ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МОЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ СУПЕРПОЗИЦИИ МИКРО- И МАКРОМАСШТАБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МОЮЩИЙ РАСТВОР Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Процессы и аппараты

УДК 66.069+544.77+648.23 Р.Ш. Абиев1, В.С. Давыдов2, В.М. Барабаш3

Введение

Процесс отмывки тканых материалов от загрязнений (стирка) зависит от состава синтетических моющих средств (СМС), основу которых составляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), и конструкций аппаратов, в которых осуществляется этот процесс. В последнее время для реализации процессов стирки тканых материалов наиболее широкое распространение получили устройства активаторного и барабанного типов. Наряду с этим на рынке активно продвигаются стиральные устройства с ультразвуковыми излучателями.

За последние годы появился ряд устройств, использующих в качестве механического воздействия на белье следующие наиболее часто применяемые эффекты:

- перелопачивание белья во вращающемся барабане машины при помощи «бросания его с высоты» (барабанные стиральные машины с фронтальной и горизонтальной загрузкой фирм CANDY, ARISTON, BEKO, Whirlpool, Indesit, Атлант, Брест и т.д.);

- действие на белье сильными струями мыльного раствора (активаторные барабанные стиральные машины с вертикальной загрузкой фирм Frigidaire (США), Ока, Фея и т.д.);

- действие на белье сильными струями мыльного раствора и пузырьков воздуха (это, например, барабан-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МОЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ СУПЕРПОЗИЦИИ МИКРО- И МАКРОМАСШТАБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МОЮЩИЙ РАСТВОР

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26

Исследована эффективность моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор. Показано, что моющее действие при использовании микромасштабных воздействий, генерируемых ультразвуковым излучателем, значительно хуже, чем при применении макромасштабных воздействий (барабанное устройство и машина активаторного типа). Использование суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор приводит к кумулятивному эффекту, который наиболее выражен при сочетании макромасштабного перемешивания в машине активаторного типа с микромасштабными ультразвуковым воздействиями.

Ключевые слова: моющее действие, микро- и макромасштабные воздействия, ультразвуковые колебания, машина барабанного типа, машина активаторного типа.

ные стиральные машины с вертикальной и горизонтальной загрузкой фирмы Daewoo и т.д.);

- ультразвуковое воздействие на белье (это, например, машины фирм Ретона, Дюна, Бионика и т.д.).

Первые три способа сопряжены с генерированием крупномасштабных турбулентных пульсаций в моющем растворе, т.е. представляют собой макромасштаб-ные воздействия на моющий раствор и ткань. При генерировании ультразвука моющий раствор испытывает микромасштабные воздействия.

До настоящего времени нет опубликованных данных о моющем действии при использовании микро-и макромасштабных воздействий на моющий раствор. В одной из недавних работ выполнено исследование моющего действия в пульсационном аппарате [1]. Целью данной работы являлось выявление наиболее эффективного метода стирки тканых материалов и проверка влияния на моющее действие суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор.

Экспериментальная часть

Для определения эффективности моющего действия при суперпозиции микро- и макромас-штабных воздействий на моющий раствор исследованы два базовых варианта стирки - при реализации макромасштабных воздействий: 1) в стиральной

1 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, заведующий каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ), e-mail: rufat.abiev@gmail.com

2 Давыдов Владимир Сергеевич: аспирант каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ), e-mail: Do-SPb@yandex.ru

3 Барабаш Вадим Маркович д-р техн. наук, профессор, генеральный директор ЗАО "Научно-производственная фирма "МИКСИНГ", 191167, Санкт-Петербург, ул.Александра Невского, 9, e-mail: barabash@mixing.ru

Дата поступления - 15 ноября 2010 года

машине "МеБй WIL103" барабанного типа с фронтальной загрузкой (диаметр барабана 480 мм, 1980 отверстий диаметром 3.0 мм, три гребня высотой 40 мм, частота вращения 44.2 об/мин) - вариант Б; 2) в стиральной машине активаторного типа "Ассоль" (диаметр активатора 230 мм, высота лопаток от 15 мм на краях до 20 мм в центре, частота вращения 283 об/мин) - вариант А.

