Общая характеристика процессов в бытовых пылесосах

ПРОЦЕССЫ УБОРКИ ПОМЕЩЕНИЙ

Общая характеристика процессов в бытовых пылесосах

В наши дни пылесос является настолько привычным домашним помощником, что порой кажется, что он существовал всегда. Между тем этот аппарат имеет свою историю. Побудительной причиной ряда важнейших изобретений в области борьбы с пылью была аллергия на этого постоянного и всепроникающего спутника человека. Американец Биссель был владельцем магазина фарфоровой посуды и очень страдал аллергией на мельчайшие частички соломы, которой перекладывали его хрупкий товар. Намучившись с выметанием соломы обычным веником, в 1876 г. Биссель изобрел щетку со сменными насадками и мешком для сбора пыли. Это было первым шагом на пути к созданию пылесоса. Следующий шаг был сделан не в ту сторону, куда следовало.

В 1901 г. американское управление железных дорог продемонстрировало широкой публике электрическую машину, которая выдувала пыль из вагонов в специальный контейнер. На одном из показов этой техники в Лондонском мюзик-холле побывал инженер Хьюберт Сесил Бут и был разочарован тем, что изрядная часть пыли летела мимо контейнера. В результате Бут оставил свое основное занятие — проектирование мостов — и занялся разработкой идеи пылесоса. Уже в августе 1901 г. он построил первую действующую модель.

Пылесос, получивший название «Фырчащий Билли», работал на бензине, был снабжен насосом мощностью в пять лошадиных сил, а по размерам помещался далеко не во все интерьеры, поэтому его парковали у обочины, а ковры для чистки выносили на улицу.

Первый в мире электрический пылесос был изобретен в 1907 г. Мюррей Спенглер работал уборщиком на фабрике кожевенных изделий, хозяином которой был Уильям Хувер. У Спенглера была сильная аллергия на пыль, и он много лет обдумывал конструкцию аппарата, который мог бы облегчить его страдания. Созданный им пылесос представлял собой короб с электромотором внутри, а в качестве пылесборника использовался холщовый мешок. Уильяму Хуверу изобретение очень понравилось, он выкупил у Спенглера патент на его производство и, переоборудовав свою фабрику, в 1908 г. приступил к массовому выпуску пылесоса, который назывался «Модель О» (рис. 4.1).

С той поры и до наших дней марка пылесосов Hoover является одной из самых популярных в мире. Инженеры фирмы Hoover быстро смогли довести массу пылесоса до 20 кг (изделия конкурентов в это время весили больше 50 кг). Но первые пылесосы были еще довольно дорогими. Например, автомобиль «Форд А» в те годы стоил 300 долларов США, а пылесос «Модель О» — 75 долларов, то есть четверть цены автомобиля. Если перевести эти цифры в современный масштаб цен, то сегодня пылесос должен был бы стоить около 7, 5 тыс. долларов. Год за годом пылесос совершествовался.

В 1912 г. основатель фирмы Electrolux швед Аксель Венер Грен предложил заменить в пылесосах воздушный насос на вентилятор, благодаря чему массу прибора сразу удалось уменьшить до 14 кг. Всемирную славу компании принесла Model V, появившаяся в 1921 г. Перемещающийся на колесиках металлический цилиндр, соединенный с всасывающей щеткой гибким шлангом и снабженный сменными насадками, практически до конца XX в. копировали все производители бытовой техники. Первый советский пылесос «Ракета» был копией легендарной Model V от Electrolux, а «Спутник» — модели Hoover Constellation 1955 г.

Типы современных пылесосов

Самым распространенным в мире (до 70% мирового парка этих приборов) является пылесос башенного типа (англ. Upright).

Такую компоновку имели первые в мире пылесосы Hoover, такой тип по сей день предпочитают в Северной и Южной Америке, Великобритании, арабских странах. У башенного пылесоса нет основной насадки (рис. 4.2). Прямо в корпусе такого пылесоса находится турбощетка, приводимая в движение от электромотора с помощью ременного привода. Правда, в качестве дополнительных аксессуаров к пылесосу прилагается шланг и набор насадок для чистки лестниц, мягкой и корпусной мебели. Башенный пылесос считается одним из наиболее эффективных аппаратов для уборки, особенно удобным для чистки больших площадей пола, застеленного ковролином.

Пылесосы, занимающие второе по популярности место в мире (до 25% всего парка), называют просто напольными (рис. 4.3). Они очень популярны в континентальной Европе, а в нашей стране составляют почти 100% пылесосного парка.

