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，河北 秦皇島 066000)

1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論是阿奇舒勒在1946年創立的，旨在運用物場分析和技術進化分析等TRIZ理論工具解決產品設計問題以及預測未來產品趨勢，是一種綜合多學科領域的原理和法則，由各種方法、算法組成的綜合創新理論體系。

2 問題初始形勢分析

2.1 現有裝置分析

目前現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、支架等組成，液體由進口流進，經過濾網過濾后從出口流出，雜質則被攔截在濾袋當中，從而達到固液分離目的。

圖1 袋式過濾裝置

2.2 目前技術系統的問題

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

(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目前工藝環保高效的要求。

3 TRIZ工具的應用

3.1 針對顆粒過大和聚沉

針對沖突區域(1)濁液的顆粒過大和黏附性強的小顆粒由于流動時的攪拌而聚沉，運用TRIZ工具進行解決問題。

3.1.1 物質-場分析

在普通液壓場的作用下的物場模型如圖2所示。此處的物場模型為不充分模型。根據物場模型的標準解，可以采用第2大類的增強物場模型中的S2.2加強物場模型中的S2.2.5使用異構場的解法。因此可以通過引入橫向流管將原來作用場改變為渦旋場從而使雜質可以聚集在渦旋場的中央底部，而達到分離雜質的作用。改進后的物場模型如圖3所示。

圖2 流場過濾器物場模型圖

圖3 流場過濾器引入異構場的物場模型圖

由圖3的物場模型，可得方案一，見圖4。

圖4 回旋流場過濾器

如圖3所示，利用我們設計的渦旋流產生結構使流場變成渦旋流場，渦旋流場中壓強最小的地方位于渦流最底部，因而雜質會聚集在渦流最底部，聚集在底部的雜質可以通過底部的閥門放出系統外部進行處理或者回收。當過濾裝置中的液體滿時，通過過濾網從出口處溢出完成過濾。

3.1.2 技術進化分析

因此，根據技術進化法則可以在過濾系統中增加漏斗狀的結構，儲存雜質可以在需要搜集雜質的場合中實用，提高系統的功能。由此可得到方案二，如圖5所示。利用我們設計的渦旋流產生結構使流場變成渦旋流場，因而雜質會聚集在渦流最底部，通過阻擋結構使雜質和液體分離開從而達到過濾的作用。最終聚集在雜質倉的雜質可以通過底部的閥門放出。當過濾裝置中的液體滿時，通過過濾網從出口處溢出完成過濾。

圖5 渦流場雜質可存過濾器

3.2 針對濾網利用效率低

針對沖突區域(2)濾網的利用效率低，運用TRIZ工具進行解決問題。

3.2.1 物質-場分析及標準解

(1)確立問題。液體經過袋裝濾網時濾液通過了濾網，濾渣則留在了濾網上。而殘留的濾渣會堵塞濾網導致濾網利用率下降，同時也會對濾網造成損耗。因此，使用物場模型來進行改進設計。

(2)建立、分析物場模型。建立的物場模型如圖6和圖7所示，其中S1、S2分別代表濾網及濾渣，F1表示一個機械場。由圖所知，濾網對濾渣有過濾接收的充分作用，而濾渣對濾網有堵塞的有害作用，因此可以通過對模型中的有害作用進行拆解和抵消。

圖6 濾網過濾濾渣的物場模型

圖7 濾網過濾濾渣引入新場的物場模型

根據標準解S1.2.4用場F2來抵消有害作用。

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

如圖8所示，濁液從下部進液口進入，從上部出液口流出，其間濁液通過整個濾網進行過濾，不存在濾網面積利用率低的問題，但是需要過濾裝置所在系統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 技術方案整理與評價

4.1 全部技術方案及評價

各個方案的可行性評價如表1所示。

表1 方案評估

4.1.1 討論

選用方案2為最優方案，有如下理由：

(1)運用渦旋場替代機械阻擋，解決了雜質對濾網的堵塞的問題，并且實現完全非能動及其自動化。

(2)將筒壁設計為可拆卸式，提高了過濾系統的適應性，方便對過濾設備的清洗和維修。

(3)阻擋結構方便了對雜質的回收和再利用。

4.1.2 結果分析

(1)為了準確模擬流體在裝置中的流動情況，對所設計的過濾裝置應用流體分析軟件Floxpress進行流場分析，圖9、圖10為流場分析圖，可見此過濾裝置流動情況符合我們的設計情況。

圖9 上出口流場分析圖

圖10 下出口流場分析圖

4.2 最終方案確定

最終方案確定為方案2，渦流場雜質可存過濾器，參見圖11。

圖11 渦流場雜質可存過濾裝置

5 結語

本文利用TRIZ理論中的的功能分析、因果分析等方法對現有過濾裝置的不足進行了充分的分析，并且靈活運用了TRIZ理論所提供的物理沖突解決原理、技術沖突解決原理等工具提出了4個解決方案，經過結構設計并根據所設計的結構建立模型應用軟件分析模擬最終確定采用非能動設計，根據流速大時壓強小的特點，利用結構制造渦流場。此設計具有結構簡單、可靠性高、造價低廉、體積小而效率高、操作簡便的優點，是可以完全適用于現代工業生產的化工原料過濾裝置。