李旻，繆鋒，姜軍，李學(xué)遠(yuǎn)

(1.濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250022;2.山東華騰環(huán)?？萍加邢薰?，山東濟(jì)南 250022;3.唐山軌道交通裝備有限責(zé)任公司，河北唐山 063035)

1 概述

真空集便裝置最早于1979年由Joel Liliendal發(fā)明，因其具有耗水量少、衛(wèi)生條件好、管道及污物箱布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于旅客列車糞便污水的收集。該技術(shù)在國內(nèi)外經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展和完善，已有保持式、間歇式、推拉式和在線式四種形式，見表1。

中國鐵路旅客列車從2004年開始大批量裝備集便裝置，在25型客車上基本都采用了真空保持式集便裝置。鐵道部《鐵路“十二五”環(huán)保規(guī)劃》提出，我國鐵路行業(yè)將堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)基本國策，大力采用新技術(shù)、新材料，不斷提高環(huán)境污染防治水平，減少污染物排放。其中，推進(jìn)旅客列車密閉式廁所改造是“十二五”期間的具體工作之一。

相比重力集便裝置而言，真空集便裝置作為一種需要額外動(dòng)力的車載機(jī)電設(shè)備，其能耗(特別是耗氣量)逐漸受到關(guān)注。亦有學(xué)者提出采用氣動(dòng)系統(tǒng)能量理論［1］評(píng)價(jià)列車真空集便裝置的氣動(dòng)能耗，并通過實(shí)驗(yàn)證明可通過改變氣動(dòng)元件及其參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)效率［2］。本文將對(duì)真空集便裝置抽真空過程的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

表1 真空集便裝置分類及比較

2 真空發(fā)生器

真空發(fā)生器是真空集便裝置節(jié)能的關(guān)鍵部件。目前的真空集便裝置的真空發(fā)生器主要以噴射器為主，其普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、無活動(dòng)部件、壽命長、成本低廉而可靠性高的特點(diǎn)。液環(huán)泵等真空泵類型的真空發(fā)生器在車上應(yīng)用較為少見，可參見文獻(xiàn)［3］。

2.1 大氣噴射器

真空保持式、間歇式及推拉式真空集便裝置一般采用真空大氣噴射器，其以壓縮空氣作為工作流體來抽吸和壓送氣體(被抽氣體即引射流體)，以獲取真空［4］。如圖1為真空大氣噴射器示意，壓縮空氣進(jìn)入噴射器，從拉瓦爾噴嘴中噴射出超聲速氣流，由于氣體的粘性，高速氣流卷吸走吸入室內(nèi)的氣體，進(jìn)而在接收室內(nèi)形成真空。

盡管噴射技術(shù)在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛，但目前國內(nèi)外學(xué)界對(duì)噴射器內(nèi)質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換等機(jī)理及理論計(jì)算還處于起步階段，有待研究。特別是對(duì)于具有超音速噴嘴噴射器的流動(dòng)特性，目前還不能準(zhǔn)確地定量計(jì)算，仍采用理論、實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的辦法進(jìn)行研發(fā)。

圖1 真空大氣噴射器示意

在設(shè)計(jì)計(jì)算方面，由于各種應(yīng)用場合中的噴射器在流體介質(zhì)及流量、工作壓力、穩(wěn)定狀態(tài)等方面各不相同，且一般流體模型的相似方法并不直接適用于噴射器內(nèi)的劇烈流動(dòng)，因而真空集便裝置用大氣噴射器需作專門設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

