气动充放气系统外部结露机理及试验研究.pdf

第 4 6卷第 l 6期 2 0 1 0 年8 月 机械工程学报 J OUf RNAL 0F MECHANI CAL ENGI NEERI NG Vlo 1 ． 4 6 Au g ． NO． 1 6 2O l O DoI l O． 3 90 1 ， J M E． 2 01 0． 1 6 ． 1 8 2 气动充放气系统外部结露机理及试验研究乖 朱冬杨庆俊包钢 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要以典型气动充放气系统为研究对象对外部结露进行研究，分析外部结露的发生机理并提出判别方法，当元件表面平衡 温度低于环境露点温度时，结露就会发生，反之则不发生。在恒温恒湿环境中进行负载举升的充放气试验，对元件表面温度 进行测量，并对外部结露的发生部位、结露过程进行观测和分析。试验表明，有杆腔侧元件表面温度降低并出现结露，无杆 腔侧元件温度升高无结露出现；外部结露在开始阶段是细小的珠状凝结并不断长大，最后形成膜状凝结，并在重力作用下形 成水滴沿壁面流下。对影响结露的因素进行研究。在各种因素中， 环境湿度越大、负载越大及充放气周期越短， 结露越严重。 结露一般会在若干分钟内就会出现，应该采取必要的防护措施，以避免外部结露的发生。 关键词气动系统外部结露判别方法凝结影响因素 中图分类号T H1 3 8 S t u d y o n Pr i n c i p l e a nd Ex p e r i me n t o f Ex t e r n a l Co n d e n s a tio n o f W a t e r Va po r i n Pn e u m a tic S y s t e m Z HU D o n g Y ANG Qi n g j u n B AO Ga n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 Ab s t r a c t T h e e x t e r n a l c o n d e n s a t i o n i s i n v e s t i g a t e d b y t a k i n g a t y p i c a l p n e u ma t i c c h a r g i n g a n d d i s c h arg i n g s y s t e m a s a l l e x a mp l e ． T h e p r i n c i p l e o f e x t e r n a l c o n d e n s a t i o n i s a n a l y z e d ， a n d t h e j u d g me n t me t h o d i s p r e s e n t e d a s f o l l o w s t h e e x t e r n a l c o n d o n s a t i o n o c c u r s u n d e r the c o n d i t i o n tha t t h e b a l a n c e t e mp e r a t u r e o f c o mp o n e n t s u r f a c e i s l o we r t h a n e n v i r o n me n t a l d e w p o i n t ； o the r wi s e ， i t c a n n o t h a p p e n ．T h e e x p e ri me n t o f c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g wi t h v e r t i c a l l o a d i s c o n d u c t e d t o me a s u r e the t e mp e r a t u r e o f c o mp o n e n t s s u r f a c e ，t o o b s e r v e a n d a n a l y z e t h e p o s i t i o n a n d p r o c e s s o f e x t e r n a l c o n d e n s a t i o n i n t h e e n v i r o nm e n t o f c o n s t a n t t e mp e r a t u r e an d h u mi dit y ． Ex p e rime n t a l r e s u l t s i l l u s t r a t e t h e e x t e rna l c o n d e n s a t i o n a p p e ars wi t h d e c r e asi