CN101643071A - 真空管道高速交通运行抽气系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种真空管道超高速交通在车辆行驶过程中由车辆前端的吸气装置对真空管道进行抽气的方法与装置。即在车辆最前部设置集气口，之后设置一个大流量压缩机，将收集到的气体就近存储在低压储气罐中。在运行方向的前部设置控制室，在控制室与大流量压缩机后安装高压储气罐，随后设置各级压缩机，最后部是辐射散热装置。该系统可以作为对真空管道(真空隧道)补充抽气的装置，即为了维持额定的真空度，当真空管道中气压高于额定气压时由该运行抽气系统进行抽气，也可用于对真空管道从常压降低气压的抽气装置。该运行抽气系统可安装在专用的车体上，也可以普遍地安装在载客车体上，在车辆运行过程中同时完成对真空管道的抽真空/降压作业。

Description

真空管道高速交通运行抽气系统

技术领域

本发明涉及一种真空管道超高速交通在车辆运行行驶过程中由车辆前端的吸气装置对真空管道进行抽气的系统，属于真空管道交通技术与真空形成技术的结合例。

背景技术

由于真空管道交通线路只是实现了粗真空或低真空，车辆运行时，残留的空气仍将产生活塞风效应。在真空管道中运行的车辆前部产生的动态高压构成运行阻力，阻碍了车辆速度的提高，也增大了车辆的动力消耗。然而，活塞风的前部产生的动态高压可以转变成对线路的真空维持。据此，本发明给出了“运行抽气”系统。

利用活塞风进行抽气操作的有效方式是将抽气机安装在真空管道中运行车辆的前部，其进气口与飞机发动机的进气口类似，但比飞机发动机的进气口更大，以便提高收集气体的效率。

飞机发动机是向经过压气机增压的气体加注燃料，燃烧后使空气进一步升温膨胀，然后从喷口喷出，产生推力。与飞机发动机不同的是，运行抽气装置必须使吸入的气体降温，并经过进一步的压缩与冷却，然后存放在高压存储罐中，并在通过气闸站离开真空管道线路时带出。

高压储存气体在工业上已经具有广泛的应用。我们设想运行抽气的储气罐应当工作在常温下，工作压强应当在100atm数量级上，这需要通过一系列压缩与冷却才能实现。

发明内容

如附图1所示，本发明的运行抽气装置在运行方向(5)最前部设置进气口/集气口(1)，为了保证进气口(1)迎面的气流被有效地吸收，在进气口(1)之后设置有一个大流量的压缩机(3)，将收集到的气体就近存储在低压储气罐(4)中。在运行方向的前部，还应当设置控制室(2)，以供操作人员驾驶操作运行抽气装置。在控制室(2)之后安装高压储气罐(6)，随后设置各级压缩机(8)，最后部是辐射散热装置(12)。之所以将辐射散热装置(12)安排在运行抽气装置最后部，目的在于避免从辐射散热器(12)散发的热量经过速车线路缓冲层反射后影响运行抽气装置的运行。

集气口(1)的具体形状根据真空管道运行车体的前端结构可以有多种形状，如长方形喇叭口，圆形喇叭口和椭圆形喇叭口等，喇叭口根据结构或强度需要可设置栅格等支挡。该喇叭口的大小可以接近车体限界，也可小于车体限界。

本案中的运行抽气系统可以作为补充抽气的装置，即为了维持额定的真空度，当真空管道中气压高于额定气压时由该运行抽气系统进行抽气。

本案中的运行抽气系统可用于对真空管道从常压降低气压的抽气装置，这时整个真空管道交通系统的主管道线路可设置专门的真空泵或真空机组，也可不设置专门的真空泵或真空机组，仅由车载的运行抽气系统完成抽真空的作业。

本案中的运行抽气系统可安装在专用的车体上，也可以普遍地安装在载客车体上，在车辆运行过程中同时完成对真空管道的降压作业。

本发明给出了对真空管道高速磁浮交通系统进行降压/抽真空的一种方法，同时给出了与该方法相应的一种实施装置。本案中的运行抽气系统可独立完成真空管道降压作业，也可作为辅助真空泵、真空机组抽真空或维持额定真空度的装置。

附图说明

图1为采用辐射冷却的运行抽气装置示意图。图中：7.低压输气管，9.驱动与悬浮机构，10.压缩机换热器机组，11.输气管中压缩后气体的输送方向。

图2为多级绝热压缩、辐射冷却抽气原理图。

具体实施方式

本案中的运行抽气系统的具体实施方式如下：

车体运行时，启动本案所给的运行抽气系统。由于车体的高速运行(运行方向(5)如图1的所示)，车体前方的气体被压缩，压缩气体经进气口(1)进入抽气装置。

对于进入抽气装置的气体，可采用如图2所示的多级压缩、辐射散热方法以达到预期的最终压缩比。

经过第一级(1#压缩机(15))绝热压缩之后，随着气体密度的提高与温度的提高，气体的压强也较大幅度地提高了。在(密度)压缩比为80时，温度达到1286K，气压提高接近350倍。然而，如果真空管道线路中空气压强为1/3000大气压，提高350倍以后，气压为0.12atm。辐射散热以后，温度降低。由于辐射能力与辐射温度4次方成正比，为保证辐射散热装置的散热效率，辐射散热气体输出温度应当维持在足够高的水准上。温度降低以后，应设置下一级压缩与辐射散热过程。

