СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ БЕЛЬЯ В СТИРАЛЬНЫХ МАШИНАХ БАРАБАННОГО ТИПА Российский патент 2006 года по МПК D06F58/02 

Изобретение относится к способам сушки белья в стиральных машинах и может быть использовано в машиностроении при разработке и изготовлении бытовых автоматических стиральных машин с полной сушкой простиранного белья.

Сушка - заключительная стадия любой стирки белья и ее проведение в рамках одного устройства - стиральной машины позволяет полностью автоматизировать процесс стирки и свести к минимуму ручной труд.

Процесс сушки, заключающийся в удалении влаги из тканей, является самой продолжительной и самой затратой стадией обработки белья.

В настоящее время наибольшее распространение получили конвективные способы сушки белья [1, 2], которые используются в стиральных машинах барабанного типа. Из известных конвективных способов сушки белья в стиральных машинах типичным является способ сушки белья, реализованный в автоматической барабанной стиральной машине компании «Бош-Сименс Хаусгерете ГмбХ» [2].

Способ сушки белья заключается в том, что после предварительного удаления влаги центрифугированием осуществляют энергетическое воздействие на белье горячим воздухом до удаления необходимого количества влаги. В стиральных машинах все технологические операции над бельем, в том числе и сушка, выполняются внутри барабана для белья. Барабан, в котором осуществляются все операции с бельем, вращается во внешнем барабане.

Для реализации конвективного способа сушки белья в конструкцию стиральной машины введены воздушные каналы, вентилятор, обеспечивающий циркуляцию воздуха, нагревательный элемент, обеспечивающий нагрев воздуха до необходимой температуры, и конденсатор, обеспечивающий его охлаждение. В результате охлаждения воздуха содержащаяся в нем влага конденсируется и удаляется в сливную систему стиральной машины. Таким образом, конвективный способ сушки белья в стиральных машинах реализуется следующим образом: сухой воздух нагревается встроенным нагревателем и с помощью вентилятора направляется по воздушному каналу в барабан для белья. Проходя через белье (осуществляя энергетическое воздействие), воздух увлажняется, испаряя влагу из белья, после чего поступает в конденсатор (расположенный обычно вне пределов барабана), где охлаждается, в результате чего влага конденсируется. Сухой воздух вновь нагревается и направляется в барабан для белья. Процесс повторяется до удаления необходимого количества влаги из белья.

Конвективный способ сушки белья обладает следующими недостатками:

- процесс сушки белья за счет подачи горячего воздуха чрезвычайно энергоемок и длителен;

- стиральные машины, реализующие способ конвективной сушки, не могут быть малогабаритными (узкими), так как в этом случае уменьшается воздушный объем в барабане, что с одной стороны ограничивает скорость процесса сушки, а с другой - увеличивает энергозатраты;

- для обеспечения приемлемого качества сушки приходится либо уменьшать загрузку, либо сушить простиранное белье в два приема;

- недопустимость сушки в стиральных машинах деликатных тканей из-за длительного высокотемпературного воздействия, разрушающего синтетические материалы;

- высокотемпературное, неравномерное энергетическое воздействие приводит к пересыханию и порче белья. Для уменьшения этих недостатков приходится снабжать стиральную машину «умной» и дорогой электронной системой контроля, что значительно увеличивает себестоимость машины.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность способа конвективной сушки нагретым воздухом, обусловливают снижение производительности технологической операции сушки, а в отдельных случаях делают его экономически невыгодным или практически недопустимым.

Перечисленные недостатки обусловлены не низким уровнем проработанности конструктивных решений машин с сушкой, а принципиальными недостатками, положенными в основу способа сушки - конвективной сушки. В связи с этим возникает необходимость устранения недостатков конвективного способа сушки и использования других, более эффективных способов энергетического воздействия.

Из известных способов сушки белья в стиральных машинах наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ сушки белья по патентному документу JP 3051085, опубликованному 05.03.1991 [3], принятый за прототип.

Способ сушки белья в стиральных машинах барабанного типа, принятый за прототип, заключается в том, что после предварительного удаления влаги центрифугированием осуществляют энергетическое воздействие непрерывно или импульсно упругими колебаниями ультразвуковой частоты.

Такой способ сушки белья в стиральных машинах реализуется следующим образом: механические колебания ультразвуковой частоты вводятся в объем для сушки и, проходя через белье (осуществляя энергетическое воздействие), обеспечивают удаление влаги без фазового перехода, т.е. без перевода жидкости в парообразное состояние.

