柳勝耀， 李 瑛， 趙四海， 黃彩鳳， 方 杰

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

0 引 言

目前國內(nèi)很多洗衣機生產(chǎn)企業(yè)尚未建立相應(yīng)自動化檢測設(shè)備。傳統(tǒng)的測試實驗室測試工作繁重、測試周期長、工況不穩(wěn)定等因素影響著測試結(jié)果。那么研究和開發(fā)具有良好可靠性、穩(wěn)定性和精確度的洗衣機性能試驗裝置成為了一種必然需求。性能實驗室的使用不僅可高效、精確地開發(fā)、測試、鑒定新型洗衣機，而且對企業(yè)提高洗衣機的市場競爭力、對國家環(huán)保節(jié)能的要求都擁有巨大的經(jīng)濟與社會意義[1]。

檢測洗衣機的漂洗性能及去污能力時，對漂洗布的存放溫濕度、洗衣機的測試環(huán)境及水溫等有較高要求[2]。鑒于以上問題并參照標準GB/T 4288—2008《家用和類似用途電動洗衣機》[3]，結(jié)合現(xiàn)代化的控制理論和方法，通過對實驗室的要求技術(shù)進行深入分析研究，研制了一套以節(jié)能為前提，測試精度高、工況過渡時間短的洗衣機性能測試環(huán)境實驗室。

1 實驗原理及要求

性能實驗室主要是為洗衣機性能檢測提供所需環(huán)境工況，并按技術(shù)要求為洗衣機測試提供所需水溫水壓，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動輸出洗衣機水溫、進水量、功率及消耗電量等。為精確檢測漂洗布的洗凈率，并建造一間溫濕度可控的儲存漂洗布的環(huán)境室，測試室布置如圖1。性能測試過程中，測試人員只需輸入實驗室環(huán)境工況，設(shè)定洗衣機進水溫及壓力，試驗系統(tǒng)即可快速達到所需工況并進入自動控制模式采集記錄參數(shù)，判斷實驗結(jié)果是否符合國家標準。

圖1 系統(tǒng)布置圖

根據(jù)國標及測試產(chǎn)品的需求，實驗室的設(shè)計要求如下：房間及儲存室干球溫度(23±2) ℃，濕度60%～70%，風速不作具體要求；供電電壓在額定電壓的±5%內(nèi)；恒溫冷水箱提供水溫:15～30 ℃可調(diào)，恒溫熱水箱提供水溫:5～60 ℃可調(diào)，供水壓力在(0.24±0.02) MPa范圍內(nèi)；從初始工況到穩(wěn)定試驗過渡時間應(yīng)≤1.5 h[3-4]。

2 洗衣機性能測試實驗室的設(shè)計

2.1 制冷系統(tǒng)

在研究建筑特性、地理位置之后，并根據(jù)實驗室工況要求，采用了利用屬于低品位能源的空氣源制冷系統(tǒng)。與水冷式相比較，不需冷卻塔及冷卻水系統(tǒng)，使制冷系統(tǒng)更簡潔更節(jié)能；且使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定。制冷系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖2所示，系統(tǒng)包括四個分系統(tǒng)。潤滑油回路：作用保證壓縮機內(nèi)部良好的潤滑、密封、降溫及能量調(diào)節(jié)等功能；噴液回路：根據(jù)回氣溫度調(diào)整噴液閥，避免壓縮機吸氣溫度過高；制冷系統(tǒng)主回路：通過合理控制制冷量流量完成工況[5-9]。

從提高能源利用率出發(fā)采用風冷變頻制冷機組，可實現(xiàn)2～6HP制冷量間連續(xù)無級調(diào)節(jié)。由于受檢測洗衣機的能耗和實驗室濕度變化范圍很大，機組采用變頻風機調(diào)節(jié)冷凝壓力，利用電子膨脹閥調(diào)節(jié)過熱度可調(diào)[10-11]。這種制冷系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試證明能夠?qū)崿F(xiàn)變工況調(diào)節(jié)、變蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)，與定轉(zhuǎn)速制冷機組相比約可以節(jié)約7%的能量。

