Современные БЫТОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИБОРЫ И МАШИНЫ

Гидромеханические процессы в барабанных стиральных машинах

При барабанном способе стирки механическое воздействие на ткань осуществляется не в результате движения потока моющего раствора, а путем механического перелопачивания изделий в стиральном бара­бане. Механическое воздействие заключается в том, что изделия при вращении в барабане захватываются расположенными внутри греб­нями, поднимаются и под действием собственной массы падают в жидкость. Очевидно, что механическое воздействие тем больше, чем больше кинетическая энергия будет сообщена массе ткани, а следо­вательно, определяется диаметром барабана, уровнем воды в баке, частотой вращения барабана, размером и числом гребней. При неболь­шой частоте вращения (рис. 3.10, а) имеет место скользящий режим, при котором происходит постепенное соскальзывание верхних слоев ткани. С увеличением частоты вращения барабана ткань не соскаль­зывает, а поднимается на максимальную высоту и падает с макси­мальной кинетической энергией (рис. 3.10,6). При дальнейшем увели­
чении частоты вращения, когда центробежные снлы превышают соб­ственную массу мокрой ткани, ткань прижимается к барабану в виде кольца и вращается вместе с ним (рис. 3.10, в).

Рассмотрим силы (рис. 3.11), действующие на материальную точку Л на внутреннем гребне барабана. Это сила тяжести массы Рт, направ­ленная вертикально, центробежная сила Ри, направленная по радиусу от центра, и сила трения FTf,. По законам физики

PT = mg; Pu = ma>2R; ^р = РІ,

Где т — масса увлажненной ткани; и — угловая скорость барабана; R — радиус барабана; р — давление материала на гребеиь барабана; f — коэффи­циент трения.

Угол а подъема точки А соответствует моменту, когда она начинает соскальзывать с гребня. При этом справедливо равенство

Рг sin a = Pu-|-/;'TpCos ai,

Где ai — угол наклона плоского гребия к радиальной плоскости.

Это уравнение можно записать в виде

Mg sin a = ma>2R FTf cos ai

Или

U>2R,

Sin a=------------------------- cos a.

8 mg

Максимальный угол подъема а = л/2. Тогда

U>2R Frp

1 =--------------------- cos ab

8 Mg

Учитывая, что cosai<l и [/>/ (mg) ] < 1, можно записать

A)2R m.(x)2R

1 =

Mg

„ тч>2Р Рц

Соотношение ----------------- =-------- =Ф называют фактором разделения:

Mg РТ

Рп2-,

Рг 8 9,81

При акр = л/2 пкр = 0,6Д/О.

Практически установлено, что оптимальный фактор разделения для стиральных машин должен быть 0,85—0,90. Для барабана диаметром 420 мм частота вращения составляет 50^60 об/мин.

Режим стирки барабанных машин включает следующие операции: предварительная стирка, основная стирка, полоскание, спецобработка, отжим.

Предварительная стирка предназначена для насыщения ткани мою­щими средствами, уменьшения адгезии загрязнения с тканью и удале­ния основной части загрязнения, находящегося на поверхности ткани и в переплетениях между волокнами. Эти загрязнения представляют собой макрочастицы (песок, металлические осаждения и др.), при­сутствие которых в ткани при основной стирке привело бы к истощению моющего раствора, снижению концентрации ПАВ и, как следствие, к ухудшению отстирываемости. Анализ этой операции в зарубежных машинах показал, что температура моющего раствора практически во всех моделях составляет 40 °С, продолжительность операции 20—35 мин. Повышение температуры предварительной стирки недопустимо, так как при высоких температурах сворачивается белок, имеющийся в составе загрязнения. Свернувшийся белок прочно соединяется с волокнами и его вымывание затруднено. В дальнейшем оставшиеся после стирки белковые загрязнения окисляются и приводят, к пожелтению тканей в местах загрязнения.

Для повышения отстирываемости и уменьшения потери прочности в результате скручивания ткани вводят реверсивный режим стирки, заключающийся в переменном изменении направления вращения бара­бана с паузой между вращениями. В этом случае результирующее механическое воздействие (в %) будет составлять только часть общего времени стирки:

Где /в — время вращения барабана, с, /в==^вл + ^ вп (^вл И ^вп — время Вращения барабана соответственно влево и вправо); tu — время паузы между левым и правым вращением барабана, с.

