CN113609660A - 一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，包括：采用三维建模软件构建衣物和干衣机的物理模型；将物理模型沿轴向均匀划分为若干个等距的微元体；针对各微元体建立衣物和干衣机内空气的热质传递的数学模型；基于质量守恒定律和能量守恒定律，建立微元体内衣物热质传递的方程组；输入干衣机进口参数，计算每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率；基于每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率，得到衣物在干衣机内整个干燥过程中干燥温度和含水率的变化曲线。在此基础上可以改变运行工况，得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律曲线,可用于衣物烘干品质的预测，为干衣机运行提供合适的运行参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种衣物干燥处理的方法，具体涉及一种测定衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，属于干衣技术领域。
背景技术
传统的衣物干燥都是通过自然干燥方式，其干燥的质量和效率会严重受自然环境和气候条件等因素的影响。随着科技的进步和社会的发展，自然干燥已无法满足人们对高品质生活的需求，干衣机逐渐成为衣物洗涤后进行烘干的一种通用电器。
现有的干衣机按加热方式可分为蒸汽加热干衣机、电加热干衣机、真空加热干衣机、微波加热干衣机等等，其主要目的都在于快速去除衣物中的水分、杀灭细菌，从而保障人员穿衣的舒适感，提高人们的物质生活水平。
衣物在干衣机内热质传递特性直接关系到衣物干燥的整个过程，干衣机在不同运行参数下运行会直接影响衣物被干燥后的性能，从而间接影响衣物穿着的舒适感，与干衣机的销量密切相关，因此有必要对衣物在干衣机内热质传递特性进行研究。现阶段对干衣机干燥过程的研究大都采用经验法或半经验法，对衣物在干衣机内热质传递特性的理论研究相对匮乏，干衣机的运行参数往往采用多次实验的方法得到。经验法或半经验法效率低、成本高，不利于提高衣物干燥后的品质，无法发挥出干衣机的功效。
申请号为CN2011522612.9的中国发明专利提出了一种可防止衣物烘干过度损伤的热风式衣物烘干机，通过湿度检测模块实时检测衣物的含水率从而避免衣物的过度烘干，但其并没有考虑烘干参数对衣物品质的影响。申请号为CN201410375364.8的中国发明专利提供了一种衣物烘干系统，通过在加热器与出风口之间的风道内安装除湿器对空气湿度调节，从而降低能耗缓解衣物损伤。然而干衣机运行参数设置的不合理会造成烘干效果差、能耗大、损伤衣物性能等缺陷。如烘干温度过高会造成丝绸、化纤类材质的衣物缩水、褶皱甚至材质变性，对衣物品质造成破坏；烘干温度过低则可能造成衣物不能完全烘干。因此，有必要对不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律进行预测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术所存在的不足和缺陷，提供一种能对不同运行条件下衣物在干衣机内干燥过程中干燥温度和含水率的变化规律进行预测的数值模拟方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤一：根据干衣机的结构尺寸采用三维建模软件建立衣物和干衣机的物理模型；
步骤二：采用微元法将所构建的物理模型沿轴向方向均匀划分为若干个等距的微元体；
步骤三：针对各微元体建立微元体内衣物和空气的热质传递的数学模型，基于质量守恒定律和能量守恒定律，建立微元体内衣物进行热质传递的方程组；
步骤四：根据微元体内衣物进行热质传递的方程组，给定方程组中已知的物理量即干衣机运行的进口参数，计算得到每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率；
步骤五：基于每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率，得到衣物在干衣机内整个干燥过程中干燥温度和含水率的变化曲线；
步骤六：在此基础上，提供不同的干衣机运行进口参数，得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律曲线。
优选的，步骤一中，所述的物理模型中的衣物在干衣机内均匀摆放；步骤二中，所述的轴向方向为干衣机内气流的流动方向；步骤三中，所述的方程组包括能量守恒方程和质量守恒方程；步骤四中，所述的进口参数包括进口温度、衣物含水率、衣物重量、衣物材质；步骤四中，所述的每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率都是下一个微元体的进口参数。
和现有技术相比，本发明具有如下显著优点和有益效果：
1.清楚地预测衣物在干衣机内的理论干燥过程，用于对衣物在干衣机内进行热质传递过程的研究，保障衣物的烘干质量，不会受烘干参数的影响；
2.通过数值计算能得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律曲线,可用于衣物烘干品质的预测，为干衣机运行提供合适的运行参数，避免过度烘干和烘干不足的缺陷。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为干衣机离散化的划分示意图；
图3为衣物干燥过程中干燥温度变化曲线图；
图4为衣物干燥过程中含水率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明：
如图1所示，采用三维建模软件建立衣物在干衣机内的物理模型，为了简化计算模型，假定衣物在干衣机内均匀布置，衣物中含水量分布均匀。采用微元法，将物理模型沿轴向方向划分为若干个等距的微元体，针对各微元体建立衣物和干衣机内空气的热质传递的数学模型。
基于质量守恒定律和能量守恒定律，构建衣物在干衣机内热质传递的质量守恒方程和能量守恒方程。输入干衣机进口参数，依次计算得到每个微元体出口的衣物温度、含水率；基于每个微元体的出口温度和含水率，得到衣物在干衣机内干燥温度和含水率的变化过程曲线；针对不同运行参数下，对衣物在干衣机鼓内的干燥时间以及衣物的性能的影响；最后改变干衣机进口参数，得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律曲线。
