（机械工程专业论文）小型家用干洗机的设计与分析.pdf

小型家用干洗机的设计与分析 摘要 分析国内外洗涤业的发展 不难看出今后干洗机有小型化 家庭化的发展趋势 进行小型家用干洗机的设计主要考虑到两个方面 一方面 普通水洗洗衣机消费市场 趋于饱和 由于洗涤助剂的漂除需要大量的淡水 干洗技术可以在很大程度缓解淡 水资源的消耗 干洗有超强的去污能力 干洗后衣物不易退色 干洗技术在中高端 衣物的洗涤中比水洗好很多 深得人们的喜爱 另一方面 中国社会的快速发展带 来国内中高端服装的消费高潮 干洗可以保护这些衣物的亮丽的色彩 而且不会使 衣物产生褶皱变形 此外 干洗店中用的干洗剂容易交叉污染 基于以上因素越来 越多的消费者希望在自己家里就可完成干洗 小型干洗机有三个方面的优势 第一 小型干洗机比普通干洗机更能灵活的满 足小规模干洗洗衣需求 可以帮助家庭成员有效的减少由于干洗店干洗剂不清洁造 成的交叉污染 第二 滚筒脱水转速较低 震动较小 噪音低 第三 分享扩容后 的空调制冷系统 可以合理的利用家用现有资源 节约成本 论文主要分析了普通干洗机的工作原理 并结合干洗行业国内外发展趋势 提 出了小型家用干洗机的设计方案 设计了干洗机内外筒的结构 蒸馏箱的结构 冷 却回收装置的结构 以此为基础建立了滚筒洗衣机的动力学模型 做了内筒的模态 分析 蒸馏箱间壁的热分析及冷却装置的流体冷却分析 得到了内筒的五阶固有频 率 据此可预测内筒的临界转速 得到蒸馏箱间壁的热分布图 由此判断蒸馏箱间 壁的设计优劣 流体分析得求得流体的温度分布 为小型家用干洗机冷却装置的设 计提供依据 总之 小型干洗机有很大的社会需求 做这一方面的综合技术研究必将有助于 提高小型干洗机的设计水平 由此得出的设计与分析结论定会给干洗机的设计提供 一些参考 关键词 小型干洗机蒸馏制冷回收有限元分析流体分析 d e s i g na n da n a l y s i s0 ft h es m a l l f a m i l yd r yc l e a n i n g m a c h i n e a b s t r a c t a n a l y z et h ed e v e l o p m e n to ft h ew a s h i n gi n d u s t r ya th o m ea n da b r o a d i ti se a s yt o s e et h a tt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do fm i n i a t u r i z a t i o n f a m i l yd r y c l e a n i n gm a c h i n e s i n t h i st h e s i s i tm a i n l yt a k i n gi n t oa c c o u n tt w oa s p e c t st oc h o o s et h ed e s i g no fs m a l lh o m e d r y c l e a n i n gm a c h i n e s o nt h eo n eh a n d o r d i n a r yw a s h i n gw a s h i n gm a c h i n ec o n s u m e r m a r k e th a sb e c o m es a t u r a t e d a sw a s h i n gc o n s u m el a r g ea m o u n t so ff l e s hw a t e r a n dd r y c l e a n i n gt oal a r g ee x t e n te a s et h ec o n s u m p t i o no ff r e s hw a t e rr e s o u r c e s t h eo t h e rh a n d t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s es o c i e t yb r o u g h ta b o u tt h ec l i m a xo ft h ed o m e s t i c c o n s u m p t i o no fh i g h e n dc l o t h i n g d r yc l e a n i n gc a np r o t e c tt h eb r i g h tc o l o r so ft h e s e c l o t h e s b u td o e sn o tm a k ec l o t h i n gw r i n k l e s d r yc l e a n i n gs h o p sd r yc l e a n e r se a s yt o i n c o r p o r a t ep o l l u t i o n i ti sl i k e l yt oc a u s e c r o s s c o n t a m i n a t i o no fc l o t h i n gb yd r yc l e a n e r s b a s e do