Другая разновидность напольных пылесосов — вихревые аппараты (примеры из советских времен — «Циклон», «Вихрь», «Сатурн» и др.), в которых воздух внутри корпуса движется не прямолинейно, а закручивается по спирали. Эти пылесосы имеют округлые очертания корпуса. Иногда для общего обозначения пылесосов этой группы в обзорах бытовой техники используют слово «баллонные. По вместимости пылесборника напольные пылесосы делятся на классы, указанные в таблице 4.1.

В начале 90х гг. ХХ в. отделились от группы напольных пылесосов и стремительно ворвались на рынок моющие пылесосы (рис. 4.4). Их про движение сопровождалось лозунгами «3 в 1», «5 в 1» и даже «6 в 1», указывающими на многофункциональность аппаратов данной группы. Такие пылесосы, как правило, могут выполнять обычную сухую уборку, работать в качестве насоса, создающего напор воды. Однако к концу 90-х гг. популярность бытовых моющих пылесосов упала. Причиной этого послужили, с одной стороны, повышенная сложность в эксплуатации таких аппаратов, не слишком высокая гигиеничность влажной уборки (ни один моющий пылесос не вытягивает влагу из ковра полностью: 5…7% воды остается в ковре, создавая благоприятную среду для развития бактерий и микроорганизмов). С другой стороны, в последние годы в нашей стране развился так называемый клининговый бизнес (англ. to clean — чистить, убираться), предоставляющий как организациям, так и частным лицам профессиональные услуги по уборке помещений.

В клининговом бизнесе применяются профессиональные пылесосы, обычно башенного типа, оснащенные системами для генерации пара и прочими агрегатами для высокоэффективной уборки больших площадей пола и ковровых покрытий. К пылесосам большой производительности относятся и специальные аппараты с пылесборником сверхбольшой емкости (до 200 л), предназначенные для уборки приусадебных участков или дворов от опавших листьев и иного уличного мусора.

В настоящее время широко применяются переносные пылесосы, которые благодаря своему небольшой массе (3..4 кг) можно носить на плече с помощью ремня (рис. 4.5).

Еще более легкими, как по весу, так и по цене, являются ручные пылесосы (англ. Handy). Они могут работать от встроенной подзаряжаемой батареи либо от гнезда автомобильного «прикуривателя» и использоваться для уборки помещений, где нет сетевого питания, либо для чистки салона автомобиля (рис. 4.6).

Особую группу бытовых пылесосов представляют собой аппараты, которые можно назвать «пылесос– швабра» (рис. 4.7). Такие пылесосы очень популярны в Италии и представляют собой объединение корпуса, ручки и насадки в одной конструкции.

В централизованных системах пылеудаления основой системы является центральный пылесос, установленный в подвальном или ином служебном помещении дома. От такого пылесоса по всему дому проводятся воздуховоды, а в каждой комнате устраивается «пневматическая розетка», к которой во время работы подсоединяется шланг с насадкой для уборки.

Последним словом современного пылесосостроения на рубеже XXI в. стали роботы-пылесосы (рис. 4.8).

Эти аппараты могут самостоятельно выполнять уборку, обходя помещение и огибая находящиеся на полу предметы. Ориентироваться в пространстве им помогают ультразвуковые сенсоры (как у летучей мыши), а сохранять равновесие при движении по квартире — встроенные гироскопы. Пока устройства такого рода являются дорогими и сложными, но это – самое перспективное направление в развитии данного вида бытовой техники.

Все пылесосы, от простейшего до самого сложного, имеют общий принцип действия, показанный на рис. 4.9.

Насадкой 1 собирается пыль с очищаемой поверхности. Трубка 2 позволяет достичь нужного участка пола или ковра. Собирая эту трубку из нескольких секций, получается необходимая длина. Во многих моделях пылесосов на трубке есть задвижка 3 для регулирования всасывания воздуха. Уменьшив всасывание, можно чистить, например, занавески или иные легкие предметы. Гибкий шланг 4 дает возможность двигать насадкой по очищаемой поверхности. Шланг стыкуется с корпусом пылесоса, и через место стыка загрязненный воздух 5 поступает на очистку. Он сразу оказывается в камере 6, давление в которой понижено благодаря работе вентилятора 7. Вентилятор приводится во вращение электромотором 8, и нагнетает воздух к главному уловителю пыли — фильтру 9.

Пройдя через фильтр, очищенный воздух 10 выходит в помещение. Может быть и по-другому: сначала воздух проходит через фильтр в виде мешка-пылесборника, а затем протекает вокруг мотора. Конструкция реального пылесоса несколько сложнее, чем эта упрощенная схема.

В современных аппаратах имеется несколько фильтров, в которых происходит многоуровневая очистка воздуха (рис. 4.10).

Это не только основной пылесборник 1, где собирается до 85% грязи, но и моторный фильтр 2, предохраняющий мотор от перегрева и улавливающий частицы пыли, проскочившие через основной пылесборник. Наконец, есть выходной фильтр тонкой очистки, через который не прорваться и самой мелкой пылинке. Пылесосы с таким фильтром улавливают до 99, 95% частиц пыли.

