鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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屋頂通風排熱風機_無級調速變風量風機盤管系統(tǒng)節(jié)能分析暖通空調
1 引言
簧片閥是冰箱壓縮機的重要部件，也是易損件，直接影響壓縮機的性能。如果對其設計不當，將會增大閥片疲勞斷裂的可能，從而導致壓縮機非正常停機、使用壽命降低等不良后果。因此，如何正確設計簧片閥，對于提高壓縮機使用壽命，避免非正常停機具有重要意義。
目前，針對壓縮機簧片閥已經(jīng)開展了很多研究工作。王毅、譚偉華，給出了氣閥運動規(guī)律的數(shù)學模型[1]，何國庚、肖彪在此基礎之上又對簧片閥的結構進行了部分優(yōu)化[2]。通過對已有研究工作的分析我們發(fā)現(xiàn)，針對簧片閥的設計理論還不完善，存在的主要問題是多數(shù)研究工作都是對簧片閥工作性能的研究，優(yōu)化設計只是針對單一參數(shù)分別進行優(yōu)化，還不能做到多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化。
本文使用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH，對我公司某型號壓縮機吸氣閥片進行了較為全面的多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化設計。在獲得氣閥運動過程中的應力分布的基礎上，通過優(yōu)化設計，有效地降低了氣閥的工作應力，提高了氣閥可靠性和安全性。采用文中的多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化設計方法可以有效地縮短設計周期，對多目標和多參數(shù)零件和結構優(yōu)化設計具有普遍的指導意義。
2 基本原理與求解
2.1 大變形單元剛度方程
考慮到吸氣閥片工作狀態(tài)下的變形較大，排氣系統(tǒng)屬于大變形問題。整體結構的非線性有限元剛度方程具有以下的形式：
[K(u)]{U}={P}（1）
從上式可以看出，在考慮大變形的條件下，剛度矩陣依賴于待求位移。在局部坐標系下，包括大變形的單元剛度方程為：
式中，
[K]e為單元剛度矩陣，[K0]e是小變形剛度矩陣，[Kσ]e是初應力剛度矩陣，[Kl]e是大變形剛度矩陣。{p}e,{f}e,{r}e分別為等效節(jié)點載荷、單元所受到的節(jié)點力和初應力節(jié)點力。由單元剛度矩陣經(jīng)坐標變換可以通過組集來建立整體結構的剛度方程。
2.2 目標函數(shù)和優(yōu)化設計變量
根據(jù)壓縮機吸氣閥片的設計要求，選取四個目標函數(shù)，即：工作應力最小、結構應變與變形最小，結構反作用力適當。其表達式為：
將優(yōu)化設計變量取為：
其中：
h—底圓圓心豎直方向高度
t—最細截面1/2寬度
α—閥片伸展角度
r—最細截面過渡圓弧半徑
R—底部圓弧半徑
根據(jù)設計要求,確定的約束條件如下：
吸氣閥片的多目標多參數(shù)優(yōu)化設計可表述為尋找滿足約束條件式（8）-（17）時式（4）-（6）的解。由于式（4）-（6）不能用函數(shù)表示，只能采用數(shù)值方法求解�？紤]到約束條件較多，文中通過優(yōu)化設計參數(shù)的敏感性分析確定了2個對目標函數(shù)影響最大的參數(shù)。
3 模型與求解
3.1 有限元建模與網(wǎng)格劃分
打開Design Model，模型選用牛頓-毫米（N-mm）單位制。首先按照自底向上的方式創(chuàng)建1/2簧片閥模型，然后使用軸對稱命令，建立完整的閥片模型。最后，將(7)式中的優(yōu)化設計變量設置為優(yōu)化設計輸入?yún)?shù)，見圖1。
圖1 吸氣簧片閥參數(shù)模型圖
