基于家用洗衣机的性能测试环境实验室建设

柳胜耀， 李 瑛， 赵四海， 黄彩凤， 方 杰

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

0 引 言

目前国内很多洗衣机生产企业尚未建立相应自动化检测设备。传统的测试实验室测试工作繁重、测试周期长、工况不稳定等因素影响着测试结果。那么研究和开发具有良好可靠性、稳定性和精确度的洗衣机性能试验装置成为了一种必然需求。性能实验室的使用不仅可高效、精确地开发、测试、鉴定新型洗衣机，而且对企业提高洗衣机的市场竞争力、对国家环保节能的要求都拥有巨大的经济与社会意义[1]。

检测洗衣机的漂洗性能及去污能力时，对漂洗布的存放温湿度、洗衣机的测试环境及水温等有较高要求[2]。鉴于以上问题并参照标准GB/T 4288—2008《家用和类似用途电动洗衣机》[3]，结合现代化的控制理论和方法，通过对实验室的要求技术进行深入分析研究，研制了一套以节能为前提，测试精度高、工况过渡时间短的洗衣机性能测试环境实验室。

1 实验原理及要求

性能实验室主要是为洗衣机性能检测提供所需环境工况，并按技术要求为洗衣机测试提供所需水温水压，结合现代数据采集系统自动输出洗衣机水温、进水量、功率及消耗电量等。为精确检测漂洗布的洗净率，并建造一间温湿度可控的储存漂洗布的环境室，测试室布置如图1。性能测试过程中，测试人员只需输入实验室环境工况，设定洗衣机进水温及压力，试验系统即可快速达到所需工况并进入自动控制模式采集记录参数，判断实验结果是否符合国家标准。

图1 系统布置图

根据国标及测试产品的需求，实验室的设计要求如下：房间及储存室干球温度(23±2) ℃，湿度60%～70%，风速不作具体要求；供电电压在额定电压的±5%内；恒温冷水箱提供水温:15～30 ℃可调，恒温热水箱提供水温:5～60 ℃可调，供水压力在(0.24±0.02) MPa范围内；从初始工况到稳定试验过渡时间应≤1.5 h[3-4]。

2 洗衣机性能测试实验室的设计

2.1 制冷系统

在研究建筑特性、地理位置之后，并根据实验室工况要求，采用了利用属于低品位能源的空气源制冷系统。与水冷式相比较，不需冷却塔及冷却水系统，使制冷系统更简洁更节能；且使控制系统更稳定。制冷系统设计原理图如图2所示，系统包括四个分系统。润滑油回路：作用保证压缩机内部良好的润滑、密封、降温及能量调节等功能；喷液回路：根据回气温度调整喷液阀，避免压缩机吸气温度过高；制冷系统主回路：通过合理控制制冷量流量完成工况[5-9]。

从提高能源利用率出发采用风冷变频制冷机组，可实现2～6HP制冷量间连续无级调节。由于受检测洗衣机的能耗和实验室湿度变化范围很大，机组采用变频风机调节冷凝压力，利用电子膨胀阀调节过热度可调[10-11]。这种制冷系统经调试证明能够实现变工况调节、变蒸发压力调节，与定转速制冷机组相比约可以节约7%的能量。

图2 制冷系统设计图

2.2 空气处理系统

空气处理系统是将实验室环境处理到规定工况，该系统由空气处理柜、空冷式制冷机组、循环风机、电加湿器、电加热器、温湿度传感器、调节器、变换器、执行器等组成。

图3是实验室空气处理图，气流组织为上送下回且为全面孔板送风。为减小工作区域温度梯度，这里在孔板送风之前增加稳压层以提高孔板送风的均匀度[10]。为满足干球温度(23±2) ℃、相对湿度60%～70%的条件，采用蒸发器降温与电加热器升温来控制干球温度，回风经蒸发器降温之后通过电加热器升温到所需控制温度，采用PID控制希曼顿SCR三相调功器调节加热器的加热量15 kW以精确控制干球温度。相对湿度控制采用电加湿器和蒸发器结合使用。在最恶劣工况干球温度21 ℃，相对湿度为60%时，查表空气的湿球温度约为16 ℃。蒸发器蒸发压力约0.4 MPa,蒸发温度约3～4 ℃。采用7.5 kW Carel电极式加湿器加湿，由此完成相对湿度的控制[12]。

图3 空气处理图

储存间空气处理系统与上述方法相同，不再赘述。

2.3 恒温水系统

针对系统水温要求，设计水箱容积1 m3的冷水和水箱容积0.8 m3的热水两个恒温水系统。冷、热水箱的冷源采用7HP风冷冷水机组，热水箱热源采用40 kW储水式电热水器，冷水箱热源采用内置式电热水器。为提高控制精度并减少设备用地设计了如图4所示的水系统图[4]。其中②为冷水机组，其冷冻水循环分为三路：一路到达板式换热器④与冷温水箱⑥换热；一路到达热水箱板式换热器与热水箱⑧换热；最后一路为储存间的空调柜提供冷量。

