考慮熱傳遞的真空容腔壓力響應研究
針對氣動(dòng)真空系統中容腔的壓力響應，以往的經(jīng)驗方法沒(méi)有研究溫度變化帶來(lái)的影響。而在真空發(fā)生器回路的容腔抽吸過(guò)程中，容腔內空氣溫度的變化會(huì )對壓力響應曲線(xiàn)產(chǎn)生影響。本文圍繞真空發(fā)生器回路和具有一定容積的抽吸容器，改進(jìn)經(jīng)驗方法，建立了考慮熱傳遞的真空抽吸模型。為了研究真空抽吸過(guò)程中傳熱系數，使用間接測量法(“停止法”) 測得了容腔內溫度的變化量，得出了無(wú)量綱努塞爾數隨抽吸時(shí)間的變化曲線(xiàn)。以等溫容器抽吸法獲得的真空發(fā)生器流量特性為基礎，使用定努塞爾數傳熱模型對真空容腔壓力響應進(jìn)行了仿真。通過(guò)比較仿真和實(shí)驗結果可知，考慮熱傳遞的真空容腔壓力響應模型能較好地表示真空容腔內壓力的變化。
由真空發(fā)生器為真空源的真空吸排系統近年來(lái)得到了廣泛的應用，如吸送式氣動(dòng)輸送裝置借助真空發(fā)生器工作產(chǎn)生負壓腔，借助氣力輸送物料，具有維護方便、安全衛生，減少勞動(dòng)強度等優(yōu)點(diǎn)。又如真空潔具系統是傳統重力潔具裝置的改進(jìn)和創(chuàng )新，是真空技術(shù)應用于生活廢物運輸的典型應用，體現了真空吸排系統用于衛生設施的優(yōu)勢。在新興建筑、環(huán)保住宅和綠色交通中，生活廢物被真空系統收集并集中排污、具有清潔高效的優(yōu)點(diǎn)。真空吸排系統控制策略的制訂與真空抽吸作業(yè)壓力響應規律密切相關(guān)，需要根據真空容腔的壓力響應特性設定供氣壓力、供氣時(shí)間等參數。因此，分析真空容腔壓力響應過(guò)程的特點(diǎn)，并研究壓力響應解析模型，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際的應用需求。
在氣動(dòng)真空回路中，當管路的長(cháng)度和內徑之比較大時(shí)，需要考慮細長(cháng)管引起的壓力響應滯后，并進(jìn)行合理的計算。當管路的長(cháng)徑比很小、容腔的容積較大時(shí)，則需要考慮容腔的壓力響應。真空系統容腔壓力響應時(shí)間通常由經(jīng)驗公式估計，如果需要容腔的壓力響應曲線(xiàn)，還需依據經(jīng)驗參數，對壓力變化曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。由于沒(méi)有考慮溫度等因素帶來(lái)的影響，預估值與實(shí)際測量的結果有較大偏差，因此，建立合理的理論模型十分必要。
對于真空抽吸回路動(dòng)態(tài)壓力響應過(guò)程，需要考慮溫度變化對壓力響應的影響。早期的研究曾將容腔的真空抽吸過(guò)程假設為絕熱過(guò)程來(lái)近似壓力響應曲線(xiàn)。之后的研究中，針對卷繞式真空鍍膜機的真空室抽氣過(guò)程，通過(guò)測量真空室內的氣體溫度的變化量，得出傳熱條件不同時(shí)，氣體溫度的變化量是不同的。因此，對于不同的真空系統而言，真空發(fā)生器的流量特性和元件參數不同時(shí)，需要考慮氣體溫度的變化，更準確地描述壓力變化過(guò)程。綜上所述，對于一定容積的被抽吸容器，需要改進(jìn)經(jīng)驗方法，研究抽吸過(guò)程傳熱規律，建立更為準確的壓力響應模型。
1、考慮熱傳遞的真空抽吸模型
以衛生潔具的真空吸排系統為例說(shuō)明真空容腔的作用和工作原理。圖1(a) 為真空潔具的照片，借助真空收集罐的負壓，將潔具中的廢棄物抽吸入真空收集罐，并暫存其中等待進(jìn)一步處理。圖1(b) 為真空發(fā)生回路圖，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，真空側連接真空收集罐，排氣側接消音器等輔助設備。系統運行時(shí)，真空發(fā)生器工作，真空收集罐容腔中壓力由大氣壓下降到所需真空度，進(jìn)行真空抽吸作業(yè)。
圖1 真空容器抽吸回路
分析容腔真空抽吸過(guò)程，一方面，在真空發(fā)生器的抽吸作用下，空氣被卷吸入真空發(fā)生器，使容腔內空氣壓力下降、容腔內空氣溫度降低。另一方面，空氣從容腔壁吸熱(圖2中示意為熱量Q) ，使溫度有緩慢回升的趨勢。假設容腔內空氣平均溫度θca，平均密度ρca，平均壓力pca，則每一時(shí)刻容器內空氣壓力、密度和溫度的關(guān)系滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程
圖2 真空抽吸模型
式(1) 兩側同對時(shí)間t 微分，且因為從容腔中流出的流量與真空發(fā)生器的吸引流量Get相等，得到以下方程
因為真空發(fā)生器動(dòng)態(tài)響應非�？�，所以在抽吸過(guò)程中，抽吸口處的吸引流量可以用流量特性關(guān)系式(3) 計算，抽吸口處壓力用pet(kPa，abs) 表示，吸引流量用Get(g/s) 表示。式(1) - 式(3) 聯(lián)立，即可求解真空抽吸過(guò)程中壓力、流量、溫度等物理量。
4、結論
本文針對氣動(dòng)真空系統中容腔的壓力響應，圍繞真空發(fā)生器回路和具有一定容積的抽吸容器，改進(jìn)了經(jīng)驗方法，建立了考慮熱傳遞的真空抽吸模型。為了研究真空抽吸過(guò)程中傳熱系數，使用間接測量法(“停止法”) 測得了容腔內溫度的變化量，得出了無(wú)量綱努塞爾數隨抽吸時(shí)間的變化曲線(xiàn)。以等溫容器抽吸法獲得的真空發(fā)生器流量特性為基礎，使用定努塞爾數傳熱模型對真空容腔壓力響應進(jìn)行了仿真。與絕熱假設相比，考慮熱傳遞的模型能更好地模擬抽吸時(shí)容腔內的壓力，計算值與實(shí)驗值的最大偏差量在4% 以?xún)�。因此，考慮熱傳遞的真空容腔壓力響應模型能較好地表示真空容腔內壓力的變化。