圖2 制冷系統(tǒng)設(shè)計圖

2.2 空氣處理系統(tǒng)

空氣處理系統(tǒng)是將實驗室環(huán)境處理到規(guī)定工況，該系統(tǒng)由空氣處理柜、空冷式制冷機組、循環(huán)風機、電加濕器、電加熱器、溫濕度傳感器、調(diào)節(jié)器、變換器、執(zhí)行器等組成。

圖3是實驗室空氣處理圖，氣流組織為上送下回且為全面孔板送風。為減小工作區(qū)域溫度梯度，這里在孔板送風之前增加穩(wěn)壓層以提高孔板送風的均勻度[10]。為滿足干球溫度(23±2) ℃、相對濕度60%～70%的條件，采用蒸發(fā)器降溫與電加熱器升溫來控制干球溫度，回風經(jīng)蒸發(fā)器降溫之后通過電加熱器升溫到所需控制溫度，采用PID控制希曼頓SCR三相調(diào)功器調(diào)節(jié)加熱器的加熱量15 kW以精確控制干球溫度。相對濕度控制采用電加濕器和蒸發(fā)器結(jié)合使用。在最惡劣工況干球溫度21 ℃，相對濕度為60%時，查表空氣的濕球溫度約為16 ℃。蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力約0.4 MPa,蒸發(fā)溫度約3～4 ℃。采用7.5 kW Carel電極式加濕器加濕，由此完成相對濕度的控制[12]。

圖3 空氣處理圖

儲存間空氣處理系統(tǒng)與上述方法相同，不再贅述。

2.3 恒溫水系統(tǒng)

針對系統(tǒng)水溫要求，設(shè)計水箱容積1 m3的冷水和水箱容積0.8 m3的熱水兩個恒溫水系統(tǒng)。冷、熱水箱的冷源采用7HP風冷冷水機組，熱水箱熱源采用40 kW儲水式電熱水器，冷水箱熱源采用內(nèi)置式電熱水器。為提高控制精度并減少設(shè)備用地設(shè)計了如圖4所示的水系統(tǒng)圖[4]。其中②為冷水機組，其冷凍水循環(huán)分為三路：一路到達板式換熱器④與冷溫水箱⑥換熱；一路到達熱水箱板式換熱器與熱水箱⑧換熱；最后一路為儲存間的空調(diào)柜提供冷量。

①軟水器,②7HP冷水機組,③供水泵,④板式換熱器,⑤三通閥⑥冷水溫水箱,⑦電熱水器,⑧熱水箱,⑨膨脹水箱,⑩1～6測試工位

圖4 恒溫水系統(tǒng)圖

冷溫水箱溫度通過三通閥⑤調(diào)節(jié)旁通量控制冷溫水箱所需冷量，并通過水箱中的電加熱器熱量補償控制。熱水箱加熱量較大，使用儲水式電熱水器⑦為其提供熱量，冷量由冷水機組提供。通過控制冷、熱水的交換量控制熱水箱水溫。為減少測試等待時間并保證洗衣機用水溫度恒定，冷溫水與熱水系統(tǒng)始終處于自循環(huán)狀態(tài)。保證了水系統(tǒng)各處的溫度相同，無論何時為洗衣機供水都能達到設(shè)定值。且供水泵使用變頻泵，不僅保證了水流量而且準確控制了出水水壓。

2.4 數(shù)據(jù)采集與電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)控制部分主要由熱電阻、電磁水流量計、壓力傳感器、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、PID控制器和PC機等組成[13]。

