基于行程反馈控制的太阳能蒸汽泵性能研究

吴 毅 黄小兵

(攀枝花学院 智能制造学院，四川 攀枝花 617000)

0 前 言

传统往复泵几乎都属于机动型，在没有电力供给的情况下无法正常运行[1]。在偏远地区、电力条件受限的野外或山区，农业灌溉和山林灌溉中往往无法使用传统往复泵，工作难度较大。为此，需考虑设计一种太阳能蒸汽泵，以解决电力不足的问题。

目前在用或在研制的太阳流体活塞泵工作原理，主要是利用高压蒸汽的膨胀和冷凝过程推动水的运动并使其作功，从而完成吸排液过程[2]。由于其工作容腔在冷热交替过程中不断发生变化，导致效率低下(一般低于2.5%)，因此，还需改善这种冷热交替现象，以提高水泵的工作效率。国内见于报道的太阳能泵设计和应用创新成果不多。早年间，源兴介绍了几种太阳能水泵的结构和工作原理，为太阳能水泵的研制提供了一定的参考[3]。在张国富翻译的文献中，介绍了太阳能泵的工作原理及其结构组成，以及流量随各时刻日照的变化关系[4]。在唐季湘摘译的文献中，介绍了兰金循环式太阳能泵的结构组成、工作原理及核心部件，指出了其性能优势及局限性[5]。蒸汽泵的液缸活塞和汽缸活塞由活塞杆直接连接，通过机械结构控制配汽机构换向使汽缸活塞往复运动，从而带动液缸活塞作同步往复运动，完成吸排液过程[6]。由于汽液介质分别在汽缸和液缸中工作，蒸汽泵较好地解决了汽液接触的冷热交变现象，可大幅提高泵的工作效率。

本次设计的太阳能蒸汽泵，是通过行程反馈控制的方式[7]来实现太阳能蒸汽泵的汽缸往复运动。

1 太阳能蒸汽泵的工作原理及结构组成

太阳能蒸汽泵系统的工作原理是：循环油液将太阳能集热器的热量通过热交换方式转换，在闪蒸器中将清水转化为高压蒸汽，以此为动力源推动汽缸作活塞运动(见图1)。

图1 太阳能蒸汽泵系统原理图

太阳能蒸汽泵主要由蒸汽缸、液缸和配汽机构等部分组成(见图2)，可由自身结构控制换向。其工作过程如下：当进汽口3接通高压蒸汽时，活塞向右运动，液缸单向阀打开，左腔吸液、右腔排液；当活塞行至右死点时，反馈控制口6打开，高压流体经反馈孔进入换向阀右腔，推动换向阀并控制着活塞向左运动换向；当进汽口8接通高压蒸汽时，活塞向左运动，液缸单向阀打开，右腔吸液、左腔排液；当活塞行至左死点时，反馈控制口7打开，高压流体经反馈孔进入换向阀左腔，推动换向阀并控制着活塞向右运动换向。如此反复交替，蒸汽缸便带动液缸作同步往复运动，液缸吸排液室的单向阀交替开启和关闭，从而实现吸排液过程。

图2 太阳能蒸汽泵结构图

2 太阳能蒸汽泵模型的建立

与机动往复泵不同，太阳能蒸汽泵的活塞运动规律取决于作用在活塞上的瞬时蒸汽压力、瞬时液体压力和各项阻力的合力，其活塞运动规律并不固定[6]。考虑太阳能蒸汽泵的实际工作情况，在建立数学模型时首先作如下假设：

(1)不考虑清水的压缩性、黏度和温度的变化。

(2)所有结构部件均视为不变形刚体。

(3)蒸汽流量为恒定值。

(4)不考虑清水的质量。

2.1 数学模型

2.1.1 液缸活塞的受力平衡方程

以向左运动为例分析活塞受力情况(见图3)，则液缸活塞的受力平衡方程为：

图3 活塞受力示意图

(1)

式中：pq——汽缸进汽腔内工作蒸汽的压力，Pa；

Aq——汽缸无杆腔活塞截面积，m2；

py1、py2——抽水液缸吸水腔、排水腔压力，Pa；

Ay1、Ay2——抽水液缸有杆腔活塞截面积，m2；

m——活塞组件的总质量，kg；

f——活塞环与缸壁，活塞杆与填料密封的摩擦力，取(4%～8%)Fmax，Fmax为活塞运动中的最大流体压力，N；

x——活塞的位移，m；

t——活塞的运移时间，s；

λ——阻力损失系数。

2.1.2 吸排液过程中缸内的压力特性

太阳能蒸汽泵吸排液过程如图4所示。由伯努利方程推导出液缸吸排液时腔室的压力方程：

图4 太阳能蒸汽泵吸排液过程示意图

(2)

(3)