如國內(nèi)有學(xué)者通過建立氣體動(dòng)力學(xué)理論模型，依據(jù)能量、動(dòng)量等基本定律引進(jìn)等嫡速度，折算速度，相對(duì)溫度，相對(duì)密度等動(dòng)力函數(shù)，使用氣體動(dòng)力函數(shù)法(即索科洛夫法)，通過理論推導(dǎo)及必要的經(jīng)驗(yàn)修正完善，對(duì)列車集便裝置真空大氣噴射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算［5］。然而，在模型假設(shè)方面，其與傳統(tǒng)經(jīng)典熱力學(xué)方法區(qū)別不大，但由于氣體動(dòng)力函數(shù)法引入了動(dòng)力函數(shù)，并用速度系數(shù)對(duì)流動(dòng)過程作了合理的修正，該方法對(duì)噴射器計(jì)算的合理性較經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法有了較大的提高，尤其是對(duì)極限系數(shù)的限定作用，使噴射器的計(jì)算結(jié)果得到保證。同時(shí)，噴射器的軸向尺寸完全脫離經(jīng)驗(yàn)化也是優(yōu)化的內(nèi)容之一。但其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算步驟繁多，公式冗長，需用試差法多次迭代才能得到結(jié)果。又如，有學(xué)者建立了集便裝置大氣射流器的流體動(dòng)力學(xué)模型，劃分網(wǎng)格，并將引射流體入口邊界設(shè)定為壁面;利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)射流器的內(nèi)部流場進(jìn)行二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬;分析了在一定工況條件下，面積比、噴嘴距、等截面混合室長、擴(kuò)散段錐角以及噴嘴喉部長、噴嘴收縮段長、噴嘴擴(kuò)散段長對(duì)接收室內(nèi)殘余壓力的影響［6］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明［6］，在合理的計(jì)算模型及邊界條件下，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

此外，為了達(dá)到較高的抽空效率，在滿足不易堵塞的前提下，多級(jí)噴射器也是手段之一。其原理在于利用不同級(jí)在不同真空度下的效率差異，使其組合工作在各自效率較高的真空度下。其另一優(yōu)點(diǎn)是:在風(fēng)源壓力相同時(shí)，類似耗氣速率的多級(jí)噴射器比單級(jí)噴射器能達(dá)到更高的極限真空;而在工作真空相同時(shí)，類似耗氣速率的多級(jí)噴射器相比單級(jí)噴射器可以工作在更低的風(fēng)源壓力下。但是，經(jīng)驗(yàn)表明，多級(jí)噴射器往往只有在較高真空度(比如高于－35kPa)下的效率提升才較為明顯。這是因?yàn)橹挥谐樯凛^高真空的過程中，不同級(jí)才會(huì)出現(xiàn)優(yōu)化組合，而對(duì)于較低真空僅僅能多次利用多級(jí)噴射器擴(kuò)散段氣體。同時(shí)，多級(jí)噴射器一般抽速較小，為達(dá)到較大的抽速一般需采用多管組合的設(shè)計(jì)。

2.2 多相噴射器

真空在線式集便裝置則采用一種喉徑參數(shù)可變的多相噴射器。該噴射器直接以便斗內(nèi)的污物及混合吸入的空氣作為引射流體，工作時(shí)可瞬間使管路產(chǎn)生真空(可達(dá)－35 kPa以上)，能夠滿足抽吸便斗內(nèi)污物的真空度的要求，同時(shí)又可通過高速氣流夾攜管內(nèi)污物并將其輸送至污物箱。出于流體動(dòng)力學(xué)考慮，為了達(dá)到所需的真空度，噴射器喉部直徑需較小(小于20 mm)。而為了使污物通過管路中的噴射器時(shí)不發(fā)生堵塞，所需的管徑約為40 mm。為此，EVAC公司采用了一種噴射器喉部直徑可變的專利設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)方法是在噴射器喉管部位內(nèi)嵌一橡膠套，在抽真空時(shí)，其橡膠套可以縮小至10 mm，以滿足管道內(nèi)形成較高真空度的要求;當(dāng)有污物通過時(shí)，其內(nèi)徑可擴(kuò)大至40 mm，以使污物通過。但限于目前橡膠材質(zhì)的發(fā)展，該橡膠套的疲勞壽命有限(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)短的僅有3個(gè)月)，因此在線式真空集便裝置目前使用尚不廣泛。

3 抽空體積

抽空體積指真空發(fā)生器所連接的密閉空間的空余容積，其確定屬系統(tǒng)設(shè)計(jì)范疇，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般地，對(duì)于特定的真空發(fā)生器和工作真空，耗氣量與抽空體積具有正比關(guān)系。

對(duì)保持式、間歇式集便裝置而言，其平均抽空體積約為污物箱體積的二分之一。一般地，這兩種系統(tǒng)的工作真空為固定值，該真空度使污物箱滿時(shí)的最后一次沖洗應(yīng)恰好滿足沖洗效果。若污物箱滿液位位于總?cè)莘e的80%處，則約有2/3的能量被浪費(fèi)。

對(duì)推拉式集便裝置而言，其抽空體積可為中間箱容積空余容積。為了使系統(tǒng)更為緊湊，往往將中間箱的體積設(shè)計(jì)得較小，同時(shí)提高工作真空，以保證抽吸力滿足沖洗要求。盡管真空推拉式耗氣量較小，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在穩(wěn)定性和可維護(hù)性上低于保持式與間歇式。