Способ сушки белья, принятый за прототип, позволяет частично устранить недостатки известных способов сушки, однако обладает рядом существенных недостатков, перечисленных далее.

1. Не обеспечивает минимальное время сушки при минимальных энергозатратах из-за неоптимального энергетического воздействия упругими колебаниями, поскольку отсутствуют:

- требования к видам и характеристикам источников ультразвуковых колебаний;

- оптимизация условий ввода ультразвуковых колебаний в высушиваемое белье;

- требования к параметрам ультразвуковых колебаний, способных обеспечить эффективный режим сушки (интенсивность упругих колебаний и частота упругих колебаний).

2. Не обеспечивает максимальную эффективность процесса сушки, поскольку:

- не учитывает и не использует для обеспечения высокой эффективности УЗ воздействия особенностей формы и геометрических размеров технологического объема (внутреннего барабана) для сушки белья, а также изменений количества высушиваемого белья и его влажности;

- не указывает оптимальных зон формирования ультразвуковых колебаний;

- не создает условий усиления колебаний, их выделения и направления в зоны, обеспечивающие сушку с максимальной эффективностью.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность принятого за прототип способа сушки, не обеспечивают максимальной производительности операции сушки. Перечисленные недостатки обусловлены низким уровнем проработанности конструктивных решений прототипа.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующего способа сушки белья в стиральных машинах и создание способа, обеспечивающего повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса сушки белья в стиральных машинах.

Технический результат выражается в обеспечении энергетического воздействия на белье упругими колебаниями высокой интенсивности с оптимальными параметрами, с учетом особенностей формирования УЗ колебаний, протекания процесса и конструкций стиральных машин, что обеспечивает увеличение эффективности процесса, повышение качества сушкибелья и снижение энергоемкости процесса сушки белья в стиральных машинах.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе сушки белья в стиральных машинах барабанного типа, при котором после предварительного удаления влаги центрифугированием осуществляют энергетическое воздействие на белье до удаления необходимого количества влаги непрерывно или импульсно упругими колебаниями ультразвуковой частоты, интенсивность колебаний устанавливают в диапазоне 135-160 дБ. При этом частоту упругих колебаний выбирают из условий обеспечения акустического резонанса внутреннего объема барабана стиральной машины и(или) внутреннего воздушного промежутка между барабаном для белья и внешним барабаном, и в процессе сушки осуществляют ее изменение в соответствии с изменением количества высушиваемого белья и его влажности.

В первом варианте технического решения ультразвуковые колебания создают аэродинамическими или электромеханическими преобразователями и вводят в высушиваемое белье бесконтактно через нерезонансные воздушные промежутки или через элементы конструкции стиральной машины.

Во втором варианте технического решения ультразвуковые колебания, создаваемые вне объема барабана для белья, усиливают с помощью акустических концентраторов или согласующих четвертьволновых слоев, выделяют резонаторами и направляют во внутренний объем барабана для белья.

В третьем варианте технического решения ультразвуковые колебания создают в виде изгибных колебаний металлических стенок барабана для белья и вводят в белье при его непосредственном контакте с колеблющимися стенками барабана для белья.

Для выявления преимуществ по сравнению с прототипом рассмотрим процесс и возможные пути реализации предложенного способа ультразвуковой сушки.

Известно [4], что влагосодержание высушиваемого материала от времени, процесса сушки при постоянном энергетическом воздействии характеризуется сложной нелинейной зависимостью, на которой можно выделить два периода сушки. Первый период изменения влажности обусловлен тем, что влага, испаряющаяся с поверхности, непрерывно заменяется новой, поступающей из внутренних слоев. Вследствие этого температура на поверхности материала остается постоянной (равна температуре внутренних слоев). Этот период сушки эквивалентен испарению жидкости со свободной поверхности, скорость сушки при этом постоянна.

По мере снижения влагосодержания высушиваемого материала наступает момент, когда скорость подачи влаги к поверхности из глубинных слоев оказывается недостаточной, чтобы обеспечить прежнюю скорость испарения с поверхности, вследствие чего скорость сушки начинает падать (начинается второй период процесса сушки) и асимптотически стремиться к нулю.

