考虑热传递的真空容腔压力响应研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学机械工程学院 作者:郭钟华

  针对气动真空系统中容腔的压力响应,以往的经验方法没有研究温度变化带来的影响。而在真空发生器回路的容腔抽吸过程中,容腔内空气温度的变化会对压力响应曲线产生影响。本文围绕真空发生器回路和具有一定容积的抽吸容器,改进经验方法,建立了考虑热传递的真空抽吸模型。为了研究真空抽吸过程中传热系数,使用间接测量法(“停止法”) 测得了容腔内温度的变化量,得出了无量纲努塞尔数随抽吸时间的变化曲线。以等温容器抽吸法获得的真空发生器流量特性为基础,使用定努塞尔数传热模型对真空容腔压力响应进行了仿真。通过比较仿真和实验结果可知,考虑热传递的真空容腔压力响应模型能较好地表示真空容腔内压力的变化。

  由真空发生器为真空源的真空吸排系统近年来得到了广泛的应用,如吸送式气动输送装置借助真空发生器工作产生负压腔,借助气力输送物料,具有维护方便、安全卫生,减少劳动强度等优点。又如真空洁具系统是传统重力洁具装置的改进和创新,是真空技术应用于生活废物运输的典型应用,体现了真空吸排系统用于卫生设施的优势。在新兴建筑、环保住宅和绿色交通中,生活废物被真空系统收集并集中排污、具有清洁高效的优点。真空吸排系统控制策略的制订与真空抽吸作业压力响应规律密切相关,需要根据真空容腔的压力响应特性设定供气压力、供气时间等参数。因此,分析真空容腔压力响应过程的特点,并研究压力响应解析模型,具有重要的学术意义和实际的应用需求。

  在气动真空回路中,当管路的长度和内径之比较大时,需要考虑细长管引起的压力响应滞后,并进行合理的计算。当管路的长径比很小、容腔的容积较大时,则需要考虑容腔的压力响应。真空系统容腔压力响应时间通常由经验公式估计,如果需要容腔的压力响应曲线,还需依据经验参数,对压力变化曲线进行拟合。由于没有考虑温度等因素带来的影响,预估值与实际测量的结果有较大偏差,因此,建立合理的理论模型十分必要。

  对于真空抽吸回路动态压力响应过程,需要考虑温度变化对压力响应的影响。早期的研究曾将容腔的真空抽吸过程假设为绝热过程来近似压力响应曲线。之后的研究中,针对卷绕式真空镀膜机的真空室抽气过程,通过测量真空室内的气体温度的变化量,得出传热条件不同时,气体温度的变化量是不同的。因此,对于不同的真空系统而言,真空发生器的流量特性和元件参数不同时,需要考虑气体温度的变化,更准确地描述压力变化过程。综上所述,对于一定容积的被抽吸容器,需要改进经验方法,研究抽吸过程传热规律,建立更为准确的压力响应模型。

1、考虑热传递的真空抽吸模型

  以卫生洁具的真空吸排系统为例说明真空容腔的作用和工作原理。图1(a) 为真空洁具的照片,借助真空收集罐的负压,将洁具中的废弃物抽吸入真空收集罐,并暂存其中等待进一步处理。图1(b) 为真空发生回路图,气源供给的压缩空气经减压后,由电磁阀控制输入真空发生器,真空侧连接真空收集罐,排气侧接消音器等辅助设备。系统运行时,真空发生器工作,真空收集罐容腔中压力由大气压下降到所需真空度,进行真空抽吸作业。

真空容器抽吸回路

图1 真空容器抽吸回路

  分析容腔真空抽吸过程,一方面,在真空发生器的抽吸作用下,空气被卷吸入真空发生器,使容腔内空气压力下降、容腔内空气温度降低。另一方面,空气从容腔壁吸热(图2中示意为热量Q) ,使温度有缓慢回升的趋势。假设容腔内空气平均温度θca,平均密度ρca,平均压力pca,则每一时刻容器内空气压力、密度和温度的关系满足理想气体状态方程

考虑热传递的真空容腔压力响应研究

图2 真空抽吸模型

  式(1) 两侧同对时间t 微分,且因为从容腔中流出的流量与真空发生器的吸引流量Get相等,得到以下方程

考虑热传递的真空容腔压力响应研究

  因为真空发生器动态响应非常快,所以在抽吸过程中,抽吸口处的吸引流量可以用流量特性关系式(3) 计算,抽吸口处压力用pet(kPa,abs) 表示,吸引流量用Get(g/s) 表示。式(1) - 式(3) 联立,即可求解真空抽吸过程中压力、流量、温度等物理量。

考虑热传递的真空容腔压力响应研究

4、结论

  本文针对气动真空系统中容腔的压力响应,围绕真空发生器回路和具有一定容积的抽吸容器,改进了经验方法,建立了考虑热传递的真空抽吸模型。为了研究真空抽吸过程中传热系数,使用间接测量法(“停止法”) 测得了容腔内温度的变化量,得出了无量纲努塞尔数随抽吸时间的变化曲线。以等温容器抽吸法获得的真空发生器流量特性为基础,使用定努塞尔数传热模型对真空容腔压力响应进行了仿真。与绝热假设相比,考虑热传递的模型能更好地模拟抽吸时容腔内的压力,计算值与实验值的最大偏差量在4% 以内。因此,考虑热传递的真空容腔压力响应模型能较好地表示真空容腔内压力的变化。

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