郭鐘華，李小寧

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

0 前言

由真空發(fā)生器為真空源的真空潔具近年來得到了廣泛的應(yīng)用。真空潔具系統(tǒng)是傳統(tǒng)重力潔具裝置的改進和創(chuàng)新，是真空技術(shù)應(yīng)用于生活廢物運輸?shù)睦?，體現(xiàn)了真空吸排系統(tǒng)用于衛(wèi)生設(shè)施的優(yōu)勢。作為新型交通工具的首選潔具設(shè)備，真空潔具系統(tǒng)被安裝于高速列車、艦艇輪船、航空飛機等，安全、衛(wèi)生、高效，滿足了人類的基本需求［1－4］。為了促進節(jié)能型潔具技術(shù)的發(fā)展，分析真空吸排系統(tǒng)壓力響應(yīng)過程的特點并依此調(diào)節(jié)供氣量，降低壓縮空氣耗能量，具有重要學(xué)術(shù)意義和實際應(yīng)用需求。

1 潔具真空吸排系統(tǒng)工作原理

首先，說明衛(wèi)生潔具真空吸排系統(tǒng)的工作原理。如圖1，借助真空收集罐的負壓，將廢棄物抽吸入真空收集罐，并暫存其中。真空收集罐的負壓由真空發(fā)生器工作而產(chǎn)生。

圖1 潔具真空吸排系統(tǒng)

圖1右下角為真空發(fā)生器回路圖，氣源供給的壓縮空氣經(jīng)減壓后，由電磁閥控制輸入真空發(fā)生器，真空發(fā)生器的真空側(cè)連接單向閥和真空收集罐，排氣側(cè)接消音器等輔助設(shè)備。系統(tǒng)工作時，根據(jù)排污所需真空度的要求和真空收集罐的壓力響應(yīng)特性，設(shè)定供氣時間，并利用單向閥作短暫的真空度維持，實現(xiàn)節(jié)能。

1.1 真空發(fā)生器流量特性

因為真空發(fā)生器內(nèi)空氣流動速度很快，可達超音速，真空發(fā)生器自身的壓力響應(yīng)特性可以用每一個瞬時真空口的壓力和流量關(guān)系來表示。因此，測試真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性，結(jié)合容腔壓力響應(yīng)模型，可以對真空收集罐的壓力響應(yīng)進行仿真。因為真空發(fā)生器的流量特性受供給壓力、排氣側(cè)壓力、真空回路流阻等多個因素的制約［5］，所以必須要設(shè)計測試回路，考慮到這些因素的影響。本研究使用等溫容器放出法［6］，對真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進行了檢測。檢測裝置如圖2所示，等溫容器內(nèi)容積1.6×10－3m3，填充銅絲直徑0.5 mm，銅絲質(zhì)量0.48 kg。等溫容器接入真空吸排系統(tǒng)真空發(fā)生器回路的真空輸出端，通過壓力傳感器 (AP-10S，Keyence Ltd.，測量范圍－101 kPa～101 kPa，測量精度0.5%)檢測等溫容器內(nèi)的壓力變化量Δpca，并根據(jù)公式 (1)計算實時流量。

式中:Get為真空發(fā)生器流量，kg/s;Vca為等溫容器的內(nèi)容積，m3;R為氣體常數(shù)，對空氣，R=287 N·m/(kg·K);θa為室溫，293 K;pca為等溫容器內(nèi)空氣絕對壓力，Pa。

圖2 靜態(tài)流量特性檢測裝置

使用這種方法，對真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進行檢測。真空發(fā)生器拉瓦爾噴管直徑1.5 mm，供氣壓力為0.5 MPa，排氣側(cè)接消音器，真空口連接單向閥。基于最小二乘擬合算法，使用多項式進行擬合，得到流量與壓力的近似關(guān)系式 (2)，式中，系數(shù)a0、a1、a2、a3的值分別為－6.98× 10－5、1.13×10－8、1.61×10－15、9.00×10－20。

1.2 壓力響應(yīng)仿真

使用真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性參數(shù)，用考慮熱傳導(dǎo)的容腔放氣模型對真空收集罐的壓力響應(yīng)進行仿真，真空收集罐內(nèi)壓力的變化量由式 (3)計算，溫度的變化量由式 (4)計算。真空收集罐內(nèi)壓力變化量如圖3中虛線所示。同時，對真空收集罐內(nèi)壓力變化量進行了測試，測試結(jié)果如圖3中實線所示。比較仿真曲線和試驗曲線可知，真空度在15 s內(nèi)達到80 kPa，隨后緩慢變化直至達到極限真空度。當供氣時間小于15 s，真空度為0～80 kPa時，仿真和試驗結(jié)果有非常好的吻合性。當供氣時間大于30 s，真空度接近極限值時，仿真和試驗結(jié)果的極限真空度偏差量約為3%。這是因為在仿真計算時，真空收集罐的密封性是理想值，沒有空氣的泄漏，而在實際系統(tǒng)中，罐體、真空界面閥、真空回路接頭等處不可避免地存在泄漏，因此試驗中的極限真空度小于仿真的結(jié)果。