Воздействие ультразвуковыми колебаниями определенной интенсивности позволяет интенсифицировать оба периода процесса сушки [5]. В течение первого периода сушки акустические колебания позволяют уменьшить толщину гидродинамического пограничного слоя. При воздействии УЗ колебаниями высокой интенсивности (135-160 дБ) гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что звуковые колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизуют его, тем самым ускоряют процесс испарения.

Наряду с уменьшением толщины пограничного слоя способ сушки, основанный на использовании УЗ колебаний с определенными параметрами, обладает еще одним важным преимуществом - колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и пониженного давления, что интенсифицирует процессы переноса влаги из глубинных слоев к поверхности во втором периоде сушки.

Другими действующими факторами ультразвукового воздействия с указанными параметрами являются:

- уменьшение вязкости жидкости под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, что способствует ускоренному переносу влаги из глубинных слоев к поверхности,

- выдавливание влаги из материала кавитационными пузырьками, возникающими в жидкости под действием колебаний высокой интенсивности и заданной частоты,

- радиационное давление, выдавливающее жидкость из материала.

Меньшие энергетические затраты способа ультразвуковой сушки, использующей оптимальные источники УЗ колебаний, предложенные параметры колебаний, условия их формирования и ввода в белье по сравнению с известным способом объясняются тем, что жидкость с поверхности удаляется не только за счет испарения (что требует значительных энергетических затрат на осуществление фазового перехода), но и в виде аэрозоля (без фазового перехода) - который возникает в результате высокоинтенсивных упругих колебаний указанной интенсивности и частоты, при условии обеспечения оптимальных условий их формирования и ввода.

Ультразвуковая сушка при сравнимой мощности энергетического воздействия и обеспечении оптимальных режимов и условий воздействия протекает в 4-5 раз быстрее по сравнению с сушкой по прототипу.

Таким образом, предложенный способ сушки характеризуется по сравнению с сушкой по прототипу более высокой интенсивностью процесса (производительностью) при меньших затратах энергии и обеспечивает возможность практической реализации качественной и эффективной сушки при низких температурах или принципиально без повышения температуры.

Предложенный способ может быть реализован с помощью известных конструкций акустических излучателей высокой интенсивности.

Диапазон интенсивности ультразвуковых колебаний выбирается, исходя из следующих ограничений. Известно [6], что удаление влаги под воздействием колебаний происходит только при высокой интенсивности колебаний, причем эффективно процесс протекает, начиная с интенсивности 135...142 дБ. Интенсивность процесса значительно возрастает с увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний. Однако увеличивать интенсивность ультразвуковых колебаний выше уровня 160 дБ нельзя по следующим причинам: высокий уровень вибрационных нагрузок на элементы стиральной машины, который может повлечь их разрушение, необходимость применения многослойной шумоизоляции, значительно усложняющей конструкцию стиральной машины, высокие затраты энергии, возможность повреждения белья.

Существующие конструкции ультразвуковых излучателей подразделяются на излучатели непрерывного действия и импульсные излучатели.

К достоинствам применения излучателей непрерывного действия следует отнести равномерность акустического воздействия на высушиваемое белье, однако излучатели непрерывного действия и системы их питания имеют более сложную конструкцию, чем излучатели импульсного действия, непрерывное воздействие требует больших энергетических затрат для получения колебаний высокой интенсивности (135 дБ и выше).

К достоинствам применения излучателей импульсного действия следует отнести возможность получения акустических импульсов высокой и сверхвысокой интенсивности (150 дБ и выше), более простую конструкцию по сравнению с излучателями непрерывного действия.

Излучатели импульсного и непрерывного действия способны обеспечить перестройку частоты для обеспечения акустического резонанса внутреннего объема барабана стиральной машины и (или) внутреннего воздушного промежутка между барабаном для белья и внешним барабаном, и в процессе сушки осуществляют ее изменение в соответствии с изменением количества высушиваемого белья и его влажности.

В качестве излучателей ультразвуковых колебаний высокой интенсивности могут быть применены аэродинамические или электромеханические излучатели.

Аэродинамические излучатели преобразуют кинетическую энергию потока газа в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты. Наиболее перспективным представляется применение излучателей (свистков) Гартмана [7], к достоинствам которых следует отнести:

- простоту конструкции,

- отсутствие механических вращающихся деталей,

- достаточно высокий кпд (более 25%),

- возможность создания широкополосных колебаний или регулирования частоты колебаний [8].

