气体置换方式对密封容器置换效率的影响研究

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(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所， 四川绵阳 621900)

引言

在工业生产或科学实验过程中，出于安全因素或是保护产品的目的，需用惰性气体或其他气体对相关管道、容器或密闭空间内的初始气体进行置换[1]。特别是在化工、低温、航天等领域，如天然气管道投产置换[2]、航天液氢加注系统等低温储罐及管路置换、载人航天密封舱及航天固体润滑镀膜机构产品地面常压热环境试验低露点控制等方面[3]。

目前国内外气体置换多应用在天燃气长输管道或者花生水果等包装领域[4]，密封容器气体置换的研究报道相对较少[5-7]。

文献[8-9]分析了气管置入位置与气管数量对气体置换性能的影响，优化了抽气孔的布置方式。但本研究对象充气和排气管的位置与数量均无法调整，因此无法直接应用该文献研究成果。文献[10-12]关于气体置换过程中不同气体组分的置换机理分析对本研究有较强借鉴意义，但这些文献更关注不同气体组分的渗透和吸附对注气突破时间的影响规律，而本研究更关注气体组分置换的总体驱替时间，因此还需要文献基础上进行进一步探讨和研究。

本研究结合文献调研结果在前期研究中发现，充抽气速度、充抽气压力、气体置换方式是影响气体置换效率的主要因素，已经得到了充抽气速度、充抽气压力对气体置换的影响规律，但气体置换方式对气体置换效果的影响尚不明确。

在实际操作过程中，常用的“抽气+保压”的气体置换方法需将密封舱抽至相对负压状态，受限于产品自身的承压范围、耐气流速度等参数特性的影响，气体置换的方式、置换参数的选取均有一定的限制，耗时较长，并且抽真空有可能影响密封舱内产品的特性。

因此，为缩短气体置换时间、提高气体置换效率、合理优化气体置换方式，提出一种“充抽”同时进行的气体置换方式，与现有的“抽气+保压”的气体置换方式不同，采用较为新颖的、充放气同时进行的气体置换方式以缩短气体置换时间。本研究首先通过CFD仿真模拟，初步验证了所提气体置换方法的有效性。并为进一步验证其有效性，利用经典流体力学的理论推导，再一次验算了本研究所提方法与传统方法的气体置换效果。研究结果为密封舱气体置换方法设计提供了一种可借鉴的技术手段。

1 密封容器“充放气同时进行”方式数值计算

1.1 几何模型的简化

由于密封容器内的部件众多，几何外形复杂，若不分主次全部考虑，将会对气体置换区域流场的网格划分带来很大的困难。所以在数值模拟计算中，将只考虑密封容器内部体积较大，且对内流场有较大影响的部件，而将其他外形复杂的小型部件忽略不计。

经过以上简化的密封容器内部流场结构化网格如图1所示。入口直径为6 mm，出口直径为6 mm，最小网格尺寸为1 mm，最大网格尺寸不超过10 mm，该二维网格由18万网格组成。

1.2 边界条件

密封容器壁组成外壁面，外形组成内壁面。移至中轴线的充、抽气阀门所处位置为气体的流入和流出位置。设定入口为速度入口，速度为11.80 m/s，水蒸气质量分数为0；出口设置为压力出口，出口压力为0，水蒸气质量分数为0.0106。

图1 内流场网格

1.3 计算结果

经计算，气体置换完成所需时间为27 min，得到气体置换率η与置换时间的关系如图2所示。

图2 气体置换率与置换时间的关系

分析图2可知，在初始阶段气体置换率与置换时间呈近线性关系，随着置换时间的增加置换率逐渐增大，前10 min气体置换了约50%，10～20 min气体置换了约30%，最后7 min气体置换了约10%，可见，随着置换时间的推移气体置换效率逐渐减慢。为了探明产生这种状况的原因，本研究将对气体置换过程中的流场形态进行详细分析，密封容器内气体的流场变化情况如图3～图5所示。

从图3可以看出，只有在充气入口处速度较高，能够达到11.80 m/s，在充气阀门中轴线上有一段气流冲击区，在此区域气体速度能够达到或接近7 m/s，其余区域的气体速度很小，原因在于相对于密封容器而言，充气阀门半径太小，充气入口进入的气体冲击区域有限，密封容器内绝大部分区域的气体速度接近于0，即气体的置换大部分是通过气体扩散来达到的。

图3 不同置换时间下的速度云图

从图4可以看出，当充放气同时进行时，由于充气孔径相对于密封容器体积而言过于狭小，充入的气体可以在密封容器内迅速扩散，为此，气体之间的相互作用较小，温度变化较小，由于内外壁面之间的间隙较小，使得充入气体在狭缝处扩散较慢，使得气体在密封容器下半段有一定的温升，且随着充气时间的增加，温升逐渐向后半段。总而言之，温度对气体置换效率的影响较小，可忽略不计。

