洗衣機性能測試恒溫水系統設計

王彩霞 李瑛 方杰 姚熠愷 胡永攀

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

洗衣機性能測試恒溫水系統設計

王彩霞 李瑛 方杰 姚熠愷 胡永攀

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

本文介紹了為家用洗衣機性能測試實驗室而設計的恒溫水供水系統。該系統可為六工位家用電動洗衣機提供5℃～60℃、誤差不超過±0.3℃的恒溫水。供水壓力0.24MPa、誤差不超過±0.02MPa。電熱水器及風冷冷水機組聯合使用控制水溫。在恒溫水箱和冷水機組之間設置板式換熱器，保證恒溫水箱溫度的精確恒定。為了保證水系統各處溫度相同的同時避免供水水泵的頻繁啟停，冷溫水與熱水系統分別采用獨立自循環的方式。變頻供水水泵不僅可以調節水流量大小，而且可以精確控制供水水壓。依據GB/T 5750.4-2006與GB/T 4288-2008標準對水質進行嚴格軟化處理，保證洗衣機用水對其性能測試結果無影響。聯合使用PLC和PID，測試精度較傳統恒溫水系統更高。

電動洗衣機；恒溫水；測控

洗衣機生產技術不斷升級促使新型更高效節能的產品不斷出現，而其性能檢測卻處于比較落后的狀態。研究和開發具有更加良好可靠性、穩定性和精確度的洗衣機性能實驗室成為了一種必然需求。洗衣機性能測試實驗室的研制對企業提高洗衣機的市場競爭力、對國家環保節能的要求都擁有巨大的經濟與社會意義[1]。洗衣機性能實驗室主要用于檢測家用洗衣機的漂洗性能、脫水性能、洗凈度、用水量等，因此一套性能良好的恒溫水系統至關重要。恒溫供水系統的研制對更精確高效地開發、測試、鑒定新型洗衣機有重要的意義。因此，研制可靠性高、穩定性強以及精確度高的恒溫水系統便成了必然需求。

參考標準GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》以及某用戶的相關要求，結合先進的控制理論和方法，研制了一套水溫波動小、響應速度快的恒溫水系統。本恒溫水系統設計主要包括恒溫水供水裝置設計、水質處理以及合理高效的控制設計。

1 恒溫供水裝置設計

1.1 恒溫供水裝置原理

按照用戶的相關要求，該恒溫供水系統需提供2個參比工位及6個測試工位的恒溫水，供水壓力為0.24MPa±0.02MPa，具體水溫參數如表1。

考慮到測試溫度和家用洗衣機的洗滌水標準程序用水要求（100L），采用容積為1m3的冷溫水供水恒溫水箱（約15℃～30℃）和容積為0.8m3的熱水供水恒溫水箱（約60℃），組成恒溫水供水系統。攪拌水泵用來保持水箱內溫度場均勻，變頻供水水泵可以調節供水水壓，達到試驗標準和用戶需求[2]。

冷、熱水箱的冷源采用1臺風冷冷水機組，熱水箱熱源采用A.O. Smith儲水式電熱水器，冷水箱熱源采用內置式電熱水器。為減少測試等待時間并保證洗衣機工位用水溫度恒定，冷溫水與熱水系統始終處于自循環狀態，在保證水系統各處溫度相同的同時避免了供水水泵的頻繁啟停，且供水泵使用變頻泵，不僅可以調節水流量大小而且可精確控制供水水壓。依據要求設計恒溫水供水系統，如圖1所示。

表1 水溫參數要求

圖1 恒溫水系統圖

圖2 負載布存放室系統圖

該恒溫水供水系統的冷凍水循環分為三路：一路通過冷溫水箱換熱水泵到達冷水箱板式換熱器與冷溫水箱換熱，從而降低冷水箱溫度；一路冷凍水經過熱水箱換熱水泵到達熱水箱板式換熱器與熱水箱交換熱量；最后一路冷凍水為負載布存放室的空氣處理柜提供冷量，承擔負載布存放室的冷負荷與濕負荷，如圖2所示。同時負載布存放間表冷器回路上設有電動三通閥，入口處為經過表冷器后的冷卻水，出口處分為冷水機組回路與表冷器回路，通過調節三通調節閥兩個支路的流通面積可以控制冷卻水的流量，從而調節經表冷器后的冷卻水與冷水流

