气动充放气系统中的水蒸汽凝结现象及其影响因素

第 �� 卷 第 � 期 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 ���� !∀ �� � ! ∀�� �� � � !,���� �� � �� ���犯� � � � � � , �� ��列洲� 年 � 月 人环 � ��刹月 气动充放气系统中的水蒸汽凝结现象及其影响因素 ‘ 李 军 王祖温 包 钢 �哈尔滨工业大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 � 摘 要 随着气动技术向高速化和小型化的发展 , 气动系统的结露问题也随之出现 , 严重影响了气动系统的 性能 � 由于结露产生的机理较复杂 , 影响的因素较多 , 因此以往的研究仅局限于有限的实验研究 , 本文利用均 匀凝结理论 , 以气动系统中典型的充放气系统为研究对象 , 从理论上计算出了该系统在放气过程中的凝结情 况 , 分析了系统各参数对凝结过程的影响 � 并指出了系统的初始湿度和气管长度 , 容器的体积的影响较明显 , 而初始压力 , 尤其是初始温度的影响不明显 � 为气动系统的内部结露研究提供了理论依据 � 关键词 气动充放气系统 � 结露 � 均匀凝结 � 影响因素 分类号 月�� ��� � � 水蒸汽饱和曲线� ��,凡 己��只田 近年来随着气动技术向小型化和高速化方面 的发展 , 使气动系统出现了结露问题 � 根据发生的 位置不同 , 结露现象分为内部结露和外部结露 � 内 部结露是指在气动系统运行过程中其内部 �例如 气缸 、气管和阀等的内部 �出现水滴的现象 � 外部 结露是指在气动系统运行过程中系统元件的外部 出现水滴甚至结冰的现象 � 其中内部结露对系统 的润滑 、寿命以及可靠性等都有很大的影响 � 内部 结露发生的机理是在气动系统运行过程中 , 压缩 空气的突然膨胀使其温度急剧下降 , 有可能使包 含在其中的部分水蒸汽凝结为液态的水滴 � 在排 气过程中 , 如果随压缩空气排出系统的水滴的质 量小于由这些压缩空气凝结出来的水滴的质量 , 就会有一部分多余的水滴留在系统中 , 如此不断 累积的结果使系统出现内部结露川 � 由于结露是 和很多因素有关的复杂现象 , 以前只能根据实验 得到一些有限的结论 , 本文将利用均匀凝结理论 从理论上进行分析 � � 均匀凝结理论 当汽液界面为无限大时的凝结过程是按照水 蒸汽的饱和曲线发生 的 , 如图 � 中的曲线 � 。 � 但 是在气动系统中 , 压缩空气一般是经过除尘除水 等净化处理的 , 没有液相面存在 , 这样凝结核就只 可能是极微小的杂质微粒或 自发形成的微小液 滴 , 分析在这种情况下的凝结过程就要考虑液滴 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面张力的影响 , 这时的凝结过程不是按照凝结 线发生的 , 而是有一定的过饱和度 , 如图 � 中 � �� 段 � � � 温度 刀� 图 � 水蒸汽饱和曲线及过饱和度示意图 �� � � � 助�� � 习�� � � �� �� ��� � 田 �� �� 脚� �� �� �� 晓泊�切�� ! �� � � � 相平衡条件和临界半径 一般情况下 , 温度压力一定的热力学系统的 平衡条件为吉布斯 � �� ��� � 自由能最小 , 即 � � � � � , � � � � � � � � 这里吉布斯 自由能 ‘是物质质量 � 与化学势产 的 乘积 � � 二 � · 产 �� � 考虑微小液滴和水蒸汽之间的相平衡 , 这两 相之间的界面为有限曲面 , 如果曲面的半径较小 , 表面张力的作用不能忽略 , 此时气相和液相之间 压力差和表面张力平衡 � 当液滴较小时其形状为 球形 , 相平衡条件可以写成 � 式 一 几 二 � � �� 收稿日期 � �的� 一 �� 一肠 � 李 军 , 男 , �卯� 年生 , 博士生 �哈尔滨工业大学 ���气动技术中心 � �引� �� � � ‘ 国家自然科学基金资助项 目�� � �� � �� �� � 第 � 期 李 军等 �气动充放气系统中的水蒸汽凝结现象及其影响因素 � � � �浏, � �� � 产, 一 产� � 式中 � � 为温度 , 尸 为压力 , 下标 。 标 � 表示液滴 , � 为液滴的半径 , 。 ��� 表示水蒸汽 , 下 为液滴的表面 率比较大的变化 � 在实际 中 , 表面 张力是变化的 , 陶尔曼 ��� �� �用准热力学观点提出一个表面张力依赖于半径的关系式 � 。 �� � 二 � � � ��占� � � 张力 , 。。 