Ультразвуковые стирающие устройства

В ряде современных бытовых устройств для стирки белья используются воздействие на ткань ультразвука и явление кавитации. Известно, что звук представляет собой волну давления, распространяющуюся непрерывно в сплошной среде (воздух, газы, твердые тела). В несжимаемой среде, к которой относится и вода, звуковые волны распространяются непрерывно лишь при их малой амплитуде. При увеличении амплитуды, а следовательно отрицательного пика давления, в зоне разрежения происходит своего рода разрыв сплошной среды:

вследствие испарения образуются пузырьки соответствующего пара (в воде — водяного). Подсчитано, что в этой зоне давление достигает 1000 бар, а температура 1000°С. Это явление называется кавитацией, оно и используется для разрушения загрязнений тканей при ультразвуковой стирке изделий. Ультразвук (УЗ) — это звуковые волны, имеющие частоту свыше 18 кГц, неслышимые человеческим ухом. В технике УЗ-очистки и стирки обычно используют волны с частотой 20...50 кГц. Применяют два типа источников УЗ-волн: один из них основан на эффекте магнитострикции (сжатие и расширение среды в переменном магнитном поле), а другой на пьезоэлектрическом эффекте (сжатии и расширении среды в переменном электрическом поле). Магнитострикционные УЗ-излучатели генерируют волны большей мощности, но в ограниченном частотном диапазоне. Пьезоэлектрические УЗ-источники не так мощны, но позволяют достичь частот мегагерцевого диапазона. Для наиболее интенсивной кавитации необходимо, чтобы в воде было мало растворенного воздуха. Эффект кавитации уменьшается от того, что из-за растворенного в воде воздуха часть пузырьков сжимается собственным поверхностным натяжением. Для эффективной стирки рекомендуется деаэрировать воду, чтобы снизить концентрацию воздуха в ней до уровня 0,48 ммоль/л. С точки зрения физики задача стирки ткани сводится к тому, что частицы, находящиеся на ее поверхности загрязнения, должны быть растворены (если они растворимы), удалены (если они нерастворимы) или одновременно и растворены, и удалены (нерастворимые частицы в смеси с растворимым носителем). Кавитация способствует и растворению, и удалению частиц грязи. Микроскопические размеры пузырьков, образовавшихся в процессе кавитации, позволяют очищать сколь угодно мелкие элементы структуры тканей, благодаря чему этот способ стирки не может сравниться ни с каким другим. При взрыве не видимых глазом пузырьков одновременно с удалением частиц грязи образуется озон, который убивает вирусы, болезнетворные бактерии и простейшие микроорганизмы, в частности вегетативную микрофлору (кишечную палочку, золотистый стафилококк и т.д.). Кроме того, маломощные акустические волны исполняют при стирке роль катализатора химического процесса: они повышают активность стирального порошка в несколько раз. Ультразвуковые стирающие устройства (УСУ) разрабатываются в течение нескольких десятилетий. Немало усилий затрачено на поиск их оптимальной конструкции. Основные трудности создания кавитационных УСУ и недостатки УЗ-стирки: УЗ-колебания неблагоприятно действуют на живые существа; кавитационное действие пузырьков не только удаляет загрязнения, но и разрушает основы стираемых тканей и их красителей; сложно создать конструкцию равномерно распределенной по всему объему интенсивностью кавитации. Частично эти проблемы уже решены, и на прилавках магазинов стали появляться так называемые "стиральные машины на ладони" — миниатюрные УСУ Solana Biniclean (Болгария), "Колибри" (Зеленоград), "Бионика" (Тольятти), "Ретона" (Томск) и др.

Стирка заключается в помещении этих устройств на дно сосуда емкостью не более 30 л с горячей водой и стиральным порошком. Туда же помещается грязное белье. Приблизительное время стирки при массе белья до 2 кг и объеме воды 20...25 л составляет не менее 40...60 мин. В процессе стирки рекомендуется 2-3 раза перемешать белье. На рис. 6.28 показан внешний вид УСУ "Бионика" и Solana Biniclean [15].