量來控制供冷量。當負載布存放間負荷產生變化時，通過PID調節三通調節閥兩個支路的開度，能夠較好的應對外界溫度場波動對系統造成的干擾，保證控制參數穩定精確。

1.2 恒溫供水裝置計算

冷溫水箱溫度通過三通閥調節板式換熱器旁通量控制冷溫水箱所需冷量，并通過水箱中的電加熱器實現熱量補償控制。熱水箱需要的加熱量較大，故使用儲水式電熱水器內部儲水熱量為其提供瞬時需求的加熱量，冷量由冷水機組提供。熱量與冷量都通過板式換熱器進行換熱。通過調節閥調節冷水、熱水的交換量控制熱水箱水溫。

（1）冷水箱計算

根據房間負荷和實驗過程中所需冷水負荷，初步選擇了型號為ZR72KC-TFD的7HP谷輪渦旋壓縮機，制冷劑R22，制冷量為17.5kW，內部帶有500升的不銹鋼保溫水箱。

參考上海夏季室外環境溫度，取初始水溫為34.6℃，冷水箱中水與冷水機組提供的冷凍水通過板換換熱，將水溫降到15℃，所需冷量可通過式（1）計算：

c——水的比熱容，J/kg·℃。

m——水的質量，kg。

實驗準備時間：

（2）熱水箱計算

根據房間負荷和實驗過程中所需熱水負荷，初步選用A.O. Smith商用落地儲水式，功率為24kW，容量200L，熱源側采用30kW的不銹鋼板式換熱器，冷源側采用10kW不銹鋼板式換熱器。

參考上海冬季室外環境溫度，取初始水溫為2℃，熱水箱中水與熱水器提供的冷凍水通過板換換熱，提高水溫至60℃，可通過式（2）計算所需冷量：

實驗準備時間：

圖3 流量檢測控制原理圖

圖4 加熱/冷卻控制圖

1.3 進水電磁閥[3]

洗衣機進水電磁閥對洗衣機能否正常工作至關重要，洗衣機的進水程序是由驅動指令與機體中的水位傳感器綜合控制。家用洗衣機性能測試準確性受進水電磁閥的流量、啟動、泄漏等特性的影響，為此，需對進水電磁閥進行相應的檢測。

（1）電磁閥流量檢測

電磁閥流量檢測控制原理如圖3所示。將需檢測電磁閥安裝好后，等一段時間再使其通電，額定電壓為220V，調整供水壓力，保證所需檢測的電磁閥進水壓力為0.02MPa、0.1MPa以及0.3MPa并保持穩定，在這三種壓力下持續供水檢測

1min。如果測出的電磁閥流量分別超過3L·min-1、8L·min-1和13L·min-1，則所檢測的電磁閥流量性能完全滿足產品標準要求。

圖5 夏季15℃恒溫水工況

圖6 冬季45℃恒溫水工況

低電壓高水壓時的電磁閥的啟動特性是電磁性能關鍵。電磁閥啟動特性測試是指在85%的額定電壓、水壓為0.8MPa情況下，電磁閥正常啟動測試。將需檢測的電磁閥安裝好后，接通電源，調節水壓到0.8MPa，調節電壓到187V。若水流噴出形狀為柱狀且流量超過目標流量值(25L·min-1），則表明所檢測電磁閥啟動特性良好；相反，若噴出水流形狀為線形或者水流不夠順暢，或者測出的流量低于目標值，則該電磁閥的啟動性能不合格。

（2）電磁閥密封性能和泄漏檢測

電磁閥的傳統檢漏方式是將電磁閥斷電，調整供水壓力至0.02MPa，查看電磁閥的水流出口有無水滴存在，若有，每分鐘漏水量不能多于2滴。

更精確的泄漏檢測方法是用氮氣壓力代替水壓，即斷開電磁閥測試電源，同時關閉電磁閥的供水閥門。再分別向電磁閥入口打入1MPa的氮氣和0.02MPa的氮氣進行高低壓檢漏。通過電磁閥出口處安裝的壓力傳感器智能測量出口壓力大小，從而判斷電磁閥的密封性。