n g o f t h e t e mp era t u r e o f c o mp o n e n t s s u r f a c e i n r o d c h am b e r s i d e ， a n d i t c a n n o t e x i s t a s i n c r e a s e o f t h e t e mp e r a t u r e o f c o mp o n e n t s s u r f a c e i n n o r o d c h a mb e r s i d e ． T h e s ma l l d r o p wi s e c o n d e n s a t i o n i s p r o d u c e d i n t h e b e g i n n i n g o f e x t e r n a l c o n d e n s a t i o n ， a n d i t g r o ws t o b e fil m c o n d ens a t i o n andt h e ni t t l k r n s i n t owa t e rd r o pf a l l i n g a l o n g c o mp o n e n t s u r f a c eu n d e r t h e a c t i o no f g r a v i t y ． Th r o u g hana l y z i n gthef a c t o r stha t a ff e c t c o n d e n s a t i O n ， the c o n c l u s i o n C an b e ma d e tha t t h e c o n d e n s a t i o n i s mo r e s e rio u s wi t h mo r e h u mi d e n v i r o nm e n t ， h e a v i er 1 o a d an d s h o r t e r p e ri o d o f c h arg i n g an d d i s c h arg i n g ． F u rth e r mo r e ， t h e p r o t e c t i v e me a s ur e s h o u l d b e e mp l o y e d t o a v o i d e x t e rn a l c o n d e n s a t i o n ， s i n c e the c o n d e n s a t i o n ma y a p p e a r a f t e r s e v e r a l mi n u t e s ． Ke y wo r d s P n e um a t i c s y s t e m E x t e rna l c o n d e n s a t i o n J u d g me n t me t h o d Co n d e n s a t i o n I n f l u e n c e f a c t o r s 0 前言 随着气动技术 向小型化、高速化方面的发展 ， 气动系统中的结露问题越来越成为亟待解决的重要 问题[ I _ 2 】 。 气动系统在运行过程中发生的结露现象根 国家 自然 科学基 金 资助项 目 5 9 3 7 5 1 8 3 。2 0 0 9 0 9 0 2 收到初 稿 2 0 1 0 0 4 2 2收到修改稿 据位置的不同，一般可分为内部结露和外部结露。 外部结露是指在气动系统运行过程中元件表面出现 水滴的现象。外部结露会降低气动元件的寿命、严 重影响系统的工作环境， 限制气动系统的使用范围。 近年来，一些学者对气动系统的结露 问题进行了研 究。张蘸平【 3 J 利用键和图理论和平衡凝结理论分析 了气动系统中的凝结情况，得到了一定初始条件下 的结露临界 曲线。] I N等 [ 4 - 5 ] 利用流体 网络理论，给 出了系统发生内部结露的两个必要条件，指出系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 8月 朱冬等气动充放气系统外部结露机理及试验研究 1 8 3 同时满足这两个必要条件时才会发生内部结露。李 军等L 6 J 以由固定容积容器、 管路及节流 口组成的充 放气系统为研究模型 ，建立 了考虑传热和摩擦 的一 维非定常流动 的数学模型，给出了一个系统发生 内 部结露 的可能性公式。 本文 以典型气动充放气系统为对象 ，分析外部 结露的原因，提出判别外部结露的方法 ，并在恒温 恒湿环境中进行充放气试验， 复现了外部结露现象 ， 对发生结露的元件表面温度进行 了测量 ，并对外部 结露的发生部位、结露过程行 了观测和分析，验证 了判别方法的正确性 ；并对影响结露的因素进行 了 研究。 