真空管路中內(nèi)部結(jié)露機(jī)理及試驗(yàn)研究

朱 冬，郭 鑫

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引言

氣壓傳動作為基本的傳動形式之一，具有安全可靠、防爆防磁和潔凈等優(yōu)點(diǎn)，在食品加工、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械[1-2]和車輛生產(chǎn)[3-5]等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化的重要途徑。近年來，許多學(xué)者對氣動執(zhí)行元件的力和位置的控制精度進(jìn)行了大量的研究以改善系統(tǒng)性能[6]。執(zhí)行元件的力和位置受到氣缸活塞和缸壁之間非線性摩擦力的影響，而摩擦力受到氣缸內(nèi)部濕度的影響[7]。目前氣動元件日趨小型化、緊湊化，使氣動系統(tǒng)中的液態(tài)水凝結(jié)即結(jié)露問題逐漸凸顯出來[8-12]。根據(jù)凝結(jié)水位置的不同，結(jié)露可分為內(nèi)部結(jié)露和外部結(jié)露。壓縮氣體中的水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水并附著于氣動元件內(nèi)壁，形成內(nèi)部結(jié)露。當(dāng)環(huán)境空氣中的水蒸氣在元件外表面凝結(jié)則形成外部結(jié)露。內(nèi)部結(jié)露會稀釋元件潤滑脂，影響元件壽命，液態(tài)水結(jié)冰能阻塞閥口，影響閥的使用，使氣動系統(tǒng)不能正常工作。外部結(jié)露會導(dǎo)致設(shè)備生銹，污染環(huán)境。

國內(nèi)外學(xué)者對氣動系統(tǒng)中結(jié)露現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Jin等[13-14]分析了在小容積和長管路組成的氣動系統(tǒng)中內(nèi)部結(jié)露的影響因素。李軍等[15]建立了氣動系統(tǒng)一維非定常流動模型，利用有限差分法得到了充放氣過程中系統(tǒng)內(nèi)部壓縮氣體的溫度和壓力分布，并給出了內(nèi)部結(jié)露的可能性計(jì)算公式。朱冬等[16]模擬了發(fā)生外部結(jié)露的氣動元件的溫度，提出了一種快速判斷結(jié)露發(fā)生的方法。徐志鵬等[17]研究了高壓氣動減壓閥中的結(jié)冰現(xiàn)象，對閥內(nèi)部結(jié)冰的部位、條件等進(jìn)行了仿真分析，認(rèn)為結(jié)冰出現(xiàn)在先導(dǎo)閥中間腔而非溫度最低的主閥排氣腔。賀國等[18]對柴油機(jī)氣體減壓閥內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬，研究表明常規(guī)氣源條件下通流介質(zhì)溫度的降低和減壓閥內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致閥門結(jié)露現(xiàn)象的主要因素。以上結(jié)露均發(fā)生在正壓氣動系統(tǒng)中，即系統(tǒng)內(nèi)部壓力高于大氣壓，而近年來在真空系統(tǒng)中也出現(xiàn)了結(jié)露現(xiàn)象。真空系統(tǒng)往往用于搬運(yùn)芯片、汽車玻璃等易損易碎且不適合夾緊的物件[19]，內(nèi)部氣體與工件直接接觸，所以內(nèi)部結(jié)露不僅會影響真空元件性能，還會污染被操作工件。因此，研究真空系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)露，避免發(fā)生結(jié)露是尤為迫切的。

1 內(nèi)部結(jié)露的機(jī)理及影響因素

1.1 內(nèi)部結(jié)露機(jī)理

真空系統(tǒng)一般由真空發(fā)生元件、真空減壓閥、換向閥、吸盤和氣源等組成，如圖1所示，圖中真空發(fā)生元件為真空泵。換向閥5斷電時，真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)使系統(tǒng)處于真空狀態(tài)，工件被吸盤吸附。當(dāng)換向閥5通電，正壓氣源向系統(tǒng)充氣，真空條件被破壞，吸盤與工件脫開。系統(tǒng)周期性地重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)對工件的操作。