如果辐射散热入口、出口温差为400K，温度从1286K降低为886K，气压降低到第一级压缩后的68％。在此基础上安排第二级绝热压缩(如2#压缩机(16))，如果(密度)压缩比为3，则使温度仍然上升到1285K，而出口气压比第二级绝热压缩的入口气压上升4.33倍，达到1/3大气压。经过二次绝热压缩后气体再导入辐射冷却系统进行冷却降温。如果气体下一级绝热压缩、辐射散热过程(如3#压缩机(17))的降温幅度与前一级降温幅度相同，绝热压缩、辐射冷却装置出口的气体仍然为400K，即辐射冷却出口的气体温度降低为第二级绝热压缩出口温度的68％，下一级的气压为第一级的绝热压缩、辐射冷却过程的气体气压3倍。

重复上述绝热压缩与辐射冷却过程，压缩与冷却系统中气压逐步上升。如果在除初级压缩(压缩比为80)之后，总计再设置8级压缩比为3的绝热压缩，总压缩比可以达到525000。

按照上述逐步绝热压缩(压缩比为3)、辐射冷却(400K降温)方案，到第5级压缩后，绝热压缩后的气体的气压即达到10atm以上。考虑到辐射冷却系统工作在高温状态下，辐射冷却装置中输送高温气体的管道如果很薄，则高温高压气体有可能导致管道破裂。但如果管道比较厚(耐高温材料的热传导系数通常比较低)，则传热效果达不到辐射散热的要求。所以，对于多级气体的绝热压缩、辐射冷却系统，当气压在后级达到比较大压强以后，需要引入液态传热工质系统在换热后进行辐射散热。这时，高温高压气体被包裹在外壳温度较低、比较坚固耐高温的换热器中，而在辐射散热器中流动的传热液体在辐射冷却装置的工作温度下蒸汽压强很低，能保证辐射冷却系统正常运转。

按照前述分析，将气体在常温下从1/3000atm压缩到100atm，需要10级左右的压缩与辐射冷却过程，为了作图方便起见，图1只画出了5级。当真空管道车辆运行时，设置在底盘迎风方向的进气口(1)收集管道中的气体，经0^#压缩机(3)压缩以后存放在低压储气罐(4)中，通过低压输气管(7)送入1^#压缩机(15)，空气经过压缩后送入辐射冷却A回路(25)。高温气体首先导入到底盘的后部，并在冷却过程中逐步向前传输，从辐射冷却A回路(25)输出的气体被导入2^#压缩机(16)，经过2^#压缩机(16)压缩以后，气体再被导入辐射冷却C回路(27)，该辐射冷却回路与A回路(25)平行。从辐射冷却C回路(27)输出的气体被导入3^#压缩机(17)，再被导入辐射冷却E回路(29)。

经过E回路(29)冷却的气体被导入增压壳(18)中的4^#压缩机(24)。经过4^#压缩机(24)压缩的气体由于压力已经比较高，不再直接导出到辐射散热器中，而是通过4^#换热器(23)降温。换热器中采用液态金属作为传热工质，通过增压泵(19)从辐射冷却回路中泵入，经过换热器时吸热，通过限压阀(20)流出增压壳，进入辐射冷却D回路进行辐射冷却循环。

将经过4^#压缩机(24)压缩，并经过4^#换热器(23)冷却的气体导入5^#压缩机(22)压缩，并经过5^#换热器(21)冷却。与4^#换热器(24)类似，5^#换热器(21)也采用类似的机构驱动作为传热工质的液态金属实现换热冷却，并在B回路中进行辐射冷却循环。

一般说来，可以将气体通过管道直接导入辐射冷却装置的过程称为直接辐射散热，如上述A、C与E回路那样。将经过换热器、运用液态金属作为辐射散热载体的过程称为间接辐射散热，如上述B与D回路那样。对于运行抽气系统来说，如果考虑使用辐射散热，这两种方式需要综合使用。

经过5^#压缩机(22)压缩、并经过5^#换热器(21)冷却的气体将送入高压储气罐(6)。虽然已经经过5^#换热器(21)降温，然而输出的气体流(14)的温度依然很高。按照前述设计，从5^#换热器(21)流出的气体的温度应当在600℃左右。上述温度对于高压储气罐(6)明显偏高。可以设置膨胀降温装置，在这个装置中气体通过绝热膨胀降温然后导入高压储气罐(6)。