综上所述，“充放同时进行”气体置换方式通过27 min 的气体置换可以将原有气体置换掉90%，即当气体组氛的质量分数为原来的10%时所耗费的时间为27 min。

2 “抽气+保压+充气+保压”过程的理论计算

2.1 密封容器气体置换所需时间估算

1) 密封容器气体置换时间理论估算

“抽气+保压+充气+保压”式置换方式主要是使用干空气将水蒸气稀释，降低其质量分数，在“保压”过程中气体混合均匀后，将空气抽出，从而实现气体置换。其充气时间可通过如下估算得到。

图4 不同置换时间下的温度云图

假定密封容器的体积为V，大气压力为p0，抽真空到压力p1，抽气体积为V1，充气到压力p2，充气体积为V2，抽真空到压力p1，则抽气体积V1为：

p0V=p1(V+V1)

(1)

(2)

假设要求每分钟密封容器压降不大于0.02 MPa，则抽气流量Q1为：

(3)

若气源流量能够满足0.25V，则抽气时间t1为：

(4)

当密封容器体积较大或气源流量不足时，按抽气流量0.1V进行抽真空，则抽气时间t1为：

图5 不同置换时间下的水蒸气质量分数云图

(5)

充气到压力p2，则充气体积V2为：

p2V=p1(V+V2)

(6)

(7)

要求每分钟密封容器压降不大于0.02 MPa，则抽气流量Q2为：

(8)

若气源流量能够满足0.1V，则充气时间t2为：

(9)

抽真空到压力p1，则抽气体积V3为：

p2V=p1(V+V3)

(10)

(11)

假设要求每分钟密封容器压降不大于0.02 MPa，则抽气流量Q3为：

(12)

若气源流量能够满足0.1V，则抽气时间t3为：

(13)

充气到压力p2，则充气体积V4为：

p2V=p1(V+V4)

(14)

(15)

假定要求每分钟密封容器压降不大于0.02 MPa，则抽气流量Q4为：

(16)

若气源流量能够满足0.1V，则抽气时间t4为：

(17)

放气到大气压p0，放气体积为V5

p2V=p0(V+V5)

(18)

(19)

假定要求每分钟密封容器压降不大于0.02 MPa，则抽气流量Q5为：

(20)

若气源流量能够满足0.1V，则抽气时间t5为：

(21)

2) 案例分析

对某种密封容器的抽、充气压力进行赋值，按照上述公式计算从而求得“抽气+保压+充气+保压”置换方式的总耗时。

假设某种密封容器要求如下：抽真空到-0.02 MPa，充气压力到0.15 MPa。则绝对压力p0=0.1 MPa，p1=0.08 MPa，p2=0.25 MPa。由于密封容器体积较大，假定抽充气流量均为0.1V，则：

保压5 min；

保压5 min；

保压5 min；

保压5 min；

为了保证气体置换的充分性，对抽、充气时间进行圆整，则两轮抽充气时间t约为：

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

2.2 密封容器内某种气体组氛质量分数估算

假定初始时密封容器内某种气体组氛的质量分数为C，则：

(1) 抽真空到压力p1，虽然密封容器内的气体质量减少，但某种气体组份的质量分数仍为C；

(2) 充气到压力p2，则密封容器内某种气体组份的质量分数为：

(22)

(3) 抽真空到压力p1，虽然密封容器内的气体质量减少，但某种气体组份的质量分数仍为C′；

(4) 充气到压力p2，则密封容器内某种气体组份的质量分数为：

(23)

按照前文假定，即：抽真空到-0.02 MPa，充气压力到0.15 MPa，则绝对压力p0=0.1 MPa，p1=0.08 MPa，p2=0.25 MPa。则某种气体组份的质量分数为：

C″=(p1/p2)2C=0.1024C，即该气体组份的含量约为原来的10%。

综上所述，当密封容器体积较大或气源流量不足时，充、抽气流量均假定为0.1V，则抽、充气时间只与抽、充气开始和结束时的压力值有关，而与密封容器的体积关系不大，而气体组氛质量分数的变化只与抽、充气压力有关，且n轮抽、充气结束后气体组氛的质量分数是原来的(p1/p2)n倍。当抽气压力为-0.02 MPa，充气压力为0.15 MPa时，通过两轮气体置换能够使气体组氛的含量降为原来的10%，所需时间为104 min。

3 结论

(1) “充放同时”和“抽气+保压+充气+保压”两种气体置换方式均能够实现使气体组氛的含量降为原来的10%的目的；

(2) 两种置换方式对比而言，“充放同时进行”方式的气体置换效率更高，用时更少，且随着置换时间的增加气体置换率逐渐增大，但增幅逐渐减小，27 min时气体置换完成；

(3) “抽气+保压+充气+保压”方式的气体置换时间是由充、抽气压力决定的，在本研究假定情况下的气体置换时间为104 min，可通过增加充、抽气压力来提高置换效率。