專利名稱：節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置與操作方法，通過學(xué)理的分析與驗(yàn)證，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)操作的安全，迅捷且節(jié)能的要求，并使作業(yè)基準(zhǔn)統(tǒng)一格式化，進(jìn)而降低建造成本。

背景技術(shù)：
近年由于工藝技術(shù)的快速進(jìn)步，導(dǎo)致產(chǎn)品不但日趨精密更日益微型化與多樣化。為能大量且低成本生產(chǎn)上述精密且微型多樣化的產(chǎn)品，因而對(duì)現(xiàn)今高科技廠房的品質(zhì)要求不但隨之日愈嚴(yán)厲，且其規(guī)模不斷的擴(kuò)大。對(duì)維護(hù)高科技廠房的廠務(wù)人員或設(shè)計(jì)建造高科技廠房的建設(shè)公司造成莫大挑戰(zhàn)，因此相關(guān)人員無不全力以赴積極找尋對(duì)解決策或開發(fā)新技術(shù)以應(yīng)需求。
眾所皆知，使用流體輸送機(jī)械供應(yīng)足夠流量與穩(wěn)定壓力的水與空氣至各需求單位是現(xiàn)今高科技廠房絕對(duì)必須達(dá)成的基本需求。當(dāng)廠房規(guī)模較小時(shí)，只需單臺(tái)流體輸送機(jī)械即可符合需求的流量，此時(shí)因?yàn)槭褂脝螜C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力的穩(wěn)定度控制較為單純簡易，只需依據(jù)流體輸送機(jī)械制造廠商提供的操作手冊(cè)執(zhí)行，大都可達(dá)成流體壓力保持穩(wěn)定的要求。然而，如上述為降低生產(chǎn)成本及因應(yīng)產(chǎn)品的多樣化，廠房不斷的規(guī)模大型化，生產(chǎn)程序彈性化，致使單機(jī)作業(yè)已完全無法達(dá)成需求，進(jìn)而采用多機(jī)并聯(lián)方式以提供足夠流量與穩(wěn)定壓力的水與空氣給需求單位，同時(shí)被要求當(dāng)生產(chǎn)程序改變時(shí)，必須盡快改變水與空氣的流量與壓力符合新程序需求，并聯(lián)使用時(shí)，其操作方式遠(yuǎn)較單機(jī)操作方式復(fù)雜與危險(xiǎn)，稍有不慎極易連帶誘起機(jī)械的損壞。機(jī)械制造廠商也多無法提供多機(jī)并聯(lián)操作的作業(yè)程序。致使不論廠房建造公司或廠務(wù)維護(hù)人員都憑個(gè)己的累積經(jīng)驗(yàn)做為多機(jī)并聯(lián)操作的基準(zhǔn)。這種方式擬定的作業(yè)基準(zhǔn)，不但樣式繁多，規(guī)格復(fù)雜，且都未經(jīng)學(xué)理分析或?qū)嶒?yàn)認(rèn)證，因而無法得知所擬定的作業(yè)基準(zhǔn)是否達(dá)到安全，迅捷的基本要求。此外，多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)耗費(fèi)能源極為可觀，能有效降低能源的消耗，對(duì)生產(chǎn)成本的降低有絕對(duì)的助益。此項(xiàng)節(jié)能的要求，亦無法從目前依個(gè)己經(jīng)驗(yàn)所擬定的作業(yè)基準(zhǔn)可得知。
另外，一般購買離心式流體輸送機(jī)械如泵，抽風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)等時(shí)，制造廠商會(huì)提供機(jī)械性能相關(guān)的資料圖形，如圖1，縱橫坐標(biāo)分別表示壓力和流量。最大適用轉(zhuǎn)速的性能曲線，從縱坐標(biāo)開始，結(jié)束于圖中某一位置。此位置表示臨界使用點(diǎn)。坐落于此位置右邊的區(qū)域，為不宜使用的區(qū)域，由流體輸送機(jī)械的相似定理(affnity)得知轉(zhuǎn)速(N)和流量(Q)，壓力(P)以及功率(HP)之間的關(guān)系式，為下列所示。