圖3 真空收集罐壓力仿真

式中:pca為真空收集罐內(nèi)空氣絕對壓力，Pa;θca為真空收集罐內(nèi)空氣的溫度，K;Vca為真空收集罐內(nèi)容積，8.3×10－3m3;cv為定容比熱;cp為定壓比熱;h為熱傳導(dǎo)系數(shù)，負壓條件下取平均值10 W/(m2·K);Sh為真空收集罐的熱傳導(dǎo)面積，為0.188 m2。

以下根據(jù)真空收集罐壓力響應(yīng)的特點，對模型進行簡化。由于真空收集罐的內(nèi)容積和傳熱面積較大，比較而言真空發(fā)生器的流量較小，所以真空建立過程中溫度變化量較小。假設(shè)真空建立過程中溫度不變，且對真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進行最小二乘線性擬合如式 (5)，線性相關(guān)系數(shù)為0.997。

此時，真空發(fā)生器和容腔構(gòu)成一階系統(tǒng)，壓力時間常數(shù)為

式中:Tp為壓力時間常數(shù)，s;Vca為真空收集罐的內(nèi)容積，m3;a1為流量特性線性擬合系數(shù)，kg/(s·Pa)。

則容腔內(nèi)的空氣絕對壓力pca可以表示為時間t的函數(shù)

式中:petmin為真空發(fā)生器工作時能達到的最低真空度，Pa;e為自然對數(shù)，數(shù)值約為2.7;t為時間，s;Tp為壓力時間常數(shù)，s;pa為大氣壓，Pa;pca為真空收集罐內(nèi)空氣絕對壓力，Pa。

根據(jù)真空收集罐內(nèi)空氣絕對壓力與時間的關(guān)系式(7)，建立真空度pv所需要的供氣時間計算式如下，容腔簡化模型如圖4所示。

圖4 容腔簡化模型

2 潔具真空吸排系統(tǒng)供氣量調(diào)節(jié)

2.1 供氣量調(diào)節(jié)流程

根據(jù)潔具工作的特點和真空收集罐壓力響應(yīng)的特點，調(diào)節(jié)潔具真空吸排系統(tǒng)的供氣量，實現(xiàn)節(jié)能。供氣量調(diào)節(jié)流程如圖5所示。其工作流程為:首先，清水箱蓄水，主控臺進行相關(guān)的初始化設(shè)置，如對采集卡的配置，控制參數(shù)和運行參數(shù)的輸入、控制閥歸位等;接著，接受開始沖洗的指令，少量清水被壓入便器而與人體排污物相混合，通過便器上安裝的傳感器，測試污物的體積和質(zhì)量，確定所需真空度和供氣時間，開啟真空發(fā)生器供氣電磁閥，同時多媒體計時器計時 ，當真空收集罐內(nèi)的真空度達到設(shè)定值后，關(guān)閉真空發(fā)生器的供氣閥，由單向閥維持真空，同時開啟排污裝置，打開氣動球閥并啟動排污作業(yè)，污物被輸送至真空收集罐，完成排污作業(yè)。

圖5 潔具真空吸排系統(tǒng)供氣量調(diào)節(jié)流程

2.2 耗能量比較試驗

為了驗證節(jié)能的效果，對不同排污量所需能耗進行了檢測。試驗用水模擬液態(tài)排泄物，當液量從0.2×10－3m3逐漸增加到 1.6×10－3m3，遞增量為 0.2×10－3m3;試驗中所用真空發(fā)生器的拉瓦爾噴管直徑為1.5 mm，供氣壓力為0.5 MPa。遵循潔具工作流程，基于Visual Basic 6.0編程環(huán)境，實現(xiàn)了根據(jù)人工排泄物量設(shè)置真空度的要求并完成抽吸作業(yè)。對應(yīng)于不同的真空度，真空發(fā)生器在預(yù)先設(shè)定的工作時間內(nèi)完成了真空建立過程并測試真空發(fā)生器回路的耗能量。當排污液量由 0.2×10－3m3增加到 1.6×10－3m3時，供氣能量從100 J增大到1 800 J，對比于現(xiàn)行的真空潔具設(shè)備每次沖洗時固定真空度，節(jié)省壓縮空氣消耗量達30%以上，有較大的節(jié)能潛力。

3 結(jié)束語

為了研究潔具真空吸排系統(tǒng)壓力響應(yīng)過程并制訂供氣量調(diào)節(jié)策略，測定并得出了真空發(fā)生器靜態(tài)流量特性，并對真空收集罐的壓力響應(yīng)過程進行了仿真。通過比較仿真和試驗結(jié)果，簡化后的壓力響應(yīng)模型能較好地反映真空收集罐內(nèi)的壓力變化。因此，通過調(diào)節(jié)真空吸排系統(tǒng)的供氣時間而改變真空發(fā)生器供氣量和真空系統(tǒng)真空度，實現(xiàn)了真空度按需調(diào)節(jié)并有效降低壓縮空氣能耗。經(jīng)過試驗測試，經(jīng)過供氣量調(diào)節(jié)設(shè)計，節(jié)省壓縮空氣消耗量達30%以上，顯示出了很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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