真空管道高速交通運行抽氣系統的製作方法

2023-05-14 08:19:56

專利名稱：真空管道高速交通運行抽氣系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空管道超高速交通在車輛運行行駛過程中由車輛前端的吸氣裝置對真 空管道進行抽氣的系統，屬於真空管道交通技術與真空形成技術的結合例。
背景技術：
由於真空管道交通線路只是實現了粗真空或低真空，車輛運行時，殘留的空氣仍將產生 活塞風效應。在真空管道中運行的車輛前部產生的動態高壓構成運行阻力，阻礙了車輛速度 的提高，也增大了車輛的動力消耗。然而，活塞風的前部產生的動態高壓可以轉變成對線路 的真空維持。據此，本發明給出了 "運行抽氣"系統。
利用活塞風進行抽氣操作的有效方式是將抽氣機安裝在真空管道中運行車輛的前部，其 進氣口與飛機發動機的進氣口類似，但比飛機發動機的進氣口更大，以便提高收集氣體的效
衝< 。
飛機發動機是向經過壓氣機增壓的氣體加注燃料，燃燒後使空氣進一步升溫膨脹，然後 從噴口噴出，產生推力。與飛機發動機不同的是，運行抽氣裝置必須使吸入的氣體降溫，並 經過進一步的壓縮與冷卻，然後存放在高壓存儲罐中，並在通過氣閘站離開真空管道線路時 帶出。
高壓儲存氣體在工業上已經具有廣泛的應用。我們設想運行抽氣的儲氣罐應當工作在常 溫下，工作壓強應當在100 atm數量級上，這需要通過一系列壓縮與冷卻才能實現。

發明內容
如附圖1所示，本發明的運行抽氣裝置在運行方向(5)最前部設置進氣口/集氣口 (1 )，為了保證進氣口 (1)迎面的氣流被有效地吸收，在進氣口 (1)之後設置有一個大流量 的壓縮機(3)，將收集到的氣體就近存儲在低壓儲氣罐(4)中。在運行方向的前部，還應 當設置控制室(2)，以供操作人員駕駛操作運行抽氣裝置。在控制室(2)之後安裝高壓儲 氣罐(6)，隨後設置各級壓縮機(8)，最後部是輻射散熱裝置(12)。之所以將輻射散熱 裝置(12)安排在運行抽氣裝置最後部，目的在於避免從輻射散熱器(12)散發的熱量經過 速車線路緩衝層反射後影響運行抽氣裝置的運行。
集氣口 (1)的具體形狀根據真空管道運行車體的前端結構可以有多種形狀，如長方形喇叭口，圓形喇叭口和橢圓形喇叭口等，喇叭口根據結構或強度需要可設置柵格等支擋。該 喇叭口的大小可以接近車體限界，也可小於車體限界。
本案中的運行抽氣系統可以作為補充抽氣的裝置，即為了維持額定的真空度，當真空管 道中氣壓高於額定氣壓時由該運行抽氣系統進行抽氣。
本案中的運行抽氣系統可用於對真空管道從常壓降低氣壓的抽氣裝置，這時整個真空管 道交通系統的主管道線路可設置專門的真空泵或真空機組，也可不設置專門的真空泵或真空 機組，僅由車載的運行抽氣系統完成抽真空的作業。
本案中的運行抽氣系統可安裝在專用的車體上，也可以普遍地安裝在載客車體上，在車 輛運行過程中同時完成對真空管道的降壓作業。
本發明給出了對真空管道高速磁浮交通系統進行降壓/抽真空的一種方法，同時給出了 與該方法相應的一種實施裝置。本案中的運行抽氣系統可獨立完成真空管道降壓作業，也可 作為輔助真空泵、真空機組抽真空或維持額定真空度的裝置。


圖l為採用輻射冷卻的運行抽氣裝置示意圖。圖中7.低壓輸氣管，9.驅動與懸浮機構
，10.壓縮機-換熱器機組，11.輸氣管中壓縮後氣體的輸送方向。 圖2為多級絕熱壓縮、輻射冷卻抽氣原理圖。
具體實施例方式
