一種基于新風(fēng)的智能洗干系統(tǒng)研究

徐靜 左翼 熊明 周存玲 蔣黎 付玉葉

無錫小天鵝電器有限公司 江蘇無錫 214028

0 引言

洗干一體機是一臺能同時滿足用戶洗滌和烘干需求的家用電器，可以節(jié)省用戶采購成本以及使用空間。根據(jù)市場調(diào)研報告顯示，洗衣機產(chǎn)品發(fā)展由最開始的波輪式雙桶洗衣機轉(zhuǎn)向波輪式全自動洗衣機，而后發(fā)展為滾筒式全自動洗衣機，如今升級為滾筒式洗衣干衣一體機，亦稱洗干一體機。從市場份額來看，滾筒洗衣機成為了洗衣機市場的主力軍，同時隨著用戶在“干衣”上的需求愈演愈烈，洗干一體機成為滾筒洗衣機的主要上升動力。而目前現(xiàn)有的洗烘一體機用戶的主要痛點集中在洗烘效果不好、洗烘時間長和洗烘后衣物有異味三個方面。

從烘干冷凝方式來看市場上的洗干一體機的烘干系統(tǒng)主要包括水冷式烘干系統(tǒng)和熱泵式烘干系統(tǒng)。其中水冷式烘干系統(tǒng)采用自來水作為冷卻介質(zhì)，烘干過程中需要消耗大量的水，造成水資源的浪費。熱泵式烘干系統(tǒng)是通過壓縮機等設(shè)備進行冷凝，雖然其冷凝效率較高，但該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本較高[1-2]。從控制方式來看，目前市場上大多數(shù)為自動控制的干衣機，其常見的算法有接觸電阻法、空氣濕度法、近紅外光譜法、微波法、溫度法等[3-4]。

因此本文研究了一種帶新風(fēng)的智能烘干系統(tǒng)，從烘干原理入手，通過分析系統(tǒng)的阻力對烘冷結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升系統(tǒng)風(fēng)量，提高烘干效率。引入MEMS溫濕度傳感器對系統(tǒng)實時溫度濕度監(jiān)控，通過風(fēng)門機構(gòu)實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度濕度的閉環(huán)控制，達到精準(zhǔn)控制烘干系統(tǒng)的溫度濕度，提升系統(tǒng)的烘干溫度范圍，提高負載的判干精度。該系統(tǒng)滿足用戶快速、節(jié)能、低溫、健康的需求，實現(xiàn)真正意義上的衣干即停，并且能夠完成高檔衣物的烘干與呵護，使得洗干一體機的性能與體驗有明顯的突破。并且該系統(tǒng)不使用冷凝水進行冷卻，能夠?qū)崿F(xiàn)無水烘干，為社會綠色環(huán)保作出巨大貢獻。

1 基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)

1.1 水冷式烘干系統(tǒng)

水冷式烘干系統(tǒng)的冷凝烘干原理如圖1所示。風(fēng)扇驅(qū)動筒內(nèi)的空氣形成內(nèi)循環(huán)，加熱管將空氣加熱成干燥熱空氣，進入滾筒內(nèi)與潮濕的衣物進行熱交換，衣物中的水分蒸發(fā)為水蒸氣與空氣混合形成濕熱空氣，緊接著濕熱空氣進入冷凝器，與冷凝器中的冷卻水交換熱量，將濕熱空氣中水蒸氣冷凝成水，然后經(jīng)排水管道排出，濕熱空氣被冷凝后又變?yōu)橄鄬Ω稍锏睦淇諝猓?jīng)風(fēng)扇驅(qū)動再次進入加熱管，完成一個空氣循環(huán)。由此可見，冷凝器的效率決定了烘干系統(tǒng)的效率，并且冷凝介質(zhì)也是自來水，可能會為系統(tǒng)帶來額外的水汽，降低烘干效率，因此水冷式烘干效率一般較低。

圖1 冷凝式烘干系統(tǒng)

1.2 基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)烘干原理

新風(fēng)技術(shù)即在傳統(tǒng)的烘干系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新風(fēng)，通過烘干系統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)的切換達到高效環(huán)保的烘干效果。對于烘干系統(tǒng)來說，烘干速度可按公式（1）計算，其中，V為烘干速度，C為水的比熱容，Q為吸收的熱量，ΔT為溫度變化，Δt為單位時間，η為除濕效率。在洗衣機筒容積以及加熱器不變的情況下，單位時間內(nèi)吸收的熱量、溫度變化是一致的，因此烘干速度與除濕效率為正比。

對于烘干系統(tǒng)來說除濕效率如公式（2）所示，其中，W2為進風(fēng)口濕度，W1為出風(fēng)口濕度，ma為風(fēng)量值。在風(fēng)量保持一致的前提下，除濕效率只與進出風(fēng)口濕度差成正比。對于本文提出的新風(fēng)系統(tǒng)來說，W1為零，能夠大幅度提高除濕效率。