nt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n sm o r ea n dm o r ec o n s u m e r sw a n ti nt h e i ro w nh o m e s c a nb ec o m p l e t e dd r yc l e a n i n g t h es m a l lh o m ed r y c l e a n i n gm a c h i n eh a st h r e ea d v a n t a g e s f i r s t t h es m a l l d r y c l e a n i n gm a c h i n e st h a nt h eo r d i n a r yd r y c l e a n i n gm a c h i n e sm o r ef l e x i b l et om e e t s m a l l s c a l ed r y c l e a n i n gn e e d s i tc a nh e l p f a m i l ym e m b e r st oe f f e c t i v e l y r e d u c e c r o s s c o n t a m i n a t i o nc a u s e db yd r yc l e a n e r s d i r t y s e c o n d w h i l et h ed r u md e h y d r a t i o n i t h a sl o w e rs p e e d l e s sv i b r a t i o n l o wn o i s e t h i r d t h es h a r eo fe x p a n d e da i rc o n d i t i o n i n g c o o l i n gs y s t e m y o uc a nm a k er e a s o n a b l eu s eo ft h eh o u s e h o l do fe x i s t i n gr e s o u r c e s c o s t s a v i n g s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo r d i n a r yd r y c l e a n i n gm a c h i n e s c o m b i n e dw i t ht h ed r yc l e a n i n gi n d u s t r y d o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e d e s i g no ft h es m a l lh o m ed r y c l e a n i n gm a c h i n e s d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ed r y c l e a n i n gm a c h i n ei n s i d ea n do u t s i d et h et u b e t h es t r u c t u r eo ft h ed i s t i l l a t i o nt a n k c o o l i n g r e c o v e r ys t r u c t u r e o nt h i sb a s i s e s t a b l i s h e dad y n a m i cm o d e lo ft h ed r u mw a s h i n g m a c h i n e m o d a la n a l y s i so ft h ei n n e rc y l i n d e rb o xp a r t i t i o n sd i s t i l l a t i o n t h e r m a la n a l y s i s f l u i da n a l y s i so ft h ec o o l i n gd e v i c e o b t a i n e dt h ei n n e rt u b ef i f t h o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c y i tc a np r e d i c tt h ec r i t i c a ls p e e do ft h ei n n e rt u b e h e a tm a p so ft h ed i s t i l l a t i o no fb o x p a r t i t i o n s w h i c ht oj u d g et h ed e s i g no f d i s t i l l a t i o nb o xp a r t i t i o n sq u a l i f i e d f l u i da n a l y s i s t oo b t a i nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i tp r o v i d ear e f e