Рис.6.28. Внешний вид ультразвуковых стирающих устройств "Бионика" (я) и Solana Biniclean (б).

УСУ, в основе работы которых лежат идеи российского изобретателя А. Е. Лотоцкого, создают кавитацию, вызываемую колебаниями частоты 6... 10 кГц или даже более низкой (50...60 Гц). Такая частота позволяет устранить недостатки, описанные выше. Эта низкочастотная кавитация обеспечивает существенно более щадящий режим стирки, так как для него характерна скорее пульсация микропузырьков, чем их полное схло-пывание, как при "настоящей" УЗ кавитации. На рис. 6.29 приведена предложенная Лотоцкимконструкция пьезокерамического УСУ.

Рис. 6.29. Конструкция пьезокерамического УСУ. 1 — корпус; 2 — пьезокерамический вибрационный элемент; 3 — герметик; 4 — вилка; 5 — шнур питания; 6 — токопровод; 7 — блок гальванической развязки; 8 — индикатор питания.

Пространство между корпусом 1 и пьезокерамическим вибрационным элементом 2 заполнено эластичным герметиком 3. Частотным источником питания для вибрационного элемента может служить промышленная или бытовая электрическая сеть, подключение к которой производится с помощью вилки 4 со шнуром 5. Подвод тока к вибрационному элементу происходит через токопровод 6. Имеется также блок гальванической развязки 7 устройства с питающей сетью, снабженный индикатором питания 8, например индикаторной лампой. Серийно выпускаемые сегодня УСУ имеют блок генерации тока с заданной рабочей частотой, которая соответствует частоте ультразвука. Возможен также вариант УСУ с электромагнитным вибрационным элементом. Проблемой, возникающей при эксплуатации таких ультразвуковых устройств, является разброс их индивидуальных характеристик. Жалобы потребителей, как правило, связаны с тем, что эффективности двух УСУ одной и той же модели различаются. Эта особенность УСУ связана с тем, что при изготовлении каждого из них не производится индивидуальной подстройки рабочей частоты в резонанс с собственной частотой вибрационного элемента. При этом трудно достичь максимальной генерации УЗ-колебаний. Для иллюстрации на рис. 6.30 приведен вид спектров колебаний двух однотипных УСУ.

Рис. 6.30. Спектры излучения УСУ:

а) — рабочая частота близка к собственной частоте вибрационного

элемента; б) — рабочая частота УЗ не находится в резонансе с

собственной частотой вибрационного элемента.

В случае (а), когда рабочая частота близка к собственной частоте вибрационного элемента, энергия излучения сконцентрирована на основной несущей частоте f 3 и лишь в малой степени приходится на кратные частоты fl,f2,f4,f5,Hflp. Владелец такого УСУ удовлетворен работой своего прибора. В случае (б) рабочая частота УЗ не находится в резонансе с собственной частотой вибрационного элемента и энергия излучения "размазана" по спектру, почти в "равной мере приходясь на кратные частоты. Эффективность стирки при эксплуатации такого УСУ невелика, что вызывает жалобы со стороны владельца прибора. К сожалению, конструкция УСУ не допускает возможности подстройки рабочей частоты в резонанс с собственной частотой вибрационного элемента.

6.3. посудомоечные машины 6.3.1. Основные способы мойки посуды.

Мойка посуды в условиях предприятий сферы питания и быту является одной из наиболее трудоемких операций и составляет 12—15 % общих затрат времени. Внедрение посудомоечных машин значительно облегчает труд и освобождает время, а также эффективнее используются вода и моющее средство. Кроме этого, мойка посуды в машине более гигиенична, чем ручная. Технология мойки посуды по физическим явлениям аналогична стирке белья, однако процесс мойки проще. Во-первых, ассортимент моющихся изделий меньше, чем изделий для стирки. Например, для мойки в быту количество изделий едва превышает десяти, включая фарфор, керамику, деревянные, пластмассовые, металлические и эмалированные изделия. Во-вторых, хотя загрязнения имеют разнообразный характер, но они, как правило, имеют небольшую адгезию и легко удаляются с моющихся изделий. В-третьих, моющиеся изделия находятся в статическом состоянии, что значительно упрощает создание оптимальных гидродинамических полей в камере посудомоечной машины.