在Design Space下，設置材料參數(shù)彈性模量E=2.1*1011Pa,泊松比μ=0.3。共劃分3030個空間單元，如圖2所示。
,負壓風機降溫方案; 圖2 吸氣簧片閥網(wǎng)格圖
3.2 邊界條件及求解
根據(jù)閥片的實際工作狀況，在吸氣閥片根部施加零位移約束，在閥片中心位置施加垂直于閥片的Z向位移。根據(jù)選取的目標函數(shù),將結構等效應力、等效應變、總體變形設置為優(yōu)化設計響應參數(shù)保存在Design Space中,同時考慮結構反作用力對優(yōu)化設計參數(shù)的響應。
在Design Xplore下，通過參數(shù)設置選項對輸入?yún)?shù)進行賦值，創(chuàng)建驅動參數(shù)Stiffness,把它定義為結構反作用力的目標函數(shù)。
4 敏感性分析與優(yōu)化結果分析
目標函數(shù)對優(yōu)化設計變量的敏感度分析表明: 優(yōu)化設計變量t和α，即閥片最細截面寬度和閥片伸展角度兩個參數(shù)對目標函數(shù)的影響最大, 等效應力敏感度的分析見圖3, 等效應變的敏感度圖顯示（圖略），等效應變受t和α的影響更大，但對r和R并不敏感。分析中通過定義反作用力與系統(tǒng)剛度的函數(shù)關系，研究了優(yōu)化設計參數(shù)對吸氣閥片整體剛度的影響。
圖3 應力敏感度圖
圖4繪出了簧片閥最細截面寬度與應力關系�？梢钥闯觯Y構最大應力隨著t的增大而增大。為了降低氣閥的工作應力，應在考慮工藝條件允許的情況下，適當減小最細截面處的寬度。圖5則顯示了最細截面寬度與閥片伸展角度共同影響結構應力的變化關系。當t=1, α=9度時應力最小，設計時應盡量將上述兩個參數(shù)設置在這個值附近；而當t=1.2，α=9度時結構應力最大，設計時應予以避免。
圖4 最細截面寬度與應力關系
圖6反映了系統(tǒng)剛度的變化情況。最細截面寬度、閥片伸展角度是影響它的兩個重要因素。如果希望增大系統(tǒng)剛度，應同時增大兩個參數(shù)的取值；如果希望獲得一個較低的系統(tǒng)剛度，應盡量減小這兩個參數(shù)的取值。
圖5最細截面寬度-角度-應力關系 圖6最細截面寬度-角度-剛度關系
圖7反映了結構等效應變隨著閥片伸展角度、底部圓弧半徑的改變而變化的趨勢。減小閥片伸展角度同時增大底部圓弧半徑有助于降低結構的等效應變。
,換氣負壓風機;
圖7角度-底圓半徑-應變關系 圖8. 方案B結構應力云圖
5 簧片閥設計實例
根據(jù)Design Xplore優(yōu)化設計要求[3]，將上述參數(shù)進行重新篩選組合，備選設計方案(表1),并對被選方案進行驗證。
通過對表1各候選方案的計算發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化設計之后的吸氣簧片閥工作應力明顯降低（表2）。綜合閥片剛度的設計要求，我們選擇了方案B作為最終設計方案。圖8為方案B經(jīng)Design Space綜合優(yōu)化設計后的等效應力結果。應力由原來的577MPa降低到532MPa，降低了7.8%。圖9為經(jīng)過優(yōu)化設計之后的壓縮機簧片閥實物圖，目前它已經(jīng)應用于我公司新型號壓縮機的樣機制造。
圖9 優(yōu)化后的簧片閥
6 結論
6.1使用Design Xplore對壓縮機吸氣簧片閥進行優(yōu)化設計可以有效地降低它的工作應力，提高使用安全性。
6.2采用文中的優(yōu)化設計方法可以有效地縮短簧片閥的設計周期，將原有的設計時間從4周縮短到3天，不僅提高了工作效率，而且避免了大量的重復勞動。
6.3文中的優(yōu)化設計方法對多目標和多參數(shù)零件和結構優(yōu)化設計具有普遍的指導意義。
中國風機產業(yè)網(wǎng) 風機類型有良多，在現(xiàn)今的市場中泛起了良多科技型的風機類型，其中就包括了玻璃鋼風機，那這種新型的風機類型能在使用中為用戶帶來什么樣的效果呢？它在場所中能起到什么意義呢？良多用戶對選擇玻璃鋼風機都非常質疑，因此我們需要了解玻璃鋼風機畢竟為什么能獲得那么多用戶的喜愛和認可。
