文/蔣學杰 戚新波
用TRIZ解決水循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路爆裂
文/蔣學杰 戚新波
工業(yè)生產(chǎn)過程中,由于工件熱處理后,為改變其性能或提高效率,需要對熱處理后的工件進行冷卻。冷卻方式常采用自然風冷、油浸冷卻和水循環(huán)冷卻。冷卻系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中,常因各車間液體循環(huán)系統(tǒng)壓力不均衡,引起爆管現(xiàn)象,影響正常生產(chǎn)。本文以常用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)為例,分析了工業(yè)生產(chǎn)中水冷卻循環(huán)系統(tǒng)管路爆管現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,指出了現(xiàn)存系統(tǒng)中的缺點和不足,建立了基于TRIZ模型的系統(tǒng)分析,提出了合理有效的解決方案,對相關(guān)液體循環(huán)、氣體傳輸系統(tǒng)安全有一定的推廣作用。
循環(huán)水泵站給系統(tǒng)提供8Kg壓力,當某車間工件冶煉完成需用水冷卻時,打開閥門,循環(huán)水進入本車間子循環(huán)系統(tǒng)對工件進行冷卻,當檢測到工件溫度降至400°C時,閥門關(guān)閉,從而觸發(fā)機械閥關(guān)閉,阻斷水流。閥門關(guān)閉瞬間,由于管道內(nèi)流動的水不能立刻停止,管道內(nèi)的壓力瞬間上升,嚴重時會造成管路“爆裂”,其他車間水壓瞬間減小,影響冷卻效果,影響產(chǎn)品質(zhì)量且會造成安全隱患。
現(xiàn)有解決方案是在循環(huán)水管道上加裝壓力傳感器。在循環(huán)水出水口的機械閥門關(guān)閉時,管道內(nèi)的水壓升高,給主控電路提供信號,通過變頻調(diào)速改變泵房水泵轉(zhuǎn)速,從而降低循環(huán)水管道上壓力,避免爆管。但由于閥門關(guān)閉瞬間,隨壓力的急劇增大、檢測信號傳遞、直至主控電路收到信號、降低水泵轉(zhuǎn)速、到該子系統(tǒng)壓力減小,需要一定的時間,現(xiàn)有解決方案的缺點是設(shè)備的復(fù)雜程度增加,而且成本也大大提高。
圖1 系統(tǒng)框圖
圖2 水泵工作點的確定
問題提出:
在生產(chǎn)過程中,循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)常由于各車間水壓不均衡,引起爆管現(xiàn)象,影響正常生產(chǎn)。
現(xiàn)有解決方案:
在循環(huán)水管道上加裝壓力傳感器。循環(huán)水出水口的機械閥門關(guān)閉時,管道內(nèi)的水壓升高,給主控電路提供信號,通過變頻調(diào)速改變泵房水泵轉(zhuǎn)速,從而降低循環(huán)水管道上壓力,避免爆管。
現(xiàn)有解決方案的缺點:
設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加。
定義技術(shù)沖突:
改善的參數(shù):應(yīng)力或壓力。
惡化的參數(shù):系統(tǒng)的復(fù)雜性。
技術(shù)沖突:應(yīng)力或壓力~系統(tǒng)的復(fù)雜性
發(fā)明問題確定:
改善的參數(shù):應(yīng)力或壓力
惡化的參數(shù):系統(tǒng)的復(fù)雜性
擬采用的創(chuàng)新理論:
查找沖突矩陣,找出創(chuàng)新原理。
創(chuàng)新原理:
19、周期性動作原理
01、分割原理
15、動態(tài)特性原理
初步解決方案:
(1)方案1
利用周期性動作原理,將原來的一次性關(guān)閉機械閥門的動作改為多次操作來關(guān)閉,每次只關(guān)閉一點;這樣就可以避免壓力在瞬間達到一個很高的值,從而減少循環(huán)水對管道的壓力在瞬間變得很大。
圖4 柔性耐高壓橡膠管結(jié)構(gòu)
(2)方案2
利用分割原理,將子系統(tǒng)管道分為“兩段”。主干管采用強度大的普通鋼管,出水口閥門前4米左右采用柔性耐高壓橡膠管(管內(nèi)層和外層之間有多層帆布織成,或由鋼絲網(wǎng)編織)。
當出水口閥門關(guān)閉,管道內(nèi)部的壓力瞬時升高的時候,壓力傳感器會給主控制器發(fā)出信號,以使水泵轉(zhuǎn)速減慢管道內(nèi)的水壓迫內(nèi)層管道與外層管道之間的可壓縮物質(zhì),從而降低管道內(nèi)部的壓力。
(3)方案3
利用動態(tài)特性原理,將冷卻系統(tǒng)主管道和子系統(tǒng)管道分級控制。
主泵房為主干管道提供8Kg壓力,當工件冷卻接近500°C時(最終為400°C),啟動主泵調(diào)速系統(tǒng),減小主泵轉(zhuǎn)速,使壓力降保持在5Kg;當工件冷卻接近450°C時,啟動子泵調(diào)速系統(tǒng),減小子泵轉(zhuǎn)速,使壓力降至5.5Kg,當工件冷卻接近420°C時,同時啟動主泵、子泵調(diào)速系統(tǒng),減小主泵轉(zhuǎn)速,逐漸關(guān)閉子泵。
采用的TRIZ創(chuàng)新理論:
01、分割原理
最終解決方案:
①主干管道和自感管道分級管理:將原來的一級變頻調(diào)速改為主次分離的二次變頻調(diào)速,保證主系統(tǒng)和子系統(tǒng)壓力獨立且均衡。
②在子管道出水口段改為耐高壓橡膠管代替原來的鋼管,利用橡膠管的彈性抵消閥門關(guān)閉瞬間管內(nèi)壓力突然增大引起的漲力,避免爆管現(xiàn)象。
本方案已經(jīng)豫北某耐火材料有限公司使用,基本上解決了其水循環(huán)系統(tǒng)水管爆裂問題,效果良好。對相關(guān)液體循環(huán)、氣體傳輸系統(tǒng)安全有一定的推廣意義。
(作者單位:河南機電高等專科學校)
圖3 水泵工作啟閉方式選擇
圖5 水泵分級管理系統(tǒng)圖