節(jié)能型潔具真空吸排系統(tǒng)供氣量調(diào)節(jié)技術(shù)研究

郭鐘華，李小寧

(南京理工大學(xué)機(jī)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(lái)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(jìn)和創(chuàng)新，是真空技術(shù)應(yīng)用于生活廢物運(yùn)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(shì)。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(jī)等，安全、衛(wèi)生、高效，滿足了人類的基本需求［1－4］。為了促進(jìn)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(guò)程的特點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用需求。

1 潔具真空吸排系統(tǒng)工作原理

首先，說(shuō)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(fù)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(fù)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(shí)，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(shí)間，并利用單向閥作短暫的真空度維持，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1.1 真空發(fā)生器流量特性

因?yàn)檎婵瞻l(fā)生器內(nèi)空氣流動(dòng)速度很快，可達(dá)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(gè)瞬時(shí)真空口的壓力和流量關(guān)系來(lái)表示。因此，測(cè)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(duì)真空收集罐的壓力響應(yīng)進(jìn)行仿真。因?yàn)檎婵瞻l(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(gè)因素的制約［5］，所以必須要設(shè)計(jì)測(cè)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(duì)真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)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(guò)壓力傳感器 (AP-10S，Keyence Ltd.，測(cè)量范圍－101 kPa～101 kPa，測(cè)量精度0.5%)檢測(cè)等溫容器內(nèi)的壓力變化量Δpca，并根據(jù)公式 (1)計(jì)算實(shí)時(shí)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(duì)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(duì)壓力，Pa。

圖2 靜態(tài)流量特性檢測(cè)裝置

使用這種方法，對(duì)真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進(jìn)行檢測(cè)。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?；谧钚《藬M合算法，使用多項(xiàng)式進(jìn)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(duì)真空收集罐的壓力響應(yīng)進(jìn)行仿真，真空收集罐內(nèi)壓力的變化量由式 (3)計(jì)算，溫度的變化量由式 (4)計(jì)算。真空收集罐內(nèi)壓力變化量如圖3中虛線所示。同時(shí)，對(duì)真空收集罐內(nèi)壓力變化量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3中實(shí)線所示。比較仿真曲線和試驗(yàn)曲線可知，真空度在15 s內(nèi)達(dá)到80 kPa，隨后緩慢變化直至達(dá)到極限真空度。當(dāng)供氣時(shí)間小于15 s，真空度為0～80 kPa時(shí)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果有非常好的吻合性。當(dāng)供氣時(shí)間大于30 s，真空度接近極限值時(shí)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果的極限真空度偏差量約為3%。這是因?yàn)樵诜抡嬗?jì)算時(shí)，真空收集罐的密封性是理想值，沒(méi)有空氣的泄漏，而在實(shí)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(yàn)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(duì)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(fù)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(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程中溫度變化量較小。假設(shè)真空建立過(guò)程中溫度不變，且對(duì)真空發(fā)生器回路的靜態(tài)流量特性進(jìn)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(shí)，真空發(fā)生器和容腔構(gòu)成一階系統(tǒng)，壓力時(shí)間常數(shù)為

式中:Tp為壓力時(shí)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(duì)壓力pca可以表示為時(shí)間t的函數(shù)

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

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

圖4 容腔簡(jiǎn)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(diǎn)和真空收集罐壓力響應(yīng)的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)潔具真空吸排系統(tǒng)的供氣量，實(shí)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(tái)進(jìn)行相關(guān)的初始化設(shè)置，如對(duì)采集卡的配置，控制參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的輸入、控制閥歸位等;接著，接受開(kāi)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(guò)便器上安裝的傳感器，測(cè)試污物的體積和質(zhì)量，確定所需真空度和供氣時(shí)間，開(kāi)啟真空發(fā)生器供氣電磁閥，同時(shí)多媒體計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí) ，當(dāng)真空收集罐內(nèi)的真空度達(dá)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(shí)開(kāi)啟排污裝置，打開(kāi)氣動(dòng)球閥并啟動(dòng)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(yàn)

為了驗(yàn)證節(jié)能的效果，對(duì)不同排污量所需能耗進(jìn)行了檢測(cè)。試驗(yàn)用水模擬液態(tài)排泄物，當(dāng)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(yàn)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(shí)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(duì)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(shí)間內(nèi)完成了真空建立過(guò)程并測(cè)試真空發(fā)生器回路的耗能量。當(dāng)排污液量由 0.2×10－3m3增加到 1.6×10－3m3時(shí)，供氣能量從100 J增大到1 800 J，對(duì)比于現(xiàn)行的真空潔具設(shè)備每次沖洗時(shí)固定真空度，節(jié)省壓縮空氣消耗量達(dá)30%以上，有較大的節(jié)能潛力。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了研究潔具真空吸排系統(tǒng)壓力響應(yīng)過(guò)程并制訂供氣量調(diào)節(jié)策略，測(cè)定并得出了真空發(fā)生器靜態(tài)流量特性，并對(duì)真空收集罐的壓力響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了仿真。通過(guò)比較仿真和試驗(yàn)結(jié)果，簡(jiǎn)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(guò)調(diào)節(jié)真空吸排系統(tǒng)的供氣時(shí)間而改變真空發(fā)生器供氣量和真空系統(tǒng)真空度，實(shí)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(guò)試驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)過(guò)供氣量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，節(jié)省壓縮空氣消耗量達(dá)30%以上，顯示出了很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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