①软水器,②7HP冷水机组,③供水泵,④板式换热器,⑤三通阀⑥冷水温水箱,⑦电热水器,⑧热水箱,⑨膨胀水箱,⑩1～6测试工位

图4 恒温水系统图

冷温水箱温度通过三通阀⑤调节旁通量控制冷温水箱所需冷量，并通过水箱中的电加热器热量补偿控制。热水箱加热量较大，使用储水式电热水器⑦为其提供热量，冷量由冷水机组提供。通过控制冷、热水的交换量控制热水箱水温。为减少测试等待时间并保证洗衣机用水温度恒定，冷温水与热水系统始终处于自循环状态。保证了水系统各处的温度相同，无论何时为洗衣机供水都能达到设定值。且供水泵使用变频泵，不仅保证了水流量而且准确控制了出水水压。

2.4 数据采集与电气控制系统

该系统控制部分主要由热电阻、电磁水流量计、压力传感器、温湿度传感器、数据采集仪、PID控制器和PC机等组成[13]。

实验室和储存间工况测量及控制选用可直接DC输出的VAISALA温湿度变送器，因为铂电阻性能很稳定，常用作标准测量温度器件[14]，恒温水箱系统测量及控制选用A级铂电阻。水系统压力测量采用PTX型量程0.5 MPa的压力传感器，流量测量采用AXF型电磁流量计。表1为实验室需要的测量仪表。

表1 洗衣机实验室测量仪表

实验室的电气系统分为两部分，一部分是系统送电之后便立即得电的调节器、数据采集仪、数字功率计等仪表；另一部分是由PLC控制的执行器。

实验室采用的PLC自身带有12个输入端子和8个输出端子，并且支持I/O端子模块的插入。可通过I/O扩展插板来增加PLC的输入输出端子以满足实际操作中的端口需要。空气处理系统中需要调节送风温度、送风量和相对湿度，PLC控制则针对加热和冷却以及加湿量进行调节，从而控制制冷压缩机的转速、无级电加热器的功率、循环风机的转速。水箱中的液位控制应用浮子开关，仅作为报警使用。温度控制通过热电阻转换，得到偏差经过PID调节控制加热装置和板式换热器[15-16]，并在控制回路中增加电磁三通阀改变板式换热器的换热量，这样以提高系统的能源利用率[15]。供水压力通过改变供水泵的转速来改变。

数据采集仪主要采集空气处理系统的温湿度和恒温水系统中的水温、水压、流量、功率和耗电量。实验室上位机通过串口连接，PLC采用了RS-232C通信，房间温度、湿度，冷、热水箱供水温度、供水压力及洗衣机进水的控制的调节器使用UT55A调节器。这6个调节器采用RS485通信，而MW100数据采集仪则因为数据量较大，采用了TCP/IP协议。

测试软件部分采用Delphi编程软件,根据工作流程将软件主要分为四个部分：试验参数设置、数据采集、测试报表生成和数据库管理。采用Windows操作系统，应用多线程编成技术，这样各种仪表分别独立进行采样控制、互不干扰。

3 测试结果分析

在以上设计的基础上，将实验台搭建于上海市某质量检验局。完成硬件调试后，对某公司一台洗衣机进行连续1 h测试。为检测实验室工况过渡时间，现以1 min为间隔时间记录房间的温湿度并绘制成图5。工况及水系统温度到达要求后，开始测试，图6为0～60 min内洗衣机各参数记录。

图5 温湿度采样曲线

图6 洗衣机性能检测参数

经过测试，该实验室温度偏差为±0.5 ℃，远在±2 ℃之内；湿度偏差为±1.5%，满足要求。洗衣机进水设定温度为30 ℃，水温波动±0.2 ℃。累积用水流量为122.72 L,用水量26.42 L/kg。根据GB/T 4288-2008《家用和类似用途电动洗衣机》对用水量的评定为B级，这个结果与该洗衣机原有等级评定结论一致。根据以上数据，该实验室的实际测试效果满足设计要求。

在实验室系统方面，经过了超过5 d的连续运行，各参数的控制在长时间内保持了较高精度的状态，各类设备运行正常，整体试验结果符合设计要求。

4 结 语

介绍了6工位洗衣机性能测试实验室设计的基本原理，针对制冷系统、空气处理系统、恒温水系统及电器设计部分做了详细介绍，并对本实验室的节能措施和系统控制过程进行了重点阐述。该试验室已经成功运行，实验结果表明该系统能精确控制实验工况和实验水温，并能准确获得被测洗衣机输入功率、累积流量等数据。本实验室对洗衣机性能检测实验室的研制有参考价值。

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