裝配式實驗室廢氣處理設備結構設計與模態分析

郭庚辰,周驥平,2,倪厚強,徐鐘林

(1.揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)(2.揚州大學實驗室環保與智能裝備研究所,江蘇 揚州 225127)(3.江蘇科仕達實驗室環保科技有限公司,江蘇 揚州 225127)

高校及科研院所在開展化學、生物、材料等方面的教學與科研實驗時會產生對人體與環境有害的實驗廢氣,因此需采用有針對性的實驗廢氣凈化處理設備進行凈化處理,達標后予以排放[1-2]。由于實驗廢氣的復雜性以及實驗樓宇安裝條件的限制,對實驗廢氣的處理工藝以及處理裝置的加工、裝配、安裝、維護等提出了較嚴格的要求[3]。為此,本文進行了實驗廢氣處理裝置裝配式結構體系的設計探討。

1 實驗室廢氣處理及其設備結構分析

1.1 實驗室廢氣處理過程分析

實驗室所產生的實驗廢氣大多是由氮氧化物、硫化物等無機廢氣和由苯類、醇類等有機廢氣組成的混合廢氣[4]。為保證實驗廢氣凈化處理的效果,需要采用組合工藝。圖1所示為一種干式實驗室廢氣處理工藝流程,該工藝由進風→初效過濾→無機氣體吸附(復合吸附模塊)/無機模塊更換指示→有機氣體催化氧化(碳基催化氧化模塊) →高空排放等組成。

圖1 廢氣處理工藝流程圖

初效過濾的目的是攔截大顆粒雜物,濾料取出經吹掃清理后可重復使用。復合吸附劑由無機吸附劑、礦物質、還原劑等材料燒結而成,吸附堿性無機廢氣和多種混合酸氣。有機廢氣的凈化采用結合碳基介質吸附、納米催化劑催化氧化、碳基介質催化再生等特點的碳基吸附催化氧化(UCAO)新技術,實現了對低濃度VOCs 在碳基介質-納米催化劑交聯結構中吸附-催化氧化的高效、協同控制[5-6]。

1.2 廢氣處理設備結構分析

為滿足實驗廢氣處理組合工藝流程的要求,目前使用的處理實驗廢氣裝置都是一體化集成技術處理裝置,如圖2所示。一體化集成處理裝置主要由風罩、箱體、處理單元模塊、控制模塊等組成。箱體采用不銹鋼或碳鋼等材料制成,確保其具有足夠的強度、耐腐蝕性和穩定性。裝置通過風機、泵等輔助設備來推動廢氣流動,控制模塊用于實時監測和控制壓力、氣流速度、溫濕度等參數。由于現有一體化處理設備的箱體是一個整體結構,體積大、結構較復雜,給加工、安裝、運輸等帶來較大的困難,同時對處理單元的組合配置、調整和維護保養帶來一定的影響。針對以上不足,本文構建了裝配式結構實驗廢氣處理裝置。

圖2 一體化集成技術處理裝置

2 裝配式結構體系的構建

根據一體化集成處理裝置的結構特點和組合處理工藝要求,運用模塊化設計思想[7],從便于結構加工、處理單元組合連接、裝配、運輸和維護保養等角度出發,對處理裝置進行了裝配式結構設計。

2.1 裝配式結構模塊的劃分

運用功能分析方法將處理裝置分解為基礎功能模塊、處理單元模塊和控制模塊[8]。如圖3所示,基礎模塊由底座框架1、立柱2以及頂部框架3等構成;處理單元模塊是一體化集成處理裝置的重要功能單元,由初濾單元模塊框架4,無機吸附單元框架5、6以及碳基光催化氧化單元框架7～11等組成。電氣控制單元12由罩門、壓力表箱體以及電氣柜等組成。

1—底座框架;2—立柱;3—頂部框架;4—初濾單元模塊框架;5、6—無機吸附單元框架;7～11—碳基光催化氧化單元框架;12—電氣控制單元

2.2 裝配式結構連接件的設計

根據各模塊框架結構形狀特點和連接要求,將裝配式結構的連接件分為L型和U型,如圖4所示。L型結構連接件(圖4a)主要用于立柱與頂蓋框架、底座框架之間以及處理單元框架與底座框架之間的連接,連接件上開設有標準定位孔用于相鄰框架的定位與安裝,連接件根據連接部位不同的強度要求有不同的厚度。U型結構連接件(圖4b)主要用于處理單元框架與頂部框架之間的連接,連接件兩側開有定位孔,保證處理單元不會下垂或傾斜。

圖4 結構連接件

3 裝配式結構的受力分析與結構優化

由于處理裝置在運輸及工作過程中需要承受一定的荷載和振動,因此裝配式結構箱體必須滿足一定的強度和剛度要求[9]。從裝置運輸、運行工況等角度出發,運用有限元分析方法對裝配式結構箱體整體受力進行仿真分析,確保其結構強度、剛度滿足要求,同時在運行工況下避免設備產生共振[10-11]。

3.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks進行裝配式結構箱體三維建模,然后導入有限元分析系統并對模型進行適當的簡化。網格劃分模型如圖5所示,裝置材料為Q245r,其性能參數見表1。

表1 材料的性能參數

圖5 網格劃分圖

3.2 裝配式結構靜力學分析

對設備的主要承載部位進行靜力學結構分析,分析其應力和位移分布情況。廢氣凈化裝置各結構最大載荷為滿載狀態下各處理單元的質量。物理吸附單元內置的吸附材料為陶瓷過濾塊,其密度為1.4×103kg/m3,經計算物理吸附單元質量約為76.97 kg,所受壓力為29 414 Pa,復合吸附模塊以及碳基催化氧化模塊加強筋均承受相應濾料以及組件的重力,壓力計算方式與上述類似,分別為 41 667 Pa、12 727 Pa,對裝置添加載荷,進行結構靜力學仿真分析,得到的應力、總位移云圖如圖6所示。

圖6 總位移、應力云圖

由圖可見,裝置結構所受的最大應力為191.82 MPa,要低于結構材料Q245r的強度極限和屈服極限;裝置結構產生的最大變形量為0.318 mm,發生在底部框架處,相比較裝置結構的整體尺寸,其變形量可忽略不計。

3.3 裝配式結構的模態分析

基于結構模態理論,采用自由模態分析,對運行工況下裝置結構的振型進行仿真分析。一般地,振動結構可以通過有限元法離散成一個多自由度系統[12],系統的振動微分方程有n個自由度,其表達式如下:

(1)

式中:M為質量矩陣,C為阻尼矩陣,K為剛度矩陣,Q為外載荷,α為位移矢量,t為階次。

對具體的系統進行分析時,取Q=0,此時系統的振動微分方程可以轉換為齊次微分方程,形式如下:

(2)

考慮裝置運行時變頻風機在不同頻率下工作,采用自由模態分析,求解裝配式結構模型的前6階模態,前6階模態對應的固有頻率以及相應振型云圖如圖7所示,各階模態結果見表2。

表2 各階模態結果

圖7 裝配式結構模型各階次對應振型云圖

可以看出,裝配式結構模型前6階固有頻率大于外界變頻風機激勵頻率(10 Hz),不會發生共振。

4 結束語

裝配式結構實驗廢氣處理裝置適應了其加工、裝配、運輸、維護保養的便利性需求。本文在結構靜力學分析與模態分析的基礎上,通過樣機的研制驗證了結構設計的合理性,裝置結構的可靠性和安全性。后續將不斷完善結構體系及其裝配式功能,使其在相關高校的實驗室通風系統改造項目中發揮有效作用。