CN108921344A - 一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法 - Google Patents

一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，所述的优化设计方法是使产品处于理想状态的解，产品理想状态通过理想度来衡量（Ideal Final Result，IFR）；理想度公式为：理想度＝系统有用功能的集合/（为实现系统有用功能的所有花费＋有害功能的集合）；所述的设计优化方法分为两条路径，优化第一路径：用功能不变，调整成本和有害功能；优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩。实际产品的n年值和寿命年值差距越大，说明产品优化空间越大，反过来就是产品还不成熟；操作中，边际增量值不能比原成本小很多，边际增量也不能太大；它具有技术可靠，方法简单，成果有效，运行科学等特点。

Description

一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，主要用于空气分离领域，尤其涉及空气分离中自洁式过滤器更换滤筒时阻力的分析及论证，属于空气分离的设计优化技术领域。
背景技术
技术创新从新思想、新概念开始，不断打破重塑思维模式和经验、解决各种矛盾冲突，最终使新技术得到实际应用，并产生良好的经济价值和社会效益。提高技术创新效率的有效方法当前可以采用发明问题解决理论(TRIZ)。
TRIZ中的创新思维方法最终理想解(Ideal Final Result，IFR)是使产品处于理想状态的解，产品理想状态通过理想度来衡量。
理想度公式为：理想度＝系统有用功能的集合/(为实现系统有用功能的所有花费+有害功能的集合)。任何技术系统在进化过程中都沿着越可靠、越简单、越有效的方向进化，则其理想度越高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种在现有技术基础上进行创新的，可靠、简单、有效的，运行检验科学，成本低，应用范围广的用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，所述理想度的概念公式是：
利用公式(1)中∑有用功能、∑有害功能、和成本演变出收益总量公式和成本回收期公式。
收益总量＝∑有用功能-(∑有害功能+成本)…(2)
优化设计方法是：在原有技术基础上精确设计，引入边际变量，并迅速简化操作，具体包括：
(a)公式(1)、(2)和(3)演变出边际公式(4)、(5)和(6)；
边际收益总量＝∑有用功能边际变量-(∑有害功能+成本)边际变量…(5)，
通过成本的边际增量看有害功能边际减量，确定当前设计产品的n年值；
实际产品的n年值和寿命年值差距越大，说明产品优化空间越大，反过来就是产品还不成熟；操作中，边际增量值不能比原成本小很多，如10万的产品，边际增量取增加1元来看产品n年值，因为这是一个确认产品主体的参数，边际增量1元对应的只能是产品的一个局部n年值，不能代表整个产品；边际增量也不能太大，如10万的产品，边际增量取增加10万元来看产品n年值，这时易出现原产品模型的边际条件已不再符合变化后产品，这已不是优化而是一个全新产品的设计；
公式(8)同公式(6)通过单位匹配后，意义完全一致；边际成本回收期就是n年值。
作为优选：所述的边际公式(4)、(5)和(6)进行优化操作有如下两条优化路径：
优化第一路径：有用功能不变，调整成本和有害功能；
优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩；
其中优化第一路径的具体实施过程中分为两个步骤：
步骤1：有害功能和成本两项都降低或一项降低另一项不动。
步骤2：提高(降低)成本，降低(提高)有害功能。
实际操作中步骤1取得较大效果的可能性不高，如出现可能是以下两种情况，一是在不成熟产品，二是在有突破性技术出现；
步骤2操作，需先设定最优方案这一目标：