При мытье посуды под воздействием струи воды (гидродинамическое воздействие) уменьшается адгезия загрязнителя к посуде и удаляются загрязнения с посуды. Для уменьшения адгезии в струю воды добавляют моющее средство (поверхностно-активное вещество — ПАВ), которое уменьшает силу сцепления загрязнителя с обрабатываемой поверхностью. Как было показано в пункте 6.1, молекулы ПАВ обладают особым строением — они дифильны, т. е. состоят из двух частей: гидрофильной группы (легко взаимодействующей с водой) и гидрофобного углеродистого радикала (не взаимодействующего с водой). Поэтому одна часть молекул ПАВ взаимодействует с водой, а другая — с обрабатываемой поверхностью. Снижая поверхностное натяжение на границе раздела фаз, ПАВ проникают в виде молекулярной пленки между поверхностью и загрязнением, разделяя их. Кроме этого, при взаимодействии ПАВ с жирами происходит гидролиз жиров. Активность гидролиза зависит от температуры моющего раствора, которая должна быть в пределах 75—80 °С.

В посудомоечных машинах применяют механический, погружной и водоструйный способы мойки.

Механический способ мойки, основанный на применении щеток различного типа, был применен в посудомоечных машинах ранних образцов. Из-за сложности конфигурации посуды и приборов механический способ нашел применение только для мытья однотипной посуды массового производства, например, бутылок, используемых в пищевой промышленности.

Погружной способ мойки аналогичен активаторному способу, применяемому в стиральных машинах: посуда погружается в бак с моющим раствором, а активатор усиливает действие раствора. Пневматические активаторы применяют в машинах с баком, разделенным на две камеры. Камеры соединены между собой через трехходовой клапан с вакуум-насосом. При переключении клапана в камерах поочередно создается разрежение, что приводит к перетеканию раствора из одной камеры в другую и наоборот. При этом смываются загрязнения с находящейся в камере посуды. Ультразвуковые вибраторы или комбинацию активатора и ультразвукового вибратора применяют в посудомоечных машинах для получения возвратно-поступательного перемещения частиц моющего раствора под действием кавитации, возникшей при направленном прохождении через раствор ультразвуковых колебаний. Однако машины с ультразвуковым вибратором имеют увеличенные размеры и сложны в изготовлении. Также недостатком погружного способа являются значительные расходы электроэнергии и воды.

Водоструйный способ мойки основан на физико-химическом и гидравлическом воздействии струи моющего раствора на поверхность посуды. В машинах с водоструйным способом моечный бак заполняется водой частично; посуду размещают выше уровня воды в корзинах. Моющий раствор через вращающиеся разбрызгиватели или импеллеры подается на посуду циркуляционным насосом под давлением. Водоструйный способ, обеспечивающий лучшие показатели качества мытья по сравнению с другими способами мойки посуды, конструктивно прост, легко поддается автоматизации и дает наименьшие затраты воды, электроэнергии и моющих средств. В настоящее время этот способ является традиционным для бытовых автоматических посудомоечных машин. Эффективность водоструйного способа зависит от давления на выходе из разбрызгивателей, их конструкции и размеров, вида смываемого загрязнения, температуры моющего раствора, расстояния от разбрызгивателей до посуды, угла между струей и смываемой поверхностью, а также от времени мойки. Из графиков на рис. 6.31 видно, что при повышении температуры раствора до 60 °С смываемость резко увеличивается, однако при дальнейшем подогреве раствора интенсивность смываемости замедляется [16].

