真空集便装置抽真空过程节能设计研究

李旻，缪锋，姜军，李学远

(1.济南轨道交通装备有限责任公司，山东济南 250022;2.山东华腾环保科技有限公司，山东济南 250022;3.唐山轨道交通装备有限责任公司，河北唐山 063035)

1 概述

真空集便装置最早于1979年由Joel Liliendal发明，因其具有耗水量少、卫生条件好、管道及污物箱布置灵活等优点，已广泛用于旅客列车粪便污水的收集。该技术在国内外经历了数十年的发展和完善，已有保持式、间歇式、推拉式和在线式四种形式，见表1。

中国铁路旅客列车从2004年开始大批量装备集便装置，在25型客车上基本都采用了真空保持式集便装置。铁道部《铁路“十二五”环保规划》提出，我国铁路行业将坚持环境保护基本国策，大力采用新技术、新材料，不断提高环境污染防治水平，减少污染物排放。其中，推进旅客列车密闭式厕所改造是“十二五”期间的具体工作之一。

相比重力集便装置而言，真空集便装置作为一种需要额外动力的车载机电设备，其能耗(特别是耗气量)逐渐受到关注。亦有学者提出采用气动系统能量理论［1］评价列车真空集便装置的气动能耗，并通过实验证明可通过改变气动元件及其参数来优化系统效率［2］。本文将对真空集便装置抽真空过程的节能设计进行探讨。

表1 真空集便装置分类及比较

2 真空发生器

真空发生器是真空集便装置节能的关键部件。目前的真空集便装置的真空发生器主要以喷射器为主，其普遍具有结构简单、无活动部件、寿命长、成本低廉而可靠性高的特点。液环泵等真空泵类型的真空发生器在车上应用较为少见，可参见文献［3］。

2.1 大气喷射器

真空保持式、间歇式及推拉式真空集便装置一般采用真空大气喷射器，其以压缩空气作为工作流体来抽吸和压送气体(被抽气体即引射流体)，以获取真空［4］。如图1为真空大气喷射器示意，压缩空气进入喷射器，从拉瓦尔喷嘴中喷射出超声速气流，由于气体的粘性，高速气流卷吸走吸入室内的气体，进而在接收室内形成真空。

尽管喷射技术在各个行业应用广泛，但目前国内外学界对喷射器内质量、动量、能量交换等机理及理论计算还处于起步阶段，有待研究。特别是对于具有超音速喷嘴喷射器的流动特性，目前还不能准确地定量计算，仍采用理论、实验和经验相结合的办法进行研发。

图1 真空大气喷射器示意

在设计计算方面，由于各种应用场合中的喷射器在流体介质及流量、工作压力、稳定状态等方面各不相同，且一般流体模型的相似方法并不直接适用于喷射器内的剧烈流动，因而真空集便装置用大气喷射器需作专门设计及优化。

如国内有学者通过建立气体动力学理论模型，依据能量、动量等基本定律引进等嫡速度，折算速度，相对温度，相对密度等动力函数，使用气体动力函数法(即索科洛夫法)，通过理论推导及必要的经验修正完善，对列车集便装置真空大气喷射器进行了设计计算［5］。然而，在模型假设方面，其与传统经典热力学方法区别不大，但由于气体动力函数法引入了动力函数，并用速度系数对流动过程作了合理的修正，该方法对喷射器计算的合理性较经验系数法有了较大的提高，尤其是对极限系数的限定作用，使喷射器的计算结果得到保证。同时，喷射器的轴向尺寸完全脱离经验化也是优化的内容之一。但其缺点是设计计算步骤繁多，公式冗长，需用试差法多次迭代才能得到结果。又如，有学者建立了集便装置大气射流器的流体动力学模型，划分网格，并将引射流体入口边界设定为壁面;利用计算流体力学对射流器的内部流场进行二维非稳态数值模拟;分析了在一定工况条件下，面积比、喷嘴距、等截面混合室长、扩散段锥角以及喷嘴喉部长、喷嘴收缩段长、喷嘴扩散段长对接收室内残余压力的影响［6］。实验结果对比表明［6］，在合理的计算模型及边界条件下，数值模拟结果对设计具有较好的指导意义。

此外，为了达到较高的抽空效率，在满足不易堵塞的前提下，多级喷射器也是手段之一。其原理在于利用不同级在不同真空度下的效率差异，使其组合工作在各自效率较高的真空度下。其另一优点是:在风源压力相同时，类似耗气速率的多级喷射器比单级喷射器能达到更高的极限真空;而在工作真空相同时，类似耗气速率的多级喷射器相比单级喷射器可以工作在更低的风源压力下。但是，经验表明，多级喷射器往往只有在较高真空度(比如高于－35kPa)下的效率提升才较为明显。这是因为只有抽升至较高真空的过程中，不同级才会出现优化组合，而对于较低真空仅仅能多次利用多级喷射器扩散段气体。同时，多级喷射器一般抽速较小，为达到较大的抽速一般需采用多管组合的设计。