1.3 基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)設(shè)計

為了把新風(fēng)技術(shù)引入烘干系統(tǒng)中，設(shè)計了一個全新的風(fēng)門機構(gòu)，該機構(gòu)可以完成烘干系統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)的切換。當(dāng)風(fēng)門關(guān)閉時，在風(fēng)扇的作用下把內(nèi)筒中低溫空氣通過加熱器循環(huán)加熱，形成內(nèi)循環(huán)（如圖2中虛線路徑所示），提升蒸發(fā)效率。當(dāng)風(fēng)門打開時，在風(fēng)扇的作用下把系統(tǒng)外的低溫新風(fēng)通過風(fēng)道引入內(nèi)筒中，把內(nèi)筒中的濕熱空氣從出風(fēng)口帶走，達到烘干目的（如圖2中實線路徑所示）。

圖2 帶新風(fēng)烘干系統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)示意圖

風(fēng)門機構(gòu)的引入使得原烘干系統(tǒng)可以在內(nèi)外循環(huán)中自由切換，通過控制風(fēng)門機構(gòu)的動作可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中蒸發(fā)和除濕的速率，并利用出風(fēng)口處溫濕度傳感器實時監(jiān)測筒內(nèi)溫濕度。通過風(fēng)門機構(gòu)實現(xiàn)不同的烘干模式，使得烘干模式有了更好的適用性，能夠滿足用戶快速、節(jié)能、低溫等差異化烘干需求。

1.4 烘干系統(tǒng)阻力對比

在傳統(tǒng)的水冷烘干系統(tǒng)中決定烘干效率的是冷凝器效率，其影響因子為系統(tǒng)整體風(fēng)量、冷凝器換熱面積、水汽混合程度。為了提升冷凝器的效率，水冷烘干的系統(tǒng)阻力主要集中在冷凝器中，造成系統(tǒng)風(fēng)量的損失。而本文所研究的基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)由于烘干機理不同，重新設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)阻力將大大減少，兩種系統(tǒng)能耗損失圖如圖3所示，基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)的阻力可以相較于傳統(tǒng)水冷烘干系統(tǒng)下降45%。利用風(fēng)量測試臺對兩種系統(tǒng)進行整機風(fēng)量測試，傳統(tǒng)水冷烘干系統(tǒng)整機風(fēng)量為50 CMH，而基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)整機風(fēng)量為75 CMH，系統(tǒng)風(fēng)量提升50%。

圖3 基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)與水冷烘干系統(tǒng)能耗損失圖

1.5 智能烘干控制

MEMS溫濕度傳感器通過檢測空氣中水分子引起的電容值變化來感知當(dāng)前空氣中的濕度。如圖4所示，這種三明治電容式濕度傳感器的上電極由透氣電極Au/Cr構(gòu)成，下電極PI作為敏感材料，重摻雜硅作為襯底。當(dāng)空氣中的水分透過電容板擴散到敏感介質(zhì)中時，隨著敏感介質(zhì)中水分子含量的變化，電容的介電常數(shù)也會隨著變化，因此電容值也會變化。而傳感器中的信號處理電路能夠根據(jù)電容值變化計算出當(dāng)前空氣的相對濕度值，如圖4所示。

圖4 電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)及MEMS溫濕度傳感器內(nèi)部架構(gòu)

由于洗衣機所處的環(huán)境比較復(fù)雜，為了驗證傳感器在不同溫度濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性，選取5個溫濕度傳感器置于環(huán)境箱中，將環(huán)境箱溫度設(shè)定為25℃、50℃、75℃三個溫度條件，并且相對濕度從25%升高至80%，以驗證溫濕度傳感器在極端溫度和濕度條件下傳感器的一致性以及穩(wěn)定性，其實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器在極端環(huán)境下的驗證

濕度傳感器安裝在出風(fēng)口，當(dāng)風(fēng)門開啟時，筒內(nèi)高溫高濕氣體經(jīng)過排風(fēng)口排出，如圖6、圖7所示。

圖6 通過溫濕度傳感器監(jiān)控筒內(nèi)濕度原理

圖7 溫濕度傳感器監(jiān)控出風(fēng)口溫度濕度仿真圖

濕度傳感器感知排出氣體的濕度值和溫度值，當(dāng)濕度降低到一定閾值并且溫度上升到一定閾值時，即可認為筒內(nèi)衣物已不存在水分，即衣物已經(jīng)烘干。可以實現(xiàn)真正意義的衣干即停，在衣物烘干時即停止烘干，在保證衣物烘干的同時，呵護衣物。為了驗證該系統(tǒng)在不同材質(zhì)、不同負載量下的烘干效果，選取GB/T 23118-2008《家用和類似用途滾筒式洗衣干衣機技術(shù)要求》[5]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)負載進行烘干后含水率測試，其中混合負載為50%棉負載和50%的混合負載混合而成。分別選取1 kg、3 kg、5 kg和7 kg的純棉、化纖、混合三種材質(zhì)負載進行自動烘干測試，其中負載烘干前含水率為60%。測試結(jié)果如圖8所示，當(dāng)機器停止運行時，衣物含水率均控制在3%以內(nèi)，能夠達到精準(zhǔn)判干的要求。