Кроме того, исследована интенсификация моющего действия при суперпозиции микро- и мак-ромасштабных воздействий. В качестве устройства, генерирующего микромасштабные воздействия, использовались ультразвуковые излучатели типа "Ультратон МС2000-М". Обозначения исследованных способов стирки см. в таблице 1.

Таблица 1. Виды исследованных способов стирки и обозначения режимов

Тип стиральной машины

Ультратон МС2000- Барабанная Активаторная

М "Indesit WIL103" "Ассоль"

Базовые

У Б А

С дополнительными микромасштабными воздействиями

при помощи ультразвуковых устройств Ультратон

МС2000-М

фронтального БФ АФ

расположения

горизонтального БГ —

расположения

фронтального и БФГ —

горизонтального

расположения

В баке барабанной стиральной машины "Indesit WIL103" были смонтированы два устройства "Ультратон МС2000-М" - фронтально (на задней поверхности бака) и горизонтально (на нижней поверхности бака).

Поскольку для устройства "Ультратон МС2000-М" максимально допустимая рабочая температура составляет 65°С, для вариантов Б, БФ, БГ, БФГ эксперименты проводили при температуре 30°С и 60°С с продолжительностью стирки 30 и 60 минут, а для вариантов У, А и АФ - при температуре 30°С с продолжительностью стирки 30 минут.

В каждом эксперименте было использовано по три образца ткани, каждого из четырех наименований: 1) бязь; 2) шерсть; 3) лен; 4) шифон. В каждом новом эксперименте были задействованы новые (еще не стираные) образцы ткани. В эксперименте использовалось два типа загрязнителей материи: а) пигментно-масляная смесь; б) белковая смесь.

Подготовка ткани осуществлялась согласно требованиям [2] и заключалась в измерении процента отраженного света чистых полотен ткани, их последующего загрязнения в специальных смесях, нарезки ткани на квадраты, повторного измерения процента отраженного света образцов материи. Процент отраженного света определялся при помощи компьютера, оснащенного сканирующим устройством Canon CanoScan LiDe25 в программной среде Adobe Photoshop CS 2.

В программе Adobe Photoshop CS 2 возможно по заданной выборке пикселей построить гистограмму распределения отраженного от объекта (в нашем случае - образца ткани) света. Та часть полного диапазона яркостей, которая использована в изображении, называется тоновым диапазоном изображения. Всего в цифровом 8-битном изображении 256 градаций яркости: от черного (яркость 0) до белого (яркость 255). На оси X гистограммы распо-

лагаются тоновые градации, или уровни, в диапазоне от 0 до 255, а на оси Y - количество пикселей каждого уровня.

Очевидно, что для образца незагрязненной ткани много пикселей в светах и отсутствуют пиксели в тенях и средних тонах. Для образца загрязненной ткани преобладают пиксели в средних тонах и отсутствуют в светах и тенях. В программе Adobe Photoshop CS 2 доступна численная информация гистограммы об объеме выборки пикселей, о координате медианы распределения, стандартном отклонении и среднем значении яркости.

Образцы ткани, предварительно прогладив утюгом, подвергают измерениям четыре раза: по два раза (в «нормальном» и в повернутом на 90° относительно «нормального» положении) с каждой стороны материи. Для соблюдения точности измерений, образцы при всех измерениях размещали в одном и том же поле сканера. Объемы выборок пикселей во всех измерениях также выбирали равными.

Загрязнение образцов ткани осуществлялось двумя предварительно приготовленными смесями: пигментно-масляной и белковой.

Рецепт пигментно-масляной загрязняющей смеси согласно [2]: 1) Сажа - 1.5 г; 2) Синтанол ДС-10 - 0.1 г; 3) Олеиновая кислота - 16 г; 4) Подсолнечное масло - 20 г; 5) Вазелиновое масло - 10.8 г; 6) Казеин - 0.4 г; 7) Водный раствор с массовой долей аммиака 25% - 8 г. Навеску сажи и синтанола ДС-10 растирали с водой в глубокой фарфоровой ступке в течение 30 минут до полного однородного состояния. К полученной пигментной смеси добавляли жировые компоненты (олеиновую кислоту, подсолнечное масло и вазелиновое масло). Молотый казеин предварительно замачивали на 2-3 часа в воде до полного растворения. В казеиновый раствор добавляли раствор аммиака и немного воды. Затем обе смеси соединяли в одной ступке и растирали в течение 30 минут до образования однородной массы. Протертую жиропигментную массу смывали теплой водой при температуре 40±2°С в емкость, добавляли воду объемом до 1.5 литра и размешивали вручную. Затем емкость закручивали крышкой и встряхивали в течение 30 минут. Приготовленной смеси достаточно для загрязнения 2.5 м2 ткани.