Время цикла реверсирования можно записать в виде

Ill == ^ВЛ in + ^вп-

Если время реверсирования в процессе стирки различно, общее механическое воздействие

М0= (Mtt2--M2t2-- ...--Mntn)/T,

Где Mi, М2, .. , Mn — механическое воздействие в каждом реверсировании, %; 11, t2, .. , tn — время каждого реверсирования, мин; Т — суммарное время реверсирований, мин.

В зарубежных стиральных машинах механическое нагружение при предварительной стирке колеблется в широких пределах от 28 % (модель «Philips Sesa 822», ФРГ) до 88 % (модель «Siwamat 850», ФРГ) при следующей структуре реверсирования: = 12-(-3-(-12 с;

^ц2 = 3+ 18+5+40 с (модель «Philips Sesa 882»); tu= 14-|-4-|- 14 с (модель «Siwamat 850»).

Механическое воздействие бывает трех режимов: интенсивного (Л4 = 70%) при структуре реверсирования /Ц| = 14-|-4-|- 14 с, £ц2=12 + + 3+12 с; нормального (Л4 = 50%) при структуре реверсирования ^m = 10 + 5+10 с и <ц2 = 9 + 4 + 9 с; бережного (Л4<40%) при струк­туре реверсирования ^, = 5 + 5 + 5 с, /ц2 = 5+ 10 + 5 с и *и3 = 3 + 18 + 3 с.

Для достижения максимального эффекта применяют комбинирован­ную структуру реверсирования. Как правило, при нагреве применяют

Нормальный или бережный режимы, так как при холодном растворе большое механическое нагружение только увеличивает потери прочно­сти. В то же время при достижении раствором температуры 90 °С эффективен интенсивный режим. Общее время механического воздейст­вия при стирке не должно превышать 60—70 мин. Дальнейшее увели­чение механического нагружения сильно повышает изнашивание ткани: при увеличении механического воздействия до 90—95 мин износ состав­ляет 10—12% при отстирываемости 59—62%, при механическом нагру­жении 70 мин отсгирываемость практически не изменяется (59—60%), а потери прочности снижаются до 5,9 %.

Время предварительной стирки определяется временем нагрева мою­щего раствора до заданной температуры и временем набухания воло­кон ткани. Набухание волокон — процесс, в котором волокна ткани поглощают жидкость, увеличиваясь в поперечном и-продольном направ­лениях. В процессе набухания происходит ослабление молекулярных связей волокна и загрязнения. Из графика (рис. 3.12) видно, что процесс набухания практически завершается через 20—25 мин. Учитывая, что время нагрева также составляет 15—20 мин, это время устанавли­вают для длительности предварительной стирки с бережным механи­ческим воздействием. В ГОСТ 8051—83*Е установлена только темпе­ратура моющего раствора (40 °С) и время предварительной стирки (20 мин).

Основная стирка производится при максимально допустимой тем­пературе для данного вида ткани. Для хлопчатобумажной ткани 90—95 °С. Применение таких высоких температур необходимо для удаления жировых и пигментных загрязнений. С одной стороны, высо­кая температура действует на жировые и пигментные соединения, а с другой — на карбонат натрия, входящий в состав синтетических моющих средств. Карбонат натрия разлагается при температуре свыше 70 °С с выделением кислорода, который, взаимодействуя с жировыми и пигментными загрязнениями, обеспечивает их удаление. Пользуясь потребительской терминологией, этот процесс соответствует «выварива­нию» белья. Исследования показали, что с точки зрения отстирывае­мости и расхода электроэнергии для хлопчатобумажных тканей пред­почтительной является температура моющего раствора 90 °С.