r e n c et ot h ed e s i g n eo ft h es m a l l h o m ed r yc l e a n i n gm a c h i n e s sc o o l i n gd e v i c e i ns h o r t t h es m a l ld r y c l e a n i n gm a c h i n e sh a v eal o to ft h en e e d so fs o c i e t y d ot h e c o m p r e h e n s i v es t u d yw i l lc e r t a i n l yc o n t r i b u t et oi m p r o v et h ed e s i g nl e v e lo f t h es m a l l d r y c l e a n i n gm a c h i n e s t h er e s u l t i n gc o n c l u s i o n sw i l lu n d o u b t e d l yt op r o v i d ea r e f e r e n c e t ot h ed e s i g n eo ft h ed r y c l e a n i n gm a c h i n e s k e yw o r d s t h es m a l ld r y c l e a n i n gm a c h i n e d i s t i l l a t i o n r e f r i g e r a t i o n r e c o v e r y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f l u i da n a l y s i s i v 符号说明 t 一p 氯乙烯入口温度 0 一 7 氯乙烯出u 温度 r 一四氯乙烯工作压力 m p a r 一冷却水i 作 i i 力 m p a 乞 一冷却水进e j 温度 2 一冷却水f l ll 温度 m 厂p q 氯乙烯流旨 k g s c o 一电热丝的表碡i 负荷 w c m 2 p 一法j l l 度t 时的 乜阻率 q m m 2 m v 一容干j m 一载倚 k g a 一洗涤荆耗 j 量 k g 一农物f 燥时的重嚣 k g g 空壁残存干洗剂量 k g g 烘一i i 日订农物残存的 f 洗剂质量 k g 卜烘f f f l l j 收的下洗剂质量 k g j f 沈剂消耗镶 k g k g i 广注入7 二洗机内的溶剂重量 k g f 一进入沈涤循环的溶剂重量 k g 一额定洗涤容量 二态h 寸的重景 k g v 撬煳一蕉馏箱体积 m i 岫h 挣一电热丝功率 k w t 扩p l j 氯乙烯定 阽温度 c 四氯乙烯比热容 k j k g 一一叫氯乙烯密度 k g m 3 一 j l 氯乙烯料i 度 m p a s 2 0 c 五一 j 氯乙烯导热系数 w m 2 0 c i x 2 一水的粘度 m p a s 2 0 c c 一水的比热容 k j k g 丑一水的导热系数 w m 2 2 0 c 垃协c 一逆流时的对流甲均温度 f 一有效 f 均温度为 o c k 一传热系数 w m 彳f 一换热管的传热曲 积 m 2 4 厂管程所需要的流通截面积 m 2 一螺旋角 d 一螺旋巾经 m m l l 符一螺旋管的展 j f 长度 m m h 旷螺旋换热管的高度 r a m d 旷蒸馏冷却装置的内径 m m 热装胃 z 体一蒸馏冷却装置高度 m m i 熊馏冷印皴俺一蒸馏装置的高径比 青岛科技入学研究生学位论文 1 1 干洗技术的发展 1 绪论 干洗技术起源于1 9 世纪初的法国巴黎 一个叫j o ll y 的法国人 一天不慎推翻 桌上的一展油灯 发现灯油挥发后 曾经被灯油浸湿的地方比周围其他地方干净了 许多 这种灯油是一种叫茨烯的东西 干洗技术由此初露端倪 干洗机的发展经历了五代 第一代干洗机为开启式石油干洗机 洗涤和烘干分 别在两个机器内完成 第二代干洗机为开启式四氯乙烯干洗机 它的洗涤和烘干工 作在一个滚筒内完成 烘干冷却采用循环水冷却方法 烘干时蒸汽出口直接与大气 相通 四氯乙烯基本没有回收 影响干洗机操作者的身体健康 污染环境 此外 这种干洗机特别耗电 耗水 耗油 洗涤成本很高 第三代干洗机为简易型全封闭 四氯乙烯机 配有烘干有制冷装置 但其内部缺少热盘管 无任何的制冷控制器 其制冷系统属于虚设 耗油 耗水 耗电 洗涤成本仍然很高 第四代干洗机为全 封闭四氯乙烯干洗机 使用热泵制冷回收系统 配有制冷控制器 过滤器和蒸馏箱 以及各种节能 节电装置 洗涤成本有所降低 第五代干洗机为环保型干洗机 这 种干洗机的洗涤周期短 干洗剂消耗量低 第五代干洗机的主要组成部分有 制冷 系统 碳吸附装置 抽真空装置 双水冷却回收装置 双过滤器装置 全自动电脑 控制系统 变频调速及不锈钢体结构等 现在市面上流行的干洗机实物如图1 1 所 示 图1 1 干洗机实物 f i g 卜lt h ed r yc l e a n i n gm a c h i n ee x a m p l e 我国干洗行业自中华人民共和国建国以来经历了四个发展阶段 第一阶段 新 小型家用干洗机的设计与分析 