最优方案＝min(成本+n年运行能耗)…(7)
公式(7)的解释，设备使用寿命n年，在n年中为了实现某一有用功能，花费(成本+n年运行能耗)最少的为最优方案；从公式(7)可看出，一个设备运行时间越长，就越应该追加设备成本投入从而减少运行能耗，反之则是减少成本投入适当提高运行能耗。
优化第二路径的具体实施过程中也分为如下两个步骤：
步骤1：功能过剩的分析，降低有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式5-6进行边际成本回收期计算，回收期大于设备使用寿命，则说明功能过剩，相反则说明功能没有过剩；
步骤2：功能不足的分析，提高有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式(6)进行边际成本回收期计算，回收期小于设备使用寿命，则说明功能不足，相反则说明功能没有不足。
本发明是使产品处于理想状态的解，产品理想状态通过理想度来衡量(IdealFinal Result，IFR)。理想度公式为：理想度＝系统有用功能的集合/(为实现系统有用功能的所有花费+有害功能的集合)；
本发明所述的优化设计是通过Unisim软件，对空压机级间冷却器能耗进行工艺计算流程模拟，滤筒运行状态下的各阶段阻力值引起的压缩机能耗进行分析。
本发明是对现有技术的进一步改良，它具有技术可靠，方法简单，成果有效，运行科学等特点。
附图说明
图1是本发明专利所述的空压机级间冷却器系统工艺流程计算模拟
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：理想度概念公式，
利用公式(1)中∑有用功能、∑有害功能、和成本演变出收益总量公式和成本回收期公式。
收益总量＝∑有用功能-(∑有害功能+成本)…(2)
在实际产品设计优化中，计算上述三个公式很困难，有时甚至无法计算。产品设计优化是在原有技术基础上的精确设计，也就是在原有设计基础上进行小的设计改动，引入边际变量，可迅速简化操作。
公式(1)、(2)和(3)演变出边际公式(4)、(5)和(6)
边际收益总量＝∑有用功能边际变量-(∑有害功能+成本)边际变量…(5)
利用边际公式(4)、(5)和(6)进行优化操作有两条优化路径。
优化第一路径：有用功能不变，调整成本和有害功能。
优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩。
优化第一路径：有用功能不变，调整成本和有害功能。具体实施过程中分为两个步骤。
步骤1：有害功能和成本两项都降低或一项降低另一项不动。
步骤2：提高(降低)成本，降低(提高)有害功能。
实际操作中步骤1取得较大效果的可能性不高，如出现可能是以下两种情况，一是在不成熟产品，二是在有突破性技术出现。
步骤2操作，需先设定最优方案这一目标：
最优方案＝min(成本+n年运行能耗)…(7)
公式(7)的解释，设备使用寿命n年，在n年中为了实现某一有用功能，花费(成本+n年运行能耗)最少的为最优方案。从公式(7)可看出，一个设备运行时间越长，就越应该追加设备成本投入从而减少运行能耗，反之则是减少成本投入适当提高运行能耗。如一个设备使用年限为5年，最优方案是min(成本+5年运行能耗)。
举例：如设备成本增加1万元，设备有害功能能耗费用降低2万元/年，那设备n年值对应是0.5年，设备实际使用年限5年，收益是9万元。也就是通过成本的边际增量看有害功能边际减量，确定当前设计产品的n年值。
实际产品的n年值和寿命年值差距越大，说明产品优化空间越大，反过来就是产品还不成熟。操作中，边际增量值不能比原成本小很多，如10万的产品，边际增量取增加1元来看产品n年值，因为这是一个确认产品主体的参数，边际增量1元对应的只能是产品的一个局部n年值，不能代表整个产品。边际增量也不能太大，如10万的产品，边际增量取增加10万元来看产品n年值，这时易出现原产品模型的边际条件已不再符合变化后产品，这已不是优化而是一个全新产品的设计。
公式(8)同公式(6)通过单位匹配后，意义完全一致。边际成本回收期就是n年值。