首先玻璃鋼風機采用提高前輩最科學的變頻技術，我們都知道變頻技術的泛起，解決了良多能源鋪張的題目，為用戶帶來了很實際有用的效果，玻璃鋼風機采用了這樣的技術，那么在節(jié)能性上就能起到很好的作用，為用戶節(jié)省一定的經(jīng)濟本錢。
負壓風機的電念頭是按照最大負荷期額定負荷選擇的，而工作時絕大部門不能滿載運行，電念頭工作于滿電壓、滿速度而負載很小，也會有良多時間空載運行，節(jié)電原理任何利用交流感應電念頭作為電力傳動方式的出產機械，這種風機很正視電機的節(jié)能性，所以玻璃鋼風機無論在設計仍是制造上都本著節(jié)能性原則來完成的。
負壓風機的風量為了能得到一個最佳的范圍，我們可以自行調節(jié)風量的大小，風量的調整方式主要采用檔板、風門、回流、起停電機等方式控制，而采用變頻調速，改變風機電念頭的輸入頻率從而改變電念頭、風機轉速，達到調節(jié)空氣流量的目的，既知足出產工藝變化的要求，又節(jié)省電能。所以說負壓風機之所以能得到用戶的信任都是由于這些上風，為了能保持負壓風機的持久效果，我們在使用風機的過程中添加一些維護保養(yǎng)的方案，這樣就能讓風機的效果更加有效。
風機概述：風機是各個工廠、企業(yè)普遍使用的設備之一，特別是風機的應用更為廣泛。鍋爐鼓風、消煙除塵、通風冷卻都離不開風機，在電站、礦井、化工以及環(huán)保工程，風機更是不可缺少的重要設備，正確掌握風機的設計，對保證風機的正常經(jīng)濟運行是很重要的。 離心風機設計方案的選擇 離心風機設計時通常給定的條件有：容積流量、全壓、工作介質及其密度（或工作介質溫度），有時還有結構上的要求和特殊要求等。 對離心風機設計的要求大都是：滿足所需流量和壓力的工況點應在最高效率點附近；最高效率值要盡量大一些，效率曲線平坦；壓力曲線的穩(wěn)定工作區(qū)間要寬；風機結構簡單，工藝性好；材料及附件選擇方便；有足夠的強度、剛度，工作安全可靠；運轉穩(wěn)定，噪聲低；調節(jié)性能好，工作適應性強；風機尺寸盡可能小，重量輕；操作和維護方便，拆裝運輸簡單易行。 然而，同時滿足上述全部要求，一般是不可能的。在氣動性能與結構（強度、工藝）之間往往也有矛盾，通常要抓住主要矛盾協(xié)調解決。這就需要設計者選擇合理的設計方案，以解決主要矛盾。例如： 隨著風機的用途不同，要求也不一樣，如公共建筑所用的風機一般用來作通風換氣用，一般最重要的要求就是低噪聲，多翼式離心風機具有這一特點；而要求大流量的離心風機通常為雙吸氣型式；對一些高壓離心風機，比轉速低，其泄漏損失的相對比例一般較大。離心風機設計時幾個重要方案的選擇： （1）葉片型式的合理選擇：常見風機在一定轉速下，后向葉輪的壓力系數(shù)中Ψt較小，則葉輪直徑較大，而其效率較高；對前向葉輪則相反。 （2）風機傳動方式的選擇：如傳動方式為A、D、F三種，則風機轉速與電動機轉速相同；而B、C、E三種均為變速，設計時可靈活選擇風機轉速。一般對小型風機廣泛采用與電動機直聯(lián)的傳動A，，對大型風機，有時皮帶傳動不適，多以傳動方式D、F傳動。對高溫、多塵條件下，傳動方式還要考慮電動機、軸承的防護和冷卻問題。 （3）蝸殼外形尺寸的選擇：蝸殼外形尺寸應盡可能小。對高比轉數(shù)風機，可采用縮短的蝸形，對低比轉數(shù)風機一般選用標準蝸形。有時為了縮小蝸殼尺寸，可選用蝸殼出口速度大于風機進口速度方案，此時采用出口擴壓器以提高其靜壓值。 （4）葉片出口角的選定：葉片出口角是設計時首先要選定的主要幾何參數(shù)之一。為了便于應用,濕簾廠家，我們把葉片分類為：強后彎葉片（水泵型）、后彎圓弧葉片、后彎直葉片、后彎機翼形葉片；徑向出口葉片、徑向直葉片；前彎葉片、強前彎葉片（多翼葉）。表1列出了離心風機中這些葉片型式的葉片的出口角的大致范圍。 （5）葉片數(shù)的選擇：在離心風機中，增加葉輪的葉片數(shù)則可提高葉輪的理論壓力，因為它可以減少相對渦流的影響（即增加K值）。但是，葉片數(shù)目的增加，將增加葉輪通道的摩擦損失，這種損失將降低風機的實際壓力而且增加能耗。