中国成立到1 9 5 6 年 机械化程度低 多为作坊式干洗店 第二阶段 1 9 5 6 年到1 9 7 8 年 干洗行业有所发展 在这一阶段全国大城市新开了许多干洗店 第三阶段 即 1 9 7 8 年改革开放以后 生活水平大幅提高 干洗行业初具规模 第四阶段 2 0 世纪 末至今 高速发展阶段 洗衣店开到社区里 干洗剂回收环保已经有很大的进步 国内干洗行业发展到今天 直接仿造国外的干洗机的案例依然屡见不鲜 世界 范围内很多国家呼吁中国加强知识产权保护 很显然多年来中国的快速发展离不开 消化引进吸收再创新 更为重要的是中国真正的强大更加需要弥足珍贵的自主技 术革新 干洗机在欧美已经历1 0 0 多年的发展 早在2 0 世纪初美国国家专利局就已经授 权了干洗机的专利 发展到今天 其技术已经非常成熟 而且每年都会有大量的专 利申请 近几年随着新型干洗剂的研制成功 北欧发达国家家用水洗洗衣机已经出 现逐渐淘汰的趋势 发达国家干洗机有小型化的发展趋势 小型干洗机相关研究处 于起步阶段 小型家用干洗机相关的技术研究对于我国干洗技术进步意义重大 1 2 干洗机的国内外研究概况 国外有关干洗机研究的特点 商用干洗机专利申请数量较多 如e yw h i t e 于 1 9 1 4 年申请了美国干洗机专利啦 随后世界范围内相继有大量的干洗机的专利申请 2 0 1 1 年mn o r o km i t s u n a r i 在美国申请新干洗机的专利日1 发表的有关干洗机方 面的学术论文较少 多集中于干洗机功能模块的设计 小型家用干洗机的研究非常 少 在世界范围内小型家用干洗机的研究尚处于起步阶段 总体而言 干洗机的国内外研究文献主要聚焦以下五个方面的研究 第一 干洗机的蒸馏装置的设计与传热计算方面的研究 杨安杰等对干洗机蒸 馏箱h 3 的设计进行了研究 做了传热计算并设计了一种蒸馏箱的结构 c a r i m a k k e r m a n j c 做了蒸发器与烘干相关的研究璐 2 0 0 5 年德国的n o r t h j o h n h e r b e r t 申请了干洗机专利 3 内容仅是一个干洗机产品的专利 没有对干洗机的蒸 馏箱加热和热传递进行有限元方面深入的分析与研究 第二 热泵压缩机制冷技术 与干洗剂回收相关的研究 如2 0 0 9 年美国通用电子公司的t jf y v i e 申请了干洗机 溶剂回收系统改进的专利口1 上海航星机械的夏新军做了制冷技术应用于干洗机的 研究 运用制冷技术的全封闭干洗机有效地降低四氯乙烯的排放量 各国干洗机的 专利多有提及 这些研究没有进行流体方面的深入研究 多数是提升产品的技术专 利 第三 干洗机结构外观设计方面的研究 应用计算机辅助设计技术实现干洗机 外观改型设计的设计流程及其关键技术与方法 内部结构设计与外形设计同步进行 的并行设计思想 如2 0 1 1 年日本大阪松下品牌旗下三洋电子公司的mn o r o k m i t s u n a r i 等人在美国申请了最新的干洗机结构设计专利 国内也有这方面的研究 青岛科技大学研究生学位论文 如四川大学的白雪等进行了干洗机外观改型设计的研究 从而成功地完成了干洗机 的外观改型设计并取得良好的效果 第四 压缩气泡式与液体二氧化碳干洗机研究 美国的t gd e w e e s f mk n a f e l c 在1 9 9 3 年申请了液体二氧化碳干洗的专利 英国等 发达国家近年来在洗衣方法与洗衣机械方面有较大的技术突破 颗粒洗衣 压缩气 泡式干洗机和液体二氧化碳干洗机均在此之列 其中采用液体二氧化碳为干洗溶 剂 约在1 5 c 5 m p a 压力下完成洗涤 但是其去污能力比四氯乙烯弱很多 且不 宜与其他洗涤剂溶合 各通道有一定压力 存在安全隐患不易操作 第五 干洗店 整体工作环境安全的研究 如加州大学伯克利分校的b r e n d ae s k e n a z i 教授做的三 氯乙烯对干洗店工人身体健康的影响喁1 1 9 9 3 年s c h r e i b e r j s h o u s e s 关 于干洗店对周围居民环境的影响阳3 这项研究基于当时的干洗机不是全封闭的这一 前提 现在这个问题已经得到很好的解决 此外 滚筒洗衣机结构相关领域的研究多数集中在像s a n g g i lp a r k h o s a nk i m 所做的结构振动与噪音方面的研究n 叫 简而言之 国内外关于干沈机的研究多集中于干洗机产品技术专利的申请 干 洗机控制系统 结构与外观 新型干洗剂的研发等领域 关于干洗剂流体分析的研 究较少 干洗机的深入分析不多 家用干洗机的研究处于起步阶段 干洗机运行时 流体的状态的研究对干洗机性能提升的重要性不言而喻 本文在完成小型家用干洗 机设计的基础上 做了干洗机流体分析方面相关的研究 1 3 小型家用干洗机的研究背景和意义 本课题来自于青岛海尔集团中央研究院的战略前沿项目 结合国家对专业学位 研究生的企业实习的特殊培养要求 本论文以海尔集团实习经历为基础 主要针对 干洗机小型化 家用化进行相关设计与研究 在不涉及企业商业机密的范围之内展 开小型家用干洗机功能部件的设计与分析 并期待得到预期的分析结果 由此将设 计分析参数做一定的简化 并且力求分析工况设置贴近实际 从而得到有价值的分 析结果 给小型家用干洗机的设计提供有力的依据 