1.氣源;2.過濾器;3.干燥器;4.減壓閥;5.換向閥;6.真空傳感器;7.氣管;8.吸盤;9.工件;10.真空減壓閥;11.真空泵

一般情況下，氣體中含有一定量的水蒸氣，壓力降低時，氣體容納水分的能力降低。若氣體達(dá)到飽和狀態(tài)，水蒸氣將從氣體中析出，以微小水滴的形式懸浮于氣體中并隨之一起運(yùn)動，如圖2(a)所示。抽真空時氣體加速向系統(tǒng)出口運(yùn)動，由于微小水滴的慣性大于氣體慣性，在排出系統(tǒng)過程中逐漸落后于氣體，因此相較于氣體，微小水滴更接近于系統(tǒng)末端。

圖2 管路內(nèi)水滴運(yùn)動示意圖

充氣時進(jìn)入系統(tǒng)的氣體具有較高的壓力和溫度，能夠容納較多的水分，會吸收管路中部分析出的微小水滴，并帶動未被吸收的微小水滴向系統(tǒng)末端運(yùn)動，如圖2(b)所示。充氣是減速運(yùn)動，氣體會逐漸落后于水滴。隨著系統(tǒng)反復(fù)地進(jìn)行抽真空和充氣，微小水滴逐漸在系統(tǒng)末端累積和聚集，并附著于氣動元件內(nèi)表面形成內(nèi)部結(jié)露。

由以上分析可知，真空系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部結(jié)露必須具備2個條件。條件1是氣體在真空狀態(tài)下達(dá)到飽和狀態(tài),析出微小水滴。當(dāng)氣體達(dá)到飽和狀態(tài)即相對濕度達(dá)到100%時，水蒸氣才能夠從氣體中析出，意味著水分從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。若在真空系統(tǒng)工作過程中氣體未達(dá)到飽和狀態(tài)，水蒸氣不會從氣體中析出形成液態(tài)水，則系統(tǒng)中不會出現(xiàn)結(jié)露。條件2是微小水滴能夠附著在元件內(nèi)表面而不隨氣體排出系統(tǒng)。若析出的微小水滴和氣體一起被排出系統(tǒng)，元件內(nèi)表面不會有液態(tài)水聚集。此時雖然在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了液態(tài)水，但仍認(rèn)為系統(tǒng)未出現(xiàn)結(jié)露。當(dāng)析出的微小水滴未隨氣體完全排出系統(tǒng)，則水滴會在系統(tǒng)內(nèi)聚集。隨著時間的累積，水滴附著于元件表面而形成結(jié)露。

1.2 內(nèi)部結(jié)露影響因素分析

由真空系統(tǒng)中出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)露必須具備的條件，可以得到影響內(nèi)部結(jié)露的主要因素。

條件1要求抽真空過程中氣體能夠達(dá)到飽和狀態(tài)。這一方面取決于氣體的初始濕度，初始濕度越高，氣體在抽真空過程中達(dá)到飽和狀態(tài)的可能性越大；另一方面取決于氣體容納水蒸氣的能力，這隨著壓力的升高而增加。因此充氣壓力和真空度對內(nèi)部結(jié)露有著重要影響。

條件2要求微小水滴能夠不隨氣體排出系統(tǒng)。這取決于氣體和水滴的運(yùn)動速度、行程和運(yùn)動阻力等因素。運(yùn)動速度和壓力差有關(guān)，運(yùn)動行程取決于氣管長度，而運(yùn)動阻力受到氣管直徑的影響，因此充氣壓力、真空度、氣管長度和直徑對結(jié)露有著重要影響。同時，液態(tài)水滴在元件內(nèi)表面聚集是時間積累的結(jié)果。

綜上分析，影響真空系統(tǒng)結(jié)露的主要因素包括氣體初始濕度、充氣壓力、真空度和工作時間等工作參數(shù),以及氣管長度、直徑等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 內(nèi)部結(jié)露試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的基本功能

圖1中氣管7位于真空傳感器6和吸盤8之間，在結(jié)構(gòu)上形成了單端封閉的結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)露。因此以氣管7為研究對象建立如圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括氣動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)包括真空單元、正壓單元和試驗(yàn)單元等。

1.氣源;2,4,8.比例流量閥;3.加濕器;5,10.壓力傳感器;6.濕度傳感器;7,11.氣罐;9.被試氣管

真空單元用于在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境并保持真空壓的穩(wěn)定,由真空發(fā)生元件、真空減壓閥、氣罐等組成。真空泵將系統(tǒng)中氣體抽出，并由真空調(diào)壓閥將壓力調(diào)定至目標(biāo)壓力，通過氣罐11維持系統(tǒng)氣體真空壓的穩(wěn)定。