本案中的運行抽氣系統的具體實施方式
如下
車體運行時，啟動本案所給的運行抽氣系統。由於車體的高速運行(運行方向(5)如
圖l的所示)，車體前方的氣體被壓縮，壓縮氣體經進氣口 (1)進入抽氣裝置。
對於進入抽氣裝置的氣體，可採用如圖2所示的多級壓縮、輻射散熱方法以達到預期的
最終壓縮比。
經過第一級(1#壓縮機(15))絕熱壓縮之後，隨著氣體密度的提高與溫度的提高， 氣體的壓強也較大幅度地提高了。在(密度)壓縮比為80時，溫度達到1286K，氣壓提高接 近350倍。然而，如果真空管道線路中空氣壓強為l/3000大氣壓，提高350倍以後，氣壓為 0. 12 atm。輻射散熱以後，溫度降低。由於輻射能力與輻射溫度4次方成正比，為保證輻射 散熱裝置的散熱效率，輻射散熱氣體輸出溫度應當維持在足夠高的水準上。溫度降低以後， 應設置下一級壓縮與輻射散熱過程。
如果輻射散熱入口、出口溫差為400K，溫度從1286K降低為886K，氣壓降低到第一級壓 縮後的68%。在此基礎上安排第二級絕熱壓縮(如2#壓縮機(16))，如果(密度)壓縮比為3，則使溫度仍然上升到1285K，而出口氣壓比第二級絕熱壓縮的入口氣壓上升4.33倍，達 到l/3大氣壓。經過二次絕熱壓縮後氣體再導入輻射冷卻系統進行冷卻降溫。如果氣體下一 級絕熱壓縮、輻射散熱過程(如3#壓縮機(17))的降溫幅度與前一級降溫幅度相同，絕 熱壓縮、輻射冷卻裝置出口的氣體仍然為400K，即輻射冷卻出口的氣體溫度降低為第二級絕 熱壓縮出口溫度的68%，下一級的氣壓為第一級的絕熱壓縮、輻射冷卻過程的氣體氣壓3倍。
重複上述絕熱壓縮與輻射冷卻過程，壓縮與冷卻系統中氣壓逐步上升。如果在除初級壓 縮(壓縮比為80)之後，總計再設置8級壓縮比為3的絕熱壓縮，總壓縮比可以達到525000。
按照上述逐步絕熱壓縮(壓縮比為3)、輻射冷卻(400K降溫)方案，到第5級壓縮後， 絕熱壓縮後的氣體的氣壓即達到10atm以上。考慮到輻射冷卻系統工作在高溫狀態下，輻射 冷卻裝置中輸送高溫氣體的管道如果很薄，則高溫高壓氣體有可能導致管道破裂。但如果管 道比較厚(耐高溫材料的熱傳導係數通常比較低)，則傳熱效果達不到輻射散熱的要求。所 以，對於多級氣體的絕熱壓縮、輻射冷卻系統，當氣壓在後級達到比較大壓強以後，需要引 入液態傳熱工質系統在換熱後進行輻射散熱。這時，高溫高壓氣體被包裹在外殼溫度較低、 比較堅固耐高溫的換熱器中，而在輻射散熱器中流動的傳熱液體在輻射冷卻裝置的工作溫度 下蒸汽壓強很低，能保證輻射冷卻系統正常運轉。
按照前述分析，將氣體在常溫下從l/3000atm壓縮到100atm，需要10級左右的壓縮與輻 射冷卻過程，為了作圖方便起見，圖1隻畫出了5級。當真空管道車輛運行時，設置在底盤迎 風方向的進氣口 (1)收集管道中的氣體，經0#壓縮機(3)壓縮以後存放在低壓儲氣罐( 4)中，通過低壓輸氣管(7)送入1#壓縮機(15)，空氣經過壓縮後送入輻射冷卻A迴路( 25)。高溫氣體首先導入到底盤的後部，並在冷卻過程中逐步向前傳輸，從輻射冷卻A迴路 (25)輸出的氣體被導入2#壓縮機(16)，經過2#壓縮機(16)壓縮以後，氣體再被導入 輻射冷卻C迴路(27)，該輻射冷卻迴路與A迴路(25)平行。從輻射冷卻C迴路(27)輸出 的氣體被導入3#壓縮機(17)，再被導入輻射冷卻E迴路(29)。