利用最大適用轉(zhuǎn)速的性能曲線的資料，本案通過學(xué)理分析與計(jì)算，可求出壓力(P)與轉(zhuǎn)速(N)之間的二項(xiàng)式關(guān)系的方程式，如 P＝C1N2+C2N+C3------(2) P＝C1Q2+C2Q+C3------(3) 利用式(2)和式(3)，本發(fā)明可繪制低于最大適用轉(zhuǎn)速的各轉(zhuǎn)速的性能曲線于圖中，如虛線所示。其它等效率曲線，等功率曲線通常也會(huì)標(biāo)示于數(shù)據(jù)圖形中，如圖1中所示。
過去提出流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置相關(guān)的專利案件不多，中國臺(tái)灣專利案號(hào)506683「并聯(lián)式風(fēng)扇」曾揭露一種一體成型的框件，框件內(nèi)可并聯(lián)放置多個(gè)風(fēng)扇，達(dá)到并聯(lián)式風(fēng)扇的目的。對(duì)于如何并聯(lián)控制各風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，則完全未提及相關(guān)技術(shù)。至于控制流體輸送機(jī)械的相關(guān)案件，中國臺(tái)灣專利案號(hào)I225908「控制泵系統(tǒng)的方法」揭露一種用自動(dòng)控制與一離心式泵相關(guān)的操作參數(shù)的方法，將流體壓送至一排出口。本案限定于單臺(tái)離心式泵的控制，利用裝設(shè)于泵的各感應(yīng)器量測(cè)吸、排口壓力、差壓，泵轉(zhuǎn)速以及水溫等資料，和預(yù)先儲(chǔ)存的各項(xiàng)數(shù)據(jù)比對(duì)，視兩者的差異而做調(diào)整。另有中國臺(tái)灣專利案號(hào)M253699「控制泵系統(tǒng)的裝置」，揭露控制單臺(tái)離心式泵的各項(xiàng)裝置，和前案操作方式近似。上述案例的預(yù)先儲(chǔ)存的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲得，是利用大量實(shí)作資料整理而成，而非由學(xué)理推導(dǎo)得知。此方式的優(yōu)點(diǎn)為能簡易、迅速得知泵的各式狀態(tài)，作為控制依據(jù)。但有二限制條件，一為只適用于單機(jī)作業(yè)無法多機(jī)并聯(lián)使用。二為控制范圍限于預(yù)先儲(chǔ)存的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為限。對(duì)于操作過程是否節(jié)能，則完全無法得知。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其可滿足在恒壓條件下能大量且彈性多樣的供應(yīng)生產(chǎn)所需氣體與水至各生產(chǎn)單位。
為此，本發(fā)明提出了一種節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，由恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線與負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線與等效率曲線等資料以及多組分支系統(tǒng)并聯(lián)組成，其中分支系統(tǒng)包含 具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，壓力計(jì)，功率計(jì)，流量計(jì)以及控制器。
較佳地，恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線資料可依并聯(lián)的流體輸送機(jī)械的流量與壓力關(guān)系式計(jì)算而求得。
較佳地，負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線資料，可依負(fù)載側(cè)的管路配置而推導(dǎo)的流量與阻抗關(guān)系式計(jì)算而求得。
較佳地，等效率曲線資料，可依機(jī)械制造商所提供的資料改換成流量與壓力函數(shù)的數(shù)據(jù)庫方式儲(chǔ)存。
較佳地，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式泵構(gòu)成。
較佳地，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式抽風(fēng)機(jī)構(gòu)成。
