基于旋转空化原理的水力空化洗衣机＊

廖博文，臧天朔，江可玥

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

日常生活中，洗衣机对于洗涤剂的依赖程度最高，现今设计的洗衣机尽管会通过各种方式来减少水和洗涤剂的使用，但由于机械式的清洗以及翻滚冲洗难以清除附着在衣物上的污垢，目前，洗衣机都无法做到在无洗涤剂的状态下清洗衣物。考虑到洗涤剂带来的种种弊端，近几年有团队研究出超声波洗衣机。这种洗衣机利用超声波的能量作为水体空化的条件，基于空化去污的原理进行衣物的清洗。但是这种洗衣方式同样也存在着很明显的缺陷，对质地较硬、声反射强的材料的超声波清洗效果较好，而柔性物体会吸收超声波，降低了洗衣效果。

基于以上问题，我们设计了一种基于机械动力的水力空化装置，利用空化原理对衣物进行清洗并且保留洗衣机的传统工作模式，保证装置本身的衣物清洁能力。本装置的设计思想在于沿用水体空化去除衣物污渍的方法，将超声波空化的方式改为水力空化，并且利用空化产生的气泡溃灭时放出的瞬时高温高压的条件，将水分解为富有氧化性的活性物质，从而对衣物污渍进行去除，既避免了洗涤剂造成的水体污染，又避免了超声波空化清洗效果不理想和清洗范围较窄的问题。

2 方案设计

本项目依据国家节能减排的倡导，通过市场调研及研究发现，目前，洗衣机使用量巨大，并且需要配合使用洗涤剂，这不仅会消耗大量的化学原料，还会对环境造成污染。基于这一现状，本项目设计了一种基于旋转空化原理，无需使用洗涤剂的水力空化洗衣机。项目具体研究内容如下：①空化反应发生桶的设计。在液体中结合高速转动的装置和类文丘里管，构成空化反应发生的条件，通过对于这些孔参数的优化设计，达到较好的水力空化效果。②洗衣机本身的电机动力驱动波轮旋转时，与空化反应器差速，使得装置可以达到在通过波轮进行洗衣过程的同时，由空化反应器产生空化反应，产生羟基自由基洗涤衣物。本项目中对于传统的波轮式洗衣机结构上的改良及整体结构如图1所示。

图1 空化洗衣机外观图

由于空化产生的条件极为苛刻，需要较大的动力源驱动，因此，我们考虑直接利用波轮式洗衣机的自身动力源进行驱动。整体的空化反应容器存在于洗衣机内外筒之间，在独立驱动源工作时，将带动波轮与空化发生装置同时转动，通过离合器结构实现两种装置的差速，当波轮转动与空化过程同时发生时，利用羟基自由基对于污渍的去除能力，可以得出该装置能够达到原有的波轮式洗衣机的洗衣效果。

3 整体设计

通过对传统的波轮式洗衣机结构与应用的优化设计，新型装置的工作流程得到了很大程度上的优化，执行所有工作流程所需要的时间也被缩短。由于该项目装置的工作流程基于水力空化产生的高活性氧化类物质羟基自由基对于衣物的清洁功能，最终通过一定的机械结构达到洗衣机中的空化条件，并且实现清洗功能。对于传统的洗衣机工作流程而言，开始时需要一定的温水和洗涤剂浸泡衣物，并且使得洗涤剂中的酶活性达到最高；搅拌清洗过程中，通过不断加水使得内筒中水的洗涤剂含量逐渐减少，在最终脱水环节前使得水中的洗涤剂含量降低至最小值，最后完成脱水环节。

由于该装置的创新设计，新的洗衣过程不需要洗涤剂的参与，因此，洗涤剂的稀释即衣物的脱水过程所需要的时间和水量可省去。

4 模块设计

空化反应是该项目的主要原理，在液体中结合高速转动的装置和类文丘里管，构成空化反应发生的条件，通过调节缩口尺寸和形式就能控制空化的剧烈程度。Badve[1]等对一种内孔旋转结构空化器进行了流动分析，通过分析得出空化器旋转过程中流线结构、压力场合流动剪切速率的变化规律，在调节转子转速的过程中，空化流动过程将产生最好的效果。装置工作时，处于一种高速旋转的状态，水体从装置的一端流进并从另一端流出，高速旋转的转子在这期间产生水力空化效果。通过调节孔径的深度与尺寸大小，就可以控制整个转子的转速以及空化剧烈程度。通过对于这些孔的参数优化设计，达到较好的水力空化效果。

在相同的运行时间内，装置的水处理效果取决于孔内空化发生和水汽交换的剧烈程度，此处将空化发生剧烈和水汽交换频繁作为评判该空化器空化效果的重要指标。在上述孔内流动分析发现孔自身的结构参数对空化效果影响最大，因此我们选取孔深度L、孔径D和孔倾角α为变量。

孔径对水汽交换效果发挥主要作用，不直接影响空化区域大小，孔径越大，水流越容易到达孔底部，促进水汽交换，提高水处理质量，在分析洗衣机本身的电机转速以及需要的空化效果后，在不进行变速的情况下，将空化发生器结构直接连接在装置电机处，调节孔径参数设计，进而达到最好的空化效果。

基于对以上3种参数的设计校核，我们对空化发生器装置进行了仿真，由仿真结果可知，当转速为2 850 r/min时，孔深度为5 mm，孔径为13 mm，孔倾角为30°时，空化效果最好，洗涤的效果最优。

当装置的支撑架结构与桶内壁平行时，空化发生装置受到的阻力最小，同时产生的力矩最大，对于电机的功耗最小，能够达到最优的空化效果。

本装置的机械结构的设计主要在于用洗衣机本身的电机动力驱动空化反应器高速旋转产生空化作用，在波轮旋转时，空化反应器本身由行星齿轮传动离合器上的旋转驱动，二者差速，使得装置可以达到在通过波轮进行洗衣过程的同时由空化反应器产生空化反应。

通过这个机械结构的连接，将会实现波轮与空化发生器同时但却不同速度的转动，当进行甩干等过程时，离合器分离，波轮单独旋转实现甩干，从而满足洗衣的不同过程以及空化发生的需要。

5 结束语

本装置通过对传统的波轮式洗衣机进行改造，结合机电一体化技术设计，可有效减少洗衣机使用时的水量消耗，同时产生了具有清洁效果的羟基自由基，提高了去污能力，还可以取代原有的含磷等化学成分的洗涤剂的投放使用，减少了洗涤剂对于环境的破坏，能够达到较好的节能减排效果。