干洗的优势在于两个方面 一方面 普通水洗洗衣机消费市场趋于饱和 由于 洗涤助剂的漂除需要大量的淡水 干洗技术可以在很大程度缓解淡水资源的消耗 干洗有超强的去污能力 干洗后衣物不易退色 干洗技术在中高端衣物的洗涤中比 水洗好很多 深得人们的喜爱 另一方面 中国社会的快速发展带来国内中高端服 装的消费高潮 干洗可以保护这些衣物亮丽的色彩 而且衣物不会产生褶皱 再者 干洗店中干洗剂或多或少的存在交叉污染现象 基于以上考虑越来越多的消费者希 望在自己家里就可以完成干洗 小型家用干洗机的设计与分析 与大型干洗机相比小型干洗机有三个方面的优势 第一 小型干洗机比普通干 洗机更能灵活的满足小规模干洗洗衣需求 可以帮助家庭成员有效的减少由于干洗 店干洗剂不清洁造成的交叉污染 第二 滚筒脱水转速低 噪音低 第三 分享扩 容后的空调制冷系统 可以合理的利用家庭现有的资源 节约成本 本论文研究力求设计出小型家用干洗机的主要功能部件 然后在设计数据的基 础之上 逐步展开理论与实践相结合的有限元等方面的高级实用分析 其中蒸馏箱 的a n s y s 有限元温度场分析 为高效蒸馏箱改进设计提供详实的科学依据 制冷回 收模块的c f d 流体混合冷却分析 有利于干洗机制冷部件的设计与工作状态分析 内筒的模态分析可以计算出内筒的固有频率 由此可以计算出滚筒的临界转速等重 要的参数值 干洗机动力学模型建立与振动的分析 干洗机的缓冲减振装置的改进 设计提供理论参考 借助这些分析结果 结合工程实际改进设计 最后可以得到功 能更优的设计 1 4 本论文的研究内容 为了完成小型家用干洗机的设计与相关分析 本论文的研究包括洗涤系统 干 洗剂烘干循环回收系统 蒸馏一制冷循环回收系统 电加热模块等等设计与相应分析 具体而言分为四个方面 1 干洗机结构与原理分析 依据原理提出小型家用干洗机的设计方案 确定小 型家用干洗机的设计方案 划分功能模块 2 主要功能模块的设计与计算机三维建模 分析流行商用干洗机 确定小型干 洗机的各组成部件之间的链接方式 并分析各相关部件的运动副关系 确定小型干 洗机洗涤系统的装配体 基于p r o e 和a d a m s 装配小型干洗机洗涤系统的主体结构 设置洗涤系统各部分的材料与相应的工作参数 然后尝试运行洗涤系统主体结构 a d a m s 样机 运行完毕 分析运行得出数据 3 分析干洗机与普通滚筒洗衣机的工作原理 进行内筒a n s y s 模态分析 由于 小型干洗机的减振不同于普通滚筒洗衣机 干洗机转动速度较普通滚筒洗衣机低很 多 通常干洗机设计中直接将外筒与外界固定支架直接焊接在一起 4 蒸馏加热装置的有限元热分析 蒸馏箱结构的优化设计 模拟蒸馏箱热流体 通过螺旋冷却管的温度分布 此外还进行空调蒸发器用于干洗机制冷冷却的待冷却 蒸汽温度的分布 干洗机利用有机溶剂去除污渍 为了多次循环使用 干洗剂需要 净化回收处理 主要措施有离心过滤和蒸馏 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 干洗机的工作原理 2 干洗机结构原理分析 小型家用干洗机主要完成衣物的洗涤 干洗剂的甩出 干洗剂的蒸馏净化 干 洗剂的离心过滤 干洗剂的烘干制冷回收等主要工作 干洗机原理如图2 一l 和图2 2 所示 图2 1 小型家用干洗机原理图 f i g 2 lt h es c h e m a t i co ft h es m a l l h o u s e h o l d d r y c l e a n i n gm a c h i n e s 卜1 制冷剂储液罐1 卜2 制冷剂储液罐2 1 3 制冷剂储液罐3 2 上液泵 3 干洗机内外滚筒 4 蒸馏箱 5 离心过滤器 6 蒸馏冷却管 7 真空泵 8 纤毛拦截器 9 风机 10 空调蒸发器 1 1 阀门 1 2 1 6 18 电磁阀 1 9 辅助加热装置 2 0 电磁阀 图2 2 干洗机主要组成部件 f i g 2 2t h ec o m p o n e n t so ft h ed r yc l e a n i n gm a c h i n e 小型家用干洗机的设计与分析 干洗机3 4 次正常洗涤时 干洗剂只需离心过滤器净化即可连续使用 次数超 过4 次时 过滤后的干洗剂含有的污渍无法被离心过滤器过滤掉 干洗剂就不能继 续使用 此时需要将用过多次的干洗剂进行蒸馏净化处理 经过蒸馏的干洗剂非常 洁净 可以继续用来干洗衣物 不会造成衣物交叉污染 下面分两部分介绍工作原理 一部分介绍正常洗涤过程 另一部分介绍蒸馏循 环过程 2 1 1 干洗机洗衣循环 1 上液即将干洗剂打入干洗机滚筒内 参照图2 1 如果干洗剂较为洁净 开启液泵2 干洗剂流经管a 通过电磁阀1 3 经由电磁阀1 6 到达干洗机内筒内 直到干洗剂打入完成 若要在打入前需要过滤一遍干洗剂 以防止干洗剂重复交叉 污染 此时 开启液泵2 干洗剂经由管道a 通过阀1 3 到达阀1 4 然后进入离心 过滤器 再进入干洗机内筒 各部分原理名称详见图2 1 所示 干洗机大致工作过 程参照图2 3 所示 图2 3 干 洗4 j h y 作过程 f i g 2 3d r yc l e a n i n gm a c h i n e sw o r kp r o c e s s 2 洗涤在上液之前放入衣物 关好干洗机门 关闭进液阀1 6 