真空管路中內部結露機理及試驗研究

朱 冬，郭 鑫

(東北林業大學 交通學院， 哈爾濱 150040)

0 引言

氣壓傳動作為基本的傳動形式之一，具有安全可靠、防爆防磁和潔凈等優點，在食品加工、紡織機械、醫療器械[1-2]和車輛生產[3-5]等行業中應用廣泛，是實現工業自動化的重要途徑。近年來，許多學者對氣動執行元件的力和位置的控制精度進行了大量的研究以改善系統性能[6]。執行元件的力和位置受到氣缸活塞和缸壁之間非線性摩擦力的影響，而摩擦力受到氣缸內部濕度的影響[7]。目前氣動元件日趨小型化、緊湊化，使氣動系統中的液態水凝結即結露問題逐漸凸顯出來[8-12]。根據凝結水位置的不同，結露可分為內部結露和外部結露。壓縮氣體中的水蒸氣凝結成液態水并附著于氣動元件內壁，形成內部結露。當環境空氣中的水蒸氣在元件外表面凝結則形成外部結露。內部結露會稀釋元件潤滑脂，影響元件壽命，液態水結冰能阻塞閥口，影響閥的使用，使氣動系統不能正常工作。外部結露會導致設備生銹，污染環境。

國內外學者對氣動系統中結露現象進行了研究。Jin等[13-14]分析了在小容積和長管路組成的氣動系統中內部結露的影響因素。李軍等[15]建立了氣動系統一維非定常流動模型，利用有限差分法得到了充放氣過程中系統內部壓縮氣體的溫度和壓力分布，并給出了內部結露的可能性計算公式。朱冬等[16]模擬了發生外部結露的氣動元件的溫度，提出了一種快速判斷結露發生的方法。徐志鵬等[17]研究了高壓氣動減壓閥中的結冰現象，對閥內部結冰的部位、條件等進行了仿真分析，認為結冰出現在先導閥中間腔而非溫度最低的主閥排氣腔。賀國等[18]對柴油機氣體減壓閥內部流場進行了模擬，研究表明常規氣源條件下通流介質溫度的降低和減壓閥內部機械結構是導致閥門結露現象的主要因素。以上結露均發生在正壓氣動系統中，即系統內部壓力高于大氣壓，而近年來在真空系統中也出現了結露現象。真空系統往往用于搬運芯片、汽車玻璃等易損易碎且不適合夾緊的物件[19]，內部氣體與工件直接接觸，所以內部結露不僅會影響真空元件性能，還會污染被操作工件。因此，研究真空系統內部結露，避免發生結露是尤為迫切的。

1 內部結露的機理及影響因素

1.1 內部結露機理

真空系統一般由真空發生元件、真空減壓閥、換向閥、吸盤和氣源等組成，如圖1所示，圖中真空發生元件為真空泵。換向閥5斷電時，真空泵運轉使系統處于真空狀態，工件被吸盤吸附。當換向閥5通電，正壓氣源向系統充氣，真空條件被破壞，吸盤與工件脫開。系統周期性地重復上述過程，實現對工件的操作。

1.氣源;2.過濾器;3.干燥器;4.減壓閥;5.換向閥;6.真空傳感器;7.氣管;8.吸盤;9.工件;10.真空減壓閥;11.真空泵

一般情況下，氣體中含有一定量的水蒸氣，壓力降低時，氣體容納水分的能力降低。若氣體達到飽和狀態，水蒸氣將從氣體中析出，以微小水滴的形式懸浮于氣體中并隨之一起運動，如圖2(a)所示。抽真空時氣體加速向系統出口運動，由于微小水滴的慣性大于氣體慣性，在排出系統過程中逐漸落后于氣體，因此相較于氣體，微小水滴更接近于系統末端。

圖2 管路內水滴運動示意圖

充氣時進入系統的氣體具有較高的壓力和溫度，能夠容納較多的水分，會吸收管路中部分析出的微小水滴，并帶動未被吸收的微小水滴向系統末端運動，如圖2(b)所示。充氣是減速運動，氣體會逐漸落后于水滴。隨著系統反復地進行抽真空和充氣，微小水滴逐漸在系統末端累積和聚集，并附著于氣動元件內表面形成內部結露。