較佳地，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式送風(fēng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。
較佳地，壓力計(jì)是用以偵測(cè)流體輸送管路的流體壓力，以確保恒壓狀態(tài)。
較佳地，功率計(jì)是用以量測(cè)具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械的輸出功率，通過量測(cè)的功率，代入流量＝(功率×常數(shù))/(壓力)的公式，求得流量，其中常數(shù)為單位換算值。
較佳地，流量計(jì)是用以量測(cè)具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械的輸出流量，以確保各機(jī)械輸出的流量相同。
較佳地，控制器可由可程序邏輯控制器(PLC)或計(jì)算機(jī)所構(gòu)成，內(nèi)建如上所述的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線資料，并執(zhí)行運(yùn)算。
較佳地，控制器可由可程序邏輯控制器(PLC)或計(jì)算機(jī)所構(gòu)成，內(nèi)建如上所述的負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線資料，并執(zhí)行運(yùn)算。
較佳地，控制器可由可程序邏輯控制器(PLC)或計(jì)算機(jī)所構(gòu)成，內(nèi)建如上所述的等效率曲線資料，并執(zhí)行運(yùn)算。
較佳地，可程序邏輯控制器(PLC)，可依運(yùn)算結(jié)果，控制具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械泵，抽風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
較佳地，所述計(jì)算機(jī)可依運(yùn)算結(jié)果，控制具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械泵，抽風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
有關(guān)本案「節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置」所關(guān)連的詳細(xì)內(nèi)容，通過如下的學(xué)理分析公式推導(dǎo)以及實(shí)例說明方式依序介紹。探討多臺(tái)離心式流體輸送機(jī)械并聯(lián)時(shí)，與負(fù)載側(cè)管路系統(tǒng)的流量有密切關(guān)系，因此要先計(jì)算負(fù)載側(cè)管路系統(tǒng)流量的分配情況。
以圖2的流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的負(fù)載側(cè)的管路系統(tǒng)，做為事例說明。共有9根管段(①～⑨)和10個(gè)節(jié)點(diǎn)(1～10，包含流體出入口與合流點(diǎn)，即所有管段的兩端點(diǎn))。其中節(jié)點(diǎn)1、2、5、6為支管入口，節(jié)點(diǎn)9和10為總出口。在管8、9上皆有一個(gè)流體輸送機(jī)械，圖上的箭頭符號(hào)(←)為程序內(nèi)定計(jì)算所假設(shè)的方向，并不代表實(shí)際流體流動(dòng)的方向。整個(gè)系統(tǒng)所待求的是各個(gè)管段流量Qn，下標(biāo)n為管段編號(hào)，代表不同管段的流量。因?yàn)橛?個(gè)管段因此有9個(gè)未知數(shù)(Q1’Q2’…’Q9)，需要9個(gè)線性獨(dú)立方程式求解。利用節(jié)點(diǎn)處流量守恒建立的連續(xù)方程式，如節(jié)點(diǎn)3，管3的流量等于管1和管2的流量和。可表示成式(4) Q1+Q2-Q3＝0 (4) 同理，節(jié)點(diǎn)4、7、8可寫出式(5)、式6和式(7)三個(gè)流量守恒方程式 Q3+Q4-Q5＝0 (5) Q5+Q6-Q7＝0 (6) Q7-Q8-Q9＝0 (7) 其它的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1、2、5、6、9和10)并沒有流量守恒的關(guān)系，因此無法寫出可用來求解的流量方程式。
