王彩霞 李瑛 方杰 姚熠愷 胡永攀

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093）

洗衣機(jī)性能測試恒溫水系統(tǒng)設(shè)計

王彩霞 李瑛 方杰 姚熠愷 胡永攀

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093）

本文介紹了為家用洗衣機(jī)性能測試實驗室而設(shè)計的恒溫水供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為六工位家用電動洗衣機(jī)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(fēng)冷冷水機(jī)組聯(lián)合使用控制水溫。在恒溫水箱和冷水機(jī)組之間設(shè)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(tǒng)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(tǒng)分別采用獨(dú)立自循環(huán)的方式。變頻供水水泵不僅可以調(diào)節(jié)水流量大小，而且可以精確控制供水水壓。依據(jù)GB/T 5750.4-2006與GB/T 4288-2008標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格軟化處理，保證洗衣機(jī)用水對其性能測試結(jié)果無影響。聯(lián)合使用PLC和PID，測試精度較傳統(tǒng)恒溫水系統(tǒng)更高。

電動洗衣機(jī)；恒溫水；測控

洗衣機(jī)生產(chǎn)技術(shù)不斷升級促使新型更高效節(jié)能的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，而其性能檢測卻處于比較落后的狀態(tài)。研究和開發(fā)具有更加良好可靠性、穩(wěn)定性和精確度的洗衣機(jī)性能實驗室成為了一種必然需求。洗衣機(jī)性能測試實驗室的研制對企業(yè)提高洗衣機(jī)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(jì)與社會意義[1]。洗衣機(jī)性能實驗室主要用于檢測家用洗衣機(jī)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(tǒng)至關(guān)重要。恒溫供水系統(tǒng)的研制對更精確高效地開發(fā)、測試、鑒定新型洗衣機(jī)有重要的意義。因此，研制可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)以及精確度高的恒溫水系統(tǒng)便成了必然需求。

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機(jī)》以及某用戶的相關(guān)要求，結(jié)合先進(jìn)的控制理論和方法，研制了一套水溫波動小、響應(yīng)速度快的恒溫水系統(tǒng)。本恒溫水系統(tǒng)設(shè)計主要包括恒溫水供水裝置設(shè)計、水質(zhì)處理以及合理高效的控制設(shè)計。

1 恒溫供水裝置設(shè)計

1.1 恒溫供水裝置原理

按照用戶的相關(guān)要求，該恒溫供水系統(tǒng)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(shù)如表1。

考慮到測試溫度和家用洗衣機(jī)的洗滌水標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)。攪拌水泵用來保持水箱內(nèi)溫度場均勻，變頻供水水泵可以調(diào)節(jié)供水水壓，達(dá)到試驗標(biāo)準(zhǔn)和用戶需求[2]。

冷、熱水箱的冷源采用1臺風(fēng)冷冷水機(jī)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(nèi)置式電熱水器。為減少測試等待時間并保證洗衣機(jī)工位用水溫度恒定，冷溫水與熱水系統(tǒng)始終處于自循環(huán)狀態(tài)，在保證水系統(tǒng)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(diào)節(jié)水流量大小而且可精確控制供水水壓。依據(jù)要求設(shè)計恒溫水供水系統(tǒng)，如圖1所示。

表1 水溫參數(shù)要求

圖1 恒溫水系統(tǒng)圖

圖2 負(fù)載布存放室系統(tǒng)圖

該恒溫水供水系統(tǒng)的冷凍水循環(huán)分為三路：一路通過冷溫水箱換熱水泵到達(dá)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(jīng)過熱水箱換熱水泵到達(dá)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(fù)載布存放室的空氣處理柜提供冷量，承擔(dān)負(fù)載布存放室的冷負(fù)荷與濕負(fù)荷，如圖2所示。同時負(fù)載布存放間表冷器回路上設(shè)有電動三通閥，入口處為經(jīng)過表冷器后的冷卻水，出口處分為冷水機(jī)組回路與表冷器回路，通過調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥兩個支路的流通面積可以控制冷卻水的流量，從而調(diào)節(jié)經(jīng)表冷器后的冷卻水與冷水流

量來控制供冷量。當(dāng)負(fù)載布存放間負(fù)荷產(chǎn)生變化時，通過PID調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥兩個支路的開度，能夠較好的應(yīng)對外界溫度場波動對系統(tǒng)造成的干擾，保證控制參數(shù)穩(wěn)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(diào)節(jié)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(xiàn)熱量補(bǔ)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(nèi)部儲水熱量為其提供瞬時需求的加熱量，冷量由冷水機(jī)組提供。熱量與冷量都通過板式換熱器進(jìn)行換熱。通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷水、熱水的交換量控制熱水箱水溫。

（1）冷水箱計算

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

參考上海夏季室外環(huán)境溫度，取初始水溫為34.6℃，冷水箱中水與冷水機(jī)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(zhì)量，kg。

實驗準(zhǔn)備時間：

（2）熱水箱計算

根據(jù)房間負(fù)荷和實驗過程中所需熱水負(fù)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(cè)采用30kW的不銹鋼板式換熱器，冷源側(cè)采用10kW不銹鋼板式換熱器。

參考上海冬季室外環(huán)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(zhǔn)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(jìn)水電磁閥[3]

