Теория отжима белья
После стирки влажность ткани составляет 200– 250 %. В процессе отжима и сушки степень влажности ткани необходимо довести до 17– 20%.
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. 104). 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. 104. Зависимость остаточной влажности от частоты вращения барабана центрифуги с горизонтальной осью вращения
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, состоящий из нескольких простых фаз отжима, прерываемых во времени для обеспечения равномерного распределения массы ткани вдоль обечайки барабана. Анализ автоматических барабанных машин показал, что способы выхода на максимальную частоту вращения можно сгруппировать следующим образом (Рис. 105):
1) линейный отжим
– в различных машинах отличается только
крутизной линии
:
;
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, соответствующей частоте вращения при стирке, производят слив воды, а затем в этом же направлении начинают отжим.
Рис. 105. Способы выхода барабана на максимальную частоту вращения:
а – линейный; б – ступенчатый; в – прерывистый;
–хлопок, лен;
– синтетика;
– шерсть
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.
Отжим белья в современных автоматических барабанных стиральных машинах производится в поле центробежных сил (в центрифугах). При вращении ротора на белье и жидкость действует центробежная сила, под действием которой жидкость отделяется от белья и отводится через перфорированную стенку ротора центрифуги.
Процесс отжима в центрифуге может быть условно разделен на два периода. В первый период ткани белья уплотняются и жидкость выдавливается из промежутков между волокнами ткани. Во второй период отжима в поры ткани, освобожденные от жидкости, проникает воздух и давление ткани на жидкость становится равным нулю. В этот период отделение жидкости происходит в результате осаждения ее под действием гидростатического давления. Обезвоживанию белья противодействует всасывающая способность капилляров тканей, определяемая силами поверхностного натяжения.
Рассмотрим теоретическую модель обезвоживания белья в центрифуге (Рис. 106). Введем следующие допущения:
1. Толщина слоя
белья много меньше радиуса барабана
центрифуги (
).
2. Капилляры имеют форму радиально направленных трубок.
3. Частота вращения центрифуги постоянна.
4. Слой белья несжимаем.
5. На начальной стадии процесса вся влага находится внутри капилляров и полностью заполняет их.
6. Силой тяжести пренебрегаем.
Во время работы
центрифуги на жидкость, находящуюся в
капилляре, действуют центробежная сила
и сила поверхностного натяжения,
препятствующая вытеснению воды из
капилляра:
,
где
- поверхностное натяжение моющего
раствора;
- угол смачивания волокон ткани;
- диаметр капилляра.
Рис. 106. Схема обезвоживания изделия в центрифуге:
а – в начальный момент; б – в конечный момент
Капилляры имеют малые проходные сечения и поэтому течение жидкости в них ламинарное. Следовательно, скорость движения воды по капилляру можно определить из уравнения Пуазёйля:
,
где
– перепад давлений на входе и выходе
из капилляра;
– уровень воды в капилляре.
Перепад давлений в капилляре можно выразить как:
.
Полагая, что
(
- плотность жидкости), из формул и
получим:
.
Подставив в , получим выражение:
Приняв
и
,
получим дифференциальное уравнение
1–го порядка, описывающее движение
жидкости в капилляре:
.
Решив дифференциальное
уравнение , для начальных условий
(см. Рис. 106, б) получим:
Скорость движения
жидкости по капилляру снизится до нуля
(
),
когда
,
отсюда:
Очевидно, что
уровень остаточной воды в капиллярах
определяет степень осушки белья. Из
уравнения видно, что
будет снижаться при увеличении угловой
скорости и радиуса барабана центрифуги.
Следует также, что уровень остаточной
воды в капилляре зависит от его диаметра.
В белье капилляры, образованные
промежутками между волокнами и элементами
структуры тканей, имеют различный
диаметр, поэтому в отжатом белье нет
резкой границы между сухим и влажным
материалом.
Масса жидкости, находящейся в ткани, связана с высотой заполнения капилляров:
,
где
– число капилляров.
Сравнивая динамику обезвоживания самых мелких капилляров с самыми крупными (Рис. 107), можно полагать, что реальная ткань, содержащая капилляры разных размеров, будет терять жидкость с некоторой средней интенсивностью и до определенного уровня (кривая 3).
Рис. 107. Теоретические зависимости обезвоживания в центрифуге:
1 – мелкий капилляр; 2 – крупный капилляр; 3 – реальное белье
Определенная таким образом закономерность обезвоживания хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью остаточной влажности от времени отжима и фактора разделения центрифуги (). Под остаточной влажностью понимается отношение:
,
где
– массы влажного и сухого белья
соответственно.
Рис. 108. Изменение влажности хлопчатобумажного белья:
а – за цикл центрифугирования; б – в зависимости от фактора разделения (числа Фруда)
В бытовых стиральных машинах барабанного типа отжим белья производится в том же барабане, что и стирка. Угловая скорость барабана задается так, чтобы движение происходило в закритическом режиме. Закритический режим характеризуется тем, что белье равномерно распределяется по поверхности барабана и прижимается к ней центробежной силой.
Для получения
белья с остаточной влажностью 4550
% необходимо, чтобы
.
В бытовых стиральных машинах обычно
,
следовательно, угловая скорость барабана
при отжиме:
Пусковая мощность центрифуги:
,
где
- мощности на преодоление инерции,
трения в подшипниках и сопротивления
воздуха соответственно.
- определяется по
формуле ;
,
где
- продолжительность пуска;
;
- плотность воздуха;
– диаметр барабана (
);
- толщина слоя белья в барабане;
– внутренний диаметр цилиндра,
образованного прижатым к барабану
бельем (
).
Толщина слоя белья определяется по формуле:
,
где
.