正壓單元用于向系統(tǒng)提供壓力恒定的正壓或大氣壓氣體，用于破壞真空環(huán)境，同時要保證正壓氣體的濕度恒定,由氣源、空氣處理元件、加濕器、氣罐等組成。氣罐7中氣體的壓力和濕度分別通過壓力傳感器5、露點(diǎn)變送器6反饋至計(jì)算機(jī)中與設(shè)定值比較，通過閉環(huán)控制將氣體壓力和濕度穩(wěn)定在設(shè)定值。

試驗(yàn)單元由換向閥、被試管路、壓力傳感器等組成，可連接不同長度和直徑的被試管路。被試管路一端和換向閥連接，另一端和壓力傳感器連接，周期性地進(jìn)行充氣和抽真空，以檢驗(yàn)給定條件下是否會出現(xiàn)結(jié)露。

電氣系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、壓力傳感器和露點(diǎn)變送器等，用于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)氣體的狀態(tài)。

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，試驗(yàn)系統(tǒng)具備以下功能：能夠提供壓力穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)的正壓氣體，可實(shí)現(xiàn)以不同的壓力對真空系統(tǒng)進(jìn)行充氣；正壓氣體的濕度可以調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定；系統(tǒng)真空度能夠調(diào)節(jié)并維持穩(wěn)定；可以進(jìn)行不同直徑和長度的管路試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)性能

分別將破壞壓力目標(biāo)值設(shè)定為0、0.1、0.2 MPa，經(jīng)過閉環(huán)控制，氣罐7中壓力達(dá)到穩(wěn)定時壓力曲線如圖4所示。圖4表明本系統(tǒng)可使氣體壓力分別穩(wěn)定于壓力設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正壓力動態(tài)恒定。

圖4 不同設(shè)定值時正壓力曲線

當(dāng)氣罐7內(nèi)氣壓力恒為0.2 MPa時，將氣體大氣壓露點(diǎn)的目標(biāo)值分別設(shè)定為15、-5、-20 ℃，氣體濕度達(dá)到穩(wěn)定時如圖5所示，表明在恒定壓力條件下試驗(yàn)系統(tǒng)能夠使氣體的濕度維持在恒定值。

圖5 壓力0.2 MPa時氣體濕度曲線

試驗(yàn)系統(tǒng)真空度控制效果如圖6所示，真空泵能夠?qū)⒄婵諝夤拗袎毫Τ榈酱髿鈮阂韵?，并由真空減壓閥分別調(diào)定真空度為10、30、50、70、90 kPa。圖6表明真空氣罐中壓力能夠穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖6 真空氣罐中壓力控制曲線

3 內(nèi)部結(jié)露形式

利用上述試驗(yàn)系統(tǒng)，依照表1所列參數(shù)條件進(jìn)行真空試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用透明氣管，以便觀測結(jié)露情況。

表1 內(nèi)部結(jié)露試驗(yàn)參數(shù)

初始時，氣管內(nèi)部無液態(tài)水，如圖7 (a)所示。經(jīng)過3 h的抽真空和充氣，管路內(nèi)部出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)露，結(jié)露形式為滴狀凝結(jié)，水滴的大小不一，如圖7 (b)(c)所示。結(jié)露先在管路與壓力傳感器連接處出現(xiàn)，隨著時間的積累逐漸向氣管出口方向逐漸擴(kuò)展。經(jīng)過4 h的抽真空和充氣后，管內(nèi)壁的水滴進(jìn)一步聚集長大，凝結(jié)的液態(tài)水也有所增加，如圖7 (d)所示。

圖7 結(jié)露照片

4 不同因素對結(jié)露影響分析

4.1 不同真空度下內(nèi)部結(jié)露結(jié)果

表2給出了不同真空度時的試驗(yàn)參數(shù)，以氣體初始濕度為縱坐標(biāo)、真空度為橫坐標(biāo)給出是否結(jié)露的結(jié)果，如圖8所示。

表2 不同真空條件下試驗(yàn)參數(shù)