优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩。具体实施过程中也分为两个步骤。
步骤1：功能过剩的分析，降低有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式5-6进行边际成本回收期计算，回收期大于设备使用寿命，则说明功能过剩，相反则说明功能没有过剩。
步骤2：功能不足的分析，提高有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式(6)进行边际成本回收期计算，回收期小于设备使用寿命，则说明功能不足，相反则说明功能没有不足。
实施例：
空气压缩机的级间冷却器的优化设计分析。冷却器的有用功能：冷却压缩气体，从而降低压缩能耗。冷却器的有害功能：冷却压缩气体过程中产生气体阻力，对应压缩能耗费用。冷却器的成本：设备成本。为简化分析和集中关注点，案例着重强调冷却器的主要有用功能、有害功能和成本项。
表1和表2是空压机级间冷却器的设计相关数据。
表1空压机级间冷却器设计参数
表2空压机级间冷却器阻力费用和成本费用
注：空压机的总能耗10210kW，级间冷却器阻力占5.6％。
把表2数据整理为运行能耗计算时间为5年，变为表3；
表3空压机级间冷却器5年能耗费用、成本费用和总费用
注：不考虑货币的时间价值
第一路径优化分析
优化第一路径：用功能不变，调整成本和有害功能。
首先采用第一路径中的步骤1分析，有害功能和成本两项都降低或一项降低另一项不动进行优化。该步骤中，对冷却器中的折流板和筋板等进行设计优化，但优化收益不大。然后采用步骤2，提高(降低)成本，降低(提高)有害功能，也就是提高(降低)产品成本降低(提高)阻力能耗费用。具体操作如下。
对各级冷却器进行降低气体阻力的技术分析：通过冷却器阻力分项的具体研究，找到降低阻力的瓶颈为壳体直径。得出优化的修改方案一，具体参数见表4和表5。
表4冷却器修改方案一
表5修改方案一的能耗费用变化和成本变化
注：冷却器的估算费用是按照吨位估算，综合为4.5万元/吨，冷却器壳体是碳钢2万元/吨，芯体是不锈钢和铝7万元/吨。
对表5进行分析，一级冷却器的n年值为0.08年最低，三级冷却器的n年值为0.22年最高。一级冷却器投入产出比最大，是因为冷却器的设计任务书中对各级冷却器的阻力要求都一样8kPa，而不同的气体密度下相同阻力对应能耗很不一样，气体密度越小对应能耗越大，一级1KPa阻力对应能耗35.5kW，三级1KPa阻力对应能耗只要14.8kW。
冷却器运行时间按5年计算。利用公式5-5进行边际收益总量计算，边际收益总量为357万元。利用公式6进行边际成本回收期计算，边际成本回收期为1.5个月。
在优化的修改方案一基础上继续使用步骤2进行操作。
修改方案一，初次修改增大壳体从而阻力降低很多，但再次投资修改增加壳体上，阻力降低有限，所以优化不能再单纯增加壳体尺寸。经技术分析后，成本追加在整个换热器上，增加芯体换热面积，减小气体通过芯体阻力，从而采用换热器整体加长的方案。
在修改方案一基础上再修改形成方案二。具体参数见表6和表7。
表6修改方案二
注：芯体的气体穿过方向可适当减薄
表7修改方案二的能耗费用变化和成本变化
对表7进行分析，方案二再次追加成本，回收时间迅速延长。冷却器运行时间按5年计算。利用公式5进行边际收益总量计算，边际收益总量为89.5万元。利用公式5-6进行边际成本回收期计算，边际成本回收期为1.1年。
通过上述操作后，可再次进行步骤2操作，但实际操作中发现边际收益总量都很小，边际成本回收期也较大，相应停止操作。
1.1.1第二路径优化分析
优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩。
步骤1，功能是否过剩的分析。级间冷却器把气体都冷却到了10℃，10℃是否合适，首先进行功能是否过剩的分析，把冷却温度由10℃修改为12℃，看冷却器的成本和有害功能如何变化，具体变化见表8和表9。
表8主空压机级间冷却器有用功能调整表