为水蒸汽的比容 � 由上述的相平衡条件得出 , 与半径为 � 的液 滴平衡的水蒸汽压力为�� 式中 。 � 是平面的表面张力 , 占是长度 , 分子半径的 � � �� 至 � � � 倍 � �� � 等于液态 , 一 , …�‘命 , �� � 平面状液面的表面张力 。 � 采用下面的经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 �’� � 一一�� � �万 �� ��卫 ��一��一一 式中 � �� 为当液滴的半径为 � 时 , 和它平衡的水蒸 汽压力 � 尸 � 为当汽液界面为 �� 时的饱和水蒸汽 压力 � � � 为水蒸汽的气体常数 � 从上式可以看出半径为 � 的液滴的饱和蒸汽 压比汽液两相界面为无穷大时的饱和蒸汽压大 , 随着液滴半径 � 的增大 , �� 减小 , 当 � 为无穷大时 , � � 二 � 二就单个球形液滴和无限多蒸汽平衡而推 导出的方程 � � 所表达的水蒸汽和液滴的平衡是 一种不稳定的平衡 � 如果有一个蒸汽分子凝结到 液滴上 , 液滴的半径就增大了 , 同时无限多水蒸汽 的压强仍保持不变 , 略微增大的液滴具有较小的 平衡蒸汽压强 , 于是该液滴会继续凝结下去 � 另一 方面 , 如果有一个分子从液滴蒸发出去成为气体 , 那么尺寸变小的液滴就需要较现存的蒸汽压强为 高的平衡蒸汽压强 , 于是蒸发会继续进行下去 � 定 义以当前水蒸汽压力为饱和蒸汽压的液滴的半径 为临界半径 , 它可 以用下式表示 �� � � , � 几 一 � �‘ ‘ � 了丁下万不一药 � 艺 � 。 � 几 一 � � “ 式中 � 。 � 为平面状液面的表面张力 � � 耐 � , 临界温度 � � � , 。 , 二 � � �。 肠 即 � �� 一 , � � � ��� 似哪 � �� 一 � � 内 � 一 � �悦舫 �图 � �� 一 � � �姗 �� 心 � �� 一 � � 几 二 一 � � 礴 ��� 期 �� � � � �日 � �� � 几 为 � � � � � � � � � � 液滴的生长速度 当一个液滴成为稳定的液滴以后 , 它 的半径 会随着时间发生变化 , 定义这个变化率为液滴的 生长速度 , 它可表示为川 � � � � 、 一 �� � 一 � 。 丫厄妥天不于 � �� � �口 ‘ � 风瓦厕石币 式中 甲为相对湿度 � �� � � � � 核的形成率 按照均匀凝结的理论 , 所有会长大的液滴都 必须先达到临界半径 , 然后再作为稳定的液滴继 续生长 , 那么临界半径就可以当作凝结之门 � 定义 单位时间单位体积内生成的临界凝结核的个数为 核形成率 , 记为 � � 对这个 核形 成率 , 伏 尔末 � � � �� � � � 、 贝 克 ��� �� �� �和窦林 � �七“� � �等都进行过研究 , 本文中 采用的是弗兰克尔提出的公式 �� � 式中 � � 为凝结系数 � 从上式可以看出当水蒸汽的 分压 尸� 比尸� 本时 , 矛� � , 水蒸汽中的水分子向水 滴的表面凝结 , 水滴不断长大 � 反之 , 尸� 比尸� 小 时 , 矛 � � , 水滴蒸发 � 对于相同温度 , 由于 �� � 尸 � , 所以要使液滴成长 , 水蒸汽必须具有一定的 过饱和度 � � � � 凝结且的计算 随着放气过程的进行 , 压缩空气密度发生变 化 , 空气中液滴的数密度也随之变化 � 在 � 时刻 � 一 � � � � 时间内单位体积产生的液滴数量变为 � �凡 � � , 式中 � �� 动 为 � 密度 � , 、 � , � 、 户。 � � � � � � � 、万 � 丁万二下�� 、万 � 时刻时的核形成率 · � � � �� � , �� 为空气的 在 � 一 � 时间段 内单位体积水蒸汽的凝结量 � 为 � 厄万 � , , , 、� , 一 �二 �愁。 、� 二 丫而 瓦、牙 , � � � 、一丽不一 , 、� , 。� �卜音二二��,仁·。 � · , · 将方程 � � �代人方程 � �� 中可 以看出 , 其中 。 的指数项和 。 的三次方成正 比 , 和 �� 甲的平方成反 比 , 所以核的形成率受表面张力和过饱和度的影 响较大 , 这两个值的一个小的差就会引起核生成 �‘、� � , � 产 � � � , �� 了� � 碑竺黑 �� � � �� �� � �。 气� � 式中 � � 。 为水蒸汽的密度 � � � � 相对湿度和绝对湿度 在气动系统中 , 由于压缩空气 中水蒸汽的量 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 31 卷 是有限的 , 随着凝结的发生 , 水蒸汽不断地减少 , 这会影响以后的核生成率 , 这个影响主要是通过 相对湿度的变化来作用的. 