求解所需的另外5個(gè)方程式可由能量守恒的概念求得。考慮管3，兩端的節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4，若流量從節(jié)點(diǎn)3流向節(jié)點(diǎn)4，表示節(jié)點(diǎn)3比節(jié)點(diǎn)4有較大的全壓值，而流體流經(jīng)管3會(huì)因?yàn)槟Σ粱蚬苈方Y(jié)構(gòu)造成全壓損失，表示成ΔP3，節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4的全壓分別表示成P3和P4，則兩節(jié)點(diǎn)關(guān)系可寫成 ΔP3＝P3-P4 (8) 管3的全壓損失ΔP3又可表示成K3Q32(容后說明)，其中K3表示管3的全壓損失系數(shù)，所以式(8)可寫成 各管路有不同的結(jié)構(gòu)與裝置，所以會(huì)有不同的全壓損失系數(shù)K值，以下標(biāo)區(qū)分不同管段全壓損失系數(shù)。式(9)等號(hào)左邊含有未知數(shù)Q3，而等號(hào)右邊的未知數(shù)則為P3和P4，如此一來增加一個(gè)方程式，但卻多了兩個(gè)未知數(shù)。假設(shè)所有進(jìn)出口的全壓條件已知(也就是節(jié)點(diǎn)1、2、5、6、9和10)，當(dāng)流體是從節(jié)點(diǎn)1流進(jìn)，流經(jīng)管1、管3、管5、管7和管9，最后從節(jié)點(diǎn)10流出，利用式(8)的原理可寫成 ΔP＝P1-P10 (10) 其中ΔP為各管段全壓損失與流體輸送機(jī)械所改變的全壓總合，以數(shù)學(xué)式表示為 ΔP＝ΔP1+ΔP3+ΔP5+ΔP7+ΔP9-ΔPs9(11) 其中ΔPs9為經(jīng)過管9時(shí)，流體輸送機(jī)械所改變的全壓值，稍后會(huì)提到如何處理ΔPs9。將式(11)代入式(10)，整理后可寫成 ΔPs9-ΔP9-ΔP7-ΔP5-ΔP3-ΔP1＝P10-P1＝C1(12) 因?yàn)镻10和P1為已知，通常為外界的大氣條件，因此C1為一常數(shù)。最后將ΔP換成KQ2的型式，可得到 其它的方程式同理可得，分別為 從式(4)～式(7)以及式(13)～式(17)總共有9個(gè)線性獨(dú)立方程式，在這些方程組中，除了含有9個(gè)流量未知數(shù)，尚有ΔPs8和ΔPs9兩個(gè)未知數(shù)，這兩個(gè)未知數(shù)必須從流體輸送機(jī)械的性能曲線中求得。
先前式(3)提過用二次多項(xiàng)式來表示已十分吻合，因此可將流體輸送機(jī)械在某固定轉(zhuǎn)速下的性能曲線寫成 其中CS1、 CS2、 CS3、 CS1′、CS2′和CS3′皆為常數(shù)，下標(biāo)S表示流體輸送機(jī)械。
式(13)～式(17)等號(hào)左邊的每一項(xiàng)(除了ΔPs8和Ps9)，均為一全壓損失系數(shù)乘上管路流量的平方。因此為了將ΔPs8和ΔPs9并入方程組計(jì)算，將式(18)和式(19)利用配方法寫成 其中 將式(21)代入式(13)，整理過后可以得到 同理，式(14)～式(17)也可以將式(20)和式(21)代入。可以發(fā)現(xiàn)等號(hào)左邊除了流量是未知數(shù)外，尚有G8和G9兩個(gè)未知數(shù)，因此需增加兩組方程式，也就是說，只要增加一個(gè)流體輸送機(jī)械就會(huì)多一個(gè)未知數(shù)。由配方的過程可以寫出G8和G9與該管流量的關(guān)系式 因此目前系統(tǒng)共有11個(gè)方程式和11個(gè)未知數(shù)，可以解出所有的管路流量。
式(13)～式(17)的Kn(n＝1、2、...、9)均為已知數(shù)，此為管路的全壓損失系數(shù)，這包含兩個(gè)部分，一是流體流經(jīng)管路因摩擦所造成的損失，二是管路系統(tǒng)中所安裝各式設(shè)備及配件，所造成的次要損失(Minor Loss)，因此各損失系數(shù)K值，可由查管路損失系數(shù)得知。