Состав бытовой пыли

В состав пыли входят частички омертвевшей человеческой кожи, песок, жир, пыльца растений, шерсть домашних животных, ворсинки из текстильных изделий, пылевые клещи, грибки плесени и т.д. (рис. 4.12).

Подсчитано, что средняя семья производит около 1 кг пыли в месяц. Одной только омертвевшей кожной ткани каждый из нас за год сбрасывает до 450 г. Многие составляющие домашней пыли являются причиной аллергии — реакции иммунной системы организма на болезненные раздражители. Забиваясь в ковровые покрытия, пыль расслаивается по фракциям (рис. 4.13), самая тяжелая из которых — песок — приводится в движение ходящим по ковру человеком и срезает волокна, отчего ворс ковра со временем вытирается.

Характерные размеры различных пылевых частиц показаны на рис. 4.14.

Пылесосы без фильтра

Современные пылесосы весьма разнообразны по конструкции, и в некоторых из них пыль отделяется от воздуха не только с помощью фильтра, но и другими способами.

Примером пылесосов, работающих без фильтра, являются пылесосы циклонного типа. При закрутке потока воздуха в цилиндрической или конической полости достигается «вихревой эффект», при котором пылевые частицы за счет центробежной силы выносятся из воздушного потока. Чем выше скорость воздушного вихря, тем выше центробежные силы. Одним из примеров циклонных пылесосов являются разработки английского изобретателя Джеймса Дайсона (рис. 4.17).

В пылесосах Dyson нет пылесборников, фильтров и других расходных материалов. В этих аппаратах сначала во внешнем циклоне из воздуха выделяются крупные частицы пыли, а затем, при прохождении конических вихревых камер, и все остальные, вплоть до мельчайших. Недостатком пылесосов этого типа является относительно большой рас ход энергии при довольно низкой мощности всасывания (максимум 280 Вт), небольшая емкость пылесборника, высокий уровень шума при работе и недостаточный уровень фильтрации.

Если в пылесосах Дайсона фильтров нет вообще, то в ряде других моделей применяется сочетание вихревого и фильтрующего приемов удержания пыли. Например, в пылесосе MC-621 Airocket от Panasonic в прозрачном пластиковом пылесборнике создается вихревой воздушный поток, который обеспечивает центробежное отделение частиц пыли (рис. 4.18).

В этом пылесосе имеется пятиступенчатая система фильтрации: воздух проходит сначала через предварительный конический фильтр, затем через основной фильтр, а потом еще через три выходных фильтра. Другой пример сочетания вихря и фильтра — пылесос Cyclone Power Twister фирмы Electrolux (рис. 4.19).

В нем тоже нет мешка для сбора пыли, зато есть НЕРА фильтр класса Н12, обеспечивающий высокую степень очистки воздуха. Вихревые устройства наилучшим образом зарекомендовали себя как уловители крупной фракции пыли или небольших предметов (булавок, мелких украшений и т.д.). Поэтому иногда устройства такого типа предлагаются как дополнительные аксессуары к пылесосам. Например, тот же Electrolux выпускает вихревую насадку к пылесосам, предназначенную для сбора тяжелой фракции пыли (рис. 4.20).

Пыль можно отделить от воздуха, организуя совместное вихревое движение воздуха и воды. Так делается в пылесосах с технологией «Аквафильтр» (рис. 4.22).

В этих аппаратах воздух с пылью поступает в смесительную камеру аквафильтра, где частицы пыли смачиваются и оседают в воде. Та часть пыли, которая не успела осесть в аквафильтре, улавливается дополнительными фильтрами тонкой очистки. «Аквафильтр» применяется, в пылесосах фирмы Thomas. Недостатки пылесоса с аквафильтром те же, что и у остальных вихревых конструкций, — большой расход энергии при невысокой мощности всасывания, высокий уровень шума, небольшая емкость пылесборника. Сюда накладываются и недостатки «мокрых» пылесосов, страдающих не слишком гигиеничной системой утилизации собранной грязи: если ее не удалить немедленно после уборки, во влажной среде могут развиться грибки и плесень.

Еще один пример «безмешковой» технологии уборки — пылесборник EcoBox от фирмы Hoover. Он выполнен из специального микропористого пластика путем спекания гранул и пропускает сквозь свои стенки воздух, задерживая пыль (рис. 4.23). Такой пылесборник не требует замены в течение всего срока службы пылесоса, его необходимо лишь время от времени ополаскивать водой. Допускается его мытье в посудомоечной машине.

Критерий прижатия.

