При установившемся процессе вращения активатора в жидкости вокруг оси активатора возникает однородный цилиндрический вихрь круглого сечения с постоянной угловой скоростью (зона I, рис. 2). Теоретический диаметр вихря должен быть равен диаметру r 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 ).  Радиус вихря определен экспериментально:  =0,75.

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

   В периферийной зоне III приближенно можно считать:

, [м/с]                                                    (8)

 
 
 
 

Рис. 1. Схема движения жидкости в стиральном баке с осесимметричным расположением активатора 

 

Рис. 2. Распределение скоростей движения частиц раствора в стиральном баке:

I — зона цилиндрического однородного вихря; II — переходная зона; III — зона падающей скорости; 1 — активатор; 2 — теоретическое распределение скоростей; 3 — реальное распределение скоростей.

в переходной зоне II:

, [м/c]                                      (9)

Тангенциальная  скорость достигает своего максимума  при:

. [м]                                                  (10)

     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.

     Характер  циркуляции зависит от соотношения  размеров активатора и бака, частоты  вращения активатора, а также от его формы. В любом случае с  осесимметричным активатором имеются  условия для образования воронки. Воронка нарушает структуру потока, и ткань концентрируется под нею. С увеличением глубины воронки ткань прижимается к активатору и практически не перемешивается. На рис. 3 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. 4 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 полуцилиндрическим или сферическим дном. При увеличении высоты жидкости над активатором потребляемая мощность также увеличивается. 

 

Рис. 3. Зависимость  глубины воронки: а — от частоты вращения активатора; б — от частоты вращения активатора при различном числе К отражательных элементов на баке.

Рис. 4.  Зависимость  потребляемой   мощности от  частоты  вращения  активатора при различных количествах отражательных элементов на баке.

      Поэтому стараются не использовать осесимметричное расположение активатора, а применять боковое его расположение или несколько активаторов  (рис. 5).

        
Рис.   5.    Несимметричное   расположение активатора: а — боковое; б — наклонное 

     По  данным Н. И. Сивченко и др., 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.

2 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. 6, 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. 6, б). При дальнейшем увеличении частоты вращения, когда центробежные силы превышают собственную массу мокрой ткани, ткань прижимается к барабану в виде кольца и вращается вместе с ним (рис. 6,в).

Рис. 6. Движение ткани в барабане стиральной машины. 

Рис.7. Действие сил на материальную точку в стиральном баке.

     Рассмотрим  силы (рис. 7), действующие на материальную точку А на внутреннем гребне барабана. Это сила тяжести массы Р_т, направленная вертикально, центробежная сила направленная по радиусу от центра, и сила трения F_тp. По законам физики

; , [H]; , [H]                                  (11)

где — масса увлажненной ткани;

 —  угловая скорость барабана;

R — радиус барабана;

 — давление материала на гребень барабана;

f — коэффициент трения.

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

 ,                                     (12)

где — угол наклона плоского гребня к радиальной плоскости.

Это уравнение  можно записать в виде:

                                              (13)

            Или

              + .                                         (14)

Максимальный  угол подъема  = . Тогда

  + .                                           (15)

Учитывая, что  < l и < 1, можно записать

  + .                                               (16)

Соотношение = = называют фактором разделения:

= = ≈                                    (17)

при = , = .

     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:

 100, [%]                                                  (18)

где — время вращения барабана, с;

= + ( и — время вращения барабана соответственно влево и вправо); — время паузы между левым и правым вращением барабана, с.

Время цикла реверсирования можно записать в виде

+ + . [с]                                            (19)

     Если  время реверсирования в процессе стирки различно, общее механическое воздействие

, [%]                        (20)

где , , — механическое воздействие в каждом реверсировании, %;

, , — 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; = 3 + 18 + 5 + 40 с (модель «Philips Sesa 822»);                         = 14 + 4 + 14 с (модель «Siwamat 850»).

     Механическое  воздействие бывает трех режимов: интенсивного             (М = 70%) при структуре реверсирования = 14 + 4 + 14 с, = 12 + 3 + 12 с;   нормального   (М = 50%) при структуре реверсирования = 10 + 5 + 10 с,    = 9 + 4 + 9 с; бережного (М = 40%) при структуре реверсирования             = 5 + 5 + 5 с, = 5 + 10 + 5 с и 3 + 18 + 3 с.

     Для достижения максимального  эффекта  применяют комбинированную структуру  реверсирования. Как правило, при  нагревания 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 отстирываемость 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. 8) 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),