Рецепт белковой загрязняющей смеси согласно [2]: 1) Сажа - 2.5 г; 2) Синтанол ДС-10 - 0.1 г; 3) Гематоген - 80 г; 4) Подсолнечное масло - 1.8 г. Навески сажи и синтанола ДС-10 растирали в воде в течение 30 минут. К смеси добавляли растворенный в воде гематоген, подсолнечное масло и смывали в сосуд с водой объемом до 1.5 литра. Смесь размешивали вручную, затем емкость закручивали крышкой и встряхивали в течение 30 минут. Приготовленной смеси достаточно для загрязнения 2.5 м2 ткани.

Полотна всех четырех типов ткани поочередно замачивали в приготовленных растворах в развернутом состоянии. Замачивание ткани чередовали с отжиманием для лучшего впитывания загрязняющей смеси. После последнего замачивания аккуратно, не выкручивая полотно, небольшим усилием отжимали излишки влаги, стараясь при этом оставить на нем как можно меньше разводов. Далее полотна вешали сушиться на 12 часов, после чего ткань проглаживали утюгом, положив ее между двумя полосками чистой ткани. После материал убирали в полиэтиленовые пакеты на 3 суток с момента приготовления, в течение которых происходило их вылеживание в прохладном темном месте. Далее полотна загрязненных тканей нарезали на квадраты 50x50 мм, нумеровали синей шариковой

ручкой в углу, и формировали из них группы. Каждая группа состояла из трех квадратов каждого типа ткани - итого двенадцать лоскутов в группе.

Группы образцов загрязненной ткани пришивали на балластные полотна чистой белой хлопчатобумажной ткани, моделируя реальное изделие (рубашку, наволочку и т.п.).

При проведении экспериментов использовали следующие приборы и вещества: стиральный порошок "Аист универсал", изготовленный согласно ТУ 2381-001-00335215-94; весы лабораторные равноплечие 2-го класса, модель ВЛР-200г.

Моющее действие для каждого отстиранного образца определяли по формуле:

М = (Хп.с. - Хд.с.) / (Ха.ч. - Хд.с.) ,

(1)

где Хп.с., Хд.с., Ха.ч. - средние значения яркости для образца ткани после стирки, до стирки (загрязненного) и абсолютно чистого (до загрязнения).

Результаты экспериментов и их обсуждение

Способы воздействия

Рис. 1. Влияние на моющее действие суперпозиции микро-и макромасштабного воздействия в барабанной машине. а - бязь, б - шерсть, в - лен, г - шифон. Остальные обозначения в табл. 1.

Способы воздействия

Рис. 2. Влияние на моющее действие суперпозиции микро-и макромасштабного воздействия в активаторной машине. а - бязь, б - шерсть, в - лен, г - шифон.

Остальные обозначения в табл. 1.

Результаты, полученные в ходе экспериментов, представлены на рисунках 1 и 2. Из графиков на рисунке 1 видно, что суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор при использовании стиральной машины барабанноготи-па и ультразвуковых излучателей (варианты БФ, БГ, БФГ) к статистически значимому изменению моющего действия не приводит.

Проверены гипотезы: о незначительности различия яркостей 12-ти нестиранных загрязненных образцов, незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине Indesit WIL

103 без включенных УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине МеБй: WIL 103 с фронтальной включенной УЗВ, о незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине МеБй WIL 103 с фронтальной включенной УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине МеБй WIL 103 с горизонтальной включенной УЗВ, о незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине МеБй WIL 103 с горизонтально включенной УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине МеБй: WIL 103 с фронтальной и горизонтальной включенной УЗВ, о незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с включенным активатором и выключенным УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с выключенным активатором и включенным УЗВ, о незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с выключенным активатором и включенным УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с включенным активатором и включенным УЗВ, о незначительности различия яркостей 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с включенным активатором и выключенным УЗВ и 3-х стираных образцов в стиральной машине Ассоль с включенным активатором и включенным УЗВ. Проверка гипотез осуществлялась путем определения критерия проверки гипотез [3] с уровнем значимости 0.001.

