基于TRIZ理論的過濾裝置研究

趙晨鵬朱耿輝屈建志邵正旭張海川(燕山大學(xué)，河北秦皇島066000)

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ 理論是阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的，旨在運(yùn)用物場(chǎng)分析和技術(shù)進(jìn)化分析等TRIZ理論工具解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題以及預(yù)測(cè)未來產(chǎn)品趨勢(shì)，是一種綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，由各種方法、算法組成的綜合創(chuàng)新理論體系。

2 問題初始形勢(shì)分析

2.1 現(xiàn)有裝置分析

目前現(xiàn)有的化工原料過濾裝置為袋式過濾裝置，如圖1所示。袋式過濾裝置由螺栓、排氣口、上蓋、濾網(wǎng)、支架等組成，液體由進(jìn)口流進(jìn)，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后從出口流出，雜質(zhì)則被攔截在濾袋當(dāng)中，從而達(dá)到固液分離目的。

圖1袋式過濾裝置

2.2 目前技術(shù)系統(tǒng)的問題

(1)袋式過濾裝置的濾網(wǎng)易堵塞，需更換濾網(wǎng)后才能繼續(xù)工作，因而降低了過濾裝置的過濾效率，影響生產(chǎn)效率。

(2)袋式過濾裝置的過濾效率只有理想效率的50%左右，袋式過濾裝置不能適應(yīng)目前工藝環(huán)保高效的要求。

3 TRIZ工具的應(yīng)用

3.1 針對(duì)顆粒過大和聚沉

針對(duì)沖突區(qū)域(1)濁液的顆粒過大和黏附性強(qiáng)的小顆粒由于流動(dòng)時(shí)的攪拌而聚沉，運(yùn)用TRIZ 工具進(jìn)行解決問題。

3.1.1 物質(zhì)-場(chǎng)分析

在普通液壓場(chǎng)的作用下的物場(chǎng)模型如圖2所示。此處的物場(chǎng)模型為不充分模型。根據(jù)物場(chǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)解，可以采用第2大類的增強(qiáng)物場(chǎng)模型中的S2.2加強(qiáng)物場(chǎng)模型中的S2.2.5使用異構(gòu)場(chǎng)的解法。因此可以通過引入橫向流管將原來作用場(chǎng)改變?yōu)闇u旋場(chǎng)從而使雜質(zhì)可以聚集在渦旋場(chǎng)的中央底部，而達(dá)到分離雜質(zhì)的作用。改進(jìn)后的物場(chǎng)模型如圖3所示。

圖2流場(chǎng)過濾器物場(chǎng)模型圖

圖3流場(chǎng)過濾器引入異構(gòu)場(chǎng)的物場(chǎng)模型圖

由圖3的物場(chǎng)模型，可得方案一，見圖4。

圖4回旋流場(chǎng)過濾器

如圖3所示，利用我們?cè)O(shè)計(jì)的渦旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)使流場(chǎng)變成渦旋流場(chǎng)，渦旋流場(chǎng)中壓強(qiáng)最小的地方位于渦流最底部，因而雜質(zhì)會(huì)聚集在渦流最底部，聚集在底部的雜質(zhì)可以通過底部的閥門放出系統(tǒng)外部進(jìn)行處理或者回收。當(dāng)過濾裝置中的液體滿時(shí)，通過過濾網(wǎng)從出口處溢出完成過濾。

3.1.2 技術(shù)進(jìn)化分析

因此，根據(jù)技術(shù)進(jìn)化法則可以在過濾系統(tǒng)中增加漏斗狀的結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存雜質(zhì)可以在需要搜集雜質(zhì)的場(chǎng)合中實(shí)用，提高系統(tǒng)的功能。由此可得到方案二，如圖5所示。利用我們?cè)O(shè)計(jì)的渦旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)使流場(chǎng)變成渦旋流場(chǎng)，因而雜質(zhì)會(huì)聚集在渦流最底部，通過阻擋結(jié)構(gòu)使雜質(zhì)和液體分離開從而達(dá)到過濾的作用。最終聚集在雜質(zhì)倉(cāng)的雜質(zhì)可以通過底部的閥門放出。當(dāng)過濾裝置中的液體滿時(shí)，通過過濾網(wǎng)從出口處溢出完成過濾。