由以上分析可知，真空系統發生內部結露必須具備2個條件。條件1是氣體在真空狀態下達到飽和狀態,析出微小水滴。當氣體達到飽和狀態即相對濕度達到100%時，水蒸氣才能夠從氣體中析出，意味著水分從氣態轉變為液態。若在真空系統工作過程中氣體未達到飽和狀態，水蒸氣不會從氣體中析出形成液態水，則系統中不會出現結露。條件2是微小水滴能夠附著在元件內表面而不隨氣體排出系統。若析出的微小水滴和氣體一起被排出系統，元件內表面不會有液態水聚集。此時雖然在系統內部出現了液態水，但仍認為系統未出現結露。當析出的微小水滴未隨氣體完全排出系統，則水滴會在系統內聚集。隨著時間的累積，水滴附著于元件表面而形成結露。

1.2 內部結露影響因素分析

由真空系統中出現內部結露必須具備的條件，可以得到影響內部結露的主要因素。

條件1要求抽真空過程中氣體能夠達到飽和狀態。這一方面取決于氣體的初始濕度，初始濕度越高，氣體在抽真空過程中達到飽和狀態的可能性越大；另一方面取決于氣體容納水蒸氣的能力，這隨著壓力的升高而增加。因此充氣壓力和真空度對內部結露有著重要影響。

條件2要求微小水滴能夠不隨氣體排出系統。這取決于氣體和水滴的運動速度、行程和運動阻力等因素。運動速度和壓力差有關，運動行程取決于氣管長度，而運動阻力受到氣管直徑的影響，因此充氣壓力、真空度、氣管長度和直徑對結露有著重要影響。同時，液態水滴在元件內表面聚集是時間積累的結果。

綜上分析，影響真空系統結露的主要因素包括氣體初始濕度、充氣壓力、真空度和工作時間等工作參數,以及氣管長度、直徑等系統結構參數。

2 內部結露試驗系統的開發

2.1 試驗系統的基本功能

圖1中氣管7位于真空傳感器6和吸盤8之間，在結構上形成了單端封閉的結構，易出現內部結露。因此以氣管7為研究對象建立如圖3所示的試驗系統，包括氣動系統和電氣系統。氣動系統包括真空單元、正壓單元和試驗單元等。

1.氣源;2,4,8.比例流量閥;3.加濕器;5,10.壓力傳感器;6.濕度傳感器;7,11.氣罐;9.被試氣管

真空單元用于在系統中實現真空環境并保持真空壓的穩定,由真空發生元件、真空減壓閥、氣罐等組成。真空泵將系統中氣體抽出，并由真空調壓閥將壓力調定至目標壓力，通過氣罐11維持系統氣體真空壓的穩定。

正壓單元用于向系統提供壓力恒定的正壓或大氣壓氣體，用于破壞真空環境，同時要保證正壓氣體的濕度恒定,由氣源、空氣處理元件、加濕器、氣罐等組成。氣罐7中氣體的壓力和濕度分別通過壓力傳感器5、露點變送器6反饋至計算機中與設定值比較，通過閉環控制將氣體壓力和濕度穩定在設定值。

試驗單元由換向閥、被試管路、壓力傳感器等組成，可連接不同長度和直徑的被試管路。被試管路一端和換向閥連接，另一端和壓力傳感器連接，周期性地進行充氣和抽真空，以檢驗給定條件下是否會出現結露。

電氣系統包括計算機、數據采集卡、壓力傳感器和露點變送器等，用于監控系統內氣體的狀態。

經過上述設計，試驗系統具備以下功能：能夠提供壓力穩定且可調節的正壓氣體，可實現以不同的壓力對真空系統進行充氣；正壓氣體的濕度可以調節并保持穩定；系統真空度能夠調節并維持穩定；可以進行不同直徑和長度的管路試驗。

2.2 試驗系統性能

分別將破壞壓力目標值設定為0、0.1、0.2 MPa，經過閉環控制，氣罐7中壓力達到穩定時壓力曲線如圖4所示。圖4表明本系統可使氣體壓力分別穩定于壓力設定值，實現系統正壓力動態恒定。

圖4 不同設定值時正壓力曲線

當氣罐7內氣壓力恒為0.2 MPa時，將氣體大氣壓露點的目標值分別設定為15、-5、-20 ℃，氣體濕度達到穩定時如圖5所示，表明在恒定壓力條件下試驗系統能夠使氣體的濕度維持在恒定值。

