Современные БЫТОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИБОРЫ И МАШИНЫ

Гидромеханические процессы н активаторных стиральных машинах

На процесс стирки в активаторных стиральных машинах наряду с химическим воздействием моющих средств и температуры воды боль­шое влияние оказывает механическое воздействие потока моющего раствора. В результате загрязнитель отделяется от ткани и уносится потоком воды.

Так как положение кома ткани в процессе стирки непрерывно изменяется, то гидродинамический процесс в стиральном баке пред­ставляет собой сложное движение, называемое перемешиванием. При этом в баке возникают два основных режима течения жидкости: лами­нарное и турбулентное. Ламинарным называют гидродинамический режим, при котором элементарные частицы жидкости двигаются парал­лельно в направлении движения потока. Турбулентным называют гидро­динамический режим, при котором возникают вихри, хаотически пере­мещающиеся в объеме движущейся жидкости. Если в ламинарном потоке из одного слоя в другой переходят только молекулы, то в турбу - 84

Лентном — элементарные массы ■ жидкости. Поэтому для получения наибольшей эффективности с точки зрения отстирываемости необхо­димо создавать турбулентное движение.

В гидродинамике движение жидкостей описывают основным уравне­нием движения жидкости (уравнение Бернулли):

Г„п+Гпд+Гк = СОП5^

Где — потенциальная энергия положения элементарной частицы жидкости;

Д — потенциальная энергия давления жидкости; — кинетическая энергия элементарной точки жидкости.

Если в трубопроводе установившийся процесс, то в единицу вре­мени протекает одна и та же масса жидкости, которую определяют по уравнению непрерывного потока

51 ш 1 р1 =5гш 2Р2,

Где 5| и 52 — сечения'трубопровода; Ш1 и тюг — массовые скорости в сечениях трубопровода; р1 и рг — плотности жидкости.

Исходя из этих уравнений можно сделать вывод, что при установив­шемся режиме движения массовые и энергетические характеристики для любого сечения трубопровода остаются постоянными.

При движении реальной жидкости необходимо учитывать потери энергии на преодоление трения и других сопротивлений. В этом случае уравнение Бернулли преобразовывают в выражение, характеризующее изменение напоров:

И, I Р2 I I и

Н--------- ——Л2~---------------

Где И и кг — геометрические напоры, определяемые высотой столба жидкости над рассматриваемой точкой; p/pg и w2/2g — пьезометрический и скоростной напоры в разных точках; к„ — потери напора.

Пользуясь уравнением Бернулли, определяют скорость, расход жидкости, напор, временные характеристики и другие параметры. Кроме того, из этих уравнений следует, что одинаковые условия тече­ния жидкости можно создать в разных (например по размерам) уста­новках. Условия, необходимые для создания подобных процессов, изла­гаются в теории подобия. Так, условием подобия двух змеевиков является соблюдение двух равенств:

1 Я Яъ

(1 (12 й с1%

Где /|, /2 — длина труб; Я, Яг— радиусы змеевиков; й, йг— диаметры труб.

Имеется ряд чисел (критериев) подобия, названных именами уче­ных, сделавших большие открытия в гидродинамике и теплотехнике.

Критерий Нуссельта Ыи определяет интенсивность конвективного теплообмена на границе стенка — жидкость. Чем интенсивнее происхо­дит теплообмен, тем больше число Ыи и тем больше коэффициент теплоотдачи:

Ми=£5/Х,

Где 5 — площадь, в границах которой происходит теплообмен; Я — теплопро­водность жидкости.

Критерий Рейнольдса Ие определяет характер движения жидкости:

Не = ш05/т,

Где гг)о — средняя скорость жидкости; V — кинематическая вязкость жидкости.

Для стиральных машин критерий Рейнольдса может быть записан в виде

_ р ыс1 р/го?2

Ке =----------- =------------ ,

Ц ц

Где р и ц — плотность и вязкость стирального раствора; и — угловая скорость активатора; п — частота вращения активатора; й — диаметр активатора.

Экспериментальные исследования показали, что при Ие<2 000-Н 10 000 обеспечивается интенсивное трехмерное движение жидкости, а при Ие> 10 000 — турбулентное движение, при котором мгновенно изменяется скорость отдельных частиц и ее направление, т. е. происхо­дит пульсация скорости [27]. Именно этот режим благоприятен для стирки.