Время основной стирки состоит из времени нагрева моющего раствора до заданной температуры /н и времени стирки после нагрева 4- Время /„ зависит от температуры нагрева, водного модуля, темпера­туры заливаемой воды и температуры окружающей среды. Время за­дается программой и составляет 5—20 мин. При этом, как правило, нагревательные элементы выключаются, так как температура за это время уменьшается незначительно. Увеличение времени свыше 20 мин

Рис. 3.12. Зависимость набухания хлоп­чатобумажной ткани при / = 40 °С и бе­режном режиме от времени механиче-

0 5 15 25 35 ского действия

Нецелесообразно, так как при этом температура раствора падает до 60—70 °С, при которых возможна ресорбция загрязнения из моющего раствора на ткань (ткань «застирывается»),

В автоматических стиральных машинах отечественного ■ производ­ства для барабанных машин рекомендуется длительность основной стирки — 15 мин.

В барабанных машинах водный модуль значительно меньше, чем в активаторных. Так, в активаторных он равеи 18—22 л/кг, а в бара­банных 5—7 л/кг. В последних моделях зарубежных фирм намечена тенденция резкого снижения водного модуля. Исследования процесса стирки, проведенные В. И. Мельниковым, показали, что оптимальное значение водного модуля для барабанных машин на 4—5 кг сухой ткани составляет 4—5 л/кг. В то же время зарубежные модели сти­ральных автоматов выпуска 1984—1985 гг. имеют водный модуль

2.2— 3,6 л/кг.

Как было отмечено ранее, для обеспечения максимальной кинети­ческой энергии ткани при падении в барабан уровень воды должен быть как можно ниже. Практически уровень несвязанной воды устанав­ливают не ниже 25 мм. Наличие небольшого уровня не связанного с тканью моющего раствора высокой температуры, обеспечивает по­стоянное контактирование перемешиваемой ткани с почти кипящим раствором, что поддерживает температуру поглощенного тканью раствора.

Учитывая, что 1 кг сухой ткани (хлопчатобумажной) удерживает

2.2— 2,5 кг раствора, для обеспечения уровня не связанного моющего раствора 20—25 мм водный модуль барабанных машин должен быть при основной стирке 3 л/кг, а при предварительной до 4 л/кг, так как температура моющего раствора в этом случае не превышает 40 °С и затраты электроэнергии невелики.

Уменьшение водного модуля до 3—4 л/кг позволяет уменьшить затраты на моющие средства, электроэнергию на нагрев и привод. На заключительной стадии стирки рекомендуется доливать холодную воду до водяного модуля 5—6 л/кг. Долив холодной воды снижает температуру моющего раствора, исключая возможность травматизма, и способствует лучшему вымыванию и удалению загрязнений.

Для снижения потери прочности ткани для основной стирки реко­мендуется применять следующий^ режим механического воздействия: при нагреве раствора до 40 °С применять бережный режим; при нагреве раствора от 40 до 85 °С — нормальный; при достижении 85—90 °С — интенсивный режим.

ГОСТ 8051—83*Е для режима основной стирки в барабанных маши­нах и при их испытаниях установлена температура моющего раствора 85 + 2 °С и механическое воздействие в течение 30 мин, если эти пара­метры не установлены автоматической системой управления стираль­ной машиной.

Провести математический анализ и установить математические за­висимости между отдельными параметрами, например между отстиры - ваемостью, потерей прочности, температурой, в некоторых случаях бывает крайне трудно. В этих случаях прибегают к эксперименту. При большом числе параметров для сокращения числа опытов используют теорию планирования эксперимента (например метод Бокса — Унль - сона). Сущность метода н способы его применения достаточно подробно изложены в работах [2, 34, 42].

Приведем некоторые результаты работ по исследованию технологи­ческого процесса стнркн н созданию математической модели этого про­цесса. Аналогичный подход целесообразен при исследовании и оптими­зации многокомпонентных хладагентов для холодильников, сушильных и гладильных машин и т. д. В связи с этим специалистам, занимаю­щимся бытовыми приборами, рекомендуем освоить практическое исполь­зование метода Бокса — Унльсона.

При создании математической модели процесса стнркн в качестве параметра оптимизации выбран показатель отстиры’ваемости С}.

Ограничимся линейной моделью вида

У = ао--а.Х --a2X2-- ■■ -^а. пХп-

Такая постановка задачи позволяет ставить опыт по схеме дробного факторного эксперимента для двух уровней факторов.

В качестве факторов, определяющих процесс, выделим количество моющего раствора V (х^, температуру раствора при основной стирке t (Х2), концентрацию моющих средств с (х3), продолжительность основ­ной стнркн после достижения заданной температуры Т| (*4), суммар­ное время механического воздействия Тг (*5).