多级绝热压缩、冷却的效率高于单步绝热压缩冷却的效率。

间接辐射冷却的工质选择，从物理性能角度出发，液态传热工质较理想的选择应当是金属镓(Ga)，这种金属在29.78℃，直到2402℃(2675K)，其饱和蒸汽压才达到1atm(沸腾蒸气压)，在辐射冷却系统工作在1000℃左右的温区，其饱和蒸汽压可以忽略不计。然而，镓(Ga)是不常见的贵重金属材料。

金属纳(Na)是液态传热工质的另一个候选者，它的熔点为97.8℃，沸点为882.9℃，在温度略低一些的空间核裂变能、热电偶发电的辐射冷却系统已经有所应用，然而其沸点低于上述辐射冷却系统工作1000℃温度。金属锂(Li)的沸点比钠的沸点高，达到1347℃，已经符合上述1000℃辐射冷却的工作温区。当然它的熔点也比钠的熔点高，达到180.54℃。此外，锂是比较稀缺的资源。

用于运行抽气辐射冷却装置选择常见的金属、五金之一锡(Sn)作为液态传热工质更为适当。锡的熔点虽然比锂还要高一些，达到232℃，但是其沸点为2270℃，虽然不及镓的沸点高，但是比钠与锂的沸点高出很多。锡的重要优势不仅在于比较廉价，而且还在于其化学性质比较稳定。

对于本案所给出的绝热压缩辐射冷却的运行抽气系统的启动与运行，如果采用金属材料(例如锡)作为间接辐射冷却的工质，在常温下间接辐射冷却回路与换热器将处于冻结状态，必须使其升温融化才能进入正常的间接辐射冷却状态。

可以采用多种方法使间接辐射回路升温。例如沿间接辐射冷却回路铺设电热丝，通电使间接冷却回路升温。

然而，对于图2所示的系统，比较简便的方法是通过直接辐射冷却回路的运转使间接辐射回路与换热器中的工质融化，因为直接辐射冷却回路在常温下即可以投入运转。

当运行抽气装置从气闸站进入真空管道系统后，即可启动直接辐射冷却回路(12)的运转。经过绝热压缩升温的气体进入直接辐射冷却回路(12)以后，使辐射冷却系统升温，当辐射冷却装置温度为锡的融化温度(232℃，505K)时，其辐射能力仅仅相当于其为1000℃(1273K)时，所以少量的几级(例如大于总级数10％)直接辐射冷却回路即可使间接辐射冷却系统退出冻结状态。

值得说明的是，由于高压储气罐(6)开始运行时也处于低压状态，所以无须经过后级压缩、(间接)辐射冷却，仅仅经过前级压缩机(3)、直接辐射冷却的气体也可以向尚处于低压状态的“高压储气罐”输出气体，完成前期的正常抽气功能，并加热间接辐射冷却系统，使其工质解冻。

当运行抽气装置或载有运行抽气装置的真空管道车辆完成在真空管道中的运行过程，从气闸站进入常压的车站区域时，在气闸站中应当将高压储气罐(6)中残留的空气放空，使其处于真空或者常压状态。

也可在运行抽气装置或载有运行抽气装置的真空管道车辆完全离开真空环境后再对高压储气罐(6)进行放气作业。

Claims (6)

1.一种真空管道交通在车辆运行行驶过程中由车辆前端的吸气装置对真空管道进行抽气、降压的系统。本发明涉及把车辆运行时活塞风的前部产生的动态高压转变成对线路的真空维持。

2.根据权利要求1，本发明的运行抽气装置涉及使吸入的气体降温，并经过进一步的压缩与冷却，然后存放在高压存储罐中，并在通过气闸站离开真空管道线路时带出。对于载客车辆自带的运行抽气系统，所收集的气体也可供车厢内乘客呼吸与生命保障系统之用。

3.本发明的运行抽气装置在运行方向最前部设置进气口，为了保证进气口迎面的气流被有效地吸收，在进气口之后设置有一个大流量的压缩机，将收集到的气体就近存储在低压储气罐中。在运行方向的前部，还可设置控制室，以供操作人员驾驶操作运行抽气装置。在控制室之后安装高压储气罐，随后设置各级压缩机，最后部是辐射散热装置。

4.集气口的具体形状根据真空管道运行车体的前端结构可以有多种形状，如长方形喇叭口，圆形喇叭口和椭圆形喇叭口等，喇叭口根据结构或强度需要可设置栅格等支挡。该喇叭口的大小可以接近车体限界，也可小于车体限界。

5.本案中的运行抽气系统可以作为补充抽气的装置，即为了维持额定的真空度，当真空管道中气压高于额定气压时由该运行抽气系统进行抽气。本案中的运行抽气系统可用于对真空管道从常压降低气压的抽气装置，这时整个真空管道交通系统的主管道线路可不设置专门的真空泵或真空机组，仅由车载的运行抽气系统完成抽真空的作业。

6.本案中的运行抽气系统可安装在专用的车体上，也可以普遍地安装在载客车体上，在车辆运行过程中同时完成对真空管道的降压作业。

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