Моделирование процесса откачки воздуха из ёмкости

В статье изложена методика моделирования процесса достижения в замкнутом объёме пониженного давления (вакуума) с помощью имеющего постоянное значение объёмного расхода откачивающего воздух устройства. Таким устройством может быть водокольцевой вакуумный насос (ВКВН), а замкнутый объём откуда необходимо откачать воздух - конденсатор паровой турбины или воздушная конденсационная установка (ВКУ).

Уравнение состояния идеального газа задаёт зависимость между давлением, температурой и массой газа, занимающего заданный объём:

$$pV = mR_вT$$

где $p$ - давление воздуха внутри ёмкости, Па; $V$ - объём ёмкости, $м^3$; $m$ - масса воздуха внутри ёмкости, кг, $R_в$ - газовая постоянная воздуха, Дж/кг/К; $T$ - температура воздуха внутри ёмкости, К.

Т.к. в процессе откачки воздуха из ёмкости значения $V$, $R_в$, $T$ остаются неизменными, то давление в ёмкости будет меняться пропорционально изменению массы воздуха внутри ёмкости:

$$\frac{p}{p_0} = \frac{m}{m_0} \Rightarrow p = p_0 \frac{m}{m_0} $$

где $p_0,\ m_0$ - давление и масса воздуха внутри ёмкости при условиях ISO для газовых турбин (температура 15 С, давление 101300 Па)

Зададим исходные данные.

Определим зависимость массы воздуха внутри ёмкости объёмом $V$ от времени при удалении воздуха из ёмкости с постоянным объёмным расходом $q$:

$$\frac{dm}{dt} = -q\rho = -q\frac{m}{V}$$

где $\rho$ - плотность воздуха, $кг/м^3$

$$\int \frac{dm}{m} = -\int \frac{q}{V} dt \Rightarrow \ln{m} = -\frac{qt}{V} + C$$

При $t = 0$: $C = \ln m_0$

$$m = e ^ {-qt/V + \ln m_0} = m_0e ^ {-qt/V} $$

Найдём время, которое понадобится для достижения внутри ёмкости давления 25 кПа

Т.к. у нас есть данные, которые мы получили для построения графика, то эту задачу можно решить с помощью интерполяции полученных данных:

Приведённые выше выражения действительны при условии полной герметичности рассматриваемого замкнутого объёма. Часто системы не полностью герметичны и из внешней среды в ёмкость идёт присос воздуха массовым расходм $g$, кг/с. Предположим нам известна величина присоса воздуха $g_0$ при давлении в ёмкости $p_0^п$. По этим данным находим гидравлическое сопротивление (см. [1]) каналов через которые происходит присос:

$$R = \frac{p_0 - p_0^п}{g_0^2}$$

тогда величину присоса при любом давлении $p$ в рассматриваемом объёме можно найти по формуле:

$$g = \sqrt{\frac{p_0 - p}{R}} = \sqrt{\frac{p_0 (1 - m/m_0)}{R}}$$

Изменение массы воздуха в ёмкости при работающем ВКВН и наличии присоса:

$$\frac{dm}{dt} = -q\frac{m}{V} + \sqrt{\frac{p_0 (1 - m/m_0)}{R}}$$

Данное уровнение будем интегрировать численно.

Для того чтобы проверить точность вычисления с помощью написанной функции численного интегрирования найдём максимальную относительную разницу между найденными с помощью численного интегрирования и найденными аналитически значениями давлений для случая отсутствия присоса.

Найдём изменение давления в ёмкости во времени при работающем ВКВН и наличии присоса воздуха

При работающем ВКВН и наличии присоса воздуха через некоторый промежуток времени величина присоса станет равной производительности удаляющего воздух устрйства и давление в ёмкости перестанет уменьшаться.

$$ q\frac{m}{V} = \sqrt{\frac{p_0 (1 - m/m_0)}{R}}$$

Для заданных условий найдём значение минимально возможного давления.

Напишем функцию для определения времени, необходимого для достижения заданного значения давления

Ссылки

  1. Моделирование характеристики гидравлической сети

Инженерные расчёты на Python, С.В. Медведев, 2020-2022
Использование Python и Jupyter Notebook для инженерных расчётов, С.В. Медведев, 2020-2022