王云開(kāi)++夏遠(yuǎn)哲++李健
摘 要:低壓環(huán)境艙用于模擬不同溫度、濕度下低壓環(huán)境,要求壓力滿足GJB要求,對(duì)壓力的穩(wěn)定性、升降速率都有一定的要求。該文針對(duì)0~5 000 m海拔要求,設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)和復(fù)壓系統(tǒng),較好地完成了低溫低壓環(huán)境艙對(duì)壓力的要求。
關(guān)鍵詞:低壓環(huán)境艙 壓力系統(tǒng) 真空系統(tǒng) 復(fù)壓系統(tǒng)
中圖分類號(hào):V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2016)11(b)-0028-02
我國(guó)地域遼闊,環(huán)境情況多樣,是車輛使用環(huán)境復(fù)雜的國(guó)家之一,特別是高原地區(qū)海拔最高、面積最大。眾所周知,高原海拔高、空氣稀薄、晝夜溫差大、氣候多變、紫外線強(qiáng)、地貌復(fù)雜等特點(diǎn)。為了提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度,減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用,在高原實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)之前,一般在人為模擬的高溫、高濕、低壓、低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)研究。低氣壓環(huán)境倉(cāng)是一個(gè)密封低壓艙,一般包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、艙體、熱交換系統(tǒng)等。其中壓力的實(shí)現(xiàn)是由壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)的控制下,真空泵用于負(fù)壓的建立,通過(guò)變頻器改變真空泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)不同的抽氣速度,實(shí)現(xiàn)不同壓力的建立和保持。
1 壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
高低壓環(huán)境艙設(shè)計(jì)參數(shù)如下。
模擬環(huán)境箱模擬海拔高度變化范圍在當(dāng)?shù)睾0胃叨?~5 000 m之間,因此壓力系統(tǒng)只有真空系統(tǒng)一個(gè)部分,真空系統(tǒng)用于模擬高海拔狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的真空度,同時(shí)要保證升降壓速率要求。壓力系統(tǒng)主要由真空泵組、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閥組、傳感器、截止閥等組成。壓力系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)
真空系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱所需的低氣壓環(huán)境,系統(tǒng)由真空機(jī)組、閥件及其他附屬設(shè)備組成。壓力控制子系統(tǒng)原理如下。
在不同的流動(dòng)狀態(tài)下,管道中的氣體流量和導(dǎo)氣能力計(jì)算方法不同,由于在真空抽氣過(guò)程中湍流的出現(xiàn)時(shí)間較短,常常不加以單獨(dú)考慮,而是將其歸入粘滯流態(tài)。其他流動(dòng)狀態(tài)的判別可用克努曾數(shù)λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據(jù)。
當(dāng)粘滯流滿足λ/d<1/100的條件時(shí),pd>1 Pa·m;當(dāng)中間流滿足1/100<λ/d<1/3的條件時(shí),0.03 Pa·m 根據(jù)以上分析,環(huán)境箱真空系統(tǒng)在常用工作高度內(nèi),主要為粘滯流,因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流導(dǎo)按粘滯流進(jìn)行計(jì)算。 環(huán)境箱為單室試驗(yàn)設(shè)備,其有效容積約為10 m3,最大工作高度5 000 m(54.0 kPa),高度升降速率按5 m/s計(jì),則箱內(nèi)海拔高度由當(dāng)?shù)兀ò?01 kPa)升至5 000 m所需時(shí)間最少為1 000 s。 在真空泵的選型計(jì)算: 式中:s為泵的計(jì)算抽速(m3/h);V為箱體的最大箱容(L);t為高度上升時(shí)間(s);P1為箱體初始?jí)毫Γ╧Pa);P2為箱體最終壓力(kPa)。 一般情況下,泵的名義抽速取泵計(jì)算抽速的1.3倍。 式中:S名為指泵的名義抽速(m3/h);S為指泵計(jì)算抽速 (m3/h)。 即按最大上升速率計(jì)算所需真空泵的名義抽速為25 m3/h。 3 復(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 需要恢復(fù)壓力時(shí),中央控制器按最終壓力目標(biāo)或升壓速率自動(dòng)調(diào)節(jié)真空泵的開(kāi)啟或高真空閥的開(kāi)閉時(shí)間,以達(dá)到所需升壓速率或最終壓力。具體計(jì)算如下。 低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱需下降高度時(shí),依靠向艙內(nèi)補(bǔ)充常壓空氣實(shí)現(xiàn),因復(fù)壓速率為182.6 kPa/h,環(huán)境箱高度為 54 kPa,高度恢復(fù)100 kPa的時(shí)間為30 min。 在艙內(nèi)絕對(duì)壓力為54 kPa,要使艙內(nèi)壓力升至100 kPa,即將艙室內(nèi)空氣轉(zhuǎn)換為常壓狀態(tài),假設(shè)在此過(guò)程中忽略溫度變化的影響,根據(jù)理想氣體定律有:P1V1= P2V2,則變化后的空氣量為: 式中:P1為初始?jí)毫?;P2為終始?jí)毫?;V1為變化前容積(m3);V2為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下艙內(nèi)氣體的容積(m3)。 則需要補(bǔ)充的新風(fēng)量=9.36-4.99= 4.37m3,因艙室高度(海拔)下降到當(dāng)?shù)睾0胃叨鹊臅r(shí)間為30 min=0.5 h,則新風(fēng)流量為4.37/0.5 =8.74 m3/h。為保證系統(tǒng)具有良好的可調(diào)節(jié)性能(實(shí)現(xiàn)不同的降壓速率),因此系統(tǒng)設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)(見(jiàn)表1)。 在新風(fēng)補(bǔ)充的過(guò)程中,艙內(nèi)壓力是不斷變化的,初始時(shí)可資用壓力(管道兩端壓差)遠(yuǎn)大于空氣流動(dòng)所需的動(dòng)壓,此時(shí)流速高于計(jì)算流速,實(shí)際的風(fēng)量大于設(shè)計(jì)流量。因此計(jì)算結(jié)果完全可以滿足下降速率的要求。 4 結(jié)語(yǔ) 該低壓環(huán)境艙實(shí)現(xiàn)了海拔高度變化范圍為0~5 000 m(54.0 kPa),高度控制精度為±3 kPa(3%~4%);高度升、降速率≤5 m/s。較好地滿足了GJB150A中試驗(yàn)的要求。 參考文獻(xiàn) [1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2014. [2]施振球,趙廷元.動(dòng)力管道手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1997.