本发明的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，具体步骤是：
步骤一：根据干衣机的结构尺寸采用三维建模软件Solidworks来构建衣物和干衣机的物理模型；
步骤二：如图2所示，采用微元法将所建立的物理模型沿轴向方向均匀划分为N个等距的微元体；
步骤三：针对各微元体建立微元体内衣物和空气的热质传递数学模型，基于质量守恒定律和能量守恒定律，构建微元体内衣物进行热质传递的方程组：
根据微元体内能量守恒，进入干衣机内的热量与出去的热量相等，进入的热量包括进入干衣机内气流所携带热量以及干衣机预热时其表面与内部空气的对流换热量，出去热量包括衣物在干燥过程中所吸收的热量以及水蒸气蒸发过程所耗散的热量：
∑Qin＝∑Qout (1)
Qa,i+Qex＝Qab+Qlost (2)
Qa,i＝ma,incp,a(Tin-Tout) (3)
Qex＝mincp,a(Tb-Ta) (4)
Qab＝mcp(Tin-Ta) (5)
Qlost＝mwcp,w(Tin-Ta) (6)
式中，Qa,i为干衣机入口热气流所携带的热量(kJ)；
Qex为干衣机预热时表面与空气的对流换热量(kJ)；
Qab为衣物在干燥过程中所吸收的热量(kJ)；
Qlost为水蒸气蒸发过程所需要的汽化热(kJ)；
Tb为干衣机壁面温度(℃)；
Ta为干衣机内空气温度(℃)；
m为干衣机衣物的质量(kg)；
mw为干衣机内衣物中所含水的质量(kg)
cp,w为衣物中所含水的定压比热(kJ/(kg·K))。
din为干衣机入口热气流的含湿量(kg/kg干空气)；
ma,in为干衣机入口干空气气流的质量流量(kg/s)；
mw,in为干衣机入口热气流中所含水蒸气的质量流量(kg/s)；
Tin为干衣机入口热气流的温度(℃)；
Tout为干衣机出口气流的温度(℃)；
Hin为干衣机入口热气流的焓值(kJ)；
cp,a为干衣机入口热气流的定压比热(1.01kJ/(kg·K))。
衣物在干燥过程中进入干衣机内的热气流与衣物表面进行对流换热，将气流的热量传递给衣物，同时带走衣物中的水分。在干燥过程的初始阶段，衣物表面温度上升，提供表面水分蒸发所需要的汽化潜热，热湿传递处于动态平衡中；随着干燥过程的进行，水分由内部向表面传递的速率低于表面水分的蒸发速率，衣物表面开始干燥；进一步地，衣物的温度与烘干温度达到平衡，衣物完全干燥。
衣物的水分蒸发率可按下式计算：
式中，mevap为衣物水分蒸发率(kg/s)；
hmd为衣物与空气的传质系数，亦称蒸发系数(m/s)；
A为衣物表面有效传热传质面积(m2)；
α为衣物特性系数，与衣物的材料类型(全棉、尼龙和蚕丝)有关；
dm为衣物表面空气的含湿量(kg/kg干空气)；
dout为干衣机出口气流的含湿量(kg/kg干空气)；
h为衣物与空气的传热系数(kW/(m2·K))；
Le为刘易斯数；
步骤四：给定方程组中已知的物理量即干衣机运行的进口参数，包括进口温度、衣物含水率、衣物重量、衣物材质，根据上述方程组计算得到每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率；
步骤五：基于每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率，从而绘制出整个干燥过程中衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化曲线图，如图3和图4所示；
步骤六：在此基础上，改变不同进口温度(70℃、90℃和110℃)、不同衣物重量(1.5kg、3kg和5kg)和不同衣物材质(全棉、尼龙和蚕丝)等进口参数，得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律，可以给出不同运行条件下干衣机合理的运行参数，避免衣物的过度烘干和烘干不足的情况，影响衣物的品质。
综上，本发明通过将干衣机物理模型微元化，准确预测了衣物在干衣机内的干燥过程，在不同运行参数(进口温度、衣物重量和衣物材质)条件下，得到衣物在干衣机内干燥过程中的热质传递规律，可用于衣物烘干品质的预测，为干衣机运行提供合理的运行参数。
除上述实施例外，本专利还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据干衣机的结构尺寸采用三维建模软件建立衣物和干衣机的物理模型；
步骤二：采用微元法将所构建的物理模型沿轴向方向均匀划分为若干个等距的微元体；
步骤三：针对各微元体建立微元体内衣物和空气的热质传递的数学模型；基于质量守恒定律和能量守恒定律，建立微元体内衣物进行热质传递的方程组；
步骤四：根据微元体内衣物进行热质传递的方程组，给定方程组中已知的物理量，即干衣机运行的进口参数，计算得到每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率；
步骤五：基于每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率，得到衣物在干衣机内整个干燥过程中干燥温度和含水率的变化曲线；
步骤六：在此基础上，提供不同的干衣机运行进口参数，得到不同运行参数下衣物在干衣机内的干燥温度和含水率的变化规律曲线。
2.根据权利要求1所述的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，步骤一中，所述的物理模型中的衣物在干衣机内均匀摆放。
3.根据权利要求1所述的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，步骤二中，所述的轴向方向为干衣机内气流的流动方向。
4.根据权利要求1所述的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，步骤三中，所述的方程组包括能量守恒方程和质量守恒方程。
5.根据权利要求1所述的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，步骤四中，所述的进口参数包括进口温度、衣物含水率、衣物重量、衣物材质。
6.根据权利要求1所述的一种预测衣物在干衣机内热质传递规律的数值模拟方法，其特征在于，步骤四中，所述的每个微元体出口衣物的干燥温度和含水率为下一个微元体的进口参数。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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