和出液阀1 8 打开洗涤开关随着滚筒的旋转 衣物与干洗剂充分接触 经过一定时间的洗涤 衣 物上的大部分污渍溶解到干洗剂里 第一次洗涤结束 打开出液阀门1 8 用过的干 洗剂被排出滚筒 经过阀1 1 经由阀1 8 通向储液罐1 2 然后重复以上步骤 重新 打入一次干洗剂 漂洗一次 最后靠离心力甩出残余在衣物上的干洗剂 各阀门待 命 等待烘干程序启动 3 烘干当衣物甩干后 开启烘干程序 内筒底部的电加热装置产生烘干所需 的一部分热量 此外 烘干循环进气口处装有辅助强化加热装置 快速烘干衣物 当衣物中的干洗剂受热变为蒸汽时 通过管道进入纤毛收集器8 除掉多余的纤毛 等杂物 接着蒸汽在强力风机的作用之下进入制冷回收装置 将干洗剂蒸汽冷却为 青岛科技大学研究生学位论文 液体 经过管道进入液体分离装置 将干洗剂中残余的水分离出来 之后干洗剂流 入储液箱卜3 完成烘干 4 过滤直接排出的干洗剂从储液罐卜2 中 经液泵2 打入到离心过滤器5 开启过滤程序 直到完成过滤 经过过滤的干洗剂里面有残余的污渍 所以过滤只 能用作干洗剂洗涤循环干洗剂使用次数不多时的净化 干洗剂较为完整的净化由过 滤装置来完成 2 1 2 干洗剂蒸馏净化循环 蒸馏时 将1 2 中的脏干洗剂经由液泵2 打入蒸馏箱4 然后开启整理程序 干洗机的蒸馏装置采用电热管加热 电热管产生的的热量 借由导热油均匀传递给 干洗机蒸馏箱内壁 再由内壁将温度传给箱内的干洗剂 如无特殊说明 均以四氯 乙烯干洗剂为例分析 当干洗剂达到蒸发温度 1 2 l c 时变为气态 其他污渍绝 大多数依旧为液态或固态 由此溶解在干洗剂内的大部分油脂等污渍分离出来 以 便多次循环使用干洗剂洗涤衣物 气态的干洗剂通到蒸馏冷却管6 内冷却为液态 经水分离器 去除水分后 通过管道流进蒸馏箱1 3 完成蒸馏及其冷却过程 2 2 小结 本章首先介绍了干洗机的主要组成部分 然后分别详细的介绍了干洗机洗涤循 环和蒸馏净化循环的工作过程 青岛科技大学研究生学位论文 3 小型家用干洗机设计方案的确定 3 1 设计方案分析 针对小型干洗机的设计提出四种方案 对比分析各方案的优缺点 确定小型干洗 机的设计方案 3 1 1 独立制冷有蒸馏方案 此方案设计的小型干洗机主要由洗涤系统 过滤系统 自有独立的蒸馏冷却系 统 烘干与制冷回收系统及其他基本管路等部件等组成 如图2 1 和图3 1 所示 方案设计要点为 小型干洗机整体结构由左右布置蒸馏箱与过滤器的结构调整 为蒸馏与过滤放到洗涤系统的后面 采用改进型蒸馏箱设计和离心过滤器 蒸馏采 用水冷冷却器和烘干回收采用单独的压缩机制冷冷却器 设有辅助加热风道 设计方案优点为 结构优化更加合理 不足之处在于其独立的蒸馏系统成本偏 高 图3 1 方案一 f i g 3 1s c e n a r i oo n e 3 1 2 独立制冷无蒸馏方案 此方案设计的小型干洗机主要由洗涤系统 过滤系统 外置蒸馏及冷却系统 烘干与制冷回收系统 其他基本管路等部件组成 如图3 2 所示 方案设计要点为 小型干洗机整体结构由左右布置蒸馏箱与过滤器的结构调整 为蒸馏与过滤放到洗涤系统的后面 采用改进型蒸馏箱设计和多离心过滤器 无独 立蒸馏系统 蒸馏出来的蒸汽采用水冷冷却 烘干回收采用压缩机制冷冷却器 设 有辅助加热热风道 小型家用干洗机的设计与分析 此设计优点为 干洗机有自己的独立的制冷系统 无需独立的蒸馏系统 干洗 机占用的空间有所降低 图3 2 方案二 f i g 3 2s c e n a r i ot w o 3 1 3 共享空调制冷有蒸馏方案 此方案设计的小型干洗机主要由洗涤系统 多过滤系统 蒸馏系统 烘干与制 冷回收系统 借助家用空调装置 和其他基本管路等部件等组成 如图3 3 所示 方案设计要点为 小型干洗机整体结构由左右布置蒸馏箱与过滤器的结构调整 为蒸馏与过滤放到洗涤系统的后面 采用改进型蒸馏箱设计 离心过滤器 蒸馏采 用水冷冷却器和烘干回收采用家用空调的压缩机制冷冷却器 设有辅助加热热风道 该方案的优点为 借助家用空调作为制冷冷源 具备家电一体化创新设计理念 节约成本 易于实现 安全程度高 稳定性好 图3 3 方案三 f i g 3 3s c e n a r i ot h r e e 3 1 4 共享空调制冷无蒸馏方案 此方案设计的小型干洗机主要由洗涤系统 多过滤系统 无蒸馏装置或外外设 青岛科技大学研究生学位论文 大功率蒸馏装置 烘干制冷回收系统 借助家用空调装置 及其他基本管路等部件 等组成 如图3 4 所示 方案设计要点为 小型干洗机整体结构由左右布置蒸馏箱与过滤器的结构调整 为蒸馏与过滤放到洗涤系统的后面 外置蒸馏箱设计 离心过滤器 采用水冷冷却 器和烘干回收采用扩能的家用空调的压缩机制冷冷却器 设有辅助加热热风道 该方案的不足之处在于无蒸馏干洗只能满足临时性快速干洗的需求 其使用过 的干洗剂得不到到彻底清洁 不能长期使用 图3 4 方案四 f i g 3 4s c e n a r i of o u r 3 2 设计方案的确定 通过以上分析 可见第一种方案设计出的干洗机可以独立完成蒸馏工作 但其 制冷系统占较大空间 不宜于家用普及 第二种方案 要将干洗剂输送到某处集中 处理 运输繁琐 干洗剂易于泄露 所以小型家用干洗机的设计不采用这种方案 第三种方案考虑到空调压缩机的综合利用 有助于家电一体化 