圖5 壓力0.2 MPa時氣體濕度曲線

試驗系統真空度控制效果如圖6所示，真空泵能夠將真空氣罐中壓力抽到大氣壓以下，并由真空減壓閥分別調定真空度為10、30、50、70、90 kPa。圖6表明真空氣罐中壓力能夠穩定在設定值。

圖6 真空氣罐中壓力控制曲線

3 內部結露形式

利用上述試驗系統，依照表1所列參數條件進行真空試驗。試驗中采用透明氣管，以便觀測結露情況。

表1 內部結露試驗參數

初始時，氣管內部無液態水，如圖7 (a)所示。經過3 h的抽真空和充氣，管路內部出現了較為明顯的結露，結露形式為滴狀凝結，水滴的大小不一，如圖7 (b)(c)所示。結露先在管路與壓力傳感器連接處出現，隨著時間的積累逐漸向氣管出口方向逐漸擴展。經過4 h的抽真空和充氣后，管內壁的水滴進一步聚集長大，凝結的液態水也有所增加，如圖7 (d)所示。

圖7 結露照片

4 不同因素對結露影響分析

4.1 不同真空度下內部結露結果

表2給出了不同真空度時的試驗參數，以氣體初始濕度為縱坐標、真空度為橫坐標給出是否結露的結果，如圖8所示。

表2 不同真空條件下試驗參數

圖8 不同真空度下結露示意圖

圖8中系統真空度為10、30、50、70、90 kPa。被試氣管長度為5 m，當真空度為10、30 kPa時，氣管內部均出現結露，在70、90 kPa時，氣管內部未出現結露。而真空度為50 kPa時，當濕度高于大氣壓露點0 ℃，氣管內部出現結露，濕度低于大氣壓露點0 ℃時無結露。

圖8表明真空度一定時，濕度越大越易發生結露。這是因為真空度一定時，濕度越大，氣體達到濕度飽和的可能性越大，從氣體中凝結的水滴越多，有利于條件1的形成。而水滴越多，越有利于其進一步地附于元件內表面并最終形成內部結露。

氣體濕度一定時，真空度越低，系統內部越不易出現結露。真空度越低，管路中氣體能達到的最低壓力相對越高，即與充氣壓力之間的壓差越小，從氣體中析出的液態水滴越少。同時，由于液滴的運動由壓差驅動，其運動速度與壓差成正向關系。壓差越小，越不利于液滴向氣管末端運動，不易形成結露。

4.2 不同氣管長度條件下內部結露結果

表3給出了不同氣管長度時的試驗參數，以氣體初始濕度為縱坐標、氣管長度為橫坐標給出結露結果，如圖9所示。

表3 不同氣管長度時試驗參數

圖9 不同氣管長度條件下結露示意圖

圖9顯示，在大氣壓露點-5～15 ℃范圍內均出現內部結露；氣管長度為1 m時結露僅在大氣壓露點5 ℃以上時出現。說明相同條件下氣管越長，內部結露可能性越大。這是因為氣管越長，液滴從氣管末端運動到出口的行程越長，提高了液滴隨氣體排出系統的難度，有利于條件2的形成而產生結露。

4.3 不同管徑條件下內部結露結果

表4給出了不同管徑條件下的試驗參數，以氣體初始濕度為縱坐標、氣管直徑為橫坐標給出是否結露的結果，如圖10所示。

表4 不同管徑條件下試驗參數

圖10 不同氣管直徑條件下結露示意圖

在直徑2.5 mm的氣管內無內部結露出現，直徑4 mm的氣管僅在濕度大于5 ℃時出現結露，而直徑6.5 mm的氣管中在試驗濕度內均出現結露，表明相同條件下氣管直徑越大越有利于結露的發生。這是因為管徑越大，液滴的運動阻力越小，有利于液滴在氣管中運動。液滴更易到達管路末端，聚集成長且不被排出系統，最終形成內部結露。

5 結論

1) 真空系統中的內部結露以滴狀凝結的形式出現，最先出現在管路與壓力傳感器連接處，隨著時間的積累，水滴向氣管出口方向擴展。

2) 氣體濕度、真空度等工作參數對結露影響較大。相同條件下氣體的濕度越大，越有利于水滴從氣體中析出，系統內部越易出現結露。真空度越高，結露越易發生。

3) 氣管長度和直徑等結構參數對結露影響較大。氣管長度越長、管徑越大，越有利于液滴發生聚集，內部出現結露的可能性大。