节能型洁具真空吸排系统供气量调节技术研究

郭钟华，李小宁

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 前言

由真空发生器为真空源的真空洁具近年来得到了广泛的应用。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例子，体现了真空吸排系统用于卫生设施的优势。作为新型交通工具的首选洁具设备，真空洁具系统被安装于高速列车、舰艇轮船、航空飞机等，安全、卫生、高效，满足了人类的基本需求［1－4］。为了促进节能型洁具技术的发展，分析真空吸排系统压力响应过程的特点并依此调节供气量，降低压缩空气耗能量，具有重要学术意义和实际应用需求。

1 洁具真空吸排系统工作原理

首先，说明卫生洁具真空吸排系统的工作原理。如图1，借助真空收集罐的负压，将废弃物抽吸入真空收集罐，并暂存其中。真空收集罐的负压由真空发生器工作而产生。

图1 洁具真空吸排系统

图1右下角为真空发生器回路图，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，真空发生器的真空侧连接单向阀和真空收集罐，排气侧接消音器等辅助设备。系统工作时，根据排污所需真空度的要求和真空收集罐的压力响应特性，设定供气时间，并利用单向阀作短暂的真空度维持，实现节能。

1.1 真空发生器流量特性

因为真空发生器内空气流动速度很快，可达超音速，真空发生器自身的压力响应特性可以用每一个瞬时真空口的压力和流量关系来表示。因此，测试真空发生器回路的静态流量特性，结合容腔压力响应模型，可以对真空收集罐的压力响应进行仿真。因为真空发生器的流量特性受供给压力、排气侧压力、真空回路流阻等多个因素的制约［5］，所以必须要设计测试回路，考虑到这些因素的影响。本研究使用等温容器放出法［6］，对真空发生器回路的静态流量特性进行了检测。检测装置如图2所示，等温容器内容积1.6×10－3m3，填充铜丝直径0.5 mm，铜丝质量0.48 kg。等温容器接入真空吸排系统真空发生器回路的真空输出端，通过压力传感器 (AP-10S，Keyence Ltd.，测量范围－101 kPa～101 kPa，测量精度0.5%)检测等温容器内的压力变化量Δpca，并根据公式 (1)计算实时流量。

式中:Get为真空发生器流量，kg/s;Vca为等温容器的内容积，m3;R为气体常数，对空气，R=287 N·m/(kg·K);θa为室温，293 K;pca为等温容器内空气绝对压力，Pa。

图2 静态流量特性检测装置

使用这种方法，对真空发生器回路的静态流量特性进行检测。真空发生器拉瓦尔喷管直径1.5 mm，供气压力为0.5 MPa，排气侧接消音器，真空口连接单向阀。基于最小二乘拟合算法，使用多项式进行拟合，得到流量与压力的近似关系式 (2)，式中，系数a0、a1、a2、a3的值分别为－6.98× 10－5、1.13×10－8、1.61×10－15、9.00×10－20。

1.2 压力响应仿真

使用真空发生器回路的静态流量特性参数，用考虑热传导的容腔放气模型对真空收集罐的压力响应进行仿真，真空收集罐内压力的变化量由式 (3)计算，温度的变化量由式 (4)计算。真空收集罐内压力变化量如图3中虚线所示。同时，对真空收集罐内压力变化量进行了测试，测试结果如图3中实线所示。比较仿真曲线和试验曲线可知，真空度在15 s内达到80 kPa，随后缓慢变化直至达到极限真空度。当供气时间小于15 s，真空度为0～80 kPa时，仿真和试验结果有非常好的吻合性。当供气时间大于30 s，真空度接近极限值时，仿真和试验结果的极限真空度偏差量约为3%。这是因为在仿真计算时，真空收集罐的密封性是理想值，没有空气的泄漏，而在实际系统中，罐体、真空界面阀、真空回路接头等处不可避免地存在泄漏，因此试验中的极限真空度小于仿真的结果。

图3 真空收集罐压力仿真

式中:pca为真空收集罐内空气绝对压力，Pa;θca为真空收集罐内空气的温度，K;Vca为真空收集罐内容积，8.3×10－3m3;cv为定容比热;cp为定压比热;h为热传导系数，负压条件下取平均值10 W/(m2·K);Sh为真空收集罐的热传导面积，为0.188 m2。

