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(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所， 四川綿陽 621900)

引言

在工業(yè)生產(chǎn)或科學實驗過程中，出于安全因素或是保護產(chǎn)品的目的，需用惰性氣體或其他氣體對相關管道、容器或密閉空間內(nèi)的初始氣體進行置換[1]。特別是在化工、低溫、航天等領域，如天然氣管道投產(chǎn)置換[2]、航天液氫加注系統(tǒng)等低溫儲罐及管路置換、載人航天密封艙及航天固體潤滑鍍膜機構產(chǎn)品地面常壓熱環(huán)境試驗低露點控制等方面[3]。

目前國內(nèi)外氣體置換多應用在天燃氣長輸管道或者花生水果等包裝領域[4]，密封容器氣體置換的研究報道相對較少[5-7]。

文獻[8-9]分析了氣管置入位置與氣管數(shù)量對氣體置換性能的影響，優(yōu)化了抽氣孔的布置方式。但本研究對象充氣和排氣管的位置與數(shù)量均無法調(diào)整，因此無法直接應用該文獻研究成果。文獻[10-12]關于氣體置換過程中不同氣體組分的置換機理分析對本研究有較強借鑒意義，但這些文獻更關注不同氣體組分的滲透和吸附對注氣突破時間的影響規(guī)律，而本研究更關注氣體組分置換的總體驅替時間，因此還需要文獻基礎上進行進一步探討和研究。

本研究結合文獻調(diào)研結果在前期研究中發(fā)現(xiàn)，充抽氣速度、充抽氣壓力、氣體置換方式是影響氣體置換效率的主要因素，已經(jīng)得到了充抽氣速度、充抽氣壓力對氣體置換的影響規(guī)律，但氣體置換方式對氣體置換效果的影響尚不明確。

在實際操作過程中，常用的“抽氣+保壓”的氣體置換方法需將密封艙抽至相對負壓狀態(tài)，受限于產(chǎn)品自身的承壓范圍、耐氣流速度等參數(shù)特性的影響，氣體置換的方式、置換參數(shù)的選取均有一定的限制，耗時較長，并且抽真空有可能影響密封艙內(nèi)產(chǎn)品的特性。

因此，為縮短氣體置換時間、提高氣體置換效率、合理優(yōu)化氣體置換方式，提出一種“充抽”同時進行的氣體置換方式，與現(xiàn)有的“抽氣+保壓”的氣體置換方式不同，采用較為新穎的、充放氣同時進行的氣體置換方式以縮短氣體置換時間。本研究首先通過CFD仿真模擬，初步驗證了所提氣體置換方法的有效性。并為進一步驗證其有效性，利用經(jīng)典流體力學的理論推導，再一次驗算了本研究所提方法與傳統(tǒng)方法的氣體置換效果。研究結果為密封艙氣體置換方法設計提供了一種可借鑒的技術手段。

1 密封容器“充放氣同時進行”方式數(shù)值計算

1.1 幾何模型的簡化

由于密封容器內(nèi)的部件眾多，幾何外形復雜，若不分主次全部考慮，將會對氣體置換區(qū)域流場的網(wǎng)格劃分帶來很大的困難。所以在數(shù)值模擬計算中，將只考慮密封容器內(nèi)部體積較大，且對內(nèi)流場有較大影響的部件，而將其他外形復雜的小型部件忽略不計。

經(jīng)過以上簡化的密封容器內(nèi)部流場結構化網(wǎng)格如圖1所示。入口直徑為6 mm，出口直徑為6 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，最大網(wǎng)格尺寸不超過10 mm，該二維網(wǎng)格由18萬網(wǎng)格組成。

1.2 邊界條件

密封容器壁組成外壁面，外形組成內(nèi)壁面。移至中軸線的充、抽氣閥門所處位置為氣體的流入和流出位置。設定入口為速度入口，速度為11.80 m/s，水蒸氣質量分數(shù)為0；出口設置為壓力出口，出口壓力為0，水蒸氣質量分數(shù)為0.0106。

圖1 內(nèi)流場網(wǎng)格

1.3 計算結果

經(jīng)計算，氣體置換完成所需時間為27 min，得到氣體置換率η與置換時間的關系如圖2所示。

圖2 氣體置換率與置換時間的關系

分析圖2可知，在初始階段氣體置換率與置換時間呈近線性關系，隨著置換時間的增加置換率逐漸增大，前10 min氣體置換了約50%，10～20 min氣體置換了約30%，最后7 min氣體置換了約10%，可見，隨著置換時間的推移氣體置換效率逐漸減慢。為了探明產(chǎn)生這種狀況的原因，本研究將對氣體置換過程中的流場形態(tài)進行詳細分析，密封容器內(nèi)氣體的流場變化情況如圖3～圖5所示。

從圖3可以看出，只有在充氣入口處速度較高，能夠達到11.80 m/s，在充氣閥門中軸線上有一段氣流沖擊區(qū)，在此區(qū)域氣體速度能夠達到或接近7 m/s，其余區(qū)域的氣體速度很小，原因在于相對于密封容器而言，充氣閥門半徑太小，充氣入口進入的氣體沖擊區(qū)域有限，密封容器內(nèi)絕大部分區(qū)域的氣體速度接近于0，即氣體的置換大部分是通過氣體擴散來達到的。

圖3 不同置換時間下的速度云圖

從圖4可以看出，當充放氣同時進行時，由于充氣孔徑相對于密封容器體積而言過于狹小，充入的氣體可以在密封容器內(nèi)迅速擴散，為此，氣體之間的相互作用較小，溫度變化較小，由于內(nèi)外壁面之間的間隙較小，使得充入氣體在狹縫處擴散較慢，使得氣體在密封容器下半段有一定的溫升，且隨著充氣時間的增加，溫升逐漸向后半段?？偠灾瑴囟葘怏w置換效率的影響較小，可忽略不計。