Наряду с газоструйными излучателями для создания колебаний в воздушной среде применимы электромеханические излучатели пьезоэлектрического типа, к достоинствам которых относятся:

- прямое преобразование энергии электрического тока ультразвуковой частоты в акустические колебания,

- большой срок службы,

- высокий электроакустический кпд,

- возможность работы при высоких температурах (более 100°С) без принудительного охлаждения,

- возможность создания широкополосных излучателей [8].

Узел акустической развязки исключает передачу колебаний на корпус преобразователя, что позволяет закреплять излучатель непосредственно на элементах конструкции стиральной машины.

Повысить эффективность излучения акустической энергии в воздушную среду можно применением в конструкции излучателей специальных средств: трансформаторов колебательной скорости (концентраторов), согласующих четвертьволновых слоев и др. [9].

Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг.1-фиг.3.

На фиг.1 показаны различные варианты крепления излучателей для обеспечения эффективного ввода акустических колебаний в высушиваемое белье. На фиг.2 представлен вариант обеспечения резонансных явлений в воздушном промежутке между барабаном для белья и внешним барабаном для повышения эффективности ввода акустических колебаний в высушиваемое белье. На фиг.3 представлен вариант размещения маломощного излучателя и резонаторов Гельмгольца на внешнем барабане стиральной машины.

Позиционные обозначения на фигурах имеют следующие значения: 1 - барабан для белья, 2 - внешний барабан, 3 - система шумоизоляции внешнего барабана, 4 - корпус стиральной машины, 5 - излучатели, закрепленные на внешней поверхности барабана для белья, 6 - излучатели, закрепленные на внутренней поверхности внешнего барабана, 7 - излучатель, закрепленный на фронтальной дверце стиральной машины, 8 - излучатель, интегрированный с системой крепления барабана для белья, 9 - фронтальная дверца, 10 - система крепления и привода барабана для белья, 11 - перегородка, 12 - псевдозамкнутые воздушные объемы, 13 - маломощный излучатель, 14 - воздушный промежуток между барабаном для белья и внешним барабаном, 15 - резонаторы Гельмгольца.

В процессе осуществления сушки подвергаемое УЗ воздействию белье находится внутри барабана для белья 1 (фиг.1), реверсивно-кратковременное вращение которого способствует равномерному воздействию акустических колебаний на весь объем белья, а циркуляция воздуха внутри барабана для белья 1 обеспечивает удаление за его пределы влаги, которая выделяется из белья в процессе сушки. Акустическое воздействие внутри барабана для белья 1 создается излучателями 5-8. Наличие того или иного излучателя, их количество и параметры определяются конструктивными особенностями конкретной стиральной машины. Система шумоизоляции 3 внешнего барабана 2, а также шумоизоляция корпуса 4 и фронтальной дверцы 9 обеспечивают снижение уровня звукового давления вне корпуса 4 стиральной машины до уровня менее 70 дБ, что соответствует требованиям действующей нормативной документации.

Для повышения эффективности способа при практической реализации используются резонансные явления, возникающие в существующих конструктивных элементах стиральной машины, и/или в специальных устройствах. Так, используются резонансные свойства барабана для белья 1, воздушного объема внутри него, а также воздушного промежутка между барабаном для белья и внешним барабаном. Усиление резонансных свойств воздушного промежутка между барабаном для белья 1 и внешним барабаном 2 обеспечивается разбиением этого промежутка на отдельные псевдозамкнутые воздушные объемы (фиг.2). В рамках каждого из псевдозамкнутых воздушных объемов 12, заключенных между смежными перегородками 11, будут совершаться колебания воздушных масс в направлении от внешнего барабана 2 к барабану для белья 1 и обратно с резонансной частотой.

Наряду с возбуждением автоколебаний усиление колебания осуществляется с помощью специальных устройств - резонаторов, которые позволяют значительно увеличить амплитуду колебаний и фокусировать последние.

В условиях стиральных машин представляется оптимальным использовать резонаторы Гельмгольца. Резонатор позволяет усиливать акустические колебаний частотой

где с - скорость звука в воздухе (м/с),

s - площадь поперечного сечения узкой части резонатора (м²),

l - длина узкой части резонатора (м),

V - внутренний объем резонатора (м³).