以下根据真空收集罐压力响应的特点，对模型进行简化。由于真空收集罐的内容积和传热面积较大，比较而言真空发生器的流量较小，所以真空建立过程中温度变化量较小。假设真空建立过程中温度不变，且对真空发生器回路的静态流量特性进行最小二乘线性拟合如式 (5)，线性相关系数为0.997。

此时，真空发生器和容腔构成一阶系统，压力时间常数为

式中:Tp为压力时间常数，s;Vca为真空收集罐的内容积，m3;a1为流量特性线性拟合系数，kg/(s·Pa)。

则容腔内的空气绝对压力pca可以表示为时间t的函数

式中:petmin为真空发生器工作时能达到的最低真空度，Pa;e为自然对数，数值约为2.7;t为时间，s;Tp为压力时间常数，s;pa为大气压，Pa;pca为真空收集罐内空气绝对压力，Pa。

根据真空收集罐内空气绝对压力与时间的关系式(7)，建立真空度pv所需要的供气时间计算式如下，容腔简化模型如图4所示。

图4 容腔简化模型

2 洁具真空吸排系统供气量调节

2.1 供气量调节流程

根据洁具工作的特点和真空收集罐压力响应的特点，调节洁具真空吸排系统的供气量，实现节能。供气量调节流程如图5所示。其工作流程为:首先，清水箱蓄水，主控台进行相关的初始化设置，如对采集卡的配置，控制参数和运行参数的输入、控制阀归位等;接着，接受开始冲洗的指令，少量清水被压入便器而与人体排污物相混合，通过便器上安装的传感器，测试污物的体积和质量，确定所需真空度和供气时间，开启真空发生器供气电磁阀，同时多媒体计时器计时 ，当真空收集罐内的真空度达到设定值后，关闭真空发生器的供气阀，由单向阀维持真空，同时开启排污装置，打开气动球阀并启动排污作业，污物被输送至真空收集罐，完成排污作业。

图5 洁具真空吸排系统供气量调节流程

2.2 耗能量比较试验

为了验证节能的效果，对不同排污量所需能耗进行了检测。试验用水模拟液态排泄物，当液量从0.2×10－3m3逐渐增加到 1.6×10－3m3，递增量为 0.2×10－3m3;试验中所用真空发生器的拉瓦尔喷管直径为1.5 mm，供气压力为0.5 MPa。遵循洁具工作流程，基于Visual Basic 6.0编程环境，实现了根据人工排泄物量设置真空度的要求并完成抽吸作业。对应于不同的真空度，真空发生器在预先设定的工作时间内完成了真空建立过程并测试真空发生器回路的耗能量。当排污液量由 0.2×10－3m3增加到 1.6×10－3m3时，供气能量从100 J增大到1 800 J，对比于现行的真空洁具设备每次冲洗时固定真空度，节省压缩空气消耗量达30%以上，有较大的节能潜力。

3 结束语

为了研究洁具真空吸排系统压力响应过程并制订供气量调节策略，测定并得出了真空发生器静态流量特性，并对真空收集罐的压力响应过程进行了仿真。通过比较仿真和试验结果，简化后的压力响应模型能较好地反映真空收集罐内的压力变化。因此，通过调节真空吸排系统的供气时间而改变真空发生器供气量和真空系统真空度，实现了真空度按需调节并有效降低压缩空气能耗。经过试验测试，经过供气量调节设计，节省压缩空气消耗量达30%以上，显示出了很好的发展应用前景。

［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.

［3］FLERI E，GALLIANO P，HARRISON M.Proposal for a Zero-gravity Toilet Facility for the Space Station［R］.National Aeronautics and Space Administration，U.S.:NASA-CR-183151.

［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.

［5］ GUO Zhonghua，LI Xiaoning，LI Xin，Toshiharu Kagawa.Study on Pressure Response of Ejector Vacuum Circuit［J］.International Journal of Fluid Power，2011，12(1):51－58.

［6］FUNAKI T，SENGOKU K，KAWASIMA K，et al.Development of Air Consumption Measuring System for Pneumatic Elements Using Isothermal Chamber［J］.Transactions of the Japan Fluid Power System Society.2005，36(2):39－44.