吸污控制及真空产生的原理 李玉成.docx

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吸污控制及真空产生的原理李玉成

动车组卫生间吸污控制

及真空产生的原理

作者单位长春轨道客车股份有限公司调试车间

作者姓名李玉成

成文时间二〇〇九年五月十日

动车组卫生间吸污控制及真空产生的原理

李玉成

（长春轨道客车股份有限公司调试车间130062）

摘要动车卫生间采用真空集便器，既节约用水，又不污染环境。

该论文介绍集便器吸污控制及真空产生的原理。

关键词真空集便器真空泵排污

1.前言

由于普通火车上使用的是直排式厕所，大量乘客的排泄物就随行驶的火车直接撒在了铁轨上。

有数据表明，我国4万多辆火车每天向7万多公里铁路线“拉”出近6000吨粪尿污水，严重恶化了铁路沿线环境。

真空集便器的诞生有效地解决了这一问题。

并在机车中建成了整体卫生间，这种卫生间曾在乌兹别克斯坦经受住了零下30摄氏度的气温和相当于我国80年代铁路轨道水平的考验。

2.真空集便器的排污原理

真空集便器的主体是一个真空泵，一端与坐便器相连。

当它工作时，泵内的涡轮旋转形成真空，就把坐便器里的污物“吸”到泵中，通过压力排放到指定地点储存起来。

同时，泵的前部有一组刀片，用于粉碎污物。

“因为真空产生的‘吸’力很强，我们使用时就不需要借助太多水的冲力了”，这时候水只起到去除表面沾物和润滑的作用，一次只需一小杯水就够了，这是普通家用抽水马桶一次冲水量的十二分之一。

它实现了能节水、储存排放物这两大功能。

还有真空泵前部的那组刀片，因为排泄物经过了浸软和粉碎，所以他们的排污管道直径只需32毫米，比普通110毫米直径的排污管道要细得多。

另外，由于污物是真空泵“吸”到管道里的，最大的“吸”力可以垂直“吸”上两米，所以管道可以在这个范围内像电线一样随意“走”。

3．集便系统工作循环过程

工作原理：

按下冲洗按钮，喷射器动作将便器和污物箱之间的隔离箱抽成负压，排泄阀打开，污物从便器中被抽入隔离箱中。

随后，排泄阀关闭，喷射器关闭，压送阀及输送管阀打开，压缩空气通过限压阀进入隔离箱，箱体内的压力从负压变成正压，污物通过输送管阀从隔离箱内压入污物箱。

步骤1：

准备状态准备状态下，便碗底部存有一个小水凹，入口阀和出口阀此时处于关闭状态。

再在待用工作过程中，抽水马桶包括初始供水、水箱加水，进气和出气阀处于关闭状态。

电源消耗2.2瓦。

步骤2：

冲洗便碗按下冲便按钮，冲水循环开始，一个完整的冲水循环大约耗时25秒。

在这个冲水循环过程中，下一次的冲水循环不会开始。

压缩空气被压入水箱，冲便水在空气的压力下通过喷嘴喷出，这样便碗得到有效的冲洗。

步骤3：

隔离箱内产生真空与冲水循环同时，真空泵将中间水箱排空到大约-0.4巴的真空压力。

步骤4：

清空便碗入口阀打开，便碗中的污物被集便箱的真空通过便碗与集便箱之间的管路吸到集便箱中。

步骤5：

初始化便碗压缩空气进入水箱，冲便水伴随6.2bar空气压力通过喷嘴喷到便碗中，这样便碗中又储存一部分水。

步骤6：

清空集便箱压缩空气进入集便箱直到压力达到大约+0.6bar，此时出口阀暂时打开，集便箱里的废物被压到车下污物箱中。

4.真空泵

真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。

真空泵可以定义为：

利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。

随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。

按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。

随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。

为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。

针对动车使用的真空泵主要是获的低真空。

真空为气体较稀薄的空间。

在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。

1标准大气压（1atm）≈1.013×105pa（帕），1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa我国真空区域划分为：

粗真空1.013×105pa至1.333×103pa、低真空1.333×103pa至1.333×10-1pa、高真空1.333×10-1pa至1.333×10-6pa、超高真空1.333×10-6pa至1.333×10-10pa和极高真空<1.333×10-10pa。

低真空的获得，获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。

它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为1.33~1.33×10-2Pa，抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。

以下介绍几种低真空泵。

5.低真空泵

5.1旋片式机械泵

旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。

其工作压强范围为101325~1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。

它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。

它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。

旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。

但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。

旋片泵是真空技术中最基本的真空获得设备之一。

旋片泵多为中小型泵。

旋片泵有单级和双级两种。

所谓双级，就是在结构上将两个单级泵串联起来。

一般多做成双级的，以获得较高的真空度。

旋片泵的抽速与入口压强的关系规定如下：

在入口压强为1333Pa、1.33Pa和1.33×10-1（Pa）下，其抽速值分别不得低于泵的名义抽速的95%、50%和20%。

旋片式机械泵结构和工作原理

旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。

偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。

转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。

转子的转动是由马达带动的，定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。

如下图

当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。

当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。

5.2水环式真空泵/液环真空泵

水环真空泵（简称水环泵）是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000~4000Pa，串联大气喷射器可达270~670Pa。