圖8 不同真空度下結(jié)露示意圖

圖8中系統(tǒng)真空度為10、30、50、70、90 kPa。被試氣管長度為5 m，當(dāng)真空度為10、30 kPa時，氣管內(nèi)部均出現(xiàn)結(jié)露，在70、90 kPa時，氣管內(nèi)部未出現(xiàn)結(jié)露。而真空度為50 kPa時，當(dāng)濕度高于大氣壓露點(diǎn)0 ℃，氣管內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露，濕度低于大氣壓露點(diǎn)0 ℃時無結(jié)露。

圖8表明真空度一定時，濕度越大越易發(fā)生結(jié)露。這是因?yàn)檎婵斩纫欢〞r，濕度越大，氣體達(dá)到濕度飽和的可能性越大，從氣體中凝結(jié)的水滴越多，有利于條件1的形成。而水滴越多，越有利于其進(jìn)一步地附于元件內(nèi)表面并最終形成內(nèi)部結(jié)露。

氣體濕度一定時，真空度越低，系統(tǒng)內(nèi)部越不易出現(xiàn)結(jié)露。真空度越低，管路中氣體能達(dá)到的最低壓力相對越高，即與充氣壓力之間的壓差越小，從氣體中析出的液態(tài)水滴越少。同時，由于液滴的運(yùn)動由壓差驅(qū)動，其運(yùn)動速度與壓差成正向關(guān)系。壓差越小，越不利于液滴向氣管末端運(yùn)動，不易形成結(jié)露。

4.2 不同氣管長度條件下內(nèi)部結(jié)露結(jié)果

表3給出了不同氣管長度時的試驗(yàn)參數(shù)，以氣體初始濕度為縱坐標(biāo)、氣管長度為橫坐標(biāo)給出結(jié)露結(jié)果，如圖9所示。

表3 不同氣管長度時試驗(yàn)參數(shù)

圖9 不同氣管長度條件下結(jié)露示意圖

圖9顯示，在大氣壓露點(diǎn)-5～15 ℃范圍內(nèi)均出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)露；氣管長度為1 m時結(jié)露僅在大氣壓露點(diǎn)5 ℃以上時出現(xiàn)。說明相同條件下氣管越長，內(nèi)部結(jié)露可能性越大。這是因?yàn)闅夤茉介L，液滴從氣管末端運(yùn)動到出口的行程越長，提高了液滴隨氣體排出系統(tǒng)的難度，有利于條件2的形成而產(chǎn)生結(jié)露。

4.3 不同管徑條件下內(nèi)部結(jié)露結(jié)果

表4給出了不同管徑條件下的試驗(yàn)參數(shù)，以氣體初始濕度為縱坐標(biāo)、氣管直徑為橫坐標(biāo)給出是否結(jié)露的結(jié)果，如圖10所示。

表4 不同管徑條件下試驗(yàn)參數(shù)

圖10 不同氣管直徑條件下結(jié)露示意圖

在直徑2.5 mm的氣管內(nèi)無內(nèi)部結(jié)露出現(xiàn)，直徑4 mm的氣管僅在濕度大于5 ℃時出現(xiàn)結(jié)露，而直徑6.5 mm的氣管中在試驗(yàn)濕度內(nèi)均出現(xiàn)結(jié)露，表明相同條件下氣管直徑越大越有利于結(jié)露的發(fā)生。這是因?yàn)楣軓皆酱螅旱蔚倪\(yùn)動阻力越小，有利于液滴在氣管中運(yùn)動。液滴更易到達(dá)管路末端，聚集成長且不被排出系統(tǒng)，最終形成內(nèi)部結(jié)露。

5 結(jié)論

1) 真空系統(tǒng)中的內(nèi)部結(jié)露以滴狀凝結(jié)的形式出現(xiàn)，最先出現(xiàn)在管路與壓力傳感器連接處，隨著時間的積累，水滴向氣管出口方向擴(kuò)展。

2) 氣體濕度、真空度等工作參數(shù)對結(jié)露影響較大。相同條件下氣體的濕度越大，越有利于水滴從氣體中析出，系統(tǒng)內(nèi)部越易出現(xiàn)結(jié)露。真空度越高，結(jié)露越易發(fā)生。

3) 氣管長度和直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)露影響較大。氣管長度越長、管徑越大，越有利于液滴發(fā)生聚集，內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露的可能性大。