相对湿度的定义为 : 尸v 沪 = 瓦 P声 FT 一 尸. ( 14 ) Fi g .2 Pn e“比旧ti e e ha 心ng an d di sc ha 心ng sy ste m 平面液面的饱和蒸汽压力和温度 T 的关系用 管野(SUC ENO )关系式表示 : p 二 = Pc e x p { 「7 .213 79 + (a + bT) · ,‘,‘110冬侧消韧契( : 一 4 8 3 . 16 ) 2】(1 一乎 (15) 式中: Tc 和 尸。 分别为水蒸汽的临界温度和压力 , Tc = 翻7 .3l K , 尸。 = 2 . 25 6 5 x l J Pa . a , b 为常数 , a = 1 . 1 5 2 x 1 0 一 5 , b = 一 4 . 7 8 7 x l o 一 4 长度 L/ m 绝对湿度定义为单位体积水蒸汽的质量 . 卜卜入入—一 {{{呱呱呱 ‘ lll丫丫{{{ 缸二~~~犷一一朴朴一一一一一一{{{一___酬嘛不二二二((((((((( 时间 t/s 、 , 了、、了 67 飞且山卫了口, ‘‘、两一v 凝结发生后的绝对湿度为 : P 。 = P 。 一 M ( r ) 图 3 放气过程中相对湿度变化曲线 Fi g.3 v面ati on of re俪ve hUn ‘di ty d un ng di sc ha rgi ng x 10 一 3 。!日的芝d侧蜘咽妈辉书 厂Lld ?日令”d侧却撼艇节 2 气动充放气系统中的凝结过程 本文中的研究对象为气动系统中典型的充放 气系统 , 如图 2 所示 .通过流场计算可 以得到在放 气过程中容器内及管路中的压力 、温度变化值[s] , 利用上面的均匀凝结理论来计算该系统在放气过 程中的凝结情况 , 由于这些凝结出来的水滴基本 上是悬浮于空气中的 , 所以定义质量密度来描述 它们的多少 , 即单位体积空气中含有水滴的质量 . 图 3 和图 4 是在放气过程 中容器和管路内压缩空 气相对湿度和凝结水滴质量密度的变化曲线 .系 统各参数值为 :初始压力 O.6M pa , 初始温度跳.4K , 环境温度为 2刃K , 容 器直径 ·为 0 .08 m , 长度 为 0.以gm , 容器和管路连接处节流 口面积为 19 nu刀) , 管路长度为 1.66 m , 内径为 6~ , 管路出 口处节流 口 面积为 Zl mi n{.从这两图可以看出 , 在放气过程 中 , 随着系统内部温度的降低 , 空气的相对湿度不 断增大并产生过饱和 , 当到达一定的过饱和度时 , 空气中的水蒸汽发生凝结 .从相对湿度的变化曲 线上看 , 在凝结现象发生时 , 空气从很大的过饱和 度迅速地降到 1附近 , 说明凝结发生的过程是非 常快的 , 图 5 描述了在凝结过程中水滴的数量和 半径的变化 .从图中可 以看到凝结过程中在 4Ins 的时间内就完成 了水滴的生成阶段 , 在接着的很 长时间里不再有新的液滴生成 , 这时凝结出来的 水使已经形成的液滴半径增大 .这些凝结出来的 图 2 气动充放气系统 长度 L /m 1 .任 赢赢赢赢赢赢赢赢赢赢 时间 r/s 图4 放气过程中水滴的质量密度曲线 Fi g.4 M ass de ns ity of wat er 击叩let d面ng di sc l洲rgi ng 口 :l = U .U ) 斗进 b :t = 0 0 5 5 : C :t = 0 . 0 5 65 = 0 .0 5 6 55 = 0 .0 5 8 5 1 0 一 5 水滴直径 d/ m 图5 放气过程中容器内液滴半径和数密度 Fi g.5 Ra di us and 一cdensityofwater面nle tin ~duri ng di sc llar硕ng水滴的数量尤其是半径对气动系统内部结露的影 响很大 , 而水滴的半径和数量主要是受系统参数 决定的 . 第 2 期 李 军等 :气动充放气系统中的水蒸汽凝结现象及其影响因素 :t= 290K= 30() K , = 3 1 0 K , = 3 2 0 K , 甲 二0 .5 5 价= 0 .3 甲= 0 .17 甲= 0 .1 l0l’l0tz 010沪护0’;日令”d侧脚级澳书 102 L es10 一 7 图8 Fi g .S D晚et 1014一 10一 6 1 0 一 , 水滴半径 r/m 初始温度对凝结过程的影响 of ini tial tenlpe ra ttlre on eonden目a ti on P roc eSS a: L = ! m b : L = s m C : L 二 10 m d : L 二 1 5m ”U ;E岌d 少护护侧却截艇书 3 系统参数对凝结过程的影响 系统的参数包括压缩空气的初始湿度 、温度 和压力 , 管路的长度和内径 , 容器的体积和系统各 处 的节流 口等 .