1 外部结露机理分析 图 1为由气缸和 电磁阀等组成的典型气动充放 气回路[ 9 - 1 0 】 。 图 1 气动充放气系统典型回路 当电磁 阀处在图示位置时， 气体 向气缸左腔 充气 ，同时，气缸右腔 中的气体 向环境 中放气 。 气缸左腔及相连 的气管 内气体受到压缩 ， 温度升高， 通过换热传给进气管和气缸壁部分热量，使气管和 气缸壁温度升高；气缸右半部 中气体通过换 向阀向 外部环境排气，气体膨胀做功 ，温度下降，气体通 过换热吸取元件的部分热量 ，导致气管和气缸温度 降低 。当气缸达到行程之后 ，电磁 阀换向，活塞反 向运动，此时有杆腔充气，有杆腔 中气 体压力和温 度升高，无杆腔放气，其 内部气体膨胀 ，温度 降低 。 在一个充放气周期中，系统元件温度 由于和气体热 交换既有升高也有降低， 但升高和降低程度不相同。 随着充放气次数的增加，元件表面温度逐渐偏离初 始温度并稳定在一个 固定值附近 ，称为平衡温度 。 由以上分析可知，气动系统内部空气 的压缩和 膨胀是温度变化的根源 ，也是使元件温度 向远离初 始温度方 向变化的动力，简称偏离能力 。外部空气 有使元件温 度 向初始方 向回归 的能力 ，简称 回归 能力 。 外 部空气 的回归能力 由外 部空气和元件 之问 的传热系数和温度差决定。 内部空气 的偏离能力与 很多因素有关，除了内部空气和元件之间的传热系 数外 ，还有系统参数如气缸的直径 、行程 、负载、 管路直径、管路长度 、阀的有效截面积、限流器的 有效截面积、供气压力和供气温度等。 这两种能力随着元件温度的变化而此消彼长 。 当元件温度刚刚偏离初始温度时，内部空气的偏离 能力较强，这时元件 的温度会持续偏离初始温度， 随着偏离的增大 ，外部空气 的回归能力逐渐加强， 当两个能力相当时，元件温度基本达到平衡。如果 元件外壁的平衡温度达到或低于外部空气的露点温 度，元件附近空气 的温度也降低到环境露点以下， 达到过饱和状态，空气中的水蒸气会凝结在元件表 面，形成结露 ；如果元件外壁的平衡温度高于外部 空气 的露点温度 ，则不发生结露 。因此判断系统是 否发生外部结露就是要比较平衡温度和外部空气露 点温度 的大小。 2 外部结露试验 2 ． 1 试验环境 为了验证外部结露的判别方法，需要进行充放 气试验 ，并对结露部位和过程进行观测 。试验在恒 定温度和恒定湿度 的环境 中进行，以保证外部空气 的露点为常值。 建立恒温恒湿试验室如 图 2所示，通过空调设 定试验室 内空气的温度 ，通过加湿器和除湿器来调 控试验室 内的湿度 ， 从而得到恒温恒湿的试验环境。 图 2 恒温恒湿试验室 原理 图 2 ． 2 试验方案 以图 3所示气动回路为试验对象 ，采用竖直加 载方式。将试验回路放在恒温恒湿试验室中进行充 放气试验 ，充放气周期通过时间继 电器控制。分别 测量气缸两端表面温度以及两节流阀外表面温度。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 6卷第 l 6期 从图 7中可看到，节流阀表面在 5 4 0 S 时出现 较 明显水滴，水滴为珠状凝结，均匀分布，i 7 0 0 s 时表面水滴逐渐长大，节流阀侧面为珠状凝结，局 部已出现膜状凝结，2 6 0 0 S时表面水滴进一步长 大，并在重力作用下沿壁面滚落，在节流阀底面可 发现有水滴聚集 。 4 影响外部结露的因素 外部结露与许多因素有关，主要有环境湿度 、 供气压力 、负载和充放气周期等。以图 4所示试验 台，在不同条件下进行充放气试验，考察各因素对 结露的影响。 4 ． 1 湿度对外部结露 的影响 不同湿度时试验参数如表 2所示。 表2 不同湿度试验参数 参数名称 型号或数值 负载质量 m／ k g 气 缸 接头 接头 压力传感器 节流 阀 气管 供气压力 p ／ MP a 环境温度 ℃ 环境相对湿度 9 ／ ％ 充放气周期 3 0 CDM 2 B4 0 5 0 0 A K QL 0 8 0 3 K QT 0 8 - 0 3 P S E5 1 0 ． R0 6 A 3 0 0 0 T U0 8 0 5 ， 长度 2 n l 0 ． 5 2 0 7 5 9 5 4 试验时间为 2 4 0 0 S ，节流 阀＆I 表面温度如图 8所示。当环境温度为 2 0℃，湿度为 7 5 ％时，露 点温度为约为 l 5 ． 7℃， 试验 中出现结露的部位为气 缸有杆腔侧 出口的管接头处及相连的气管表面直至 节流阀表面， 节流阀＆1 表面平衡温度约为 1 3 ． 8℃； 当环境温度为 2 0℃，湿度为 9 5 ％时，露点温度约 ／ 9 ％湿度时露点温度 s ％ i 黻 i慧 ⋯⋯ 一 7 5 ％ 湿度时露点温度 ／ 7 5 ％湿度时节流阀 S c l 温度 l 2 0 0 1 8 0 0 2 4 0 0 时间 ∥ s 图 8 不同湿度时节流阀1 表面温度 为 1 9 ． 