期運行的可靠性，本文進行了自清潔樣機半載工況下100個周期的可靠性測試。圖6、圖7分別是自清潔樣機工作100個周期的干衣時間、干衣能耗及含水率測試數據，從測試結果可以看出：自清潔樣機運行100個周期的干衣時間、干衣能耗及含水率均呈相對穩定的波動狀態，未出現某個指標顯著增加的現象，且負載烘干后的含水率在±3%的合格范圍內；自清潔樣機在100個周期的平均干衣時間117.6 min，平均干衣能耗1.478 kW?h，平均含水率-1.5%，與原機及長期運行前的自清潔樣機的測試數據均較為接近，且數據一致性高。

圖6 自清潔樣機100個周期可靠性測試過程的干衣時間、干衣能耗

圖7 自清潔樣機100個周期可靠性測試過程的含水率

表6為自清潔樣機運行100個周期后半載工況的性能測試數據，從測試結果可以看出：100個周期長期運行后，自清潔樣機半載干衣時間117.3 min，干衣能耗1.469 kW?h，含水率-1.44%，空載風量平均為296.7 m3/h，空載送風功率平均為183 W，空載運行噪聲平均為66.3 dB(A)。對比原機，長期運行前、長期運行后的自清潔樣機的測試數據可以看出，長期運行后自清潔樣機的干衣性能、空載循環風量、整機運行噪聲與原機及長期運行前的自清潔樣機均基本一致，無明顯差距。結合自清潔樣機長期運行過程相關數據可以看出，該濾網離心自清潔熱泵干衣機方案長期運行性能穩定可靠，方案可靠性好。

表6 自清潔樣機工作100個周期后的半載工況性能測試數據

考慮到用戶實際使用場景中，其衣物烘干過程中產生線屑的量通常沒有新毛巾那么多，因此，以烘干過程線屑產生量相對較小、更接近用戶實際負載的已洗烘過10個周期后的毛巾為負載，測試原機干衣性能。圖8為原機的干衣時間和干衣能耗曲線，圖9為原機的含水率曲線，從圖中可以看出，干衣時間隨著運行周期增加呈上升趨勢；干衣能耗整體上先增大，在第15個周期出現下降，而導致該現象的原因是第15個干衣周期結束后衣物含水率為10.4%，出現明顯干不透現象。

圖8 原機模擬用戶使用場景下的干衣時間和干衣能耗

圖9 原機模擬用戶使用場景下的含水率

基于以上數據，本文模擬用戶實際使用場景計算了原機和離心自清潔樣機整個生命周期中的干衣時間以及干衣能耗。首先，對熱泵干衣機的實際使用場景做了以下假設：原機方面，用戶發現衣物未干透現象就會對濾網進行清潔，即每運行15個周期后對濾網進行清潔，由此可得出原機每個濾網清潔周期的平均干衣時間133.1 min，干衣能耗1.618 kW?h；自清潔樣機取長運100個周期的平均數據，平均干衣時間117.6 min，平均干衣能耗1.478 kW?h；假設用戶每天使用干衣機1次，負載重量為半載5 kg，干衣機的使用年限為10年。根據以上假設，可以計算得出使用原機的和自清潔樣機工作10年的總干衣時間和總干衣能耗，見表7。

從表7計算結果可以看出，按模擬用戶實際使用場景來計算，10年內，原機總干衣時間為8097 h，自清潔樣機總干衣時間為7154 h，自清潔樣機總干衣時間減少了943 h，降幅11.6%，這不但能減小機器運行過程機械損耗，同時也減少了烘干過程用戶等待時間；10年內，原機總干衣能耗5906 kW?h，自清潔樣機總干衣能耗5395 kW?h，自清潔樣機總干衣能耗減少了511 kW?h，降幅8.7%，自清潔樣機實際使用場景下的碳排放更低，用戶使用成本也更低。

表7 原機與自清潔樣機生命周期內干衣時間及干衣能耗對比

4 結論

本文將離心分離技術應用于10 kg熱泵干衣機的濾網自清潔，提出了一種熱泵干衣機濾網自清潔方案，并測試驗證了原機及自清潔樣機的基本性能及干衣性能，得出以下結論：

（1）基本性能方面，自清潔樣機空載循環風量及空載運行噪聲與原機接近。自清潔樣機空載循環風量298 m3/h，較原機低13 m3/h，降幅4.2%；空載噪聲66.1 dB(A)，較原機高0.3 dB(A)。

（2）干衣性能方面，自清潔樣機半載干衣性能與原機較為接近。原機平均干衣時116.3 min，干衣能耗1.452 kW?h，干燥后負載含水率約-1.47%；自清潔樣機平均干衣時間116.0 min，干衣能耗1.461 kW?h，干燥后負載含水率約-1.40%。

（3）不清潔濾網條件下，隨著干衣次數增加，原機干衣時間呈上升趨勢，干衣能耗先增加后減小，含水率呈上升趨勢，且在第4個干衣周期開始出現干不透現象；造成該現象的主要原因是濾網線屑堆積，風道阻力增大，空載循環風量由311 m3/h大幅降低到251 m3/h，降幅高達19.3%。

（4）自清潔樣機在100個周期可靠性測試過程中，干衣性能呈相對穩定的波動趨勢，100個周期的平均干衣時間117.6 min，平均干衣能耗1.478，平均含水率-1.5%。自清潔樣機100個周期后干衣性能、空載循環風量、整機運行噪聲等與長運前自清潔樣機及原機基本一致，該濾網離心自清潔熱泵干衣機方案穩定可靠。

（5）通過模擬用戶實際使用場景分析，使用10年，自清潔樣機比原機總干衣時間縮短943 h，降幅11.6%；自清潔樣機總干衣能耗減少511 kW?h，降幅8.7%；自清潔樣機碳排放及用戶使用成本更低。