在这里讨论其中一些重要参数对 凝结过程的影响 , 在对比过程中系统参数缺省值 为本文第 3 小节中的系统参数 , 对比时改变相应 的参数 , 其它参数不变 .图 6 至图 ro 是各系统参 数对凝结的影响曲线 , 该影响主要表现为对于不 同的系统参数凝结出不同数量和半径的水滴 .从 图中可以看到初始相对湿度越大 , 系统中的含水 量越多 , 凝结出来的水滴半径越大 , 数量越少 .初 始压力越大 , 凝结产生的水滴半径越大 , 数量稍有 减少 .初始温度越低 , 凝结产生 的水滴半径越大 , 数量越少(这里 的对比是以具有同一品质的压缩 空气为基础进行的 , 即相同质量的空气中含有水 蒸汽的质量相同 , 这也是符合气动系统的实际情 况 ).系统的管长和容器体积的大小对凝结现象的 影响是管长越长 , 容积越大 , 凝结出来的水滴半径 102L10一 7 1 0 一‘ 水滴半径 :/m 10 一 5 , .且,、一曰、, 汀 a: 中 , 仓 b: 价 = 0 . c: 价 = 0 . 图9 管长对凝结过程的影响 Fi g. g E压笑t of t吐祀 le l喝th on e o nd e nsa ti on p氏℃巴铝 a : V = b :V = c 二V = d : V 二 l0’’1012101010al06l0’ 衅10la1010l0sl0’ ?日令\d侧却搽辉节 ;E七d侧脚撼艇书10 一 7 1 0 一 6 水滴半径 r/m 10一 5 卜.匕洲护护l 图 6 初始相对湿度对凝结过程的影响 Fi g.6 以rec tof iul ti以 化lativ e 11山1‘di ty on co nde ~ on p脱eSS :几二 O .6 M Pa几 = 0. SM Pa0 .4M Pa 甲 , 0 . 6 中= 0 .5 中= 0 4 中= 0 .3 , 0 : } 10 , 气!0一 ’ 1 0 一 5 氏 二 0. 3 M Pd 水滴半径 r/ m d 亡 b 泛 图 10 容器体积对凝结过程的影响 Fi g.ro 础rec t of con七”ne r v ol ~ on co r妇ensaoon p叹es s 越大 , 数量越少 .而且可 以看出 , 系统的初始湿度 和气管长度 , 容器的体积的影响较明显 , 而初始压 力 , 尤其是初始温度的影响不明显 . 0l’012010了护少 宁日令”d侧脚摇澳关 102 L--10 一 7 1 0 一 6 水滴半径 ;/m 10 一 , 图7 初始压力对凝结过程的影响 Fi g.7 Effe ctof ini tial p ~ on co nde ~ on p联翎 4 结论 (l)本文利用均匀凝结理论 , 以气动系统中典 型的充放气系统为研究对象 , 计算出了该系统在 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 31 卷 放气过程中的凝结情况 . (2) 分析了充放气系统参数对凝结过程的影 响 , 当初始湿度和压力增大 、 温度减小 、气管长度 或容器体积增大都会使凝结出来的水滴半径增大 数量较小 , 反之则半径减小数量增多 .其中系统的 初始湿度和气管长度 , 容器的体积的影响较明显 , 而初始压力 , 尤其是初始温度的影响不明显 . 参 考 文 献 二义石等).SM C 技术 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 书 , 1卯1, 1 一 10 斯蒂弗 H G .高速流体中的凝结现象 .北京:科学出版 社 , 1 9 8 8 . 1 2 一 26 张护平 , 池尾茂 , 高桥浩尔等 .空气压夕 又于 八内刃结 露忆关寸乙研究.油压和空气压 , 1卯6 , 26 ( 1 ) : 93 一 卯 西安热工研究所编.水和水蒸汽热力学性质图表.北 京 :水利电力出版社 . 1974.拼2 一 2 44 金英子 , 李 军 , 包 钢等.气动系统充放气过程中传 热系数的测定及其影响.哈尔滨工业大学学报 , 1卯8 , 30 ( 1 ) : 1 5 一 1 9 1 王祖温 .结露忆关寸 乙研究(第一报:结露内分类 、 / 力 C o nd e ns ati o n o f V a po r in Iha eu Lr n a ti e S y s te m a n d F a c to rs Ha 诵吃 E巧ec t on it 几 Ju n 环乞ng Z “战n 石乞。 