4 ℃， 试验中出现结露的部位为在有杆腔侧的 出口管接头处到节流阀表面，气管表面出现明显珠 状结露，其他部位未发现结露，节流阀 ＆1 表面平 衡温度约为 1 5 ． 7 ℃。试验表明，相同条件下，湿度 越大，结露越严重，出现结露的元件表面平衡温度 与环境露点温度之间的温度差也越大。 ． 4 ． 2 供气压 力对外部结露的影响 不同供气压力时试验参数如表 3所示。 表 3 不同供气压力时试验参数 参数名称 型号或数值 负载质量 m ／ k g 气 缸 接头 接头 压力传感器 节流阀 气管 供气压力 p ／ MP a 环境温度 ℃ 环境相对湿度 口 ／ ％ 充放气周期 f ／ s 试验时间为 4 0 0 0 S ，节流 阀 ＆l 表面温度如图 9所示。当供气压力为 0 ． 3 MP a和 0 ． 5 MP a时，出 现结露的部位为气缸有杆腔侧 出口的管接头处及相 连的气管表面直至节流 阀表面，节流阀 ＆l 表面平 衡温度均约为 1 3 ． 8℃。 试验表明， 相 同条件下供气 压力对结露的影响不大。这是因为供气压力越大， 有杆腔侧元件 内气体温度在充气时增幅越大而在放 气时温度降幅也越大，通过换热节流阀等元件温度 变化不大。 ⋯ ～ ． ． ． 山 ．一 k ⋯．． 1 0 ． 5 MP a 节流阀 r 表面温度 如 一 一 一 一 一 一 ～ 加 t 踞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 8月 朱冬等气动充放气系统外部结露机理及试验研究 1 8 7 表 4 不同负载时试验参数 参数名称 型号或参数 负载质量 m／ k g 气缸 接头 接头 压力传感器 节流阀 气管 供气压力 p ／ MP a 环境温度 ℃ 环境相对湿度 p ／ ％ 充放气周期 ∥ s 2 1 1 8 量 s 赠 1 2 一 I ‘ 一 ＼ 。 ， 环 境 露 点 ＼⋯ 一⋯ ＼ 一 、 负载质量 3 0 时节流 阀 ． 表面温度 试验表明，充放气周期为 2 S时结露最为严重，随 着周期的增加，结露情况逐渐减弱，充放气周期为 1 6 S时，无结露出现 。试验中不同充放气周期时活 塞的伸出时间和缩回时间均相 同。 充放气周期越长 ， 活塞杆在气缸两端静止 的时问越长 ，有杆腔侧元件 与外部空气之间的热交换时间越长 ，其温度的降低 幅度也越 小。因此充放气周期越长 ，元件表面温度 越高，结露情况逐渐减弱。当表面温度 高于环境露 点无结露发生。 时间 ∥ s 图 l 1 不 同充放气 周期时节流阀 1 表面温 度 质量为 2 O 时，元件表面无外部结露发生。试验 表 明，相同条件下负载越大 ，结露越严重 。这是因 为相同条件下负载越大，放气时外力对有杆腔侧元 件 内气体做功越少，气体放气越剧烈，温度 降幅越 大 ，通过换热从节流 阀等元件吸收 的热量越多，使 充放气时元件温度越低 。 4 ． 4 充放气周期对外部结露的影响 不同充放气周期时试验参数如表 5所示 。 表 5 不同充放气周期时试验参数 试验中节流阀 l 表面温度如图 l l 所示 。当充 放气周期为 2 S 、4 S 、8 S 、1 6 S时，节流 阀 ＆1 表面 平衡温度分别为 1 2 ． 3 ℃、l 3 ． 8 ℃、1 5 ． 2 C、1 6 ． 4 C。 本文以典型气动充放气系统为研究对象，在恒 温恒湿环境 中进行了外部结露试验。 1 气动系统 内部空气的压缩和膨胀是温度 变 化的根源 ，内部空气温度的变化导致了系统元件温 度的变化 。当元件表面平衡温度低于外部空气露点 温度时，结露就会发生，反之则不发生。 2 结露在开始阶段是细小的珠状凝 结，随着 时间的推移 ，水滴逐渐长大，最后变为膜状凝结， 并在重力作用下形成水滴沿壁面流下。 3 元件表面 出现结露的时间并不相 同，有着 先后顺序 ， 但总的来看 ， 在满足结露条件的前提下 ， 一 般在若干分钟 内就会 出现结露，因此应该对外部 结露采取必要的防护措施 ，以避免其发生。 f 4 1在各种因素 中，环境湿度、负载质量及充 放气周期对结露影响较大。环境湿度越大 ，负载质 量越大，充放气周期越短 ，结露情况越严重。 参考文献 [ 1 ]包钢，李玉军，李军，等．气动系统中管路的二维粘性 流场计算[ J ] ．热能动力工程，2 0 0 1 ，1 6 5 4 9 9 5 0 2 ． B A O G a n g ，L I Y j u n ，L I J u n ，e t a 1 ．C a l c u l a t i o n o f a t wo d i me n s i o n a l v i s c o u s f l o w fi e l d i n t h e p i p e o f a p n e u ma t i c s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r T h e r ma l ，‘ 1 l l 赠 一 一 一 一 一 一 一 加 “ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 8 机械工程学报 第 4 6 卷第 l 6期 E n e r g yP o we r , 2 0 0 1 ， 1 6 5 4 9 9 5 0 2 ． 