Теоретическая часть

Рассмотрим модель [4] ткани стираемого изделия толщиной 8 с порой диаметром с. Поскольку поры в ткани очень мелкие, можно считать режим течения в них ламинарным. Тогда перепад давления, который необходимо создать на поре длиной с, согласно формуле Гагена-Пуазейля [5]

. Ъ2\хЬи Ар=—■

где и - средняя скорость движения моющего раствора в порах, м/с.

В турбулентном потоке давление связано с пульсационной скоростью и соотношением

(2)

Ар =

pu 2

(3)

где

р - плотность моющего раствора, кг/м3. Согласно теории Колмогорова [6-8], пульса-ционная скорость определяется масштабом пульсаций X (м) и удельной мощностью диссипации энергии £ (Вт/кг)

и = (еХ)1/3. Из формул (3) и (4) следует

Ар = р (еХ)23.

Приравнивая правые части уравнений (2) и (5), найдем

(4)

(5)

U =-

d2

-{еХ)

2/3

(6)

где V - кинематическая вязкость моющего раствора, м2/с.

Период пульсаций турбулентных вихрей

Т = Х = —. (7)

' и £1/3 Частота турбулентных пульсаций

Г = 1/ Т. (8)

Результаты расчета по формулам (3)-(8) для стиральных машин барабанного и активаторного типа приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета параметров турбулентных

пульсаций в стиральных машинах

Тип стиральной машины

Обозначение Барабанная Активаторная

параметра, раз- "Indesit WIL103" "Ассоль"

мерность

Xi, м 0.04 (гребни) 0.23 (активатор)

X2, м 0.003 (отверстия) 0.017 (лопатки)

£, Вт/кг 9.9 4.2

71, мс 54 233

72, мс 9.7 41

fi, Гц 18.4 4.3

4 Гц 103.4 24.4

Др^ Па 265 478

Др2, Па 47 84

Из таблицы 2 видно, что в барабанной машине генерируются пульсации с более высокими частотами, нежели в активаторной машине. Это означает, что высокочастотные пульсации, генерируемые при истечении струй жидкости через отверстия в барабане, будут способствовать более высокому качеству стирки, что и наблюдалось в экспериментах. Влияние микромасштабных воздействий в акти-ваторной машине оказалось более заметным по двум причинам: 1) ультразвуковые колебания дополнили низкочастотный спектр пульсаций в активаторной машине; 2) в барабанной машине ультразвуковые колебания в значительной мере экранировались перфорированным барабаном.

В дальнейших исследованиях необходимо выполнить измерения затрачиваемой мощности, а также найти конструктивные решения, позволяющие осуществлять микромасштабные воздействия на моющий раствор без какого-либо экранирования.

Выводы

Проведенные исследования показали, что суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий приводит к статистически значимому улучшению моющего действия в активаторной машине. Интенсификация моющего действия в барабанной машине может быть достигнута лишь при радикальном изменении конструкции.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 10-03-00100-а.

Литература

1. Абиев Р.Ш. Пневматические пульсации — новый эффективный и энергосберегающий способ интенсификации моющего действия // Гидравлика и пневматика, 2004. № 13-14. С. 29-31.

2. ГОСТ 22567.15-95 Средства моющие синтетические. Метод определения моющей способности. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 12 с.

3. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969. 511 с.

4. Яновский Э.А., Абиев Р.Ш., Барабаш В.М., Ко-котов Ю.В. Способ стирки: заявка на изобретение Рос Федерация. № 2009124686; заявл. 29.06.2009.

5. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1977. 440 с. С. 43.

6. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально-изотропной турбулентности // Докл. АН СССР. 1941. Т.32. № 1. С. 19-21.

7. Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке // Докл. АН СССР. 1949. Т.66. № 5. С. 825-828.

8. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР. Сер. Геогр. и геофиз. 1941. №. 4-5. С. 453-463.