綜上所述，“充放同時進行”氣體置換方式通過27 min 的氣體置換可以將原有氣體置換掉90%，即當氣體組氛的質量分數(shù)為原來的10%時所耗費的時間為27 min。

2 “抽氣+保壓+充氣+保壓”過程的理論計算

2.1 密封容器氣體置換所需時間估算

1) 密封容器氣體置換時間理論估算

“抽氣+保壓+充氣+保壓”式置換方式主要是使用干空氣將水蒸氣稀釋，降低其質量分數(shù)，在“保壓”過程中氣體混合均勻后，將空氣抽出，從而實現(xiàn)氣體置換。其充氣時間可通過如下估算得到。

圖4 不同置換時間下的溫度云圖

假定密封容器的體積為V，大氣壓力為p0，抽真空到壓力p1，抽氣體積為V1，充氣到壓力p2，充氣體積為V2，抽真空到壓力p1，則抽氣體積V1為：

p0V=p1(V+V1)

(1)

(2)

假設要求每分鐘密封容器壓降不大于0.02 MPa，則抽氣流量Q1為：

(3)

若氣源流量能夠滿足0.25V，則抽氣時間t1為：

(4)

當密封容器體積較大或氣源流量不足時，按抽氣流量0.1V進行抽真空，則抽氣時間t1為：

圖5 不同置換時間下的水蒸氣質量分數(shù)云圖

(5)

充氣到壓力p2，則充氣體積V2為：

p2V=p1(V+V2)

(6)

(7)

要求每分鐘密封容器壓降不大于0.02 MPa，則抽氣流量Q2為：

(8)

若氣源流量能夠滿足0.1V，則充氣時間t2為：

(9)

抽真空到壓力p1，則抽氣體積V3為：

p2V=p1(V+V3)

(10)

(11)

假設要求每分鐘密封容器壓降不大于0.02 MPa，則抽氣流量Q3為：

(12)

若氣源流量能夠滿足0.1V，則抽氣時間t3為：

(13)

充氣到壓力p2，則充氣體積V4為：

p2V=p1(V+V4)

(14)

(15)

假定要求每分鐘密封容器壓降不大于0.02 MPa，則抽氣流量Q4為：

(16)

若氣源流量能夠滿足0.1V，則抽氣時間t4為：

(17)

放氣到大氣壓p0，放氣體積為V5

p2V=p0(V+V5)

(18)

(19)

假定要求每分鐘密封容器壓降不大于0.02 MPa，則抽氣流量Q5為：

(20)

若氣源流量能夠滿足0.1V，則抽氣時間t5為：

(21)

2) 案例分析

對某種密封容器的抽、充氣壓力進行賦值，按照上述公式計算從而求得“抽氣+保壓+充氣+保壓”置換方式的總耗時。

假設某種密封容器要求如下：抽真空到-0.02 MPa，充氣壓力到0.15 MPa。則絕對壓力p0=0.1 MPa，p1=0.08 MPa，p2=0.25 MPa。由于密封容器體積較大，假定抽充氣流量均為0.1V，則：

保壓5 min；

保壓5 min；

保壓5 min；

保壓5 min；

為了保證氣體置換的充分性，對抽、充氣時間進行圓整，則兩輪抽充氣時間t約為：

t=3+5+22+5+22+5+22+5+15=104 min

2.2 密封容器內(nèi)某種氣體組氛質量分數(shù)估算

假定初始時密封容器內(nèi)某種氣體組氛的質量分數(shù)為C，則：

(1) 抽真空到壓力p1，雖然密封容器內(nèi)的氣體質量減少，但某種氣體組份的質量分數(shù)仍為C；

(2) 充氣到壓力p2，則密封容器內(nèi)某種氣體組份的質量分數(shù)為：

(22)

(3) 抽真空到壓力p1，雖然密封容器內(nèi)的氣體質量減少，但某種氣體組份的質量分數(shù)仍為C′；

(4) 充氣到壓力p2，則密封容器內(nèi)某種氣體組份的質量分數(shù)為：

(23)

按照前文假定，即：抽真空到-0.02 MPa，充氣壓力到0.15 MPa，則絕對壓力p0=0.1 MPa，p1=0.08 MPa，p2=0.25 MPa。則某種氣體組份的質量分數(shù)為：

C″=(p1/p2)2C=0.1024C，即該氣體組份的含量約為原來的10%。

綜上所述，當密封容器體積較大或氣源流量不足時，充、抽氣流量均假定為0.1V，則抽、充氣時間只與抽、充氣開始和結束時的壓力值有關，而與密封容器的體積關系不大，而氣體組氛質量分數(shù)的變化只與抽、充氣壓力有關，且n輪抽、充氣結束后氣體組氛的質量分數(shù)是原來的(p1/p2)n倍。當抽氣壓力為-0.02 MPa，充氣壓力為0.15 MPa時，通過兩輪氣體置換能夠使氣體組氛的含量降為原來的10%，所需時間為104 min。

3 結論

(1) “充放同時”和“抽氣+保壓+充氣+保壓”兩種氣體置換方式均能夠實現(xiàn)使氣體組氛的含量降為原來的10%的目的；

(2) 兩種置換方式對比而言，“充放同時進行”方式的氣體置換效率更高，用時更少，且隨著置換時間的增加氣體置換率逐漸增大，但增幅逐漸減小，27 min時氣體置換完成；

(3) “抽氣+保壓+充氣+保壓”方式的氣體置換時間是由充、抽氣壓力決定的，在本研究假定情況下的氣體置換時間為104 min，可通過增加充、抽氣壓力來提高置換效率。