經過E迴路(29)冷卻的氣體被導入增壓殼(18)中的4#壓縮機(24)。經過4#壓縮機 (24)壓縮的氣體由於壓力已經比較高，不再直接導出到輻射散熱器中，而是通過4#換熱 器(23)降溫。換熱器中採用液態金屬作為傳熱工質，通過增壓泵(19)從輻射冷卻迴路中 泵入，經過換熱器時吸熱，通過限壓閥(20)流出增壓殼，進入輻射冷卻D迴路進行輻射冷 卻循環。
將經過4#壓縮機(24)壓縮，並經過4#換熱器(23)冷卻的氣體導入5#壓縮機(22)壓 縮，並經過5#換熱器(21)冷卻。與4#換熱器(24)類似，5#換熱器(21)也採用類似的機構驅動作為傳熱工質的液態金屬實現換熱冷卻，並在B迴路中進行輻射冷卻循環。
一般說來，可以將氣體通過管道直接導入輻射冷卻裝置的過程稱為直接輻射散熱，如上 述A、 C與E迴路那樣。將經過換熱器、運用液態金屬作為輻射散熱載體的過程稱為間接輻射 散熱，如上述B與D迴路那樣。對於運行抽氣系統來說，如果考慮使用輻射散熱，這兩種方式 需要綜合使用。
經過5#壓縮機(22)壓縮、並經過5#換熱器(21)冷卻的氣體將送入高壓儲氣罐(6) 。雖然已經經過5#換熱器(21)降溫，然而輸出的氣體流(14)的溫度依然很高。按照前 述設計，從5#換熱器(21)流出的氣體的溫度應當在600 。C左右。上述溫度對於高壓儲氣罐
(6)明顯偏高。可以設置膨脹降溫裝置，在這個裝置中氣體通過絕熱膨脹降溫然後導入高 壓儲氣罐(6)。
多級絕熱壓縮、冷卻的效率高於單步絕熱壓縮冷卻的效率。
間接輻射冷卻的工質選擇，從物理性能角度出發，液態傳熱工質較理想的選擇應當是金 屬鎵(Ga)，這種金屬在29. 78°C，直到2402。C (2675K)，其飽和蒸汽壓才達到latm (沸騰 蒸氣壓)，在輻射冷卻系統工作在1000 。C左右的溫區，其飽和蒸汽壓可以忽略不計。然而 ，鎵(Ga)是不常見的貴重金屬材料。
金屬納(Na)是液態傳熱工質的另一個候選者，它的熔點為97.8。C，沸點為882. 9 °C ， 在溫度略低一些的空間核裂變能、熱電偶發電的輻射冷卻系統已經有所應用，然而其沸點低 於上述輻射冷卻系統工作100(TC溫度。金屬鋰(Li)的沸點比鈉的沸點高，達到1347i:，已 經符合上述100(TC輻射冷卻的工作溫區。當然它的熔點也比鈉的熔點高，達到180. 54 °C。 此外，鋰是比較稀缺的資源。
用於運行抽氣輻射冷卻裝置選擇常見的金屬、五金之一錫(Sn)作為液態傳熱工質更為 適當。錫的熔點雖然比鋰還要高一些，達到232'C，但是其沸點為227(TC，雖然不及鎵的沸 點高，但是比鈉與鋰的沸點高出很多。錫的重要優勢不僅在於比較廉價，而且還在於其化學 性質比較穩定。
對於本案所給出的絕熱壓縮-輻射冷卻的運行抽氣系統的啟動與運行，如果採用金屬材 料(例如錫)作為間接輻射冷卻的工質，在常溫下間接輻射冷卻迴路與換熱器將處於凍結狀 態，必須使其升溫融化才能進入正常的間接輻射冷卻狀態。
可以採用多種方法使間接輻射迴路升溫。例如沿間接輻射冷卻迴路鋪設電熱絲，通電使 間接冷卻迴路升溫。
然而，對於圖2所示的系統，比較簡便的方法是通過直接輻射冷卻迴路的運轉使間接輻
6射迴路與換熱器中的工質融化，因為直接輻射冷卻迴路在常溫下即可以投入運轉。
當運行抽氣裝置從氣閘站進入真空管道系統後，即可啟動直接輻射冷卻迴路(12)的運 轉。經過絕熱壓縮升溫的氣體進入直接輻射冷卻迴路(12)以後，使輻射冷卻系統升溫，當 輻射冷卻裝置溫度為錫的融化溫度(232°C， 505K)時，其輻射能力僅僅相當於其為100(TC
