基于旋轉空化原理的水力空化洗衣機＊

廖博文，臧天朔，江可玥

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

日常生活中，洗衣機對于洗滌劑的依賴程度最高，現今設計的洗衣機盡管會通過各種方式來減少水和洗滌劑的使用，但由于機械式的清洗以及翻滾沖洗難以清除附著在衣物上的污垢，目前，洗衣機都無法做到在無洗滌劑的狀態下清洗衣物。考慮到洗滌劑帶來的種種弊端，近幾年有團隊研究出超聲波洗衣機。這種洗衣機利用超聲波的能量作為水體空化的條件，基于空化去污的原理進行衣物的清洗。但是這種洗衣方式同樣也存在著很明顯的缺陷，對質地較硬、聲反射強的材料的超聲波清洗效果較好，而柔性物體會吸收超聲波，降低了洗衣效果。

基于以上問題，我們設計了一種基于機械動力的水力空化裝置，利用空化原理對衣物進行清洗并且保留洗衣機的傳統工作模式，保證裝置本身的衣物清潔能力。本裝置的設計思想在于沿用水體空化去除衣物污漬的方法，將超聲波空化的方式改為水力空化，并且利用空化產生的氣泡潰滅時放出的瞬時高溫高壓的條件，將水分解為富有氧化性的活性物質，從而對衣物污漬進行去除，既避免了洗滌劑造成的水體污染，又避免了超聲波空化清洗效果不理想和清洗范圍較窄的問題。

2 方案設計

本項目依據國家節能減排的倡導，通過市場調研及研究發現，目前，洗衣機使用量巨大，并且需要配合使用洗滌劑，這不僅會消耗大量的化學原料，還會對環境造成污染。基于這一現狀，本項目設計了一種基于旋轉空化原理，無需使用洗滌劑的水力空化洗衣機。項目具體研究內容如下：①空化反應發生桶的設計。在液體中結合高速轉動的裝置和類文丘里管，構成空化反應發生的條件，通過對于這些孔參數的優化設計，達到較好的水力空化效果。②洗衣機本身的電機動力驅動波輪旋轉時，與空化反應器差速，使得裝置可以達到在通過波輪進行洗衣過程的同時，由空化反應器產生空化反應，產生羥基自由基洗滌衣物。本項目中對于傳統的波輪式洗衣機結構上的改良及整體結構如圖1所示。

圖1 空化洗衣機外觀圖

由于空化產生的條件極為苛刻，需要較大的動力源驅動，因此，我們考慮直接利用波輪式洗衣機的自身動力源進行驅動。整體的空化反應容器存在于洗衣機內外筒之間，在獨立驅動源工作時，將帶動波輪與空化發生裝置同時轉動，通過離合器結構實現兩種裝置的差速，當波輪轉動與空化過程同時發生時，利用羥基自由基對于污漬的去除能力，可以得出該裝置能夠達到原有的波輪式洗衣機的洗衣效果。

3 整體設計

通過對傳統的波輪式洗衣機結構與應用的優化設計，新型裝置的工作流程得到了很大程度上的優化，執行所有工作流程所需要的時間也被縮短。由于該項目裝置的工作流程基于水力空化產生的高活性氧化類物質羥基自由基對于衣物的清潔功能，最終通過一定的機械結構達到洗衣機中的空化條件，并且實現清洗功能。對于傳統的洗衣機工作流程而言，開始時需要一定的溫水和洗滌劑浸泡衣物，并且使得洗滌劑中的酶活性達到最高；攪拌清洗過程中，通過不斷加水使得內筒中水的洗滌劑含量逐漸減少，在最終脫水環節前使得水中的洗滌劑含量降低至最小值，最后完成脫水環節。

由于該裝置的創新設計，新的洗衣過程不需要洗滌劑的參與，因此，洗滌劑的稀釋即衣物的脫水過程所需要的時間和水量可省去。

4 模塊設計

空化反應是該項目的主要原理，在液體中結合高速轉動的裝置和類文丘里管，構成空化反應發生的條件，通過調節縮口尺寸和形式就能控制空化的劇烈程度。Badve[1]等對一種內孔旋轉結構空化器進行了流動分析，通過分析得出空化器旋轉過程中流線結構、壓力場合流動剪切速率的變化規律，在調節轉子轉速的過程中，空化流動過程將產生最好的效果。裝置工作時，處于一種高速旋轉的狀態，水體從裝置的一端流進并從另一端流出，高速旋轉的轉子在這期間產生水力空化效果。通過調節孔徑的深度與尺寸大小，就可以控制整個轉子的轉速以及空化劇烈程度。通過對于這些孔的參數優化設計，達到較好的水力空化效果。

在相同的運行時間內，裝置的水處理效果取決于孔內空化發生和水汽交換的劇烈程度，此處將空化發生劇烈和水汽交換頻繁作為評判該空化器空化效果的重要指標。在上述孔內流動分析發現孔自身的結構參數對空化效果影響最大，因此我們選取孔深度L、孔徑D和孔傾角α為變量。

孔徑對水汽交換效果發揮主要作用，不直接影響空化區域大小，孔徑越大，水流越容易到達孔底部，促進水汽交換，提高水處理質量，在分析洗衣機本身的電機轉速以及需要的空化效果后，在不進行變速的情況下，將空化發生器結構直接連接在裝置電機處，調節孔徑參數設計，進而達到最好的空化效果。

基于對以上3種參數的設計校核，我們對空化發生器裝置進行了仿真，由仿真結果可知，當轉速為2 850 r/min時，孔深度為5 mm，孔徑為13 mm，孔傾角為30°時，空化效果最好，洗滌的效果最優。

當裝置的支撐架結構與桶內壁平行時，空化發生裝置受到的阻力最小，同時產生的力矩最大，對于電機的功耗最小，能夠達到最優的空化效果。

本裝置的機械結構的設計主要在于用洗衣機本身的電機動力驅動空化反應器高速旋轉產生空化作用，在波輪旋轉時，空化反應器本身由行星齒輪傳動離合器上的旋轉驅動，二者差速，使得裝置可以達到在通過波輪進行洗衣過程的同時由空化反應器產生空化反應。

通過這個機械結構的連接，將會實現波輪與空化發生器同時但卻不同速度的轉動，當進行甩干等過程時，離合器分離，波輪單獨旋轉實現甩干，從而滿足洗衣的不同過程以及空化發生的需要。

5 結束語

本裝置通過對傳統的波輪式洗衣機進行改造，結合機電一體化技術設計，可有效減少洗衣機使用時的水量消耗，同時產生了具有清潔效果的羥基自由基，提高了去污能力，還可以取代原有的含磷等化學成分的洗滌劑的投放使用，減少了洗滌劑對于環境的破壞，能夠達到較好的節能減排效果。