Для расчетного выявления формы движения твердых частиц в трубопроводах (плоской или винтовой), которая, как указывалась выше, имеет решающее практическое значение, автором рекомендуется применение критерия прижатия (рис. 20).

Твердая частица будет двигаться по винтовой линии вдоль стенок трубопровода в том случае, если в наименее благоприятном для нее положении (в верхней части трубопровода) центробежная сила окажется больше радиальной составляющей силы тяжести, т. е. С> G.

Центробежная сила

, (3.2.8)

где m – масса твердой частицы, приведенная к ускорению свободного падения в кг× с²/м;

v_R – скорость движения твердой частицы в м/с;

R – радиус поперечного сечения трубопровода в м.

При движении твердой частицы вдоль стенок трубопровода по винтовой линии из треугольника скоростей (рис. 3) следует

, (3.2.9)

где v_k – скорость движения твердой частицы в м/с;

e_k – угол скоса движения твердой частицы в град.

(3.2.10)

Вид сбоку Т Силы

У=m× g× сosb

Рис. 3 - К определению критерия прижатия.

R m× g b

Вид сверху

V_кsine_к=V_R V_к

e_к Скорости

После подстановки в формулу центробежная сила

. (3.2.11)

Радиальная составляющая силы тяжести

, (3.2.12)

где g – ускорение свободного падения в м/с²;

b - угол наклона трубопровода к горизонту в град.

Отношение этих двух сил представляет собой безразмерную величину, называемую (после сокращения на m) критерием прижатия:

. (3.2.13)

Если К_п> 1, то центробежная сила больше силы тяжести и имеет место винтовое движение, а если К_п < 1, то сила тяжести больше центробежной и имеет место плоское движение. К_п определяется в зависимости от взаимоотношения сил тяжести и центробежной (при этом влияние массы устраняется), но, очевидно, также зависит и от аэродинамической силы, так как входящие в него значения v_Rи v_k обусловливаются скоростью и характером движения транспортирующего потока, размером и формой твердых частиц.

Физическое значение предложенного критерия не расходится с его математической формой. Например, если вращения потока нет и движение твердых частиц явно плоское, то e_к = 0 и sine_k = 0, а значит и К_п < 1 (К_п = 0).

Если трубопровод вертикальный, то за счет отсутствия стабилизирующего влияния радиальных составляющих силы тяжести возможно вращательное движение твердых частиц даже при самом ничтожном угле скоса. Действительно, в этом случае b = 90⁰ и cos90⁰ = 0, а значит К_п > 1 (К_п = ¥ ).

Возможность движения твердых частиц в трубопроводах, а следовательно, и возможность применения критерия прижатия, очевидно, должны иметь место только при конечных и положительных значениях v_k, R и g.

Значения v_k и e_к для твердых частиц при установившемся движении должны мало отличаться от v и e для переносящей эти частицы среды.

При этом v_n < v, но sine_к > sine, поэтому входящее в критерий прижатия произведение этих величин, а тем более во второй степени должно стремиться к уменьшению расхождения, т. е. допускается, что

(3.2.14)

. (3.2.15)

Значения R и b задаются геометрически при проектировании трубопровода.

Значение v при турбулентном движении и незначительных углах скоса приближенно может быть принято равной средней скорость движения через трубопровод, также обычно задаваемой при проектировании.

При этом следовало бы принять

, (3.2.16)

но при малых углах

. (3.2.17)

Значение e, как показали исследования, может быть вычислено по формуле

, (3.2.18)

где e - угол наклона на данном удалении в град;

e₀ - угол наклона непосредственно за местным сопротивлением (устанавливается вне зависимости от скорости для каждого местного сопротивления опытным путем);

l – удаление в м;

d – диаметр трубопровода в м;

k @ 0, 2 – коэффициент затухания, принимаемый из опыта.

Таким образом, критерий прижатия может быть вычислен и применен при расчете трубопроводов пылесосных установок.

Как уже указывалось, при вращательном движении можно принимать меньшие скорости транспортирования и меньшую мощность оборудования, чем при плоском движении, но иметь при этом большие потери давления и больший износ оборудования. Путем подбора исходных параметров, задаваемых при проектировании и учитываемых критерием прижатия, можно обусловливать любой характер движения твердых частиц и трубопроводах, а значит можно более рационально и экономично проектировать пылесосные установки.

ПРОЦЕССЫ УБОРКИ ПОМЕЩЕНИЙ

Общая характеристика процессов в бытовых пылесосах

Типы современных пылесосов

Последним словом современного пылесосостроения на рубеже XXI в. стали роботы-пылесосы (рис. 4.8).

Все пылесосы, от простейшего до самого сложного, имеют общий принцип действия, показанный на рис. 4.9.

12 3 4 5 Следующая ⇒