Для уменьшения громоздкости приводимого примера выбрана чет - верть-реплнка вида ф + Э) 25-2, содержащая всего восемь опытов. Интервалы варьирования: У=12ч-22 л, / = 65-^85 °С, с = 2ч-4 г/л, Т1 = 15 — 30 мин, Т2 = 25-=-45 мнн.

Матрица планирования показана в виде табл. 3.4.

Для отстирываемости получено следующее выражение:

Q6 = _ 16,1 + 0,12V + 0,75* + 16,2с + 0,2т, + 0,056т2 — 0,17 ct.

Отдельные факторы влияют на отстнрываемость следующим обра­зом: 6Q6/(6V) =0,12 %/л; 6Q6/(6/) =0,75-j-0,17 %/К при с<4 г/л; 6Q6/(6c) = 16,24-0,17 %/г/л при *<90°С; 6Q6/(6х,) =0,2 %/мин;

6<2б/(6<2б) =0,056 %/мин.

94

Эти значения показывают, в каких пределах можно варьировать параметрами х—хп, чтобы повысить отстирываемость, и как влияет изменение каждого из факторов на показатель отстирываемости. Уве­личение объема моющего раствора на 1 л приведет к повышению показателя отстирываемости всего на 0,12 %.

Аналогичная математическая модель процесса стирки в активатор - ных стиральных машинах была получена Н. И. Сивченко и др. [23]:

Qa = 3.1 + 0,816d + 0,098п + 0,49Л + 0,49 • 10“'*nd — 0,7 • 10-'*п2,

Где d — диаметр активатора; п — частота вращения активатора; h — высота лопатки.

Полоскание. Процесс сводится к удалению из ткани остатков раст­воримых веществ стирального раствора, отдельных частиц загрязне­ний, оставшихся в ткани. Эффективность полоскания определяется щелочностью воды после полоскания относительно щелочности зали­ваемой воды (ГОСТ 8051—83*Е). Значение щелочности воды после полоскания относительно водопроводной воды не должно превышать 0,3 мг-экв/л.

В процессе полоскания используют большое количество воды. В за­рубежных машинах применяют 4—6 полосканий с расходом воды до 25 л на 1 кг ткани. В некоторых моделях машин применяют проточ­ный способ полоскания. Расход воды в этом случае еще больше.

Выбор правильной технологии полоскания может дать наибольшую экономию расхода воды. На рис. 3.13 приведена зависимость эффектив­ности полоскания от числа полосканий в цикле. Для получения оста­точной щелочности менее 0,3 мг-экв/л, как правило, требуется про­вести пять полосканий с общим расходом воды около 100 л. В модели «Lavamat de Luxe Е» (ФРГ) уже после первого полоскания низкая щелочность объясняется тем, что в программе основной стирки в конце процесса предусмотрено четыре долива воды по 50 с и один долив 35 с, т. е. расход воды перенесен с процесса полоскания на процесс основной стирки, что в сумме не дает никакой экономии.

Для повышения качества полоскания во всех моделях стиральных машин применяют интенсивное механическое воздействие. Общее время полоскания составляет 8—25 мин. Эффективным методом повышения качества полоскания является введение промежуточного отжима между полосканиями длительностью (1—2) мин. Так, применение двух проме­жуточных отжимов длительностью по 2 мин после второго и третьего полоскания позволяет уменьшить число полосканий до четырех с обес­печением остаточной щелочности 0,17 мг-экв/л.

Отжим влаги из ткани в бытовых стиральных машинах является самой сложной технологической операцией, определяющей конструк­цию машины. Как отмечено, 1 кг сухой ткани впитывает 2—2,5 кг воды, т. е. влажность ткани составляет 200—250 %. В процессе отжима и сушки степень влажности ткани необходимо довести до 17—20%. При сушке в сушильных машинах на испарение 1 кг влаги затрачи­вается около 1,5 кВт-ч электроэнергии и 30—40 мин времени. Для

Отжатия 1 кг влаги в центрифуге с начальной влажностью 200 % затра­чивается менее 1 мин времени и не более 0,2 Вт/ч электроэнергии. Отсюда становится очевидным необходимость максимального удаления воды в процессе отжима.