水环泵也可用作压缩机，称为水环式压缩机，是属于低压的压缩机，其压力范围为1~2×105Pa表压力。

水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。

在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。

由于真空应用技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。

由于水环泵中气体压缩是等温的，故可抽除易燃、易爆的气体，此外还可抽除含尘、含水的气体，因此，水环泵应用日益增多。

水环式真空泵/液环真空泵工作原理

如图：

在泵体中装有适量的水作为工作液。

当叶轮按图中指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。

水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。

此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。

如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

用途：

由于水环泵中气体压缩是等温的，故可以抽除易燃、易爆的气体。

由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。

有了这些突出的特点，尽管它效率低，仍然得到了广泛的应用。

5.3罗茨泵真空泵

罗茨式真空泵（简称罗茨泵）是一种无内压缩的旋转变容式真空泵。

是利用两个8字形转子在泵壳中旋转而产生吸气和排气作用的。

由于它在低压范围内工作，气体分子自由程度大，气体漏过微小缝隙的阻力很大，因而能获得较高的压缩比，可以作为增压真空泵使用；但它不能单独地把气体直接排到大气中去，需要和前级真空泵串联使用，被抽气体通过前级真空泵排到大气中去。

罗茨泵的特点是：

1转子与泵腔、转子与转子之间有一定的间隙，互不接触，不需要用油润滑。

2转子具有良好的几何对称性，可以提高转速，从而能够制造出结构紧凑的大抽速泵来。

3泵工作时振动小，容积大，容积利用系数=0.5左右。

4在泵腔内并不发生象真空泵那样的压缩现象，因此它不需要排气阀。

也正因如此，可抽除可疑性蒸汽。

5启动快，能够在短时间内达到极限真空。

功率小，运转维护费用低。

6罗茨泵在很宽的压力范围内（1000pa~1pa）有很大的抽速，能迅速排出突然放出的气体，弥补了扩散泵和油封机械泵（1000pa~1pa）时抽速都很小的缺陷。

因此，它最适合作增压泵。

罗茨泵广泛用于真空冶金工业的真空脱气、真空熔炼、钢水真空处理，以及空间模拟、低密度风洞等装置中抽除非腐蚀性气体。

也可以用于化工、食品、医药、电机制造等工业的蒸馏、蒸发、干燥等生产过程.

罗茨泵真空泵工作原理

工作时，被抽气体由进气口进入转子与泵体之间，这时一个转子和泵体把气体与进气口隔开，被隔开的气体（如图上影线部分所示），在转子连续不断地旋转过程中，被送到排气口。

空间是处在封闭状态，因此，没有压缩和膨胀。

但当转子的峰部转到排气口边缘时，由于V部分的压力较之排气口处的压力低，为了使连体积内均匀，气体就会从排气口处扩散到V区域，其扩散方向与转子旋转方向相反。

当转子再转动时，把V处的气体压缩到排气口其排出。

这时转子的另一面与进气口相连部分则吸入气体，当转子不断地旋转时，重复上诉抽气过程不断地排出流进来的气体。

这种工作过程相当于转子空间由某一最小值增加到最大值，然后再由最大值到最小值。

这就是罗茨真空泵的容积作用原理。

罗茨泵在入口压力很低情况下工作时，由于转子转速很高，转子表面的线速度接近于分子的热运动速度，这时碰撞在转子上的气体分子被转子推带到压力较高的排气口，再被预真空泵排除。

这就是罗茨真空泵的分子作用原理。

6.结语

真空集便器应用在动车，它不仅节约水源，而且污物不再直接排放到铁轨上,暂时贮存在集便器中,待列车进车库后统一处理,这样即能保护了环境,又让乘客不再为厕所关闭而苦恼了，是值得推广的技术。

参考文献

1、达道安.《真空设计手册（第3版）》[M].国防工业出版社，2004

2、李泽，刘峻.《罗茨真空泵及其使用》[M].四川科学技术出版社，1985

3、金捷商务-技术交流.《罗茨式真空泵、机组的工作原理说明》[DB/OL].

4、金捷商务-技术交流.《旋片式真空泵的工作原理说明》[DB/OL].

5、金捷商务-技术交流.《水环式真空泵的工作原理说明》[DB/OL].

6、金捷商务-技术交流.《根据工作原理对真空泵进行分类》[DB/OL].

7、XX博客-阿德山庄.《水环真空泵工作原理》[DB/OL]