實驗室和儲存間工況測量及控制選用可直接DC輸出的VAISALA溫濕度變送器，因為鉑電阻性能很穩(wěn)定，常用作標準測量溫度器件[14]，恒溫水箱系統(tǒng)測量及控制選用A級鉑電阻。水系統(tǒng)壓力測量采用PTX型量程0.5 MPa的壓力傳感器，流量測量采用AXF型電磁流量計。表1為實驗室需要的測量儀表。

表1 洗衣機實驗室測量儀表

實驗室的電氣系統(tǒng)分為兩部分，一部分是系統(tǒng)送電之后便立即得電的調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)字功率計等儀表；另一部分是由PLC控制的執(zhí)行器。

實驗室采用的PLC自身帶有12個輸入端子和8個輸出端子，并且支持I/O端子模塊的插入。可通過I/O擴展插板來增加PLC的輸入輸出端子以滿足實際操作中的端口需要?？諝馓幚硐到y(tǒng)中需要調(diào)節(jié)送風溫度、送風量和相對濕度，PLC控制則針對加熱和冷卻以及加濕量進行調(diào)節(jié)，從而控制制冷壓縮機的轉(zhuǎn)速、無級電加熱器的功率、循環(huán)風機的轉(zhuǎn)速。水箱中的液位控制應(yīng)用浮子開關(guān)，僅作為報警使用。溫度控制通過熱電阻轉(zhuǎn)換，得到偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)控制加熱裝置和板式換熱器[15-16]，并在控制回路中增加電磁三通閥改變板式換熱器的換熱量，這樣以提高系統(tǒng)的能源利用率[15]。供水壓力通過改變供水泵的轉(zhuǎn)速來改變。

數(shù)據(jù)采集儀主要采集空氣處理系統(tǒng)的溫濕度和恒溫水系統(tǒng)中的水溫、水壓、流量、功率和耗電量。實驗室上位機通過串口連接，PLC采用了RS-232C通信，房間溫度、濕度，冷、熱水箱供水溫度、供水壓力及洗衣機進水的控制的調(diào)節(jié)器使用UT55A調(diào)節(jié)器。這6個調(diào)節(jié)器采用RS485通信，而MW100數(shù)據(jù)采集儀則因為數(shù)據(jù)量較大，采用了TCP/IP協(xié)議。

測試軟件部分采用Delphi編程軟件,根據(jù)工作流程將軟件主要分為四個部分：試驗參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、測試報表生成和數(shù)據(jù)庫管理。采用Windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用多線程編成技術(shù)，這樣各種儀表分別獨立進行采樣控制、互不干擾。

3 測試結(jié)果分析

在以上設(shè)計的基礎(chǔ)上，將實驗臺搭建于上海市某質(zhì)量檢驗局。完成硬件調(diào)試后，對某公司一臺洗衣機進行連續(xù)1 h測試。為檢測實驗室工況過渡時間，現(xiàn)以1 min為間隔時間記錄房間的溫濕度并繪制成圖5。工況及水系統(tǒng)溫度到達要求后，開始測試，圖6為0～60 min內(nèi)洗衣機各參數(shù)記錄。

圖5 溫濕度采樣曲線

圖6 洗衣機性能檢測參數(shù)

經(jīng)過測試，該實驗室溫度偏差為±0.5 ℃，遠在±2 ℃之內(nèi)；濕度偏差為±1.5%，滿足要求。洗衣機進水設(shè)定溫度為30 ℃，水溫波動±0.2 ℃。累積用水流量為122.72 L,用水量26.42 L/kg。根據(jù)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》對用水量的評定為B級，這個結(jié)果與該洗衣機原有等級評定結(jié)論一致。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，該實驗室的實際測試效果滿足設(shè)計要求。

在實驗室系統(tǒng)方面，經(jīng)過了超過5 d的連續(xù)運行，各參數(shù)的控制在長時間內(nèi)保持了較高精度的狀態(tài)，各類設(shè)備運行正常，整體試驗結(jié)果符合設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