命ng (M ec ha troniC Engi~ ring Co llege , 扭1, ) A bS 枉习ct A s th e s Pe ed o f p n e uma tie s y s te m 罗ts high er wh ile th e pne um atie 斗stem 罗ts sm al ler in s滋 , th e p rob - l e m Of co n d e n sa t i o n of v a p o r oc e u rs . Fo r e o m P li e a ted o f me e h an i sm an d too mu e h fa e to rs h avi ng e ffe e t on c o n d e nsa - t i o n , 耐ya few expe rirne nts were don e be fore .Condensa tion of vapo rduri飞 disc har 硕嗯 was 。红e以ated ac eo记 i嗯 to horr幻ge ncou s n u e le a tion th eo ry fo r e otnmon p n e um at i e c h哩ing an d di sc hargi叱 可ste m , th e e ffe e t o f th e 斗stem , s o n e o nd e n sa ti o n P roc e s s t ul 犯 an d th e v olLun e of co n ta in er 15 O n 。 was an al y z ed . An d i t 1 5 e on e l u d ed tha t th e e ffe e t of i ni t i al h unu li ty , th e l e n gth of 笋at an d th e initi公 p re ss u re an d tem pe rat u re h av e liul e inll u en ee o n eon de n sati- K ey ”/o n ls Pn euma tie e ha r孚n g an d d isc h argi 飞 勺ste m : eon d ensa tion of va 即r; hom ogenco us nuelea tion ; effe et-ed fa cto rs (上接第 91 页 ) E 火is ten ce of R 凌n do m S ul u ti o ns to th e 玩clus ion Eq ua tlonsx (。 )任F (。 , x ( 。 ) , 夕(。 ) ) , 少(。 ) 任G (。 , x ( 。 ) , 夕 (。 )) 及n Q 故ng Z人ang Da li NI X 她砂乞ng (De Pt . of M ath emati cs , H 开) A 加tI习C t 玩t E be a wea kly eom paet eon vex subset of a Se par ab le B an ac h spe ce sa tis尔ng 钾ial ‘ 5 e on di ti on . ( n , ) a 任 月 , me as u rab l e s卿e.此tF and G :口 x E x E 一 CK (E ) be m appi飞5 sueh th at fo r ea eh f 任 C (E ) , 。 二 任 君 , 尸(。 , 二 , f( 二 ) ) an d ‘(。 , x , f( x ) ) are e on t i n u ou s ran d o m oPe rato rs an d F ( 。 , u 伴hitz an d moreove r万( e (。 , x , , 、) , c ( 。 , x , , 2 ) ) 蕊 }l , , - ) : ! } for an y 。 任 几 , x 山ere e石st me as u汕一e m ap p in gs u an d 。 :几 ~ ￡ su e h 山a t u (。 ) 任 F (。 , u ( 。 ) , 。 ( 。 ) ) u ( 。 ) , 。 ( 。 ) ) . K 盯 w 。曲 Ran dom fixe d因int: set一 v al u ed ma p p i嗯s: Ban ac h s那ce , y - an d x , · ) 1 5 天(。 ) - , y : 任 E . Th en 。 ( aJ ) 任 G (。 ,