節能型潔具真空吸排系統供氣量調節技術研究

郭鐘華，李小寧

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

0 前言

由真空發生器為真空源的真空潔具近年來得到了廣泛的應用。真空潔具系統是傳統重力潔具裝置的改進和創新，是真空技術應用于生活廢物運輸的例子，體現了真空吸排系統用于衛生設施的優勢。作為新型交通工具的首選潔具設備，真空潔具系統被安裝于高速列車、艦艇輪船、航空飛機等，安全、衛生、高效，滿足了人類的基本需求［1－4］。為了促進節能型潔具技術的發展，分析真空吸排系統壓力響應過程的特點并依此調節供氣量，降低壓縮空氣耗能量，具有重要學術意義和實際應用需求。

1 潔具真空吸排系統工作原理

首先，說明衛生潔具真空吸排系統的工作原理。如圖1，借助真空收集罐的負壓，將廢棄物抽吸入真空收集罐，并暫存其中。真空收集罐的負壓由真空發生器工作而產生。

圖1 潔具真空吸排系統

圖1右下角為真空發生器回路圖，氣源供給的壓縮空氣經減壓后，由電磁閥控制輸入真空發生器，真空發生器的真空側連接單向閥和真空收集罐，排氣側接消音器等輔助設備。系統工作時，根據排污所需真空度的要求和真空收集罐的壓力響應特性，設定供氣時間，并利用單向閥作短暫的真空度維持，實現節能。

1.1 真空發生器流量特性

因為真空發生器內空氣流動速度很快，可達超音速，真空發生器自身的壓力響應特性可以用每一個瞬時真空口的壓力和流量關系來表示。因此，測試真空發生器回路的靜態流量特性，結合容腔壓力響應模型，可以對真空收集罐的壓力響應進行仿真。因為真空發生器的流量特性受供給壓力、排氣側壓力、真空回路流阻等多個因素的制約［5］，所以必須要設計測試回路，考慮到這些因素的影響。本研究使用等溫容器放出法［6］，對真空發生器回路的靜態流量特性進行了檢測。檢測裝置如圖2所示，等溫容器內容積1.6×10－3m3，填充銅絲直徑0.5 mm，銅絲質量0.48 kg。等溫容器接入真空吸排系統真空發生器回路的真空輸出端，通過壓力傳感器 (AP-10S，Keyence Ltd.，測量范圍－101 kPa～101 kPa，測量精度0.5%)檢測等溫容器內的壓力變化量Δpca，并根據公式 (1)計算實時流量。

式中:Get為真空發生器流量，kg/s;Vca為等溫容器的內容積，m3;R為氣體常數，對空氣，R=287 N·m/(kg·K);θa為室溫，293 K;pca為等溫容器內空氣絕對壓力，Pa。

圖2 靜態流量特性檢測裝置

使用這種方法，對真空發生器回路的靜態流量特性進行檢測。真空發生器拉瓦爾噴管直徑1.5 mm，供氣壓力為0.5 MPa，排氣側接消音器，真空口連接單向閥。基于最小二乘擬合算法，使用多項式進行擬合，得到流量與壓力的近似關系式 (2)，式中，系數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 壓力響應仿真

使用真空發生器回路的靜態流量特性參數，用考慮熱傳導的容腔放氣模型對真空收集罐的壓力響應進行仿真，真空收集罐內壓力的變化量由式 (3)計算，溫度的變化量由式 (4)計算。真空收集罐內壓力變化量如圖3中虛線所示。同時，對真空收集罐內壓力變化量進行了測試，測試結果如圖3中實線所示。比較仿真曲線和試驗曲線可知，真空度在15 s內達到80 kPa，隨后緩慢變化直至達到極限真空度。當供氣時間小于15 s，真空度為0～80 kPa時，仿真和試驗結果有非常好的吻合性。當供氣時間大于30 s，真空度接近極限值時，仿真和試驗結果的極限真空度偏差量約為3%。這是因為在仿真計算時，真空收集罐的密封性是理想值，沒有空氣的泄漏，而在實際系統中，罐體、真空界面閥、真空回路接頭等處不可避免地存在泄漏，因此試驗中的極限真空度小于仿真的結果。

圖3 真空收集罐壓力仿真

式中:pca為真空收集罐內空氣絕對壓力，Pa;θca為真空收集罐內空氣的溫度，K;Vca為真空收集罐內容積，8.3×10－3m3;cv為定容比熱;cp為定壓比熱;h為熱傳導系數，負壓條件下取平均值10 W/(m2·K);Sh為真空收集罐的熱傳導面積，為0.188 m2。

