真空集便裝置抽真空過程節(jié)能設計研究

李旻，繆鋒，姜軍，李學遠

(1.濟南軌道交通裝備有限責任公司，山東濟南 250022;2.山東華騰環(huán)?？萍加邢薰?，山東濟南 250022;3.唐山軌道交通裝備有限責任公司，河北唐山 063035)

1 概述

真空集便裝置最早于1979年由Joel Liliendal發(fā)明，因其具有耗水量少、衛(wèi)生條件好、管道及污物箱布置靈活等優(yōu)點，已廣泛用于旅客列車糞便污水的收集。該技術在國內(nèi)外經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展和完善，已有保持式、間歇式、推拉式和在線式四種形式，見表1。

中國鐵路旅客列車從2004年開始大批量裝備集便裝置，在25型客車上基本都采用了真空保持式集便裝置。鐵道部《鐵路“十二五”環(huán)保規(guī)劃》提出，我國鐵路行業(yè)將堅持環(huán)境保護基本國策，大力采用新技術、新材料，不斷提高環(huán)境污染防治水平，減少污染物排放。其中，推進旅客列車密閉式廁所改造是“十二五”期間的具體工作之一。

相比重力集便裝置而言，真空集便裝置作為一種需要額外動力的車載機電設備，其能耗(特別是耗氣量)逐漸受到關注。亦有學者提出采用氣動系統(tǒng)能量理論［1］評價列車真空集便裝置的氣動能耗，并通過實驗證明可通過改變氣動元件及其參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)效率［2］。本文將對真空集便裝置抽真空過程的節(jié)能設計進行探討。

表1 真空集便裝置分類及比較

2 真空發(fā)生器

真空發(fā)生器是真空集便裝置節(jié)能的關鍵部件。目前的真空集便裝置的真空發(fā)生器主要以噴射器為主，其普遍具有結構簡單、無活動部件、壽命長、成本低廉而可靠性高的特點。液環(huán)泵等真空泵類型的真空發(fā)生器在車上應用較為少見，可參見文獻［3］。

2.1 大氣噴射器

真空保持式、間歇式及推拉式真空集便裝置一般采用真空大氣噴射器，其以壓縮空氣作為工作流體來抽吸和壓送氣體(被抽氣體即引射流體)，以獲取真空［4］。如圖1為真空大氣噴射器示意，壓縮空氣進入噴射器，從拉瓦爾噴嘴中噴射出超聲速氣流，由于氣體的粘性，高速氣流卷吸走吸入室內(nèi)的氣體，進而在接收室內(nèi)形成真空。

盡管噴射技術在各個行業(yè)應用廣泛，但目前國內(nèi)外學界對噴射器內(nèi)質量、動量、能量交換等機理及理論計算還處于起步階段，有待研究。特別是對于具有超音速噴嘴噴射器的流動特性，目前還不能準確地定量計算，仍采用理論、實驗和經(jīng)驗相結合的辦法進行研發(fā)。

圖1 真空大氣噴射器示意

在設計計算方面，由于各種應用場合中的噴射器在流體介質及流量、工作壓力、穩(wěn)定狀態(tài)等方面各不相同，且一般流體模型的相似方法并不直接適用于噴射器內(nèi)的劇烈流動，因而真空集便裝置用大氣噴射器需作專門設計及優(yōu)化。