Использование резонаторов Гельмгольца (фиг.3) позволяет разместить маломощный (газоструйный или электромеханический) излучатель 13 ультразвуковых колебаний вне пределов барабана для белья 1. Излучатель создает замкнутый поток воздуха в воздушном промежутке 14. Этот поток дополнительно поддерживается вращением барабана для белья 1. Воздушный поток возбуждает колебания резонаторов Гельмгольца 15, установленных на внешнем барабане 2, которые усиливают колебания и направляют их внутрь барабана для белья. Невысокая мощность излучателя и размещение преобразователя вне пределов барабана для белья упрощают конструкцию стиральной машины.

Кроме передачи колебаний через воздушную среду ввод колебаний в осушаемое белье может осуществляться непосредственно через металлические стенки барабана. В этом случае на барабане для белья жестко закрепляются пьезоэлектрические преобразователи, которые возбуждают изгибные колебания стенок барабана для белья. Такое размещение преобразователей позволяет, во-первых, увеличить энергию колебаний, вводимых в осушаемое белье, а во-вторых, снизить уровень звукового давления, создаваемого в воздушной среде. Наиболее оптимальным представляется реализация такого варианта с помощью пьезоэлектрических преобразователей, интегрированных с лопатками для перемешивания белья или с системой крепления барабана.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности (повышение производительности и улучшение качества сушки) сушки белья в стиральных машинах с применением УЗ колебаний за счет обеспечения оптимальных условий формирования и ввода УЗ колебаний в белье.

В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована технология сушки белья в стиральных машинах барабанного типа с применением УЗ колебаний с точки зрения обеспечения максимальной производительности, снижения энергозатрат.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведется подготовка к серийному производству устройств акустической сушки для стиральных машин барабанного типа. Мелкосерийное производство планируется начать в 2005 году. Планируется также сотрудничество с компаниями производителями стиральных машин.

Литература

1. Патент РФ №2221094.

2. Патент РФ №2144104.

3. Патент JP 3051085 - прототип.

4. А.В.Лыков. Теория сушки. М.: Госэнергоиздат, 1950.

5. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1970.

6. Патент РФ №2239137.

7. Источники мощного ультразвука. Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1970.

8. Хмелев В.Н., Митин А.Г., Кицанов А.С. Широкополосные ультразвуковые газоструйные излучатели. НТ сборник «Передовой производственный опыт». - М., 1991. - №6, - с.25-27.

9. Авторское свидетельство СССР №1295333.

В способе сушки белья после предварительного удаления влаги центрифугированием осуществляют энергетическое воздействие на белье упругими колебаниями ультразвуковой частоты. Колебания создают аэродинамическими или электромеханическими преобразователями и вводят в высушиваемое белье бесконтактно через нерезонансные воздушные промежутки или через элементы конструкции стиральной машины. Интенсивность упругих колебаний устанавливают в диапазоне 135-160 дБ. Частоту колебаний выбирают из условий обеспечения акустического резонанса внутреннего объема барабана стиральной машины и/или внутреннего воздушного промежутка между барабаном для белья и внешним барабаном. В процессе сушки осуществляют изменение частоты в соответствии с изменением количества высушиваемого белья и его влажности. За счет использования оптимальных источников ультразвуковых колебаний, а также за счет приведенных параметров и условий формирования и ввода колебаний в белье обеспечиваются меньшие энергетические затраты на реализацию данного способа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сушки белья в стиральных машинах барабанного типа, включающий предварительное удаление влаги центрифугированием и энергетическое воздействие на белье до удаления необходимого количества влаги, осуществляемое непрерывно или импульсно упругими колебаниями ультразвуковой частоты, отличающийся тем, что упругие колебания создают аэродинамическими или электромеханическими преобразователями и вводят в высушиваемое белье бесконтактно через нерезонансные воздушные промежутки или через элементы конструкции стиральной машины, интенсивность упругих колебаний устанавливают в диапазоне 135-160 дБ, а частоту упругих колебаний выбирают из условий обеспечения акустического резонанса внутреннего объема барабана для белья и/или внутреннего воздушного промежутка между барабаном для белья и внешним барабаном, и в процессе сушки осуществляют ее изменение в соответствии с изменением количества высушиваемого белья и его влажности.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания, создаваемые вне объема барабана для белья, усиливают с помощью акустических концентраторов или согласующих четвертьволновых слоев, выделяют резонаторами и направляют во внутренний объем барабана для белья.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания создаются в виде изгибных колебаний металлических стенок барабана для белья и вводятся в белье при его непосредственном контакте с колеблющимися стенками барабана.