【 2 ]金英子， 杨庆俊． 气动系统元件结构参数对系统结露的 影响的研究[ J ] ． 机械工程学报，2 0 0 4 ，4 O 4 4 0 - 4 3 ． J I N Y i n g z i ， Y A NG Q i n g j u n ． E f f e c t o f s t r u c t u r e s i z e s o f p n e u ma t i c c o m p o n e n t s o n c o n d e n s a t i o n [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 4 O 4 4 0 4 3 ． 【 3 】张麓平．空氖压 工于厶中 二扫c ，为结露I S- 阴寸为研 究【 D ] ．东京上智大学，1 9 9 5 ． Z HANG Hu p i n g ． S t u d y o n c o n d e n s a t i o n o f wa t e r v a p o r i n p n e u ma t i c s y s t e ms [ D ] ．T o k y o S o p h i a U n i v e r s i t y ， 1 9 9 5 ． [ 4 ]fi N Y i n g z i ，WA NG Z u we n ，B A O Ga n g ．C o n d e n s a t i o n d u r i n g d i s c h a r g i n g o f p n e u ma t i c s y s t e m[ J ] ．J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e r i n g ，T r a n s a c t i o n s o f t h e AS ME ，2 0 0 4 ， 1 2 6 2 4 3 0 4 3 5 ． 【 5 】金英子，朱祖超，杨庆俊，等． 气动系统充放气过程中 气体状态多变指数的简化与确定[ J ] ．机械工程学报， 2 0 0 5 ，4 1 6 7 6 8 0 ． J I N Y i n g z i ，Z H U Z u c h a o ，Y A NG Qi n u n ，e t a t ． S i mp l i fi c a t i o n a n d d e t e r mi n a t i o n o f p o l y t r o p i c e x p o n e n t o f t h e r mo d y n a mi c p r o c e s s i n t h e fi l l i n g a n d e x h a u s t i n g p r o c e s s i n a p n e um a t i c s y s t e m[ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 4 1 6 7 6 - 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1 1 ． [ 9 】S MC 国 有限公司．现代实用气动技术【 M】 ． 北京 机 械工业出版社 ，2 0 0 8 ． S MC C h i n a C o r p o r a t i o n ， L t d ． Mo d e m p r a c t i c a l p n e u - ma t i c t e c h n o l o gy[ M] ． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 08 ． [ 1 0 】吴振顺．气压传动与控制[ M] ．哈尔滨哈尔滨工业 大学 出版 社 ，2 0 0 3 ． WU Z h e n s h u n ．P n e u ma t i c d r i v e a n d c o n t r o l [ M】 Ha r b i n Ha r b i n I n s t i t u t e o f t e c h n o l o gy P r e s s ， 2 0 0 3 ． 作者简介朱冬，男．1 9 8 3年出生，博士研究生。主要研究方向为气压 传动与控制。 E ma i l wi n t e r _z h u y a h o o ． c o m． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m