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高效能多段式真空發生器與節能技術應用

摘要"

真空發生器是利用正壓氣源來產生真空負壓力的一種元件。在有壓縮空氣源的地方,當一個氣壓系統同時需要正壓與真空壓力時,真空發生器所獲得的真空壓力就變得十分容易和方便,但是真空發生器具有耗氣量大的侷限性,分配給它的正壓比例不能太高,避免影響整個氣壓系統的運作,為了降低真空產生器的消耗氣壓源問題,從一段式真空產生器逐漸演進到多段式真空產生器就是一種很好的問題解決方式。在多段式真空產生器的物理特性中,最常被提出討論的特性項目有真空壓力、吸入流量、供給壓力、空氣消耗量與排氣噪音等5項,本文使用高效能多段式真空產生器一詞來涵蓋這些物理特性,就是在檢討多段式真空產生器的耗氣量與能源使用效率,以及如何選取合適的物理特性,如客製化的最佳化規格,以符合客戶氣壓系統中所需的功能。更進一步處理耗氣量大的改善作法,則須搭配真空保持結構才可達成,如真空控制閥元件中以內部迴路方法來取得真空產生與破壞的主動控制權,當真空壓力符合設定的範圍時,藉由關閉進氣電磁閥來關閉供給壓力,就可做到降低耗氣量大的與節能的目的,而氣壓系統仍然保有它原訂的操作程序,所以搭配內部控制功能,節能技術就可結合高效能多段式真空產生器在真空控制閥元件中發揮節能省電,又高效、清潔、經濟的特色。

關鍵詞:真空發生器、多段式、真空保持結構、真空控制與破壞結構

前言

典型的一段式真空產生器內部構造,如圖1,已可清楚說明它的作動原理與使用方式,而它的物理特性如圖2所示,也涵蓋了4項物理特性的關聯性,包含:真空壓力空氣消耗量吸入流量供給壓力排氣流量等。
依照物理特性的關聯性,此元件可分類出三種一段式真空產生器,如E型高真空壓力與少吸入流量、H型高真空壓力與中吸入流量、L型中真空壓力與大吸入流量,它們的物理特性如圖3所示,也可清楚的看出其間的差異性及關聯性。其中,空氣消耗量與供給壓力為線性關係,只有一條曲線,而最低真空壓力的位置在不同類型中都不相同。
本文以一段式真空發生器為出發點來達成高效能多段式真空產生器,具體的實施作法是研究如何結合「二個」以上的一段式真空發生器的物理特性來達成「一個」高效能多段式真空產生器,換句話說,選取的物理特性必須基於一段式真空發生器已具有的特性,而不是任意修改多段式真空產生器的零件設計來調整特性,所以建立一段式真空發生器的物理特性資料庫,就是首先要完成的事項。本文對高效能多段式真空產生器的性能評估,也涵蓋它的耗氣量與能源使用效率,以及選取的物理特性的合適性,所以它應具有節能的目標,而檢查它是否充分利用供給壓力與空氣的消耗量,即是本文所定義的高效能分析。

數學模型

在基礎流體動力學中分析氣體時,常用柏努利方程式來說明靜壓、動壓的總壓值維持一定值,本文忽略氣體的位能影響,也為了簡化數學解法,更進一步把條件假設在溫度不變的情況下,以能量守恆方程式以及質量守恆定理來說明,如圖4所示之文式管,當氣體流速較高時,氣體壓力將較低,以維持能量守恆。
若以圖5所示本文擬開發的「二段式真空發生器」來看,假設噴嘴的供給壓力P1、空氣消費量Q1,2個真空吸入口的真空壓力P1V、P2V與吸入流量Q1v、Q2v,可得:
 .......(1)
 ........(2)
本文假設氣體密度不變且假設吸入流量 Q1V = Q2V= 0,意即大氣都不被吸入時,由式(1)與(2),可進一步簡化得到:
=常數(3)

二段式真空發生器高效能分析

圖6所示為典型的二段式真空產生器的物理特性圖,為了配合後續的高效能分析,本文將以直徑 1.0 mm的噴嘴為例來說明二段式真空產生器所有的物理特性。
本文選取的2個一段式真空發生器的物理特性圖,如圖7與圖8。其中第一個一段式真空發生器稱為第一段,如圖7所示,E型噴嘴,直徑1.0 mm。而第二個一段式真空發生器稱為第二段,如圖8所示,H型噴嘴,直徑2.0 mm,這是因為第一段排氣管的後段直徑尺寸2.0 mm等於第二段的噴嘴尺寸,所以選出此第二段來進行討論。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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