综合利用现有家电 资源 可以不降低洗涤质量的同时节省家用开支 今后适当扩充家用空调机的压缩 机工作能力 以满足多样化的家用制冷需求 这种设计方案可实施性强 若合理设 计其结构 家用综合一体化节能就可以在小型干洗机上得以初步实现 第四种方案 考虑n d 区范围内共用干洗 这也是小型干洗机的一个设计方向 蒸馏采用采用小 范围的干洗剂统一蒸馏净化的装置 现实条件不成熟 暂时不采用该设计方案 综合分析家用等小场合的使用条件的特殊性 如 空间狭小 洗衣量小 及时 快捷的洗衣等要求 可见第三种设计方案借助家用空调作为制冷冷源 具备家电一 体化创新设计理念 节约成本 易于实现 安全程度高 稳定性好 所以本设计选 用设计方案三 符合小型家用干洗机的设计理念 3 3 小结 小型家用干洗机的设计与分析 本章主要了分析商用干洗机的工作原理 参考干洗机实物并结合家用滚筒洗衣 机工作原理 提出四个设计方案 分别阐述了各个方案设计构成与优缺点 对比分 析各个方案后 结合当前社会需求与家庭实际环境等因素确定了小型干洗机设计方 案为第三种方案 该方案主要考虑了干洗剂制冷回收装置设计问题 即家用空调用 于家庭干洗机制冷回收干洗剂 青岛科技入学研究生学位论文 4 小型家用干洗机主要功能模块的设计 本章主要涉及洗涤系统中的内外滚筒 干洗剂储液罐 蒸馏箱 蒸馏冷却装置 和空调蒸发器等模块的设计和建模 根据小型干洗机的设计方案 逐步完成小型干洗机的主要部件的结构设计计算 结和实际滚筒洗衣机与普通干洗机一般参数 最终确定的各部件的结构设计参数 并借助三维软件建立各个主体结构的实体模型 4 1 洗涤系统主体结构的设计 本部分主要包括小型干洗机的内筒和外筒的设计与建模 4 1 1 小型干洗机洗涤部分基本尺寸的确定 小型干洗机设计洗衣容量为3 k g 5 k g 参照国家轻工业行业标准q b t 2 3 2 6 2 0 0 4 四氯乙烯干洗机 1 标准中规定干洗机的容积载荷比大于1 7 设容积为v 载荷为g 有 一v 1 7 g 4 一1 令g 取最大值5 k g 得 v 5 x 1 7 l 8 5 l 即v 8 5 l 圆整后 v 9 0 l 9 0 d m 3 4 1 2 小型干洗机内滚筒尺寸的计算 1 由v 9 0 l 9 0 d m 3 9 0 x1 0 6 咖3 v 刀 r 2 h 其中h 为内筒估算限制性深度 参照家用滚筒洗衣机的滚筒尺寸 确定深度为4 0 0 m m 4 5 0 m m 和5 0 0 m 进而 可以计算确定三组不同内简半径数值r 分别为 a 组巾4 0 0 r a m r 压刮裟瑙7 唧 b 组 嘲5 唧时 f 压 裟瑙2 m m c 组m 5 0 0 m 时 r 层 j 裟洲 综合考虑家用干洗机的放置空间 洗涤负载的大小和衣物与干洗剂同时占用的 小型家用干洗机的设计与分析 体积 结合当下滚筒洗衣机的尺寸 设计确定c 组的计算尺寸为内筒结构设计尺寸 在大型三维造型软件p r o e 中完成内筒实体结构设计 内滚筒的线框三视图如 图4 1 所示 图4 1 内滚筒的线框三视图 f i g 4 1t h ew i r e f r a m et h r e ev i e w so ft h ei n n e rc y l i n d e r 小型家用的内滚筒的实体模型如图4 2 所示t 图4 2 内滚筒的实体模型 f i g 4 2e n t i t ym o d e lo ft h ei n n e rd r u m 内简的剖视图如图4 3 所示 青岛科技人学研究生学位论文 图4 3 内筒吾4 视图 f i g 4 3 t h ei n n e rc y l i n d e r sc u t a w a yv i e w 4 1 3 外筒限制性尺寸的计算 首先 分析家用水洗洗衣机 内外筒f 刚隔约为1 5 l o m m 这种设计是为了洗衣 结束后的排液与甩干之用 其次 考虑干洗机特性 取内外筒径向间隔为1 2 r a m 内 外筒的轴向最大间隔为3 0 m m 所以外筒的尺寸为 r 2 4 0 1 2 2 5 2 m m h 5 0 0 3 0 5 3 0 m m 以限制尺寸为依据 在p r o e 中完成外筒的实体结构的建模 得到外筒的线框三视 图如图4 4 所示 图4 4 外筒的线框三视图 f i g 4 4t h eo u t e rc y l i n d e r sw i r e f r a m ev i e w 外筒的实体模型如图4 5 所示 小型家用干洗机的设计与分析 一 图4 5 外筒实体图 f i g 4 5e n t i t yd i a g r a mo fo u t e rt u b e 外筒剖视图如图4 6 所示 图4 6 外筒剖视图 f i g 4 6o u t e rt u b e sc u t a w a yv i e w 4 1 4 内筒与外筒主体结构的装配模型 分析实际滚筒洗衣机的运动特性 在p r 0 e 中完成内筒与外筒的初步装配 内 外筒主体结构爆炸图如图4 7 所示 青岛科技大学研究生学位论文 图4 7 内外筒主体结构爆炸图 f i g 4 7t h es t r u c t u r a le x p l o d e dv i e wo ft h ei n s i d ea n do u t s i d ed r u m 