Рис. 6.31. Зависимость смываемости от времени воздействия струй при давлении (р = 0,5 МПа) и температуры моющего раствора:

/ — 40 °С; 2 — 50 °С; 3 — 60 °С; 4 — 70 °С; 5 — 80 °С . Основная масса (60—90%) загрязнений смывается в течение 3 мин, полный смыв загрязнений происходит за 5 мин. Удельная энергия размыва Ер представляет собой отношение энергии, израсходованной на размыв определенного количества загрязнений, к соответствующей размытой площади:

E_p = Qp/F , (6.1)

где Q — расход моющего раствора; р — давление у выхода в насадок; F — площадь, размываемая струей.

Удельная энергия размыва зависит от температуры раствора и времени воздействия струи (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Зависимость удельной энергии размыва Е_р от времени размыва,

давления струи и температуры моющего раствора:

1—р = 0,1 МПа, t = 3 мин; 2—/7=0,1 МПа, t= 1 мин; 3—р = 0,3 МПа, f =

3 мин; 4 ~р = 0,3 МПа, t= 1 мин; 5 — р = 0,5 МПа, t= 3 мин;

6 — р = 0,5 МПа, t= 1 мин.

Анализ графика показывает, что минимальной энергией размыва в исследуемом диапазоне давлений (0,1—0,5 МПа) обладает струя воды (моющего раствора) давлением 0,1 МПа. Во время эксперимента отверстие в насадке имело диаметр 2,5 мм. На рис. 6.33 показаны зависимости смываемости яичного желтка (наиболее трудно смываемое загрязнение) от температуры моющей струи при различных давлениях.

Рис. 6.33. Зависимость смываемости яичного желтка: а — от температуры моющего раствора при времени размыва 3 мин при различном давлении струи воды (моющего раствора): / — р = 0,1 МПа; 2 —р = 0,2 МПа, 3 —р = 0,3 МПа; 4 — р = 0,4 МПа; 5— р = 0,5 МПА;

б — от давления у входа в насадок за 1 мин обработки посуды: 6 — / = 40 °С; 7— t=5Q°C;8 — / = 60°С; 9 —1 = 70 °С; 10 — t=8Q°C.

Из графиков следует, что для достижения 100% смываемости температура должна быть 80 °С, а давление в насадке 0,4—0,5 МПа.

Степень автоматизации машины определяется занятостью оператора в технологическом процессе. Если в процессе мойки оператору необходимо выполнять какие-либо дополнительные манипуляции кроме загрузки и выгрузки посуды, то машина считается полуавтоматической. К автоматическим посудомоечным бытовым машинам относятся такие машины, которые после подготовки и пуска не требуют участия оператора. Практически, современные посудомоечные машины выпускают как автоматы. В последнее время автоматические посудомоечные машины оснащают электронными системами управления и контроля, что существенно снижает энергозатраты, расход воды и моющих средств.

По направлению загрузки различают машины с верхней и фронтальной загрузкой. Верхнюю загрузку применяют в машинах с погружным способом мойки. При верхней загрузки проще обеспечить герметичность моющей камеры. Машины с фронтальной загрузкой удобны для встраивания или установки в комплексе кухонного оборудования. Их конструкция позволяет использовать верхнюю плоскость как дополнительную рабочую поверхность. Внешний вид посудомоечной машины для предприятий питания представлен на рис.6.34.

Рис. 6.34. Посудомоечная машина ММУ-1000.

Бытовая посудомоечная машина внешне очень напоминает стиральную, что конечно, и неудивительно - судите сами по рис. 6.35.

Рис. 6.35. Панель управления посудомоечной машины ARDO.

Некоторые модели посудомоечных машин снабжаются устройством для измельчения твердых пищевых отходов (мусородробилкой), которые после дробления выносятся при сливе в канализационную сеть. Мусо-родробилка (рис. 6.36) состоит из дробильной камеры 4, куда через приемную каперу 3 Обступают бытовые отходы. В дробильной камере приводом 7 приводятся в движение молоточки 6, которые разбивают отходы и вытесняют их через отверстия 5 в сливную камеру 8. Мусоро-дробилка соединяется с раковиной-мойкой или поддоном посудомоечной машины с помощью переходной муфты 2, которая гасит часть вибрация дробилки. Производительность дробилки более 30 кг/ч отходов. Она дробит практически все отходы, даже кости птицы и рыбы. Размеры дробленых частиц не более 4 мм. Рабочий орган дробилки приводится во вращение двигателем мощностью 250—300 Вт.