2 水質處理設計

依據標準GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》相關要求，洗衣機性能測試所用水的水質硬度質量分數為(40～60)×10-6，即4～6°。該性能測試實驗室水源為日常生活所用的自來水，依據標準GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》，生活所用的自來水硬度為450mg·L-1，為此需要對水源進行軟化處理。

目前，水質的軟化方法主要有化學沉淀法、膜分離法、離子交換樹脂交換法以及電磁法。綜合考慮各種方法的特點[4]及本供水系統的特性，為供水系統配置采用離子交換法的全自動軟水器。經實驗證明，該軟水器能有效地降低水的硬度，使其達到洗衣機性能測試要求。

3 恒溫供水測控系統設計

3.1 測控系統硬件組成

恒溫供水裝置的測控系統分為測量與控制兩部分。測量部分由高精度壓力傳感器、Pt100溫度傳感器、電磁水流量計組成，實現穩定性高、精度高的信號采集工作。同時PLC上設有熱水器和冷水機缺水報警、水泵過流報警，保護設備的安全運行?？刂撇糠钟蓴祿杉瘍x、智能PID調節器和PC機等組成，不僅在觸摸屏顯示各個設備的啟停情況，方便監控整個系統的運行，而且可以控制末端電器設備的啟停[5]。

3.2 水溫設定設計

水溫設定采用冷/熱控制型的方式，即一路冷卻回路與另一路加熱回路同時作用進行控制，并通過橫河UT55A冷熱型調節器調節冷熱比例，從而達到所需的供水水溫同時可實現節能的功效。在加熱/冷卻控制設計中，PID調節器依據設定值與實際值的偏差進行計算，并將運算結果劃

分為加熱信號與冷卻信號兩種，再向加熱、冷卻系統輸出指令。調節器的運算結果為0～100%，若運算結果在0%～50%之間則表示冷卻系統應調節輸出，其輸出的范圍為0%～100%；相反，若運算結果在50%～100%之間則表示加熱系統應進行對應的調節控制，其輸出的范圍同樣為0%～100%。另外，調節器可在冷卻端和加熱端進行PID控制或ON/OFF控制，當進行ON/OFF控制時，應將比例帶設置為0，從而手動調節PID的比例帶實現人為的調節冷熱端的輸出，其具體控制流程如圖4所示。

3.3 恒溫水制取控制設計[5][6][7]

恒溫冷、熱水箱中任一個水箱滿足邏輯條件時即可啟動恒溫水制取程序。打開制取恒溫水開關，水箱進水電磁閥開啟，高、低位液位開關檢測水箱液位，溫度探頭檢測水溫。當水箱水注滿，進水電磁閥斷開，四線制鉑電阻采集到的水溫信號傳到PID調節控制器中，PID調節器根據實際水溫與設定值偏差做出判斷，與設置好的P、I、D參數的差值計算對應設備的冷/熱控制實時輸出量，PLC通過繼電器的控制冷水機或電熱水器的啟停，通過控制冷、熱水的交換量控制熱水箱水溫。同時管路的電磁閥和攪拌水泵打開保證水箱溫度場的均勻性，當溫度探頭檢測水溫達到設定值后，PID調節器停止向PLC輸入信號，相應設備關閉，進入保溫階段，根據設計要求恒溫水水溫在1.5h內波動不超過0.5℃。

供水水泵出水管路上設計了一條通向恒溫水箱的回水管路，此回水管路使冷溫水與熱水系統始終處于自循環狀態，保證水系統各處的水溫相同，恒溫水制取過程中，試驗供水水泵也始終處于開啟狀態保證供水自循環。根據水箱水溫的變化，通過冷/熱控制器時時調節冷熱量比例輸出。為了便于暫時中斷供水操作，并避免水溫的波動，在供水管路末端安裝了閥門。

3.4 恒溫供水壓力控制設計

由安裝在供水管路上的壓力變送器時時采集壓力信號，將非電量信號轉換為標準電流信號，并傳遞給PID控制器。PID控制器經過計算，輸出執行信號到變頻水泵的變頻器，從而控制變頻器的輸出頻率驅動變頻水泵，通過控制水泵的轉速來調節供水管路上的壓力達到設定值。