圖8 不同負載類型和負載重量下的烘干結(jié)果匯總

當(dāng)傳感器感知到筒內(nèi)溫度過高時，通過風(fēng)門電機打開風(fēng)門，切換為外循環(huán)模式，高速風(fēng)機吸入外部干冷空氣與筒內(nèi)濕熱空氣混合，并將內(nèi)筒的高溫高濕空氣通過排氣口排出，迅速降低筒溫。當(dāng)傳感器感知到筒內(nèi)溫度過低時，通過風(fēng)門電機關(guān)閉風(fēng)門，變更為內(nèi)循環(huán)模式，減少熱量排出，筒內(nèi)熱風(fēng)自循環(huán)，提升筒溫。因此該系統(tǒng)能夠更快速響應(yīng)溫度變化，風(fēng)門開關(guān)對筒內(nèi)溫度變化影響如圖9所示。綜上所述，該系統(tǒng)可以在提升衣物烘干速率的同時實現(xiàn)精準(zhǔn)控制筒內(nèi)溫度。由于不同材質(zhì)的織物對烘干溫度的耐受性是不一樣的[6-7]，為了滿足用戶不同烘干場景的需求，通過采集系統(tǒng)中三處NTC的溫度以及出風(fēng)口處溫濕度傳感器的溫度值，對負載上的溫度進行閉環(huán)智能控制。在確保烘干的前提下，負載上的烘干溫度范圍可以達到30℃～80℃，能夠滿足各類高端衣物以及高溫殺菌等 運用場景的需求。

圖9 風(fēng)門開關(guān)與筒內(nèi)溫度關(guān)系

3 實驗分析

為了驗證基于新風(fēng)的智能洗干系統(tǒng)的烘干效果，使用GB/T 23118-2008《家用和類似用途滾筒式洗衣干衣機技術(shù)要求》[5]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)棉負載進行測試，具體實驗條件如下：

（1）在整個實驗過程中，實驗室的環(huán)境溫度應(yīng)該保持在（23±2）℃，環(huán)境濕度應(yīng)該保持（55±5）%條件下；

（2）測試電壓應(yīng)該滿足電壓220 V（1±2%）、頻率50 Hz（1±1%）的要求；

（3）進行5次有效的干衣周期測試，各測試項目的測試結(jié)果為全部有效的干衣周期的算術(shù)平均值。滾筒式干衣機的干衣周期實驗按照GB/T 20292-2006《家用滾筒干衣機性能測試方法》[8]的第9章進行，對實驗結(jié)果的評估與計算按照該標(biāo)準(zhǔn)中的第10章進行。

按照上述實驗方法，為對比水冷烘干系統(tǒng)和基于新風(fēng)的烘干系統(tǒng)的效果差異，兩個系統(tǒng)均以10 kg為例，并進行5次烘干測試，其算術(shù)平均值如表1所示。

表1 水冷烘干系統(tǒng)與基于新風(fēng)的智能烘干系統(tǒng)對比

綜上所示，基于新風(fēng)的洗干系統(tǒng)烘干速率較水冷系統(tǒng)提升70%，單次烘干節(jié)水70 L，以每周進行干衣兩次的頻率來測算，每年每個家庭可以節(jié)水7280 L。該技術(shù)能夠為環(huán)保節(jié)水作出貢獻。

4 總結(jié)

本文研究了一種基于新風(fēng)的智能洗干系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的烘干系統(tǒng)中引入了新風(fēng)并進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大降低了烘干系統(tǒng)的系統(tǒng)阻力，提升系統(tǒng)風(fēng)量。通過智能系統(tǒng)進行精準(zhǔn)溫濕度控制，烘干溫度范圍可以達到30℃～80℃，滿足用戶不同烘干溫度的需求。結(jié)合溫濕度傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部情況，利用風(fēng)門閉環(huán)精準(zhǔn)控制溫度，實現(xiàn)智能烘干，達到衣干即停的效果，提升用戶體驗。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水冷烘干系統(tǒng)相比，不但其烘干效率提升70%，并且烘干過程中不需要水作為冷凝介質(zhì)，大大節(jié)省了干衣過程的用水量，為綠色環(huán)保作出了貢獻。