表9主空压机级间冷却器成本、有用功能和有害功能汇总
一级冷却器分析：初始设计把空气从92℃冷却到10℃，改为仅冷却到12℃，边际成本回收期为5.3年，如设备运行时间按5年计算，冷却器冷却到10℃属于功能过剩，冷却到12℃更合理。
二级冷却器分析：边际成本回收期为1.1年，冷却到10℃比冷却到12℃合适，功能不存在过剩。
三级冷却器分析：边际成本回收期为1.6年，冷却到10℃比冷却到12℃合适，功能不存在过剩。
步骤2，功能是否不足的分析。
二级冷却器分析：由原先冷却到10℃改为冷却到8℃，成本增加10万元，有用功能节省能耗20kW，有害功能浪费能耗18kW，边际成本回收期为10.4年。设备运行时间按5年计算，则冷却到8℃不合适，最优值在10℃和8℃之间。10℃作为设计量已经比较精确。二级冷却器不存在功能不足。
三级冷却器分析：三级冷却器分析结果同二级冷却器一样，也不存在功能不足。

Claims (3)

1.一种用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，所述理想度的概念公式是：
利用公式(1)中∑有用功能、∑有害功能、和成本演变出收益总量公式和成本回收期公式。
收益总量＝∑有用功能-(∑有害功能+成本)…(2)
其特征在于，优化设计方法是：在原有技术基础上精确设计，引入边际变量，并迅速简化操作，具体包括：
(a)公式(1)、(2)和(3)演变出边际公式(4)、(5)和(6)；
边际收益总量＝∑有用功能边际变量-(∑有害功能+成本)边际变量…(5)，
通过成本的边际增量看有害功能边际减量，确定当前设计产品的n年值；
实际产品的n年值和寿命年值差距越大，说明产品优化空间越大，反过来就是产品还不成熟；操作中，边际增量值不能比原成本小很多，如10万的产品，边际增量取增加1元来看产品n年值，因为这是一个确认产品主体的参数，边际增量1元对应的只能是产品的一个局部n年值，不能代表整个产品；边际增量也不能太大，如10万的产品，边际增量取增加10万元来看产品n年值，这时易出现原产品模型的边际条件已不再符合变化后产品，这已不是优化而是一个全新产品的设计；
公式(8)同公式(6)通过单位匹配后，意义完全一致；边际成本回收期就是n年值。
2.根据权利要求1所述的用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，其特征在于，所述的边际公式(4)、(5)和(6)进行优化操作有如下两条优化路径：
优化第一路径：有用功能不变，调整成本和有害功能；
优化第二路径：调整有用功能，判断有用功能不足还是过剩；
其中优化第一路径的具体实施过程中分为两个步骤：
步骤1：有害功能和成本两项都降低或一项降低另一项不动。
步骤2：提高(降低)成本，降低(提高)有害功能。
实际操作中步骤1取得较大效果的可能性不高，如出现可能是以下两种情况，一是在不成熟产品，二是在有突破性技术出现；
步骤2操作，需先设定最优方案这一目标：
最优方案＝min(成本+n年运行能耗)…(7)
公式(7)的解释，设备使用寿命n年，在n年中为了实现某一有用功能，花费(成本+n年运行能耗)最少的为最优方案；从公式(7)可看出，一个设备运行时间越长，就越应该追加设备成本投入从而减少运行能耗，反之则是减少成本投入适当提高运行能耗。
3.根据权利要求2所述的用理想度方法对自洁式空气过滤器阻力的优化设计方法，其特征在于，优化第二路径的具体实施过程中也分为如下两个步骤：
步骤1：功能过剩的分析，降低有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式5-6进行边际成本回收期计算，回收期大于设备使用寿命，则说明功能过剩，相反则说明功能没有过剩；
步骤2：功能不足的分析，提高有用功能，得出有有害功能和成本的相应变化，采用公式(6)进行边际成本回收期计算，回收期小于设备使用寿命，则说明功能不足，相反则说明功能没有不足。
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