對(duì)在線式集便裝置而言，其抽空體積可視為無窮大，其耗氣量取決于噴射器的工作時(shí)間。其節(jié)能關(guān)鍵在于其噴射器本身的設(shè)計(jì)，屬零部件設(shè)計(jì)范疇。就現(xiàn)有技術(shù)，利用氣體作為工作流體來引射“氣－液－固”多相流體的效率明顯低于引射氣體。

4 工作真空

工作真空指抽空過程結(jié)束時(shí)，集便裝置的抽空體積內(nèi)應(yīng)達(dá)到的真空值，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一，取決于輸送距離、污物箱容積和便器形式。目前的真空集便裝置所設(shè)定的工作真空度(或抽空時(shí)間)為根據(jù)最大污物量設(shè)置的固定值，對(duì)于高頻率的中、低污物量沖洗作業(yè)而言，存在壓縮空氣的浪費(fèi)。因此，根據(jù)不同的污物量對(duì)抽吸力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)是降低能耗的一個(gè)途徑。為此，國內(nèi)有學(xué)者研發(fā)了一種根據(jù)實(shí)際污物量實(shí)時(shí)自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)真空抽吸力并滿足沖洗和節(jié)能要求的真空集便裝置，并能產(chǎn)生30%的節(jié)能效益［7］，其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于:實(shí)時(shí)檢測負(fù)載(污物量);通過半理論半實(shí)驗(yàn)方法，確定負(fù)載與抽吸力的定量關(guān)系;根據(jù)該關(guān)系對(duì)抽吸力(真空度)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

真空集便裝置的節(jié)能在系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就予以考慮，如保持式、推拉式、在線式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了其耗氣量水平。同時(shí)，也可考慮其他產(chǎn)生真空的方式，如國內(nèi)有學(xué)者提出一種活塞推拉式集便裝置［8］:在便器與污物箱之間安裝較小的連接器，利用風(fēng)源推動(dòng)連接器內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞往回拉時(shí)產(chǎn)生少量負(fù)壓，污物進(jìn)入連接器，當(dāng)活塞前進(jìn)時(shí)，將污物壓入污物箱。該系統(tǒng)利用活塞裝置產(chǎn)生真空，耗氣量較小，但機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件對(duì)雜物比較敏感。

此外，面向機(jī)車衛(wèi)生間等特殊場合，近年亦出現(xiàn)了多功能一體化真空泵式、推拉在線式、復(fù)合脈動(dòng)碾壓式等多種新型真空集便器，但往往因其機(jī)械結(jié)構(gòu)或可靠性等原因應(yīng)用尚不廣泛。

6 建議

需要說明的是，除能耗外，真空集便裝置的設(shè)計(jì)及選型還應(yīng)從系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性、使用壽命、空間要求、使用人群、投資等諸方面進(jìn)行綜合比較。

［1］蔡茂林，香川利春．氣動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗評(píng)價(jià)體系及能量損失分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(9):69－74．

［2］藤野謙司，山本円朗，谷口宏次，等．鉄道車両用真空式トイレにおける真空特性と消費(fèi)エネルギーに関する研究［J］．日本フルードパワーシステム學(xué)會(huì)誌，2013，44(1):16－22．

［3］李旻，周敬宣，溫興鎖．談?wù)婵张潘到y(tǒng)中的氣液比及其與能耗的關(guān)系［J］．給水排水，2010，36(12):69－72．

［4］閆凱，邱慧，曾鳳柳，等．旅客列車保持式真空集便器真空發(fā)生裝置研究［J］．中國鐵路，2012(8):44－47．

［5］滕紅華．客運(yùn)列車真空節(jié)水廁所氣力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．液壓與氣動(dòng)，2006(3):55－57．

［6］高飛，周敬宣，李旻．車載真空廁所空氣射流器性能的數(shù)值模擬［J］．真空，2010，47(5):63－67．

［7］郭鐘華．節(jié)能型潔具真空吸排系統(tǒng)的研究［D］．南京:南京理工大學(xué)，2012．

［8］周敬宣，胡洪平，李艷萍，等．客車氣動(dòng)推拉式集便裝置的研制［J］．鐵道車輛，2003，41(5):20－22．