(1273K)時，所以少量的幾級(例如大於總級數10%)直接輻射冷卻迴路即可使間接輻射冷 卻系統退出凍結狀態。
值得說明的是，由於高壓儲氣罐(6)開始運行時也處於低壓狀態，所以無須經過後級 壓縮、(間接)輻射冷卻，僅僅經過前級壓縮機(3)、直接輻射冷卻的氣體也可以向尚處 於低壓狀態的"高壓儲氣罐"輸出氣體，完成前期的正常抽氣功能，並加熱間接輻射冷卻系 統，使其工質解凍。
當運行抽氣裝置或載有運行抽氣裝置的真空管道車輛完成在真空管道中的運行過程，從 氣閘站進入常壓的車站區域時，在氣閘站中應當將高壓儲氣罐(6)中殘留的空氣放空，使 其處於真空或者常壓狀態。
也可在運行抽氣裝置或載有運行抽氣裝置的真空管道車輛完全離開真空環境後再對高壓 儲氣罐(6)進行放氣作業。
權利要求
1.一種真空管道交通在車輛運行行駛過程中由車輛前端的吸氣裝置對真空管道進行抽氣、降壓的系統。本發明涉及把車輛運行時活塞風的前部產生的動態高壓轉變成對線路的真空維持。
2. 根據權利要求1，本發明的運行抽氣裝置涉及使吸入的氣體降溫，並經過進一步的壓 縮與冷卻，然後存放在高壓存儲罐中，並在通過氣閘站離開真空管道線路時帶出。對於載客 車輛自帶的運行抽氣系統，所收集的氣體也可供車廂內乘客呼吸與生命保障系統之用。
3. 本發明的運行抽氣裝置在運行方向最前部設置進氣口，為了保證進氣口迎面的氣流 被有效地吸收，在進氣口之後設置有一個大流量的壓縮機，將收集到的氣體就近存儲在低壓 儲氣罐中。在運行方向的前部，還可設置控制室，以供操作人員駕駛操作運行抽氣裝置。在 控制室之後安裝高壓儲氣罐，隨後設置各級壓縮機，最後部是輻射散熱裝置。
4. 集氣口的具體形狀根據真空管道運行車體的前端結構可以有多種形狀，如長方形喇 叭口，圓形喇叭口和橢圓形喇叭口等，喇叭口根據結構或強度需要可設置柵格等支擋。該喇 叭口的大小可以接近車體限界，也可小於車體限界。
5. 本案中的運行抽氣系統可以作為補充抽氣的裝置，即為了維持額定的真空度，當真 空管道中氣壓高於額定氣壓時由該運行抽氣系統進行抽氣。本案中的運行抽氣系統可用於對 真空管道從常壓降低氣壓的抽氣裝置，這時整個真空管道交通系統的主管道線路可不設置專 門的真空泵或真空機組，僅由車載的運行抽氣系統完成抽真空的作業。
6. 本案中的運行抽氣系統可安裝在專用的車體上，也可以普遍地安裝在載客車體上， 在車輛運行過程中同時完成對真空管道的降壓作業。
全文摘要
本發明給出一種真空管道超高速交通在車輛行駛過程中由車輛前端的吸氣裝置對真空管道進行抽氣的方法與裝置。即在車輛最前部設置集氣口，之後設置一個大流量壓縮機，將收集到的氣體就近存儲在低壓儲氣罐中。在運行方向的前部設置控制室，在控制室與大流量壓縮機後安裝高壓儲氣罐，隨後設置各級壓縮機，最後部是輻射散熱裝置。該系統可以作為對真空管道(真空隧道)補充抽氣的裝置，即為了維持額定的真空度，當真空管道中氣壓高於額定氣壓時由該運行抽氣系統進行抽氣，也可用於對真空管道從常壓降低氣壓的抽氣裝置。該運行抽氣系統可安裝在專用的車體上，也可以普遍地安裝在載客車體上，在車輛運行過程中同時完成對真空管道的抽真空/降壓作業。
文檔編號B61B13/10GK101643071SQ20091030596
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者劉本林, 張耀平, 勇 趙 申請人:張耀平;西京學院