式中：patm——标准大气压，MPa；

pg——测试气压，MPa；

hx、hp——吸水、排水高度，m；

u1、u2——吸水腔、排水腔内液体瞬时流速，即活塞的瞬时速度，m/s；

hax、hap——吸水管、排水管内液体惯性水头,m；

lx、lp——吸水管、排水管长度，m；

dx、dp——吸水管、排水管直径，mm；

ux、up——吸水管、排水管内液体瞬时流速，m/s；

hλx、hλp——吸水管、排水管沿程压力损失,m；

λx、λp——吸水管、排水管局部阻力系数；

∑hζx、∑hζp——吸水管、排水管局部压力损失，m；

ζx、ζp——吸水管、排水管局部阻力系数；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

ρ——工作介质密度，kg/m3。

由式(1)—(3)，可求得活塞的运动速度。

2.1.3 瞬时流量模型

在正常工作状态下，太阳能蒸汽泵的瞬时流量可由活塞运动速度和活塞面积来计算：

Qs=A·v

(4)

式中：Qs——瞬时流量，m3/s；

A——液缸活塞的有效面积，m2；

v——液缸活塞的运动速度，m/s。

2.2 AMESim仿真模型

在上述分析的基础上，建立太阳能蒸汽泵仿真模型(见图5)。为便于仿真计算，对实际运行情况作如下简化[7-8]：

图5 太阳能蒸汽泵的AMESim仿真模型

(1)假定蒸汽输入源恒定。

(2)不考虑活塞及缸体等部件的弹性变形。

(3)不考虑泵内部通道的清水质量。

(4)不考虑系统外泄漏。

3 太阳能蒸汽泵仿真结果分析

3.1 正常工作状态下的运动规律

设置太阳能蒸汽泵模型参数，如表1所示。当进汽压力为 2 MPa时，汽缸活塞和配汽阀阀芯的位移、速度变化如图6、图7所示。

图6 活塞和阀芯的位移变化

图7 活塞和阀芯的运动速度变化

表1 太阳能蒸汽泵主要模型参数

由于进汽压力较高，配汽阀阀芯的运动行程较短，其换向时的运动速度较大，换向动作极快，故其位移曲线呈方波形，速度呈脉冲状。太阳能蒸汽泵刚开始启动时，进汽腔侧有高压蒸汽，而排汽腔侧无压力蒸汽；于是，速度急剧增加，活塞运动周期略小于稳定运行的周期。当运行状态平稳之后，在配汽阀阀芯完成换向的瞬间，汽缸中的高压蒸汽由进汽腔接入排汽腔，使得活塞立即减速至停止，然后在行程终点立刻反向运动，其位移曲线呈三角波形。由于活塞行至行程终点时，进汽腔中蒸汽需排放减压，使得汽缸活塞受力大于液缸吸液阻力才可反向回程，因此活塞的换向周期大于阀芯的换向周期。此时，进汽腔中乏汽但仍有压力，故活塞运动较刚启动时的增速更平稳。

由式(4)可知，泵的瞬时流量随着活塞运动速度的变化而变化。根据其运动规律，刚启动时因增速加快，使得输出流量和压力急剧增大；而运行稳定之后，输出流量和压力则变得平稳。但在活塞行至行程终点时行程换向出现停顿，这将导致瞬时输出流量和输出压力不稳定。弹簧刚度和进汽压力会对太阳能蒸汽泵的流量和压力特性产生一定影响。

3.2.1 弹簧刚度的影响

当弹簧刚度不同时，太阳能蒸汽泵在正常工作状态下的瞬时出口流量、瞬时出口压力变化如图8、图9所示。当弹簧刚度增大时，活塞运动阻力随之变大，其运动增速平缓，且速度逐渐下降；于是，瞬时流量、瞬时压力的增长亦变得平缓，泵的瞬时流量和瞬时压力均逐渐降低，活塞运动周期略微延长。同时，弹簧刚度增大，活塞在行程终点处停顿的时间有所缩短，瞬时流量和瞬时压力的平稳性有所增强。在同等输出流量的条件下，增大弹簧刚度，必然要增加进汽量以提高活塞的运动速度。因此，在实际应用中需根据泵的性能要求合理选择弹簧刚度的值。

图8 不同弹簧刚度下的瞬时出口流量变化

图9 不同弹簧刚度下的瞬时出口压力变化

3.2.2 进汽压力的影响

当输入蒸汽的压力不同时，太阳能蒸汽泵在正常工作状态下的瞬时出口流量、瞬时出口压力变化如图10、图11所示。进汽压力增大，会导致活塞运动方向所受合力增大，速度也迅速加快；因此，在启动和稳定运行状态下，瞬时流量和瞬时压力均逐渐增大，而活塞运动周期明显缩短。但是，提高进汽压力对瞬时出口流量和瞬时出口压力的稳定性影响并不大。

图10 不同进汽压力下的瞬时出口流量变化

图11 不同进汽压力下的瞬时出口压力变化

4 结 语

本次设计的太阳能蒸汽泵，是以行程反馈控制的方式来实现往复运动。在此，根据太阳能蒸汽泵的结构组成，搭建了AMESim仿真模型，分析了其正常工作状态下的运动规律，以及弹簧刚度、进汽压力对蒸汽泵出口流量和出口压力的影响。分析结果表明，进汽压力、弹簧刚度的变化对输出流量压力特性具有显著影响。泵的瞬时出口流量和瞬时出口压力均随着弹簧刚度的增大逐渐降低，因此，加大弹簧刚度可改善压力和流量的稳定性。提高进汽压力，可使泵的瞬时流量和瞬时压力增大，但对其稳定性并无显著影响。