摘要: 近年来人们改善性需求的增加、生活环境的改变（南方区域阴雨潮湿，北方区域时有雾霾）及品牌和渠道参与度增多，导致干衣机在国内市场占有率呈现快速上升的趋势。目前针对滚筒干衣机的研究主要集中在干衣机整体结构的优化设计、能耗问题的改进以及传... 展开 近年来人们改善性需求的增加、生活环境的改变（南方区域阴雨潮湿，北方区域时有雾霾）及品牌和渠道参与度增多，导致干衣机在国内市场占有率呈现快速上升的趋势。目前针对滚筒干衣机的研究主要集中在干衣机整体结构的优化设计、能耗问题的改进以及传统烘干参数（加热丝功率、滚筒转速、烘干气流流速）对干衣机烘干性能（烘干时间、烘干耗电量、最终含水率、烘干均匀度）的影响，鲜有研究关注干衣机滚筒转动产生的织物运动及其对干燥特性（干燥特性曲线及传热传质过程）及烘干效果（干衣机烘干性能和织物烘后性能）的影响。一方面是因为织物在滚筒烘干过程中受力复杂且时刻变化，缺少检测方法和手段；另一方面是因为缺少织物运动的表征指标，无法定量研究。然而织物运动是影响织物滚筒烘干的重要因素之一，因此有必要对该作用方式的影响程度和作用机制进行深入研究。 本课题在改进的织物滚筒烘干综合测控平台上，研究了滚筒干衣机内织物运动的影响因素，以及织物运动对干燥特性及烘干效果的影响机制；全面分析了织物运动影响下的织物滚筒烘干热质交换规律；并使用织物运动影响机制实验和理论分析结果，对织物滚筒烘干效果进行了优化。主要研究内容和结论如下： （1）研究了滚筒干衣机中织物运动的影响因素及其影响机制。在改进的织物滚筒烘干综合测控平台上，对滚筒烘干过程的织物运动状态（运动轨迹和抛落面积）进行记录和分析。分别探究了织物参数、烘干程序设置参数以及干衣机结构参数对织物运动的影响规律和作用机制，筛选主要影响因素，总结滚筒烘干过程中织物运动模式，分析不同织物运动模式下的干燥特性。 结果表明：织物在滚筒干衣机内的运动取决于多种因素，其运动模式主要分为滚落、抛落和旋转运动。由于不同运动模式中织物的运动区域分布、抛落面积和织物间相互作用程度不同，造成织物与烘干气流接触时间和接触面积不同，进而导致滚筒内温度和相对湿度均表现出显著差异。此外，根据织物运动速度分布的差异，将织物在滚筒横截面上的运动区域划分为主动区域（包括滚落和自由抛落区域）和被动区域（包括抱团、撞击和旋转区域）。在主动区域内，织物自由铺展，与烘干气流尽可能充分且均匀地接触，促进了热量和水分的有效传递；在被动区域内，织物团聚在一起，无法充分铺展，进而造成热质迁移路径较长，降低了织物干燥速率。因此，为获得织物与烘干气流之间最佳的接触面积和接触时间，进而提高干燥速率，应缩小织物运动被动区域面积占比。 （2）研究了滚筒干衣机中织物运动对烘干效果的影响机制。从织物运动的角度，详细分析了不同烘干条件对干衣机烘干性能和织物烘后性能的影响程度和作用机制。通过量纲分析法构建了与织物运动密切相关的无量纲参数，由此探讨无量纲参数及其交互作用对滚筒烘干过程中织物运动及烘干效果的影响，定量分析了无量纲参数、织物运动指标和烘干效果评价指标之间的关系。 结果表明：相对滚筒转速对传热效率、单位除湿能耗（SpecificMoistureExtractionRate，SMER）、外观平整度、烘干均匀度和磨损率均存在显著影响，当相对滚筒转速设置为较低或较高水平时，织物无法充分均匀铺展，容易团聚在一起，不利于织物与烘干气流之间的热质交换，进而造成传热效率低、SMER高、外观平整度差、烘干均匀度差。显著影响烘干效果的运动指标包括示踪织物质心距筒心平均距离、垂直因子、运动面积占比、位置因子、质心平均移动距离、质心交换频率、平均剪切速率和出现频率。相对滚筒转速、相对负载量和尺寸比会显著影响示踪织物质心距筒心平均距离、质心交换频率和出现频率，进而影响织物运动状态及织物与烘干气流的接触情况，最终导致不同烘干条件的烘干效果出现差异。因此，为获得烘干效率高且织物损伤小的烘干效果，应充分考虑并合理设置烘干条件参数，使织物呈现最佳运动状态，进而实现织物与烘干气流的有效接触。 （3）研究了滚筒干衣机中织物运动影响下的织物滚筒烘干传热传质机理。对织物滚筒烘干过程中各烘干阶段的传热传质特性进行了全面分析，并结合织物运动特征计算了不同烘干条件下的有效传热传质面积，以烘干滚筒为建模单元，建立了滚筒干衣机内传热传质模型，利用Visualstudio对其进行数值求解。然后以纯棉织物为实验对象，对该模型进行了验证。结果表明：该模型能够较好地预测不同烘干条件下负载含水率及织物表面温度随时间的变化规律，计算结果与实验结果基本吻合，进而实现了采用数值模拟的方法分析织物滚筒烘干过程的目的。 （4）研究了滚筒干衣机中烘干效果优化问题。基于滚筒干衣机中织物运动特征、织物运动对干燥特性及烘干效果影响机制的研究结果，兼顾烘干时间、烘干能耗、单位除湿能耗、烘干均匀度和外观平整度等烘干效果评价指标，从改善织物运动状态的角度提出了优化烘干效果的依据。然后选择棉织物作为实验对象，针对大尺寸织物烘干缠绕问题，提出不同正反转停比参数组合新方案，并分析了不同滚筒正反转停比条件下的烘干效果，从干衣机烘干性能和织物烘后性能变化的角度对大尺寸纯棉织物烘干方案进行了综合评价。 结果表明：相比于滚筒单一旋转烘干模式（干衣机常用程序设置），滚筒正反交替旋转烘干模式可以有效改善大尺寸织物（240cm×160cm）烘干过程中出现的缠绕以及铺展不均匀的现象。该模式的被动区域面积占比较小，织物可以均匀抛落和充分铺展，进而确保烘干气流与织物接触更加充分，防止织物长期被挤压折叠。具体来说，采取滚筒正反交替旋转烘干模式可以实现烘干时间缩短12.7%，烘干耗电量降低29.2%、SMER降低26.8%、外观平整度提高1.0级。此外，相比于滚筒正反转停比为55/5（即滚筒顺、逆时针交替转动，任意一个转动循环内，转和停的时间分别为55s和5s），采取26/4转停比可以进一步促进织物之间的相对运动，降低织物团聚的可能性，对烘干效果的优化作用更为显著。 本文在织物烘干领域的创新点如下： （1）系统研究了滚筒干衣机内影响织物运动的因素，指出织物尺寸、负载量、滚筒转速、举升筋数量和滚筒容积比是影响织物运动的主要因素，进一步说明织物运动不仅会受到烘干程序设置参数的影响，也与织物参数和干衣机结构参数密切相关，且不同烘干条件下，织物运动区域分布、抛落面积和织物间相互作用情况表现出差异，进而影响织物与烘干气流接触时间和接触面积。相关研究结论可为干衣机硬件及软件设计和优化提供参考。 （2）从织物运动的角度，解释了织物参数、烘干程序设置参数和干衣机结构参数的交互作用对烘干效果的影响机制。相对滚筒转速、相对负载量和尺寸比会显著影响示踪织物质心距筒心平均距离、质心交换频率和出现频率，进而影响织物受力情况以及织物与烘干气流的接触情况，最终导致不同烘干条件的烘干效果出现差异。相关研究结论可为烘干程序设计、干衣机结构优化和烘干效果预测提供技术指导。 （3）从能量守恒和质量守恒的角度，结合织物运动对烘干气流与织物接触效果的影响，构建了干衣机传热传质模型，定量分析了由于织物运动引起的有效传热传质面积变化对传热传质的影响，且实验数据与模型计算结果基本吻合，丰富和完善了织物滚筒烘干理论，为后续干衣机设计改进提供理论依据。 （4）使用织物运动影响机制实验和理论分析结果，从改善织物运动的角度，提出了烘干效果优化的新思路。采取转停比为26/4的滚筒正反转烘干参数设置，可以有效减少织物被动区域面积占比，促使织物均匀抛落和充分铺展，最终实现烘干时间缩短12.7%，烘干耗电量降低29.2%、SMER降低26.8%、外观平整度提高1.0级。 本课题通过对滚筒干衣机内织物运动进行研究，不仅可以丰富和完善滚筒干衣机烘干过程传热传质理论、加深对强制对流干燥物理机制的认识，还可以将本课题的实验和理论研究成果应用到衣物烘干护理过程研究中，用于指导干衣机优化升级、烘干模式优化、干衣机程序设计，进而实现提升烘干效率、节约能源，并且减少织物烘后损伤的目的。 收起