При вращении активатора в стиральном баке цилиндрической формы возникают три основных потока моющего раствора (рис. 3.4): осе­вой 1, направленный по оси вращения активатора, радиальный 2, на­правленный по радиусу активатора и тангенциальный 3, направленный по касательной и окружности активатора.

При установившемся процессе вращения активатора в жидкости вокруг оси активатора возникает однородный цилиндрический вихрь круглого сечения с постоянной угловой скоростью (зона /, рис. 3.5). Теоретический диаметр вихря должен быть равен диаметру г актива­тора. Скорость частиц в вихре вдоль радиуса активатора возрастает линейно. Вне активатора цилиндрический вихрь возбуждает движение частиц жидкости вдоль линии радиуса с убывающей скоростью (зона III). Между этими двумя зонами возникает переходная зона II (радиус этой зоны г„). Радиус вихря определен экспериментально: гв = 0,75г.

Для потокообразования первостепенное значение имеет танген­циальная составляющая. Тангенциальная скорость в вихре ит = ыг (где (о — угловая скорость жидкости).

В периферийной зоне III приближенно можно считать

Иг = и> г„гв/г;

В переходной зоне II

= ш ——— (2г„ — гвг„ ------------------- г V

Ги^г в V Г /

Тангенциальная скорость достигает своего максимума при

Г = л/гигв.

Наличие радиальной скорости жидкости на дне бака у активатора создает повышенное давление у стенки бака и разрежение в центре. Таким образом, возникает восходящий поток у стенки и ниспадающий в центре активатора. При определенных скоростях по оси вращения может образовываться воронка, которая значительно ухудшает условия трехмерного перемешивания. Подробное исследование условий образо­вания воронки и ее влияние на качество стирки описано в ра­боте [23].

Характер циркуляции зависит от соотношения размеров активатора и бака, частоты вращения активатора, а также от его формы (рис. 3.6). Как видно, в любом случае с осесимметричным активатором имеются условия для образования воронки. Воронка нарушает структуру потока

Рис. 3.8. Зависимость потребляемой мощности от частоты вращения активатора при различных количествах отражательных элементов на баке

И ткань концентрируется цод нею. С увеличением глубины воронки ткань прижимается к активатору и практически не перемешивается. На рис. 3.7 показана зависимость глубины воронки от частоты вра­щения при различных размерах активатора и отражательных эле­ментов.

Для уменьшения воронки применяют различного вида отражатель­ные элементы, которые создают локальные завихрения по периметру бака. Однако отражательные элементы увеличивают сопротивление потока, что приводит к увеличению потребляемой мощности. На рис. 3.8 видно, что уменьшение глубины воронки в 2 раза ведет к увеличению потребляемой мощности также в 2 раза. Кроме того, при плоском дне бака потребляемая мощность больше, чем в машинах с полуцилиндри - ческим или сферическим дном. При увеличении высоты жидкости над

Активатором потребляемая мощ­ность также увеличивается.

Поэтому стараются не исполь­зовать осесимметричное распо­ложение активатора, а применять боковое его расположение или несколько активаторов (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Несимметричное расположение активатора:

А — боковое; б — наклонное

По данным Н. И. Сивченко и др. [23], перегородки на крышке бака повысили отстирываемость на 6—9 %. Кроме этого, применение ребер в крышке дает возможность ликвидировать воронку при мень­ших затратах мощности, чем при установке их на внутренней поверх­ности бака. Оптимальной высотой ребер на крышке является такая, при которой, если отсутствует активация, ребра касаются поверхности раствора.

В машинах с цилиндрическим баком активатор расположен на­клонно (машины «Рига-17», «Кама-8», «Исеть-6», «Волга-9» и др.), в машинах с прямоугольным баком — сбоку («Золушка-З», «Волна-М», «Белоснежка-2», «Приморье-6», «Урал-4», «Десна», «Самара», «Вол­жанка-4»), Осесимметрично расположен активатор в машинах с несим­метричным баком («Фея», «Лыбидь», «Рига-80»), что уменьшает ворон - кообразование, а также в машинах, в которых стиральный бак совме­щен с центрифугой.