如國內(nèi)有學者通過建立氣體動力學理論模型，依據(jù)能量、動量等基本定律引進等嫡速度，折算速度，相對溫度，相對密度等動力函數(shù)，使用氣體動力函數(shù)法(即索科洛夫法)，通過理論推導及必要的經(jīng)驗修正完善，對列車集便裝置真空大氣噴射器進行了設計計算［5］。然而，在模型假設方面，其與傳統(tǒng)經(jīng)典熱力學方法區(qū)別不大，但由于氣體動力函數(shù)法引入了動力函數(shù)，并用速度系數(shù)對流動過程作了合理的修正，該方法對噴射器計算的合理性較經(jīng)驗系數(shù)法有了較大的提高，尤其是對極限系數(shù)的限定作用，使噴射器的計算結果得到保證。同時，噴射器的軸向尺寸完全脫離經(jīng)驗化也是優(yōu)化的內(nèi)容之一。但其缺點是設計計算步驟繁多，公式冗長，需用試差法多次迭代才能得到結果。又如，有學者建立了集便裝置大氣射流器的流體動力學模型，劃分網(wǎng)格，并將引射流體入口邊界設定為壁面;利用計算流體力學對射流器的內(nèi)部流場進行二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬;分析了在一定工況條件下，面積比、噴嘴距、等截面混合室長、擴散段錐角以及噴嘴喉部長、噴嘴收縮段長、噴嘴擴散段長對接收室內(nèi)殘余壓力的影響［6］。實驗結果對比表明［6］，在合理的計算模型及邊界條件下，數(shù)值模擬結果對設計具有較好的指導意義。

此外，為了達到較高的抽空效率，在滿足不易堵塞的前提下，多級噴射器也是手段之一。其原理在于利用不同級在不同真空度下的效率差異，使其組合工作在各自效率較高的真空度下。其另一優(yōu)點是:在風源壓力相同時，類似耗氣速率的多級噴射器比單級噴射器能達到更高的極限真空;而在工作真空相同時，類似耗氣速率的多級噴射器相比單級噴射器可以工作在更低的風源壓力下。但是，經(jīng)驗表明，多級噴射器往往只有在較高真空度(比如高于－35kPa)下的效率提升才較為明顯。這是因為只有抽升至較高真空的過程中，不同級才會出現(xiàn)優(yōu)化組合，而對于較低真空僅僅能多次利用多級噴射器擴散段氣體。同時，多級噴射器一般抽速較小，為達到較大的抽速一般需采用多管組合的設計。

2.2 多相噴射器

真空在線式集便裝置則采用一種喉徑參數(shù)可變的多相噴射器。該噴射器直接以便斗內(nèi)的污物及混合吸入的空氣作為引射流體，工作時可瞬間使管路產(chǎn)生真空(可達－35 kPa以上)，能夠滿足抽吸便斗內(nèi)污物的真空度的要求，同時又可通過高速氣流夾攜管內(nèi)污物并將其輸送至污物箱。出于流體動力學考慮，為了達到所需的真空度，噴射器喉部直徑需較小(小于20 mm)。而為了使污物通過管路中的噴射器時不發(fā)生堵塞，所需的管徑約為40 mm。為此，EVAC公司采用了一種噴射器喉部直徑可變的專利設計。實現(xiàn)方法是在噴射器喉管部位內(nèi)嵌一橡膠套，在抽真空時，其橡膠套可以縮小至10 mm，以滿足管道內(nèi)形成較高真空度的要求;當有污物通過時，其內(nèi)徑可擴大至40 mm，以使污物通過。但限于目前橡膠材質的發(fā)展，該橡膠套的疲勞壽命有限(據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)短的僅有3個月)，因此在線式真空集便裝置目前使用尚不廣泛。

3 抽空體積

抽空體積指真空發(fā)生器所連接的密閉空間的空余容積，其確定屬系統(tǒng)設計范疇，與系統(tǒng)結構有關。一般地，對于特定的真空發(fā)生器和工作真空，耗氣量與抽空體積具有正比關系。

對保持式、間歇式集便裝置而言，其平均抽空體積約為污物箱體積的二分之一。一般地，這兩種系統(tǒng)的工作真空為固定值，該真空度使污物箱滿時的最后一次沖洗應恰好滿足沖洗效果。若污物箱滿液位位于總容積的80%處，則約有2/3的能量被浪費。

對推拉式集便裝置而言，其抽空體積可為中間箱容積空余容積。為了使系統(tǒng)更為緊湊，往往將中間箱的體積設計得較小，同時提高工作真空，以保證抽吸力滿足沖洗要求。盡管真空推拉式耗氣量較小，但由于其結構復雜，其在穩(wěn)定性和可維護性上低于保持式與間歇式。