4 2 储液罐的结构设计 储液罐的设计主要考虑因素为家庭使用干洗剂的数量和小型干洗机整体结构空 间的构成 4 2 1 干洗剂用量的确定 干洗洗衣干洗剂的用量分两种情况来确定 1 采用电加热时 每公斤衣物预洗使用2 公升干洗溶剂 以四氯乙烯为例 正 常洗涤使用4 公升干洗剂 2 当采用蒸汽加热时 预洗每公斤衣物使用3 公升干洗溶剂 正常洗涤时 总 共需要消耗6 公升干洗剂 储液罐设计成三箱 用来存储三种不同洁净度的干沈剂 1 箱盛放新干洗剂 2 箱盛放洗过衣物未来得及蒸馏的干洗剂 3 箱盛放已经经过净化处理的干洗剂 依 据干洗剂与负载的比例 1 0 l k g 确定干洗机溶剂缸的容积 1 为箱5 0 l 2 箱为5 0 l 3 箱为5 5 l 以上数据依据标准j b t 8 5 0 0 1 9 9 6 确定 干洗剂消耗验算公式有 沈涤剂耗用量 a g 鱼 鱼 1 0 0 4 2 g 其中 a 一洗涤剂耗用量 小型家用干洗机的设计与分析 g 一被洗涤的的衣物干燥时的重量 k g g 一空壁残存干洗剂质量 k g g 一烘干前衣物残存的干洗剂质量 k g g 一烘干回收的干洗剂质量 k g 干洗剂消耗量 j a g 4 3 其中 j 一干洗剂消耗量 k g k g j 注入干洗机内的溶剂重量 k g j 2 一进入洗涤循环的溶剂重量 k g g 一额定洗涤容量干态时的重量 k g 4 2 2 储液罐的结构设计 根据小型家用干洗机整机尺寸的设计要求 设计洗涤溶剂箱的结构在p r o e 中 设计出储液罐的实体模型 如下图4 8 所示 图中圆形和椭圆处为储液罐的观察镜 卜 一酆 一 图4 8 储液罐的结构 f i g 4 8t h es t r u c t u r eo ft h er e s e r v o i r 实体视图如图4 9 所示 r 鼬斗拗4监 青岛科技人学研究生学位论文 一 bpq 图4 9 储液罐的综合视图 f i g 4 9t h ec o m p r e h e n s i v ev i e wo ft h er e s e r v o i r 4 3 蒸馏箱的结构设计 蒸馏箱的主要设计要素有两个 一是电热丝的选型 二是蒸馏箱的机构设计与 建模 4 3 1 干洗机蒸馏速度的确定 参考干洗机的蒸馏速度经验值 当采用蒸汽加热时 v 蒸馏 8 l h k g 当采用电加热时 v 蒸馏 5 l h k g 最大额定洗涤负载为5 k g 推算蒸馏速度为 v 蒸馏 g 5 5 x5 2 5l h k g 保证最低蒸馏要求基础上增加2 0 蒸馏速度 故取 取v 蒸馏 3 0l h k g 4 3 2 电加热部件的设计 由加热蒸馏速度推导出电加热功率 进而进行电加热丝的计算 设计与选型 参照标准 q b t 2 3 2 6 2 0 0 4 得表4 1 干洗机电加热功率的选择参考表 表4 1 干洗机电加热功率选择参考表 t a b l e 4 1t h ee l e c t r i c a lh e a t i n gp o w e ro ft h ed r y c l e a n i n gm a c h i n e s 小型家用干洗机的设计与分析 由于电加热结构简单 速度快 容易控制等等诸多优点 所以小型干洗机的蒸 馏加热装置采用电热丝加热 由导热油将其产生的热传递到蒸馏箱中的待蒸馏的干 洗剂中 综上所述 确定小型干洗机采用电加热 即0 8 5 k w h k g p l 电热丝 0 8 5 x 5 4 2 5k w 根据上述分析 下面进行蒸馏箱的电热元件尺寸计算 电阻式电热元件种类繁多 常见的有 扁带形 管形 薄板行 棒形等等 电阻式电热元件的封装形式分为 开启式 封闭式 半封闭式 电热丝的结构原理 如下图4 1 0 所示 书1 二奇 式 书 二 卜 义 i 一 撺 电热丝直径 图4 1 0 电热丝的结构原理 f i g 4 1 0t h ep r i n c i p l eo f t h es t r u c t u r eo f t h eh e a t i n gw i r e 4 3 辱c m m 丝长为 4 4 l u 2 z d 2 m 4 p p 4 5 以上公式中各个参数的含义为 p p 电热簋 w 4 2 5 k w u 一额定电压 v 2 2 0 v 一电热丝的表面负荷 6 0 6 1 0 w c m 2 p 一电热丝在温度t 时的电阻率 q 1 1 1 1 1 1 2 m 查常用电热材料的物理与力学性能 同时参阅g b l 2 3 4 如表4 2 所示 青岛科技大学研究生学位论文 表4 2 常用电热材料的物理与力学性能 t a b l e 4 2t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m m o ne l e c t r i cm a t e r i a l 参照公式4 4 计算电热丝 选用圆丝 的直径 d o 3 4 3 0 3 4 3 x 1 2 9 7 m m 取整得 d 1 3 m m 上式中p c p2 0 1 0 0 8x1 1 2 0 0 5 1 1 5 9 2 0 0 5 0 4q l l l m 2 m 4 6 u 2 n d 22 2 0 2x 3 1 5 1 4 9 2 6 x 1 2 9 7 1 0 3 2 l 一 一 4 p