因此，對每一種葉輪，存在著一個最佳葉片數(shù)目。具體確定多少葉片數(shù)，有時需根據(jù)設計者的經(jīng)驗而定。根據(jù)我國目前應用情況，在表2推薦了葉片數(shù)的選擇范圍。 （6）全壓系數(shù)Ψt的選定：設計離心風機時，實際壓力總是預先給定的。這時需要選擇全壓系數(shù)Ψt，全壓系數(shù)的大致選擇范圍可參考表3。 （7）離心葉輪進出口的主要幾何尺寸的確定：葉輪是風機傳遞給氣體能量的唯一元件，故其設計對風機影響甚大；能否正確確定葉輪的主要結構，對風機的性能參數(shù)起著關鍵作用。它包含了離心風機設計的關鍵技術－－葉片的設計。而葉片的設計最關鍵的環(huán)節(jié)就是如何確定葉片出口角β2A。關鍵技術的設計分析 在設計離心風機時，關鍵就是掌握好葉輪葉片出口角β2A的確定。 根據(jù)葉片出口角β2A的不同，可將葉片分成三種型式即后彎葉片（β2A<90℃），徑向出口葉片（β2A=90℃）和前彎葉片（β2A＞90℃）。 三種葉片型式的葉輪，目前均在風機設計中應用。前彎葉片葉輪的特點是尺寸重量小，價格便宜，而后彎葉片葉輪可提高效率，節(jié)約能源，故在現(xiàn)代生產的風機中，特別是功率大的大型風機多數(shù)用后彎葉片。 現(xiàn)代前彎葉片風機效率，比老式產品已有顯著提高，故在小流量高壓力的場合或低壓大流量場合中仍廣為采用。 徑向出口葉片在我國已不常用，在某些要求耐磨和耐腐蝕的風機中，常用徑向出口直葉片。 離心風機葉輪設計時還必須考慮到比轉速與葉片型式存在一定的關系，故在確定葉片出口角的同時，必須綜合考慮三種葉片型式對壓力、徑向尺寸和效率的影響。 正確確定了離心風機葉輪葉片出口角β2A將為葉輪其它主要幾何尺寸的確定奠定了堅實的基礎，從而對整臺離心風機的性能起著關鍵的作用。
近日，從剛剛結束的2010中國機械工業(yè)節(jié)能與資源利用大會傳來好消息，重慶通用工業(yè)（集團）有限責任公司研發(fā)制造的等減速曲葉型離心通風機、曝氣離心鼓風機、干熄焦循環(huán)風機、機械蒸氣再壓縮離心通風機等四款新產品榮獲節(jié)能機電產品稱號，并被中華人民共和國工業(yè)和信息化部列為推薦節(jié)能產品。
節(jié)約能源和環(huán)境保護是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的一項長期戰(zhàn)略任務。近年來，該公司致力于節(jié)能和環(huán)保新產品的研發(fā)和技術創(chuàng)新工作，不斷加大科技投入，在產品研發(fā)過程中，大量采用了新技術、新工藝、新材料，成功探索出一條符合公司自身特點的新產品研發(fā)途徑。
此次研發(fā)制造成功的四款節(jié)能產品其主要性能及可靠性均達國際先進水平，可以全面替代同類進口產品。
等減速曲葉型離心通風機（6-39-B№10D型）系采用國際上先進的葉輪機械內流分析CFD軟件，對原引進的英國豪登風機進行氣動優(yōu)化設計而成。該風機葉輪采用等減速設計，葉片為雙曲線型，風量調節(jié)范圍廣，風機整機效率達到85.4%。
曝氣離心鼓風機（BCD300-1.90/1.00型）系采用先進的美國NREC軟件進行優(yōu)化氣動設計， 配用重慶通用享有專利技術的獨立驅動聯(lián)合能量調節(jié)系統(tǒng)，機組效率高，壓縮機介質徹底無油，密封效果好，運行區(qū)寬，產品壓比達到1.9，效率達到85.5%。
干熄焦循環(huán)風機（5-38№10D型）系采用當今國際上先進的CFD軟件優(yōu)化設計，平前蓋結構葉輪，取得了雙向可調葉輪進口密封間隙結構技術創(chuàng)新，葉輪易磨損部位采用自動堆焊耐磨合金及復合耐磨板結構，硬度高達HRC≥62，使用壽命大大延長，產品效率達84.41%。
機械蒸氣再壓縮離心通風機（6-20№10D型）系采用德國先進離心葉輪及蝸殼機械數(shù)值化設計軟件進行模型級的設計，旋轉機械六面體結構型網(wǎng)格數(shù)值模擬流場分析軟件進行風機性能驗算。葉輪材料選用高強度結構鋼并在葉輪表面噴涂防腐耐磨涂層，使用壽命長，該產品效率達83.6%。