圖5渦流場(chǎng)雜質(zhì)可存過濾器

3.2 針對(duì)濾網(wǎng)利用效率低

針對(duì)沖突區(qū)域(2)濾網(wǎng)的利用效率低，運(yùn)用TRIZ工具進(jìn)行解決問題。

3.2.1 物質(zhì)-場(chǎng)分析及標(biāo)準(zhǔn)解

(1)確立問題。液體經(jīng)過袋裝濾網(wǎng)時(shí)濾液通過了濾網(wǎng)，濾渣則留在了濾網(wǎng)上。而殘留的濾渣會(huì)堵塞濾網(wǎng)導(dǎo)致濾網(wǎng)利用率下降，同時(shí)也會(huì)對(duì)濾網(wǎng)造成損耗。因此，使用物場(chǎng)模型來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(2)建立、分析物場(chǎng)模型。建立的物場(chǎng)模型如圖6 和圖7所示，其中S1、S2分別代表濾網(wǎng)及濾渣，F(xiàn)1表示一個(gè)機(jī)械場(chǎng)。由圖所知，濾網(wǎng)對(duì)濾渣有過濾接收的充分作用，而濾渣對(duì)濾網(wǎng)有堵塞的有害作用，因此可以通過對(duì)模型中的有害作用進(jìn)行拆解和抵消。

圖6濾網(wǎng)過濾濾渣的物場(chǎng)模型

圖7 濾網(wǎng)過濾濾渣引入新場(chǎng)的物場(chǎng)模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.4用場(chǎng)F2來抵消有害作用。

可以將進(jìn)液口設(shè)置在濾網(wǎng)下方，出液口設(shè)置在濾網(wǎng)上方，通過重力場(chǎng)的作用使濾渣不再停留在濾網(wǎng)上而是向下沉淀，減少濾網(wǎng)的堵塞，增加濾網(wǎng)的有效面積。由此可得方案三，參見圖8。

如圖8所示，濁液從下部進(jìn)液口進(jìn)入，從上部出液口流出，其間濁液通過整個(gè)濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，不存在濾網(wǎng)面積利用率低的問題，但是需要過濾裝置所在系統(tǒng)所提供足夠的壓力將水從上部出液口壓出。

圖8 倒沖式過濾器

4 技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)

4.1 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

各個(gè)方案的可行性評(píng)價(jià)如表1所示。

表1方案評(píng)估

4.1.1 討論

選用方案2為最優(yōu)方案，有如下理由：

(1)運(yùn)用渦旋場(chǎng)替代機(jī)械阻擋，解決了雜質(zhì)對(duì)濾網(wǎng)的堵塞的問題，并且實(shí)現(xiàn)完全非能動(dòng)及其自動(dòng)化。

(2)將筒壁設(shè)計(jì)為可拆卸式，提高了過濾系統(tǒng)的適應(yīng)性，方便對(duì)過濾設(shè)備的清洗和維修。

(3)阻擋結(jié)構(gòu)方便了對(duì)雜質(zhì)的回收和再利用。

4.1.2 結(jié)果分析

(1)為了準(zhǔn)確模擬流體在裝置中的流動(dòng)情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的過濾裝置應(yīng)用流體分析軟件Floxpress 進(jìn)行流場(chǎng)分析，圖9、圖10 為流場(chǎng)分析圖，可見此過濾裝置流動(dòng)情況符合我們的設(shè)計(jì)情況。

圖9上出口流場(chǎng)分析圖

圖10下出口流場(chǎng)分析圖

4.2 最終方案確定

最終方案確定為方案2，渦流場(chǎng)雜質(zhì)可存過濾器，參見圖11。

圖11渦流場(chǎng)雜質(zhì)可存過濾裝置

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用TRIZ 理論中的的功能分析、因果分析等方法對(duì)現(xiàn)有過濾裝置的不足進(jìn)行了充分的分析，并且靈活運(yùn)用了TRIZ理論所提供的物理沖突解決原理、技術(shù)沖突解決原理等工具提出了4個(gè)解決方案，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)建立模型應(yīng)用軟件分析模擬最終確定采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，根據(jù)流速大時(shí)壓強(qiáng)小的特點(diǎn)，利用結(jié)構(gòu)制造渦流場(chǎng)。此設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低廉、體積小而效率高、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，是可以完全適用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的化工原料過濾裝置。