應用于洗衣機的新型能量回收裝置

李恒毅 石家莊二中實驗學校 河北石家莊 051430

1 研制背景及意義

洗衣機作為最常用的家用電器，在我國的普及率非常的高，達到90%左右，據統計，截止至2016年，我國城鎮和農村每百戶擁有洗衣機分別為94.2臺和84.0臺[1-2]。波輪式洗衣機在洗衣服的時候需要不斷的啟動，制動，變速，而波輪的正反向旋轉的切換存在一個剎車裝置不斷制動，在這個過程使得波紋筒的旋轉動能轉換為機械摩擦產生的熱能，從而散失在空氣當中。考慮到我國巨大的洗衣機保有量、洗衣機較高的使用頻率，每年散失的熱量是巨大的，如果能夠將這部分能量加以回收，將是一筆可觀的收益，有利于建設“節約型社會”。

本文主要的工作就是設計一種應用于家用波紋洗衣機的能量回收裝置，回收洗衣機桶正（反）旋轉減速、制動過程中的能量，并將其利用在洗衣機的洗衣過程之中，起到能量回收、節能降耗的作用。

2 裝置的工作原理

本文設計的應用于洗衣機的能量回收裝置安裝在洗衣機的輸入軸上，通過將洗衣機洗滌模式正（反）向減速時浪費的機械能經彈簧儲能轉變成可以做功的彈性勢能，再在其反（正）向加速時將彈簧內存儲的彈性勢能釋放出去做功，使洗衣機反（正）向加速旋轉，在從而起到節能減排的作用。

3 機械結構設計

該裝置的結構示意圖如圖1所示。該裝置主要包括原有的洗衣機桶1、輸入軸2、傳動齒輪組3和電動機4，增加的部分包括控制器5、電磁離合器6、定滑輪6、蓄能器7和連接線8，其中有3個定滑輪，實現力傳遞方向的改變，蓄能器7主要包括上彈簧組7-1、重物7-2和下彈簧組7-3。

該裝置的工作原理是：

1、洗衣機啟動，洗衣機處于洗滌模式時，電動機4正向旋轉，電磁離合器6斷開，電動機4正向旋轉，通過傳動齒輪組3帶動輸入軸2帶動洗衣桶1正常工作；

2、當洗衣機正轉減速時，電磁離合器6連接，洗衣機桶1通過連接線8拉動蓄能器7，將洗衣機桶1的旋轉動能存儲在蓄能器7中，此時洗衣機桶1的旋轉動能轉換為蓄能彈簧的彈性勢能，洗衣機桶減速直至停止，洗衣機桶1正向旋轉停止，此時蓄能器7儲存的勢能達到最大，蓄能器7中的重物7-2上升到最高位置，上彈簧組7-1被壓縮，下彈簧組7-2拉升；

3、蓄能器7中的彈簧勢能釋放，重物7-2下降，通過連接線8拉動洗衣機桶1反向工作，彈簧勢能逐步轉化為洗衣機桶1的旋轉動能，洗衣機桶1反向加速，直至勢能全部轉化為洗衣機桶1的反向旋轉動能，洗衣機桶1反向動能達到最大，此時重物7-2回到平衡位置；

4、斷開電磁離合器6，啟動電動機4，電動機反向旋轉，帶動洗衣機桶1反向工作；

5、洗衣機桶1反向正常工作，直至電動機4停止，洗衣機桶1反向減速旋轉，此時，電磁離合器6連接，使得反向旋轉動能轉化為蓄能彈簧勢能，重物7-2上升，再次達到最高位置，洗衣機桶1反向旋轉停止，蓄能彈簧儲存能量達到最大；

6、蓄能器7釋放彈簧勢能，拉動洗衣機桶1正向工作，彈簧勢能逐步轉化為洗衣機桶1的旋轉動能，洗衣機桶1正向加速，直至勢能全部轉化為洗衣機桶1的正向旋轉動能，洗衣機桶1正向動能達到最大；

7、斷開電磁離合器6，啟動電動機4，電動機正向旋轉，帶動洗衣機桶1正向工作；

8、進入下一個循環，直至洗衣機停止。

圖1 節能裝置結構示意圖

4 數據分析與計算

假設洗衣機桶加上內部衣物的總質量為10kg，洗衣機波輪洗衣機洗滌時的轉速一般在n1=150 r/min，脫水模式時轉速為n2=400 r/min，假設洗衣機一次工作時間是45分鐘，其中洗滌模式t1=30分鐘，功率為q1=250W，脫水模式t2=5分鐘，功率為q2=400W，不工作時間10分鐘，查閱電動機的最大轉矩 T1=3.02N·m。

在洗滌模式下，消耗的總能量是：

脫水模式下，消耗的總能量是：

所以，洗衣機一次運行需消耗的總能量是570000J。洗滌模式下一次啟停能夠回收的能量是：

脫水模式下一次啟停能夠回收的能量是：

波紋洗衣機在洗滌模式時，一般可以設定洗滌強度，現進行簡單的分類—分成強弱兩檔，其中：

強檔：正轉（10秒）——停（3秒）——反轉（10秒）——停（3秒）——正轉（10秒）……

弱檔：正轉（7秒）——停（3秒）——反轉（7秒）——停（3秒）——正轉（7秒）……

計算得到在一次洗滌過程中，強檔時，洗衣機總共要改變接近140次旋轉方向；弱檔時，洗衣機總共要改變180次旋轉方向。

則在強檔時，一個完整的洗滌過程節約的能量是：

則在弱檔時，一個完整的洗滌過程節約的能量是：

假設在使用過程中，弱檔和強檔的使用頻率一致，則在一個洗滌過程中，節約的能量為：

波紋洗衣機在脫水模式時，假設沒30秒改變一下方向，整個過程為：

正轉（25秒）——停（5秒）——反轉（25秒）——停（5秒）——正轉（25秒）……

則在脫水過程中總共改變方向12次。

在一次脫水過程中，節約的能量為：

綜上所述，應用該節能裝置后，節能效率為：

考慮到我國巨大的洗衣機保有量，即使只有5%的節能效率，全國節省的能量也是非常可觀的。

5 結論

本文設計了一種應用于洗衣機的彈簧能量回收裝置，主要采用蓄能彈簧回收洗衣機桶正（反）向旋轉減速、制動時的能量，并加以利用，起到了節能降耗的作用。本裝置的主要特點如下：

1）通過蓄能彈簧結構壓縮和釋放儲存和釋放能量，結構簡單、實用性強；

2）將洗衣機正（反）轉減速、制動的能量轉化為洗衣機反（正）向加速的能量，將被洗衣機制動浪費的能量回收利用，起到能量回收、節能降耗的作用；

3）選擇使用電磁離合器使蓄能彈簧和輸入軸連接或斷開，既不影響洗衣機的正常工作，又可回收減速時的旋轉動能。

本裝置的綜合節能效率可達5%以上，考慮到我國巨大的洗衣機保有量，如果應用該裝置，其節省的能量也是非常可觀的，應用前景廣闊。