2.2 多相喷射器

真空在线式集便装置则采用一种喉径参数可变的多相喷射器。该喷射器直接以便斗内的污物及混合吸入的空气作为引射流体，工作时可瞬间使管路产生真空(可达－35 kPa以上)，能够满足抽吸便斗内污物的真空度的要求，同时又可通过高速气流夹携管内污物并将其输送至污物箱。出于流体动力学考虑，为了达到所需的真空度，喷射器喉部直径需较小(小于20 mm)。而为了使污物通过管路中的喷射器时不发生堵塞，所需的管径约为40 mm。为此，EVAC公司采用了一种喷射器喉部直径可变的专利设计。实现方法是在喷射器喉管部位内嵌一橡胶套，在抽真空时，其橡胶套可以缩小至10 mm，以满足管道内形成较高真空度的要求;当有污物通过时，其内径可扩大至40 mm，以使污物通过。但限于目前橡胶材质的发展，该橡胶套的疲劳寿命有限(据不完全统计数据短的仅有3个月)，因此在线式真空集便装置目前使用尚不广泛。

3 抽空体积

抽空体积指真空发生器所连接的密闭空间的空余容积，其确定属系统设计范畴，与系统结构有关。一般地，对于特定的真空发生器和工作真空，耗气量与抽空体积具有正比关系。

对保持式、间歇式集便装置而言，其平均抽空体积约为污物箱体积的二分之一。一般地，这两种系统的工作真空为固定值，该真空度使污物箱满时的最后一次冲洗应恰好满足冲洗效果。若污物箱满液位位于总容积的80%处，则约有2/3的能量被浪费。

对推拉式集便装置而言，其抽空体积可为中间箱容积空余容积。为了使系统更为紧凑，往往将中间箱的体积设计得较小，同时提高工作真空，以保证抽吸力满足冲洗要求。尽管真空推拉式耗气量较小，但由于其结构复杂，其在稳定性和可维护性上低于保持式与间歇式。

对在线式集便装置而言，其抽空体积可视为无穷大，其耗气量取决于喷射器的工作时间。其节能关键在于其喷射器本身的设计，属零部件设计范畴。就现有技术，利用气体作为工作流体来引射“气－液－固”多相流体的效率明显低于引射气体。

4 工作真空

工作真空指抽空过程结束时，集便装置的抽空体积内应达到的真空值，是系统设计的主要参数之一，取决于输送距离、污物箱容积和便器形式。目前的真空集便装置所设定的工作真空度(或抽空时间)为根据最大污物量设置的固定值，对于高频率的中、低污物量冲洗作业而言，存在压缩空气的浪费。因此，根据不同的污物量对抽吸力进行自动调节是降低能耗的一个途径。为此，国内有学者研发了一种根据实际污物量实时自动无级调节真空抽吸力并满足冲洗和节能要求的真空集便装置，并能产生30%的节能效益［7］，其实现关键在于:实时检测负载(污物量);通过半理论半实验方法，确定负载与抽吸力的定量关系;根据该关系对抽吸力(真空度)进行自动调节。

5 系统结构

真空集便装置的节能在系统原理、结构设计阶段就予以考虑，如保持式、推拉式、在线式的系统结构决定了其耗气量水平。同时，也可考虑其他产生真空的方式，如国内有学者提出一种活塞推拉式集便装置［8］:在便器与污物箱之间安装较小的连接器，利用风源推动连接器内的活塞运动，当活塞往回拉时产生少量负压，污物进入连接器，当活塞前进时，将污物压入污物箱。该系统利用活塞装置产生真空，耗气量较小，但机械运动部件对杂物比较敏感。

此外，面向机车卫生间等特殊场合，近年亦出现了多功能一体化真空泵式、推拉在线式、复合脉动碾压式等多种新型真空集便器，但往往因其机械结构或可靠性等原因应用尚不广泛。

6 建议

需要说明的是，除能耗外，真空集便装置的设计及选型还应从系统可靠性、可维护性、使用寿命、空间要求、使用人群、投资等诸方面进行综合比较。

［1］蔡茂林，香川利春．气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析［J］．机械工程学报，2007，43(9):69－74．

［2］藤野謙司，山本円朗，谷口宏次，等．鉄道車両用真空式トイレにおける真空特性と消費エネルギーに関する研究［J］．日本フルードパワーシステム学会誌，2013，44(1):16－22．

［3］李旻，周敬宣，温兴锁．谈真空排水系统中的气液比及其与能耗的关系［J］．给水排水，2010，36(12):69－72．

［4］闫凯，邱慧，曾凤柳，等．旅客列车保持式真空集便器真空发生装置研究［J］．中国铁路，2012(8):44－47．

［5］滕红华．客运列车真空节水厕所气力系统设计［J］．液压与气动，2006(3):55－57．

［6］高飞，周敬宣，李旻．车载真空厕所空气射流器性能的数值模拟［J］．真空，2010，47(5):63－67．

［7］郭钟华．节能型洁具真空吸排系统的研究［D］．南京:南京理工大学，2012．

［8］周敬宣，胡洪平，李艳萍，等．客车气动推拉式集便装置的研制［J］．铁道车辆，2003，41(5):20－22．