Гидромеханические процессы

     Основная  стирка производится при максимально допустимой температуре для данного вида ткани. Для хлопчатобумажной ткани 90 — 95 ºС. 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 ºС.

Время основной стирки состоит из времени  нагрева моющего раствора до заданной температуры и времени стирки после нагрева . 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 нецелесообразно, так как при этом температура раствора падает до 60 — 70 °С, при которых возможна ресорбция загрязнения из моющего раствора на ткань (ткань «застирывается»).

Рис. 8. Зависимость набухания хлопчатобумажной ткани при t = 40 ºС и бережном режиме от времени механического действия.

     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 равен 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 ºС применять бережный режим; при нагреве раствора от 40 до 85 ºС — нормальный; при достижении 85 — 90 ºС — интенсивный режим.

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

       Провести математический анализ и установить математические зависимости между отдельными параметрами, например отстирываемостью, 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 — Уильсона).

     Приведем  некоторые результаты работ по исследованию технологического процесса стирки и созданию математической модели этого процесса. Аналогичный подход целесообразен при исследовании и оптимизации многокомпонентных хладагентов для холодильников, сушильных и гладильных машин и т. д.

     При создании математической модели процесса стирки в качестве параметра оптимизации выбран показатель отстирываемости Q.

   Ограничимся линейной моделью вида

.                            (21)

     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(), температуру раствора при основной стирке t(), концентрацию моющих средств с(), продолжительность основной стирки после достижения заданной температуры (), суммарное время механического воздействия ().

     Для уменьшения громоздкости приводимого  примера выбрана четверть-реплика вида (D + Э) 2^5-2, содержащая всего восемь опытов. Интервалы варьирования: V = 12 ÷ 22 л, t = 65 ÷ 85 °С, c = 2 ÷ 4 г/л, = 15 — 30 мин,   = 25 ÷ 45 мин.

Матрица планирования показана в виде таблице 1.

Для отстирываемости получено следующее выражение:

= -16,1 + 0,12V + 0,75t + 16,2c + 0,2 + 0,056 – 0,17ct           (22)

 Отдельные факторы  влияют на отстирываемость следующим образом:

  0,12 %/л;  0,75 ÷ 0,17 %/K при c

 16,2 ÷  0,17 %/г/л при t 90 ºC; 0,2 %/мин;       (23)

  0,056 %/мин.

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

     Аналогичная математическая модель процесса стирки в активаторных стиральных машинах была получена Н. И. Сивченко и др.:

  = 3,1 + 0,816d + 0,098n + 0,49h + 0,49 ∙ nd – 0,7 ∙ ,     (24)

где  d — диаметр  активатора; 

n — 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. 9 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 икании 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 отжима 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.

Рис. 9. Зависимость эффективности отполаскивания от количества полосканий в цикле  моделей машин:

1— «Siwamat 810»; 2— «Lawamat»; 3 — «Siwamat 850»; 4— «Candy»; 5 — ОЦО2; 6 — «Philips»; 7 — «Miele».

     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. 10). 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.

Рис. 10. Зависимость  остаточной влажности от частоты вращения барабана центрифуги с горизонтальной осью вращения. 

     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. 11):