3.5 恒溫供水流量測量設計

依據國標GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》及相關技術協議要求需對6個工位的水流量進行測量以便測試洗衣機的用水量。本恒溫水系統所采用的是6個日本橫河AXF電磁流量計分別測試6個洗衣機工位的水流量，測量范圍為0～1200L/hr，流量計直徑為DN10，測試精度為0.5級。該流量計不僅耐用，而且易于操作；該流量計采用可更換電極，便于電極出現嚴重粘污時，從流量計上拆下進行清洗。AXF型電磁流量計一般情況下選用帶有消除流體噪音功能的“雙頻勵磁法”，另外，若使用環境較惡劣環境如混有高濃度泥漿或低電導率的流體可選用最新的“增強型雙頻勵磁法”，從而保證系統的可靠穩定性以及迅速響應。

4 系統性能測試

根據國標GB／T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》以及相關技術協議，實驗室恒溫水系統需提供15℃～40℃±2℃的恒溫水，并保證供水壓力為0.24MPa±0.02MPa，工況在90min內達到穩定狀態。通過夏季制取15℃恒溫水與冬季制取45℃恒溫水工況試驗驗證該實驗室水系統裝置。

4.1 夏季15℃恒溫水工況試驗

夏季15℃恒溫水工況試驗主要是模擬夏季環境下的恒溫水制取過程，其試驗過程曲線如圖5所示。

4.2 冬季45℃恒溫水工況試驗

冬季45℃恒溫水工況試驗主要是模擬冬季兩種環境下的恒溫水制取過程，其試驗過程曲線如圖6所示。

由圖5、6可知，無論是夏季高溫情況下制取低溫狀態的水還是冬季低溫情況下制取高溫狀態的水都能在1h內制取所需的恒溫水并保持穩定。

5 結論

通過對該恒溫水系統試驗研究表明，該系統配置合理，性能可靠，自動化程度高，精度高，響應速度快，能夠在要求的時間內提供滿足溫度及壓力要求的恒溫水，完全能夠滿足設計要求。經過相關測試，采用離子交換法的全自動軟水器能夠有效軟化水，使其硬度達到標準要求。

[1] 許振剛. 近幾年家用洗衣機產品質量分析[J]. 家電科技, 2014(07): 16-17.

[2] 王騰東, 李瑛, 王芳, 等. 高精度恒溫水供水裝置的研制[J]. 家電科技. 2011(09): 58-59.

[3] 曹菁, 洪雪峰. 洗衣機進水電磁閥性能測試系統研究[J]. 液壓與氣動. 2007, (07): 47-49.

[4] 王方, 王明亞, 王明太. 水軟化用電去離子膜技術的工業試驗研究[A]. 2010年膜法市政水處理技術研討會論文集[C]. 2010.

[5] 李蒙蒙, 李征濤, 王芳, 等. 熱水器測試系統的恒溫水制取方法研究[J]. 制冷空調與電力機械. 2010, (04)：17-19.

[6] 馬春華. 基于PLC的溫濕度采集顯示系統[J]. 工業控制計算機, 2006, (16): 29-30.

[7] 呂國芳, 劉希濤. 基于PLC的PID控制算法在恒壓供水系統中的應用[J]. 自動化儀表, 2005, (8): 52-56.

The design of constant temperature water system for washing machines performance testing

WANG Caixia LI Ying FANG Jie YAO Yikai HU Yongpan
(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Sci. & Tech Shanghai 200093）

The article described a constant temperature water system which is used in the performance testing laboratory for electric washing machines. The system can provide with constant temperature water which ranges from 5℃ to 60℃for six washing machines. The temperature accuracy is within ±0.3℃.The pressure of water supplied by the system is 0.24 MPa. And the pressure accuracy is within ± 0.02MPa.The electric water heater and air cool chillers are used to control temperature of the water. Plate heat exchanger is used between the thermostatic water tanks and the air cool chiller to ensure the accuracy control for the temperature of thermostatic water tank. In order to ensure the same temperature throughout the water system and avoid the water-supply pump to start or to stop frequently, the way of independent self-loop was used in water supply system. Not only the variable frequency pump changed the quantity of water flow, but also accurately controlled the pressure of the water supplied. The water was strictly softened based on GB/T 5750.4-2006 and GB/T 4288-2008 which ensured the washing machine water had no effect on its performance test results. Compared with the traditional system, jointing use of PLC and PID makes this system achieve higher testing precision.

Electric washing machine; Constant temperature water; Measure and control