洗衣機(jī)進(jìn)水電磁閥對洗衣機(jī)能否正常工作至關(guān)重要，洗衣機(jī)的進(jìn)水程序是由驅(qū)動指令與機(jī)體中的水位傳感器綜合控制。家用洗衣機(jī)性能測試準(zhǔn)確性受進(jìn)水電磁閥的流量、啟動、泄漏等特性的影響，為此，需對進(jìn)水電磁閥進(jìn)行相應(yīng)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(diào)整供水壓力，保證所需檢測的電磁閥進(jìn)水壓力為0.02MPa、0.1MPa以及0.3MPa并保持穩(wěn)定，在這三種壓力下持續(xù)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(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(diào)節(jié)水壓到0.8MPa，調(diào)節(jié)電壓到187V。若水流噴出形狀為柱狀且流量超過目標(biāo)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(biāo)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(tǒng)檢漏方式是將電磁閥斷電，調(diào)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?dú)鈮毫Υ嫠畨?，即斷開電磁閥測試電源，同時關(guān)閉電磁閥的供水閥門。再分別向電磁閥入口打入1MPa的氮?dú)夂?.02MPa的氮?dú)膺M(jìn)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(zhì)處理設(shè)計

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機(jī)》相關(guān)要求，洗衣機(jī)性能測試所用水的水質(zhì)硬度質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，生活所用的自來水硬度為450mg·L-1，為此需要對水源進(jìn)行軟化處理。

目前，水質(zhì)的軟化方法主要有化學(xué)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(tǒng)的特性，為供水系統(tǒng)配置采用離子交換法的全自動軟水器。經(jīng)實驗證明，該軟水器能有效地降低水的硬度，使其達(dá)到洗衣機(jī)性能測試要求。

3 恒溫供水測控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)硬件組成

恒溫供水裝置的測控系統(tǒng)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(xiàn)穩(wěn)定性高、精度高的信號采集工作。同時PLC上設(shè)有熱水器和冷水機(jī)缺水報警、水泵過流報警，保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行?？刂撇糠钟蓴?shù)據(jù)采集儀、智能PID調(diào)節(jié)器和PC機(jī)等組成，不僅在觸摸屏顯示各個設(shè)備的啟停情況，方便監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行，而且可以控制末端電器設(shè)備的啟停[5]。

3.2 水溫設(shè)定設(shè)計

水溫設(shè)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(jìn)行控制，并通過橫河UT55A冷熱型調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)冷熱比例，從而達(dá)到所需的供水水溫同時可實現(xiàn)節(jié)能的功效。在加熱/冷卻控制設(shè)計中，PID調(diào)節(jié)器依據(jù)設(shè)定值與實際值的偏差進(jìn)行計算，并將運(yùn)算結(jié)果劃

分為加熱信號與冷卻信號兩種，再向加熱、冷卻系統(tǒng)輸出指令。調(diào)節(jié)器的運(yùn)算結(jié)果為0～100%，若運(yùn)算結(jié)果在0%～50%之間則表示冷卻系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)輸出，其輸出的范圍為0%～100%；相反，若運(yùn)算結(jié)果在50%～100%之間則表示加熱系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)節(jié)控制，其輸出的范圍同樣為0%～100%。另外，調(diào)節(jié)器可在冷卻端和加熱端進(jìn)行PID控制或ON/OFF控制，當(dāng)進(jìn)行ON/OFF控制時，應(yīng)將比例帶設(shè)置為0，從而手動調(diào)節(jié)PID的比例帶實現(xiàn)人為的調(diào)節(jié)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(shè)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(guān)，水箱進(jìn)水電磁閥開啟，高、低位液位開關(guān)檢測水箱液位，溫度探頭檢測水溫。當(dāng)水箱水注滿，進(jìn)水電磁閥斷開，四線制鉑電阻采集到的水溫信號傳到PID調(diào)節(jié)控制器中，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)實際水溫與設(shè)定值偏差做出判斷，與設(shè)置好的P、I、D參數(shù)的差值計算對應(yīng)設(shè)備的冷/熱控制實時輸出量，PLC通過繼電器的控制冷水機(jī)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(dāng)溫度探頭檢測水溫達(dá)到設(shè)定值后，PID調(diào)節(jié)器停止向PLC輸入信號，相應(yīng)設(shè)備關(guān)閉，進(jìn)入保溫階段，根據(jù)設(shè)計要求恒溫水水溫在1.5h內(nèi)波動不超過0.5℃。

供水水泵出水管路上設(shè)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(tǒng)始終處于自循環(huán)狀態(tài)，保證水系統(tǒng)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(tài)保證供水自循環(huán)。根據(jù)水箱水溫的變化，通過冷/熱控制器時時調(diào)節(jié)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(shè)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號，并傳遞給PID控制器。PID控制器經(jīng)過計算，輸出執(zhí)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(qū)動變頻水泵，通過控制水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水管路上的壓力達(dá)到設(shè)定值。

3.5 恒溫供水流量測量設(shè)計

依據(jù)國標(biāo)GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機(jī)》及相關(guān)技術(shù)協(xié)議要求需對6個工位的水流量進(jìn)行測量以便測試洗衣機(jī)的用水量。本恒溫水系統(tǒng)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(jī)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(xiàn)嚴(yán)重粘污時，從流量計上拆下進(jìn)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(huán)境較惡劣環(huán)境如混有高濃度泥漿或低電導(dǎo)率的流體可選用最新的“增強(qiáng)型雙頻勵磁法”，從而保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性以及迅速響應(yīng)。

4 系統(tǒng)性能測試

根據(jù)國標(biāo)GB／T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機(jī)》以及相關(guān)技術(shù)協(xié)議，實驗室恒溫水系統(tǒng)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(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。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(tǒng)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(huán)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(huán)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(tài)的水還是冬季低溫情況下制取高溫狀態(tài)的水都能在1h內(nèi)制取所需的恒溫水并保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對該恒溫水系統(tǒng)試驗研究表明，該系統(tǒng)配置合理，性能可靠，自動化程度高，精度高，響應(yīng)速度快，能夠在要求的時間內(nèi)提供滿足溫度及壓力要求的恒溫水，完全能夠滿足設(shè)計要求。經(jīng)過相關(guān)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

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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