針對(duì)氣動(dòng)真空系統(tǒng)中容腔的壓力響應(yīng)，以往的經(jīng)驗(yàn)方法沒有研究溫度變化帶來的影響。而在真空發(fā)生器回路的容腔抽吸過程中，容腔內(nèi)空氣溫度的變化會(huì)對(duì)壓力響應(yīng)曲線產(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(yàn)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程中傳熱系數(shù)，使用間接測(cè)量法(“停止法”) 測(cè)得了容腔內(nèi)溫度的變化量，得出了無(wú)量綱努塞爾數(shù)隨抽吸時(shí)間的變化曲線。以等溫容器抽吸法獲得的真空發(fā)生器流量特性為基礎(chǔ)，使用定努塞爾數(shù)傳熱模型對(duì)真空容腔壓力響應(yīng)進(jìn)行了仿真。通過比較仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，考慮熱傳遞的真空容腔壓力響應(yīng)模型能較好地表示真空容腔內(nèi)壓力的變化。

　　由真空發(fā)生器為真空源的真空吸排系統(tǒng)近年來得到了廣泛的應(yīng)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(fù)壓腔，借助氣力輸送物料，具有維護(hù)方便、安全衛(wèi)生，減少勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。又如真空潔具系統(tǒng)是傳統(tǒng)重力潔具裝置的改進(jìn)和創(chuàng)新，是真空技術(shù)應(yīng)用于生活廢物運(yùn)輸?shù)牡湫蛻?yīng)用，體現(xiàn)了真空吸排系統(tǒng)用于衛(wèi)生設(shè)施的優(yōu)勢(shì)。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(tǒng)收集并集中排污、具有清潔高效的優(yōu)點(diǎn)。真空吸排系統(tǒng)控制策略的制訂與真空抽吸作業(yè)壓力響應(yīng)規(guī)律密切相關(guān)，需要根據(jù)真空容腔的壓力響應(yīng)特性設(shè)定供氣壓力、供氣時(shí)間等參數(shù)。因此，分析真空容腔壓力響應(yīng)過程的特點(diǎn)，并研究壓力響應(yīng)解析模型，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際的應(yīng)用需求。

　　在氣動(dòng)真空回路中，當(dāng)管路的長(zhǎng)度和內(nèi)徑之比較大時(shí)，需要考慮細(xì)長(zhǎng)管引起的壓力響應(yīng)滯后，并進(jìn)行合理的計(jì)算。當(dāng)管路的長(zhǎng)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(yīng)。真空系統(tǒng)容腔壓力響應(yīng)時(shí)間通常由經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)，如果需要容腔的壓力響應(yīng)曲線，還需依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)壓力變化曲線進(jìn)行擬合。由于沒有考慮溫度等因素帶來的影響，預(yù)估值與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果有較大偏差，因此，建立合理的理論模型十分必要。

　　對(duì)于真空抽吸回路動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)過程，需要考慮溫度變化對(duì)壓力響應(yīng)的影響。早期的研究曾將容腔的真空抽吸過程假設(shè)為絕熱過程來近似壓力響應(yīng)曲線。之后的研究中，針對(duì)卷繞式真空鍍膜機(jī)的真空室抽氣過程，通過測(cè)量真空室內(nèi)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(duì)于不同的真空系統(tǒng)而言，真空發(fā)生器的流量特性和元件參數(shù)不同時(shí)，需要考慮氣體溫度的變化，更準(zhǔn)確地描述壓力變化過程。綜上所述，對(duì)于一定容積的被抽吸容器，需要改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)方法，研究抽吸過程傳熱規(guī)律，建立更為準(zhǔn)確的壓力響應(yīng)模型。

1、考慮熱傳遞的真空抽吸模型

　　以衛(wèi)生潔具的真空吸排系統(tǒng)為例說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(fù)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(cè)連接真空收集罐，排氣側(cè)接消音器等輔助設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)空氣壓力下降、容腔內(nèi)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(shì)。假設(shè)容腔內(nèi)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(nèi)空氣壓力、密度和溫度的關(guān)系滿足理想氣體狀態(tài)方程

圖2 真空抽吸模型

　　式(1) 兩側(cè)同對(duì)時(shí)間t 微分，且因?yàn)閺娜萸恢辛鞒龅牧髁颗c真空發(fā)生器的吸引流量Get相等，得到以下方程

　　因?yàn)?a target="_blank" href="http://www.13house.cn/pumps/steam/vacuum-generator/">真空發(fā)生器動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常快，所以在抽吸過程中，抽吸口處的吸引流量可以用流量特性關(guān)系式(3) 計(jì)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程中壓力、流量、溫度等物理量。

4、結(jié)論

　　本文針對(duì)氣動(dòng)真空系統(tǒng)中容腔的壓力響應(yīng)，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(yàn)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程中傳熱系數(shù)，使用間接測(cè)量法(“停止法”) 測(cè)得了容腔內(nèi)溫度的變化量，得出了無(wú)量綱努塞爾數(shù)隨抽吸時(shí)間的變化曲線。以等溫容器抽吸法獲得的真空發(fā)生器流量特性為基礎(chǔ)，使用定努塞爾數(shù)傳熱模型對(duì)真空容腔壓力響應(yīng)進(jìn)行了仿真。與絕熱假設(shè)相比，考慮熱傳遞的模型能更好地模擬抽吸時(shí)容腔內(nèi)的壓力，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差量在4% 以內(nèi)。因此，考慮熱傳遞的真空容腔壓力響應(yīng)模型能較好地表示真空容腔內(nèi)壓力的變化。