對在線式集便裝置而言，其抽空體積可視為無窮大，其耗氣量取決于噴射器的工作時間。其節(jié)能關鍵在于其噴射器本身的設計，屬零部件設計范疇。就現(xiàn)有技術，利用氣體作為工作流體來引射“氣－液－固”多相流體的效率明顯低于引射氣體。

4 工作真空

工作真空指抽空過程結束時，集便裝置的抽空體積內(nèi)應達到的真空值，是系統(tǒng)設計的主要參數(shù)之一，取決于輸送距離、污物箱容積和便器形式。目前的真空集便裝置所設定的工作真空度(或抽空時間)為根據(jù)最大污物量設置的固定值，對于高頻率的中、低污物量沖洗作業(yè)而言，存在壓縮空氣的浪費。因此，根據(jù)不同的污物量對抽吸力進行自動調(diào)節(jié)是降低能耗的一個途徑。為此，國內(nèi)有學者研發(fā)了一種根據(jù)實際污物量實時自動無級調(diào)節(jié)真空抽吸力并滿足沖洗和節(jié)能要求的真空集便裝置，并能產(chǎn)生30%的節(jié)能效益［7］，其實現(xiàn)關鍵在于:實時檢測負載(污物量);通過半理論半實驗方法，確定負載與抽吸力的定量關系;根據(jù)該關系對抽吸力(真空度)進行自動調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)結構

真空集便裝置的節(jié)能在系統(tǒng)原理、結構設計階段就予以考慮，如保持式、推拉式、在線式的系統(tǒng)結構決定了其耗氣量水平。同時，也可考慮其他產(chǎn)生真空的方式，如國內(nèi)有學者提出一種活塞推拉式集便裝置［8］:在便器與污物箱之間安裝較小的連接器，利用風源推動連接器內(nèi)的活塞運動，當活塞往回拉時產(chǎn)生少量負壓，污物進入連接器，當活塞前進時，將污物壓入污物箱。該系統(tǒng)利用活塞裝置產(chǎn)生真空，耗氣量較小，但機械運動部件對雜物比較敏感。

此外，面向機車衛(wèi)生間等特殊場合，近年亦出現(xiàn)了多功能一體化真空泵式、推拉在線式、復合脈動碾壓式等多種新型真空集便器，但往往因其機械結構或可靠性等原因應用尚不廣泛。

6 建議

需要說明的是，除能耗外，真空集便裝置的設計及選型還應從系統(tǒng)可靠性、可維護性、使用壽命、空間要求、使用人群、投資等諸方面進行綜合比較。

［1］蔡茂林，香川利春．氣動系統(tǒng)的能量消耗評價體系及能量損失分析［J］．機械工程學報，2007，43(9):69－74．

［2］藤野謙司，山本円朗，谷口宏次，等．鉄道車両用真空式トイレにおける真空特性と消費エネルギーに関する研究［J］．日本フルードパワーシステム學會誌，2013，44(1):16－22．

［3］李旻，周敬宣，溫興鎖．談真空排水系統(tǒng)中的氣液比及其與能耗的關系［J］．給水排水，2010，36(12):69－72．

［4］閆凱，邱慧，曾鳳柳，等．旅客列車保持式真空集便器真空發(fā)生裝置研究［J］．中國鐵路，2012(8):44－47．

［5］滕紅華．客運列車真空節(jié)水廁所氣力系統(tǒng)設計［J］．液壓與氣動，2006(3):55－57．

［6］高飛，周敬宣，李旻．車載真空廁所空氣射流器性能的數(shù)值模擬［J］．真空，2010，47(5):63－67．

［7］郭鐘華．節(jié)能型潔具真空吸排系統(tǒng)的研究［D］．南京:南京理工大學，2012．

［8］周敬宣，胡洪平，李艷萍，等．客車氣動推拉式集便裝置的研制［J］．鐵道車輛，2003，41(5):20－22．