应用于洗衣机的新型能量回收装置

李恒毅 石家庄二中实验学校 河北石家庄 051430

1 研制背景及意义

洗衣机作为最常用的家用电器，在我国的普及率非常的高，达到90%左右，据统计，截止至2016年，我国城镇和农村每百户拥有洗衣机分别为94.2台和84.0台[1-2]。波轮式洗衣机在洗衣服的时候需要不断的启动，制动，变速，而波轮的正反向旋转的切换存在一个刹车装置不断制动，在这个过程使得波纹筒的旋转动能转换为机械摩擦产生的热能，从而散失在空气当中。考虑到我国巨大的洗衣机保有量、洗衣机较高的使用频率，每年散失的热量是巨大的，如果能够将这部分能量加以回收，将是一笔可观的收益，有利于建设“节约型社会”。

本文主要的工作就是设计一种应用于家用波纹洗衣机的能量回收装置，回收洗衣机桶正（反）旋转减速、制动过程中的能量，并将其利用在洗衣机的洗衣过程之中，起到能量回收、节能降耗的作用。

2 装置的工作原理

本文设计的应用于洗衣机的能量回收装置安装在洗衣机的输入轴上，通过将洗衣机洗涤模式正（反）向减速时浪费的机械能经弹簧储能转变成可以做功的弹性势能，再在其反（正）向加速时将弹簧内存储的弹性势能释放出去做功，使洗衣机反（正）向加速旋转，在从而起到节能减排的作用。

3 机械结构设计

该装置的结构示意图如图1所示。该装置主要包括原有的洗衣机桶1、输入轴2、传动齿轮组3和电动机4，增加的部分包括控制器5、电磁离合器6、定滑轮6、蓄能器7和连接线8，其中有3个定滑轮，实现力传递方向的改变，蓄能器7主要包括上弹簧组7-1、重物7-2和下弹簧组7-3。

该装置的工作原理是：

1、洗衣机启动，洗衣机处于洗涤模式时，电动机4正向旋转，电磁离合器6断开，电动机4正向旋转，通过传动齿轮组3带动输入轴2带动洗衣桶1正常工作；

2、当洗衣机正转减速时，电磁离合器6连接，洗衣机桶1通过连接线8拉动蓄能器7，将洗衣机桶1的旋转动能存储在蓄能器7中，此时洗衣机桶1的旋转动能转换为蓄能弹簧的弹性势能，洗衣机桶减速直至停止，洗衣机桶1正向旋转停止，此时蓄能器7储存的势能达到最大，蓄能器7中的重物7-2上升到最高位置，上弹簧组7-1被压缩，下弹簧组7-2拉升；

3、蓄能器7中的弹簧势能释放，重物7-2下降，通过连接线8拉动洗衣机桶1反向工作，弹簧势能逐步转化为洗衣机桶1的旋转动能，洗衣机桶1反向加速，直至势能全部转化为洗衣机桶1的反向旋转动能，洗衣机桶1反向动能达到最大，此时重物7-2回到平衡位置；

4、断开电磁离合器6，启动电动机4，电动机反向旋转，带动洗衣机桶1反向工作；

5、洗衣机桶1反向正常工作，直至电动机4停止，洗衣机桶1反向减速旋转，此时，电磁离合器6连接，使得反向旋转动能转化为蓄能弹簧势能，重物7-2上升，再次达到最高位置，洗衣机桶1反向旋转停止，蓄能弹簧储存能量达到最大；

6、蓄能器7释放弹簧势能，拉动洗衣机桶1正向工作，弹簧势能逐步转化为洗衣机桶1的旋转动能，洗衣机桶1正向加速，直至势能全部转化为洗衣机桶1的正向旋转动能，洗衣机桶1正向动能达到最大；

7、断开电磁离合器6，启动电动机4，电动机正向旋转，带动洗衣机桶1正向工作；

8、进入下一个循环，直至洗衣机停止。

图1 节能装置结构示意图

4 数据分析与计算

假设洗衣机桶加上内部衣物的总质量为10kg，洗衣机波轮洗衣机洗涤时的转速一般在n1=150 r/min，脱水模式时转速为n2=400 r/min，假设洗衣机一次工作时间是45分钟，其中洗涤模式t1=30分钟，功率为q1=250W，脱水模式t2=5分钟，功率为q2=400W，不工作时间10分钟，查阅电动机的最大转矩 T1=3.02N·m。

在洗涤模式下，消耗的总能量是：

脱水模式下，消耗的总能量是：

所以，洗衣机一次运行需消耗的总能量是570000J。洗涤模式下一次启停能够回收的能量是：

脱水模式下一次启停能够回收的能量是：

波纹洗衣机在洗涤模式时，一般可以设定洗涤强度，现进行简单的分类—分成强弱两档，其中：

强档：正转（10秒）——停（3秒）——反转（10秒）——停（3秒）——正转（10秒）……

弱档：正转（7秒）——停（3秒）——反转（7秒）——停（3秒）——正转（7秒）……

计算得到在一次洗涤过程中，强档时，洗衣机总共要改变接近140次旋转方向；弱档时，洗衣机总共要改变180次旋转方向。

则在强档时，一个完整的洗涤过程节约的能量是：

则在弱档时，一个完整的洗涤过程节约的能量是：

假设在使用过程中，弱档和强档的使用频率一致，则在一个洗涤过程中，节约的能量为：

波纹洗衣机在脱水模式时，假设没30秒改变一下方向，整个过程为：

正转（25秒）——停（5秒）——反转（25秒）——停（5秒）——正转（25秒）……

则在脱水过程中总共改变方向12次。

在一次脱水过程中，节约的能量为：

综上所述，应用该节能装置后，节能效率为：

考虑到我国巨大的洗衣机保有量，即使只有5%的节能效率，全国节省的能量也是非常可观的。

5 结论

本文设计了一种应用于洗衣机的弹簧能量回收装置，主要采用蓄能弹簧回收洗衣机桶正（反）向旋转减速、制动时的能量，并加以利用，起到了节能降耗的作用。本装置的主要特点如下：

1）通过蓄能弹簧结构压缩和释放储存和释放能量，结构简单、实用性强；

2）将洗衣机正（反）转减速、制动的能量转化为洗衣机反（正）向加速的能量，将被洗衣机制动浪费的能量回收利用，起到能量回收、节能降耗的作用；

3）选择使用电磁离合器使蓄能弹簧和输入轴连接或断开，既不影响洗衣机的正常工作，又可回收减速时的旋转动能。

本装置的综合节能效率可达5%以上，考虑到我国巨大的洗衣机保有量，如果应用该装置，其节省的能量也是非常可观的，应用前景广阔。