Рис. 6.36. Схема встроенной мусородробилки.

При открывании крышки (двери) моечной камеры автоматически отключается машина. После закрывания двери камеры, продолжается дальнейшее прохождение программы. При окончании цикла обработки посуды на индикаторе высвечивается индекс и выдается звуковой сигнал окончания цикла мойки.

Машины имеют не менее четырех автоматических программ:

1. Интенсивная программа — обработка столовой и кухонной посуды с давностью загрязнения до нескольких суток и включающая предва­рительное ополаскивание, основную мойку, два ополаскивания при температуре 65—70 °С и сушку.

2. Нормальная программа — обработка сильнозагрязненной посуды с предварительным ополаскиванием, основной мойкой при температуре моющего раствора 65—70 °С, горячим ополаскиванием с вводом ополаскивающих средств и сушкой.

3. Бережная (или легкая) программа — обработка слабозагрязненной посуды со свежими остатками пищи, с горячим ополаскиванием и вводом ополаскивающих средств и сушкой.

4. Экономичная программа, предусматривающая снижение расхода воды и энергозатрат при половинной загрузке или снижение нагрева с увеличением продолжительности цикла и времени.

Современные посудомоечные машины построены по единому принципу. Примером может служить устройство модели МПА-4. Посудомоечная бытовая машина МПА-4 (рис. 6.37).

Рис. 6.37. Машина посудомоечная автоматическая МПА-4.

Машина состоит из корпуса 2, в котором размещена моечная камера 20 с дверью 11 и машинное отделение 1. В машинном отделении расположены: циркуляционный насос 15, сливной насос 14, а также блоки 16 коммутации и 17 питания, взаимодействующие с пультом 10 управления машиной, расположенным на двери 11 моечной камеры.

Моечная камера сварной конструкции прямоугольной формы на дне имеет стойку 18, на которой установлен вращающийся разбрызгиватель 12 с форсунками-насадками 25. В нижней части камеры находится поддон 26 (сборник рабочей жидкости), в котором размещены: нагреватель 24, фильтр 23 и датчик 3 температуры. На боковых стенках камеры установлены датчик 4 уровня и две направляющие для размещения корзины с посудой и столовыми приборами. Корзина 5 представляет собой ажурную конструкцию. Дверь плотно закрывает моечную камеру и открывается на себя с помощью ручки 8. В открытом положении дверь горизонтально фиксируется и служит площадкой для выдвижения корзины. В двери находится замок 9 для ее фиксации в закрытом положении. Герметизация моечной камеры и двери обеспечивается специальным резиновым уплотнением 19. На внутренней панели двери размещены: дозаторы 22 моющих и 21 ополаскивающих веществ. Дозатор открывается при срабатывании электромагнитов, команда на срабатывание поступает от блока управления. На лицевой панели размещены пульт 10, сетевой клавишный выключатель 6 и светосигнальный индикатор 7, подтверждающий включение машины в сеть [16].

Корпус машины имеет четыре неподвижных опоры 13 для регулирования машины по высоте и придания ей горизонтального положения. Пульт 10 управления имеет сенсорную или квазисенсорную клавиатуру выбора программ и двухразрядный цифровой индикатор. При выборе и установке программы на индикаторе отображается набранный номер программы, а после пуска программы нажатием клавиши «пуск» показывается время, оставшееся до конца цикла. При этом после каждого процесса время, оставшееся до конца работы, корректируется в зависимости от температуры моющего раствора. На пульте управления имеется возможность выбора режимов работы (нормального, бережного, интенсивного или экономичного), вида, ополаскивания (холодного, или горячего), а также температуры моющего раствора (40, 50 или 65 °С). В случае возникновения необходимости срочно прервать работу машины нажимают на клавишу «стоп» и прерывают дальнейшее прохождение программы.