Удаление влаги из ткани в стиральных машинах осуществляется путем прессования валками или центрифугированием. Валки приме­няют в машинах типа СМР. В полуавтоматических и автоматических машинах используют центрифуги.

Процесс центрифугирования можно разделить на два этапа. На первом этапе удаляется влага, находящаяся в основных и уточных переплетениях ткани, а также в промежутках между волокнами. На втором этапе удаляется влага, находящаяся в ткани, в результате
сил поверхностного натяжения. После первого этапа центрифугирования влаж­ность ткани составляет 110—120%, после второго — 55—65 % (рис. 3.14).

Из графика видно, что для достижения остаточной влажности 110—120% час­тота вращения барабана должна быть 350—400 об/мин, а для достижения 55—

65 % необходимо увеличить частоту вращения до 1000 об/мин. Оказывается, чтобы развить такую частоту вращения барабана и обеспечить устойчивость машины, необходимо увеличить массу машины до 100—120 кг. Это объясня­ется тем, что масса влажной ткани рас­пределяется внутри барабана нерав­номерно и при больших частотах вращения возникает большая центро­бежная сила, компенсировать которую можно, создав дополнительную массу.

Автоматическая барабанная стиральная машина, рассчитанная на 4—5 кг сухого белья, имеет массу 70—80 кг. Следовательно, для обеспе­чения устойчивости необходимо на 30—40 кг увеличить массу машины. Но и при этом получают только частоту 350—400 об/мин. Для повыше­ния частоты до 800—1000 об/мин необходимо применять мягкую си­стему подвески, которая может быть выполнена с применением пружин и фрикционов, пружинно-фрикционных гидравлических амортизаторов и др. Такие системы значительно усложняют конструкцию машины и повышают ее стоимость. Поэтому используют различные специальные способы выхода на режим отжима с заданной частотой. К таким спосо­бам относится, например, прерывистый отжим, получивший за рубежом название «интерсвинг» (intersving).

Прерывистый отжим — это способ отжима, состоящий из несколь­ких простых фаз отжима, прерываемых во времени для обеспечения равномерного распределения массы ткани вдоль обечайки барабана. Анализ зарубежных автоматических барабанных машин показал, что способы выхода на максимальную частоту вращения можно сгруппи­ровать и следующим образом (рис. 3.15):

1) линейный отжим — в различных машинах отличается только крутизной линии 1: S = dn/(dt);

2) ступенчатый отжим — отжим при котором применяют различное число ступеней и их уровней;

3) прерывистый отжим — отжим, при котором применяют различ­ное число прерываний и их уровней.

Каждая из этих групп имеет свои модификации для хлопчатобумаж­ной ткани, синтетической и в некоторых случаях даже для шерсти. Кроме того, в ряде машин для лучшей раскладки ткани в барабане отжим начинается при не полностью слитой воде. В некоторых маши­нах при одностороннем вращении барабана и частоте его вращения,

800 Т 50 -50
Я АЛЛ/
А
Z
30”	15’
Б)
П, об/мин
Рис. 3.15. Способы выхода барабана на максимальную частоту вращения:
А — линейный; б — ступенчатый; в — прерывистый; / — хлопок, лен; II III — шерсть
Синтетика;

Соответствующей частоте вращения при стирке, производят слив воды, а затем в этом же направлении начинают отжим.

В современных стиральных машинах с электронной памятью запи­сывают несколько программ отжима от простой до сложной. В машину встраивают датчик вибраций. При превышении амплитуды вибрации бака срабатывает датчик и дает сигнал на остановку отжима с после­дующим переходом на другую программу отжима. Таким образом, делается перебор всех имеющихся программ, пока не произойдет равно­мерная раскладка и отжим. Если перебор всех заложенных программ не обеспечивает выхода на заданную частоту отжима, в бак заливается вода и делается новая попытка провести раскладку. Если и это не дает результата, на индикаторе дается сигнал оператору о необходи­мости произвести раскладку ткани вручную.

Такая система отжима используется в автоматических барабанных машинах отечественного параметрического ряда с электронной систе­мой управления, имеющей достаточно большой объем памяти.