介紹了6工位洗衣機性能測試實驗室設(shè)計的基本原理，針對制冷系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、恒溫水系統(tǒng)及電器設(shè)計部分做了詳細介紹，并對本實驗室的節(jié)能措施和系統(tǒng)控制過程進行了重點闡述。該試驗室已經(jīng)成功運行，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能精確控制實驗工況和實驗水溫，并能準確獲得被測洗衣機輸入功率、累積流量等數(shù)據(jù)。本實驗室對洗衣機性能檢測實驗室的研制有參考價值。

[1] 劉訓海，姜敬德，張朝輝，等. 低溫冷庫冷風機的變頻節(jié)能研究[J].制冷學報，2008,29(1):51- 54.

Liu Xun-hai, Jiang Jing-de, Zhang Chao-hui,etal. Research on Frequency Conversion Energy-saving Technology for Evaporator in Low Temperature Cold Storage[J]. Journal of Refrigeration, 2008,29(1):51- 54.

[2] 許振剛. 家用洗衣機羊毛洗滌性能試驗方法研究[J].家電科技，2009(9)：18- 19.

Xu Zhen-gang. Study on Test Method of Wool Washing Performance of Washing Machine[J]. China Appliance Technology , 2009(9)：18- 19.

[3] GB/T 4288-2008,家用和類似用途電動洗衣機[S].

[4] IEC 60456-2010 Clothes washing machines for household use-Methods for measuring the performance.

[5] Green T, Izadi-Zamanabadi R, Razavi-Far R,etal. Plant-wide Dynamic and Static Optimization of Supermarket Refrigeration Systems[J].International Journal of Refrigeration, 2013(8):11.

[6] Xu Yun-Chao, Chen Qun. A Theoretical Glob al Optimization Method for Vapor-compression Refrigeration Systems Based on Entransy Theory[J]. Energy, 2013,60: 464-473.

[7] 謝曉云, 江 億. 對蒸發(fā)冷卻式空調(diào)的設(shè)計與熱工計算方法的一些看法[J]. 暖通空調(diào),2010,40(11):1-12.

Xie Xiao-yun, Jiang Yi. Some Views on Design and Thermal Performance Calculation Methods of Evaporative Cooling Air Conditioning Systems [J].HVAC, 2010, 40(11):1-12.

[8] Lin Chen，Li Yan-zhong, Cai Wen-jian. Experimental Investigation of the Adjustable Ejector in a Multi-evaporator Refrigeration System[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61: 2-10.

[9] 曹 陽，劉 剛. 干盤管換熱器與濕盤管換熱器熱工性能試驗研究[J].制冷學報，2010,31(4)：45-49.

Cao Yang, Liu Gang. Experiment on Thermal Performance of Dry Coil Heat Exchanger and Wet Coil Heat Exchanger [J]. Journal of Refrigeration, 2010,31(4)：45-49.

[10] 彥啟森.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M]. 4版，北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[11] 張祉佑. 制冷原理與設(shè)備[M]. 4版,北京:機械工業(yè)出版社, 1986.

[12] 沈維道.工程熱力學[M]. 4版,北京：高等教育出版社, 2007.

[13] 趙羿偉.基于PLC恒溫水箱系統(tǒng)的研究[J].PLC與FA，2011(8)：45-47.

Zhao Yi-wei. Based on the Systematic Study of PLC Thermostatic Radiator[J].PLC and FA, 2011(8)：45- 47.

[14] 馬春華.基于PLC的溫濕度采集顯示系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2006, 19(8)：29-30.

Ma Chun-hua. Display System of Temperature and Humidity Gathering Based on PLC [J]. Industrial Control Computer, 2006, 19(8):29-30.

[15] 呂國芳，劉希濤.基于PLC的PID控制算法在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2005，26(8)：52-56.

LU Guo-fang, Liu Xi-tao. Application of PLC Based PID Algorithm in Constant Pressure Water Supplying System [J]. Process Automation Instrumentation, 2005,26(8)：52-56.