以下根據真空收集罐壓力響應的特點，對模型進行簡化。由于真空收集罐的內容積和傳熱面積較大，比較而言真空發生器的流量較小，所以真空建立過程中溫度變化量較小。假設真空建立過程中溫度不變，且對真空發生器回路的靜態流量特性進行最小二乘線性擬合如式 (5)，線性相關系數為0.997。

此時，真空發生器和容腔構成一階系統，壓力時間常數為

式中:Tp為壓力時間常數，s;Vca為真空收集罐的內容積，m3;a1為流量特性線性擬合系數，kg/(s·Pa)。

則容腔內的空氣絕對壓力pca可以表示為時間t的函數

式中:petmin為真空發生器工作時能達到的最低真空度，Pa;e為自然對數，數值約為2.7;t為時間，s;Tp為壓力時間常數，s;pa為大氣壓，Pa;pca為真空收集罐內空氣絕對壓力，Pa。

根據真空收集罐內空氣絕對壓力與時間的關系式(7)，建立真空度pv所需要的供氣時間計算式如下，容腔簡化模型如圖4所示。

圖4 容腔簡化模型

2 潔具真空吸排系統供氣量調節

2.1 供氣量調節流程

根據潔具工作的特點和真空收集罐壓力響應的特點，調節潔具真空吸排系統的供氣量，實現節能。供氣量調節流程如圖5所示。其工作流程為:首先，清水箱蓄水，主控臺進行相關的初始化設置，如對采集卡的配置，控制參數和運行參數的輸入、控制閥歸位等;接著，接受開始沖洗的指令，少量清水被壓入便器而與人體排污物相混合，通過便器上安裝的傳感器，測試污物的體積和質量，確定所需真空度和供氣時間，開啟真空發生器供氣電磁閥，同時多媒體計時器計時 ，當真空收集罐內的真空度達到設定值后，關閉真空發生器的供氣閥，由單向閥維持真空，同時開啟排污裝置，打開氣動球閥并啟動排污作業，污物被輸送至真空收集罐，完成排污作業。

圖5 潔具真空吸排系統供氣量調節流程

2.2 耗能量比較試驗

為了驗證節能的效果，對不同排污量所需能耗進行了檢測。試驗用水模擬液態排泄物，當液量從0.2×10－3m3逐漸增加到 1.6×10－3m3，遞增量為 0.2×10－3m3;試驗中所用真空發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編程環境，實現了根據人工排泄物量設置真空度的要求并完成抽吸作業。對應于不同的真空度，真空發生器在預先設定的工作時間內完成了真空建立過程并測試真空發生器回路的耗能量。當排污液量由 0.2×10－3m3增加到 1.6×10－3m3時，供氣能量從100 J增大到1 800 J，對比于現行的真空潔具設備每次沖洗時固定真空度，節省壓縮空氣消耗量達30%以上，有較大的節能潛力。

3 結束語

為了研究潔具真空吸排系統壓力響應過程并制訂供氣量調節策略，測定并得出了真空發生器靜態流量特性，并對真空收集罐的壓力響應過程進行了仿真。通過比較仿真和試驗結果，簡化后的壓力響應模型能較好地反映真空收集罐內的壓力變化。因此，通過調節真空吸排系統的供氣時間而改變真空發生器供氣量和真空系統真空度，實現了真空度按需調節并有效降低壓縮空氣能耗。經過試驗測試，經過供氣量調節設計，節省壓縮空氣消耗量達30%以上，顯示出了很好的發展應用前景。

［1］YOUN C，Ito M，KAWASHIMA K，et al.Modeling of Pneumatic Ejector System with Restrictions at Exhaust and Vacuum Ports［C］.Proceeding of the 8th JFPS International Symposium on Fluid Power.Okinawa，Japan:The Japan Fluid Power System Society，2011:285－291.

［2］ LOUIS J，JASPER J.Variable-Volume Flushing(V-VF)Device for Water Conservation in Toilets［R］.National Aeronautics and Space Administration，U.S.:N93－22167.

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［4］KELEMAN M P.Economics of Wastewater Treatment Codigestion［C］.Proceeding of 4th International Conference on Energy Sustainability.Arizona，U.S.:ASME，2010:595 －608.

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