重慶通用將努力以科技發(fā)展為動力，以技術創(chuàng)新為手段，加大開發(fā)節(jié)能環(huán)保產品的投入，積極為保護人類資源和生態(tài)環(huán)境作出新貢獻。
| 晶閘管軟起動器在ＴＶＦ風機中的應用 |
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| ＴＶＦ 風機在地鐵隧道內火災事故發(fā)生時相鄰的隧道口四臺風機同時起動，分別由ＦＡＳ控制分二組一正一反、一送一回逆職員逃生方向送進新風、排煙及有毒氣體，在消防系統(tǒng)中有十分重要的地位．然而由于其起動時要產生較大沖擊電流（一般為Ie的７～8倍），同時由于起動應力較大，使負載設備的使用壽命降低。國家有關部分對電機起動早有明確規(guī)定，既電機起動時的電網(wǎng)電壓降不能超過15%。解決辦法有兩個：
圖1-1 交流電機機械特性 圖1-2 交流電機調壓機械特性
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| 風機泵類變頻節(jié)能工作原理是什么？ |
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| 我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調速器來調節(jié)流量、風量，應用變頻器節(jié)電率為20％～50％，而且通常在設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在"大馬拉小車"的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。 采用變頻器驅動具有很高的節(jié)能空間。目前許多國家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國國家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風機泵類負載應該采用電力電子調速。 變頻調速節(jié)能裝置的節(jié)能原理 1、變頻節(jié)能 由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）?H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8％，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5％。 2、功率因數(shù)補償節(jié)能 無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=S?COSФ，Q=S?SINФ，其中S－視在功率，P－有功功率，Q－無功功率，COSФ－功率因數(shù)，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，COSФ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 3、軟啟動節(jié)能 由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于（４-7）倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。 |
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收錄時間:2010年12月26日 12:39:54 來源:機械專家網(wǎng) 發(fā)布時間：2009-10-2 作者: |
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