用TRIZ解決水循環冷卻系統管路爆裂

文/蔣學杰 戚新波

用TRIZ解決水循環冷卻系統管路爆裂

文/蔣學杰 戚新波

工業生產過程中，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、油浸冷卻和水循環冷卻。冷卻系統在生產過程中，常因各車間液體循環系統壓力不均衡，引起爆管現象，影響正常生產。本文以常用水循環冷卻系統為例，分析了工業生產中水冷卻循環系統管路爆管現象產生的原因，指出了現存系統中的缺點和不足，建立了基于TRIZ模型的系統分析，提出了合理有效的解決方案，對相關液體循環、氣體傳輸系統安全有一定的推廣作用。

問題描述與分析

循環水泵站給系統提供8Kg壓力，當某車間工件冶煉完成需用水冷卻時，打開閥門，循環水進入本車間子循環系統對工件進行冷卻，當檢測到工件溫度降至400°C時，閥門關閉，從而觸發機械閥關閉，阻斷水流。閥門關閉瞬間，由于管道內流動的水不能立刻停止，管道內的壓力瞬間上升，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，影響產品質量且會造成安全隱患。

現有解決方案是在循環水管道上加裝壓力傳感器。在循環水出水口的機械閥門關閉時，管道內的水壓升高，給主控電路提供信號，通過變頻調速改變泵房水泵轉速，從而降低循環水管道上壓力，避免爆管。但由于閥門關閉瞬間，隨壓力的急劇增大、檢測信號傳遞、直至主控電路收到信號、降低水泵轉速、到該子系統壓力減小，需要一定的時間，現有解決方案的缺點是設備的復雜程度增加，而且成本也大大提高。

圖1 系統框圖

圖2 水泵工作點的確定

TRIZ模型建立與問題分析

問題提出：

在生產過程中，循環水系統經常由于各車間水壓不均衡，引起爆管現象，影響正常生產。

現有解決方案：

在循環水管道上加裝壓力傳感器。循環水出水口的機械閥門關閉時，管道內的水壓升高，給主控電路提供信號，通過變頻調速改變泵房水泵轉速，從而降低循環水管道上壓力，避免爆管。

現有解決方案的缺點：

設備系統的復雜程度增加。

定義技術沖突：

改善的參數：應力或壓力。

惡化的參數：系統的復雜性。

技術沖突：應力或壓力~系統的復雜性

發明問題確定：

改善的參數：應力或壓力

惡化的參數：系統的復雜性

擬采取的TRIZ解決方案

擬采用的創新理論：

查找沖突矩陣，找出創新原理。

創新原理：

19、周期性動作原理

01、分割原理

15、動態特性原理

初步解決方案：

（1）方案1

利用周期性動作原理，將原來的一次性關閉機械閥門的動作改為多次操作來關閉，每次只關閉一點；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構

（2）方案2

利用分割原理，將子系統管道分為“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（管內層和外層之間有多層帆布織成，或由鋼絲網編織）。

當出水口閥門關閉，管道內部的壓力瞬時升高的時候，壓力傳感器會給主控制器發出信號，以使水泵轉速減慢管道內的水壓迫內層管道與外層管道之間的可壓縮物質，從而降低管道內部的壓力。

（3）方案3

利用動態特性原理，將冷卻系統主管道和子系統管道分級控制。

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），啟動主泵調速系統，減小主泵轉速，使壓力降保持在5Kg；當工件冷卻接近450°C時，啟動子泵調速系統，減小子泵轉速，使壓力降至5.5Kg，當工件冷卻接近420°C時，同時啟動主泵、子泵調速系統，減小主泵轉速，逐漸關閉子泵。

最終問題解決方案

采用的TRIZ創新理論：

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速改為主次分離的二次變頻調速，保證主系統和子系統壓力獨立且均衡。

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閉瞬間管內壓力突然增大引起的漲力，避免爆管現象。

本方案已經豫北某耐火材料有限公司使用，基本上解決了其水循環系統水管爆裂問題，效果良好。對相關液體循環、氣體傳輸系統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 水泵分級管理系統圖