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1、气动系统中结露问题的因次分析摘要：本文利用因次分析法研究影响气动系统中结露的因素,分析气动系统中的结露现象,给出不同系统中结露的影响因素及模型,找出气动系统结露中关键的影响因素。关键词：因次分析，气动系统，内外部结露。1 概述气动系统中的结露是和很多因素有关的复杂现象，气动系统中的结露发生在 压缩空气的放气过程中, 所以组成系统的各元件的结构尺寸、环境条件以及供气 条件等均对结露有一定的影响。如何正确分析各个影响因素对结露现象的影响程 度, 找出影响气动系统结露的主要影响因素是研究结露问题的关键,确定影响气 动系统结露现象的各个因素 , 并利用因次分析法研究系统结构尺寸对结露现象 的影响程度。
2、2 气体最低温度对外部结露的影响在气动系统的放气过程中气体的温度因其体积快速膨胀而急剧下降。气体温 度的下降会导致：(1)系统内气体压强很快达到当地饱和蒸汽压，气体中的水 蒸汽分解到气体中产生水滴；(2)组成系统的元件外部表面附近的环境气体的 温度下降，在元件外部表面上形成水滴即发生外部结露。放气管路越短， 放气过程中气体的温度越低，越容易在元件内部或外部产生水滴。因为放气管路 很短, 可以忽略放气管长对温度的影响, 把系统近似看成纯容器的放气过程,所 以实验中采用大容器和短管组成的放气系统,分析放气过程中气体的最低温度, 以研究外部结露与温度的关系。假设:气体为理想气体,放气过程为绝热过程。
3、根据实验现象的分析,在气体 的放气过程中最低温度是在容器出口处,且其最低温度直接决定系统是否产生水 滴进而发生结露。影响容器出口处气体最低温度的因素有:容器的容积V、容器出 口处有效过流面积A、容器中压缩气体的初始状态。根据热力学知识和实验现象1的分析，可以如下确定气体最低温度T和其影响因素之间的关系：T=f(V, Ps, ps. A, R)(1)1式中：V容器容积Ps压缩气体初始压力p s气体初始密度A 容器出口处有效过流面积1R 气体常数1进行因次分析得：0(2)( 3 )选V, p s, T, Ps为基本因次， f、A R/ j/F pr1 Tps气体状态方程整理上式得：T=KT f (
4、A /V2/3)S 1 1式中：K为常数，由试验确定。上述分析表明:在容器的放气过程中气体的最低温度是无因次面积A /V2/3的1函数。当初始温度相同时,气体的最低温度取决于无因次面积A/V2/3。同时根据对1 实验现象的分析,当放气系统的初始条件、环境条件、容器体积、容器出口处有 效过流面积以及放气管内径一定时, 放气管的长度对结露有直接影响。因此对结 露的实验点以无因次面积A/V2/3为横坐标、无因次长度L/D (D为放气管内径)为纵1坐标进行分析。由实验作图分析,内部结露发生在无因次面积很小、无因次长度 较大的系统中；而外部结露发生在无因次面积很大、无因次长度较小的系统中。3 气体最低温
5、度和气流运动速度对内部结露的影响根据实验研究得知,气动系统中的内部结露不仅和放气过程中气体的温度有 关,还和放气过程中气流的运动速度有密切的关系。放气过程中气体的温度对内 部结露的影响与其最低温度有关。对于放气系统中气流,不同系统表现出不同的 放气速度。放气管越长,气流的运动速度越低,越容易留住由于温度降低所产生 的水滴而发生内部结露现象。由热力学知识和因次分析法，气体最低温度T和其影响因素之间的关系可写 成:T=f(V ,P, p s，R ,A ,L)(4)S选L，T, P p s为基本因次，由因次分析法求得放气过程中气体的最低温度为S,T= (L3/V) k Tf (AL/V)(5)12式
6、中， k 为常数，由实验测定。1在实验的放气系统中，气体的最低温度是无因次体积(AL/V)的函数。无因次 体积是气动系统结露现象的主要影响因素，这和实验研究中观察到的现象相吻 合，即根据实验研究和以上因次分析得知气动系统中的结露和无因次体积(AL/V) 有直接联系。当无因次体积(AL/V)很小时放气管路的长度可以忽略，可以采用(1)式为 模型，此时系统发生外部结露的多；当无因次体积(AL/V)较大时，要考虑放气 管长度对结露的影响，应采用(4)式为模型，此时系统发生内部结露的多。由 于气动系统中的结露是在气流的放气过程中产生，因此气流的运动速度对系统的 结露有决定性影响。如果气流的速度很大，足
7、以带动气流中由于温度下降而产生 的水滴，并从系统中流到外部环境中，则此系统不会发生内部结露。采用平均速度以表示气流的运动速度。由流体网络理论假设:(1)理想模型； (2)管路始端流阻为纯流阻,其大小等于管路的特性阻抗； (3) 管路终端流阻为纯 流阻和流容的串联。则气体在整个放气过程中的平均速度为：式中：Ts为整个放气时间(认为放气压力达到环境压力的(1 +0.00001)倍时系统 的放气过程结束, 此时放气过程所需的时间为整个放气时间Po-压力阶跃大小,Po=Ps-Pa, Pa为环境压强So 系统综合参数，So二(A L/V) a-声速n管路终端纯流阻的反射系数，n = (R-Zc)/(r
8、+Zc)llR管路终端纯流阻,R =a/Al l 1Zc-特性阻抗， Zc=a/AP边(1+ 1(尸)处根据以上分析，对发生结露和不发生结露的实验点以(AL/V)为横坐标、 以平均速度Vm为纵坐标进行数据整理，发现:当环境温度相同时，不同元件、不同 供气压力条件下的系统，所有发生外部结露、发生内部结露和不发生结露的实验 点在所选的坐标面上形成一个分布图形。由图可知，外部结露发生在无因次面积 较小、气流平均速度很快的系统中；内部结露发生在无因次面积较大、气流平均 速度很小的系统中；而不发生结露出现在无因次面积较小、气流平均速度很小的 系统中。4 结论：(1) 无因次面积可以用(AL)/V来表示系统发生内部结露或外部结露的可能 性。(2) 可以根据无因次体积(A L)/V和平均速度Vm判别系统发生内部结露、外部 结露或不发生结露。当无因次体积较小、平均速度较大时系统发生外部结露;当 无因次体积较大、平均速度较小时系统发生内部结露。(3) 当无因次体积(A L)/V较小时可以采用纯容器的放气过程为研究对象，只 研究气体的温度；当无因次体积(AL)/V较大时必须考虑放气管路的影响，同时 考虑气体温度和气流平均速度对结露的影响。参考文献：【1】罗志昌，流体网络理论，机械工业出版社，1988 【2】金英子，气动系统结露问题的研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，1998，15-20
