家用干衣机烘干特性及织物烘后性能评价研究

摘要

受生活观念、生活环境（居住空间的限制、雾霾天气的出现）、消费结构的改变、生活节奏的加快、健康意识的提高及护理机械设备发展的影响，干衣机正以每年500%的增长速率迅速进入家庭生活。然而，目前市场上的干衣机产品普遍存在烘干时间长、耗能高；烘干不均匀、程序可选择性少；判停不准确及由此而导致的烘不干或过烘、烘后衣物性能下降等问题，研发一种烘干效率高、衣物损伤小的烘干模式是干衣机领域迅速发展的必然趋势。 国内外对干衣机烘干的理论研究相对较少，目前主要集中在依据烘干过程所测数据构建的烘干速率曲线模型或者回归模型等方面的研究，而很少从质量、能量及动量守恒的角度，利用数学方法构建织物烘干过程传热传质模型进行织物烘干过程传热传质机制研究，因此，无法从机理上解释织物烘干过程的传热传质规律。而且，上述研究所建立的模型均属于针对特定物料进行大批量试验的经验模型，其模型具有通用性差、随机误差大、很难推广到其他织物或者烘干水平（指将织物烘干到储存水平、直接穿着水平、熨烫水平）上的问题。此外，目前关于织物滚筒烘干动力学的研究主要是关于干衣机特性参数和物料特性参数（加热丝功率、风速、转速、负载量、厚度等）对烘干能耗结果的简单分析，而很少从烘干过程织物运动、受力、温湿度变化的角度，深入全面地分析各因素对烘干效率各指标（烘干时间、能耗、均匀性、最终含水率）的影响程度及影响机制，因而很难从机理上解释各因素与织物滚筒烘干动力学各指标的内在联系。更缺乏从综合考虑烘干效率、环境经济影响及烘后织物性能的角度，充分利用织物烘干过程织物温湿度、织物运动形态的时变性和阶段性特征，进行烘干模式优化的研究。 为了解决上述现实和理论问题，对织物滚筒烘干动力学影响因素、烘干过程织物温湿度及其运动形态的变化规律、烘干环境热物理特性及其与织物的耦合规律，织物内热质交换规律、织物烘干后性能变化等方面进行深入研究，掌握其过程行为变化规律，成为必然选择，因此，开展了本课题研究，具体内容如下： 首先，详细分析了滚筒干衣机的结构组成、工作原理、织物滚筒内烘干过程及机理，在此基础上，搭建了一个具有广泛的适用性且满足试验要求，用于烘干过程织物温湿度动态追踪及烘干参数连续可调的织物烘干综合测控平台，并验证了其功能性。测试结果表明，该平台基本实现了织物烘干过程织物温湿度及其运动轨迹、烘干通道内各处气流温湿度动态追踪、烘干参数（加热丝功率、风速、滚筒转速及方向、加热丝附件气流最高温度）连续可调，可为织物烘干过程的传热传质的监控、烘干过程程序优化提供研究基础，也为织物滚筒烘干技术发展及设备研发提供技术支撑。 其次，在搭建的织物烘干综合测控平台上，系统研究了干衣机特性参数(加热丝功率、风速、滚筒转速及方向)、织物特性参数(单位质量面积、样块大小、负载量、初始含水率)对织物滚筒烘干动力学的影响，并从织物加热原理、织物失水速率、织物运动形态、抛洒程度、料幕内织物分布密度的角度，详细探讨了上述各因素对织物滚筒烘干动力学影响的作用机制。研究发现：不同因素对织物滚筒烘干动力学各指标的影响程度、影响机制不同。其中，烘干时间主要受加热丝功率、负载量、最初含水率的影响；烘干能耗主要受负载量、最初含水率的影响；最终含水率主要受加热丝功率、转速及旋转情况、织物单位面积质量的影响；烘干均匀性主要受滚筒转速及旋转情况的影响；平整度主要受负载量、加热丝功率、滚筒转速及旋转方向的影响。此外，综合考虑烘干时间、能耗、最终含水率、烘干均匀性、平整度，确定各因素的最佳水平依次为：加热丝温度为3500W、风速为8.8m/s、滚筒转速为42rpm-48rpm、滚筒旋转方式为正反交替旋转、负载量为3.0kg、初始含水率为70%。 随后，全面分析了织物滚筒烘干过程各阶段的传热传质特性，并在此基础上，以滚筒（烘干腔）为建模单元，建立了织物滚筒烘干过程的传热传质模型，并采用中间差分法对所构建的偏微分方程及其边界条件进行离散化处理，得到了各偏微分方程、边界条件的有限差分格式。然后，再利用MATLAB编程对构成所有节点的差分方程组采用迭代法逐一节点进行了数值求解，得到了整个织物烘干计算域内的数值解。并以纯棉织物为试验对象，对其模型进行了验证。结果表明：通过模型计算出的织物表面温度、瞬时含水率与实际试验结果基本吻合，真实反映了滚筒烘干过程中织物表面温度、瞬时含水率随时间的变化规律，实现了用数学的方法对织物滚筒烘干过程进行模拟和分析的目的。 最后，通过对现有单一固定烘干模式（常用程序）的烘干过程的温湿度变化及织物运动形态的分析，并与前面的织物滚筒烘干动力学试验研究及烘干过程传热传质理论分析结果相结合，充分利用织物烘干过程时变性及阶段性变化特征，提出了正反交替旋转分阶段变参数的优化烘干模式；并以较为常用的天然纤维织物--纯棉、纯毛织物作为试验材料，从烘干效率、环境经济影响和织物烘后性能变化的角度，对其进行了综合评价。结果表明：相比于单一固定烘干模式（常用程序），正反交替旋转分阶段变参数烘干模式显著提高了烘干效率和织物烘后性能。具体来说，相比于单一固定烘干模式（干衣机常用程序），烘干时间降低了10%、烘干能耗降低了14.67%、平整度提高了1.0级、起毛起球提高了1.5级、Co2排放量和使用成本均降低了12.7%（即单次使用Co2排量和使用成本分别减少0.333042 kg和$0.046718），实现了节能、高效、环保、不损伤衣物的烘干目的，可为干衣机生产商合理设定烘干程序提供借鉴。

目录

第一个书签之前