當(dāng)同樣型號(hào)的流體輸送機(jī)械并聯(lián)在一起，性能曲線的流量隨并聯(lián)流體輸送機(jī)械的數(shù)目增加而以倍數(shù)增加。如圖3即某流體輸送機(jī)械在固定轉(zhuǎn)速時(shí)，不同數(shù)目流體輸送機(jī)械并聯(lián)的性能曲線。比較圖面上單臺(tái)和兩臺(tái)流體輸送機(jī)械并聯(lián)的性能曲線，提供相同壓力的條件下，兩臺(tái)流體輸送機(jī)械并聯(lián)所提供的流量是單臺(tái)的兩倍。同樣的，三臺(tái)并聯(lián)在同樣壓力的條件下，提供三倍的流量。換句話說，不同數(shù)目的流體輸送機(jī)械并聯(lián)后，整體的性能曲線也隨著改變。若單臺(tái)流體輸送機(jī)械的性能曲線為 P＝Cs1Q2+Cs2Q+Cs3 (25) 其中Cs1、Cs2、Cs3為常數(shù)，Qn(n＝1、2、3、...、n)代表并聯(lián)流體輸送機(jī)械合成一臺(tái)的流量，下標(biāo)n代表流體輸送機(jī)械的臺(tái)數(shù)。當(dāng)n臺(tái)流體輸送機(jī)械并聯(lián)時(shí)，在相同的壓力條件下，流量會(huì)變成n倍，也就是Qn＝n·Q，帶入式(25)可得到 式(26)就是等效于單臺(tái)流體輸送機(jī)械時(shí)的性能曲線。
一個(gè)復(fù)雜的管路系統(tǒng)，若系統(tǒng)設(shè)定不變，則系統(tǒng)的全壓損失與總流量的平方成正比，畫成P-Q圖為一條曲線，稱為系統(tǒng)阻抗曲線。可寫成 其中Ksys為固定常數(shù)，Qsys為系統(tǒng)的總流量，ΔPsys為系統(tǒng)的全壓損失。因此在系統(tǒng)不變的條件下，已知系統(tǒng)的在某流量時(shí)的壓力，則可求出系統(tǒng)的阻抗曲線。圖4為系統(tǒng)阻抗曲線與單臺(tái)流體輸送機(jī)械的交叉點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量與壓力，即為系統(tǒng)的總流量與系統(tǒng)的全壓損失，因此稱為操作點(diǎn)。在單臺(tái)流體輸送機(jī)械的管路系統(tǒng)中，若流體輸送機(jī)械的性能曲線和系統(tǒng)阻抗曲線已知，由于系統(tǒng)的全壓損失等于流體輸送機(jī)械所提供的壓力，系統(tǒng)的總流量等于流體輸送機(jī)械的流量，式(27)代入性能曲線方程式可得 利用公式法可求得兩曲線的交點(diǎn)(操作點(diǎn))流量Qsys 某固定轉(zhuǎn)速的流體輸送機(jī)械，裝置于管路系統(tǒng)中，流量可由式(29)求得。若求出的流量并非期待值，則可變更流體輸送機(jī)械的轉(zhuǎn)速來調(diào)整。流體輸送機(jī)械的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，流體輸送機(jī)械的性能曲線會(huì)有所不同，操作點(diǎn)也隨之改變。流體輸送機(jī)械的性能曲線可由相似定理(Affnity Law)計(jì)算，其流量與轉(zhuǎn)速、壓力與轉(zhuǎn)速、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式(1)所示。
圖5為以某流體輸送機(jī)械在1750rmp和2275rpm的性能曲線為例，圖中A和B點(diǎn)分別為在固定的系統(tǒng)下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的操作點(diǎn)。式(27)可以求得A、B兩點(diǎn)的關(guān)系式為 由式(1)，1750rmp性能曲線上的A點(diǎn)經(jīng)過計(jì)算為2275rmp性能曲線上的C點(diǎn)，兩點(diǎn)關(guān)系可寫成 將式(31)代入式(32) 比較式(30)與式(33)，可以發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)即為C點(diǎn)，也就是已知操作點(diǎn)A，即可利用相似定理計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速性能曲線與系統(tǒng)阻抗曲線的操作點(diǎn)B。若B點(diǎn)為系統(tǒng)的目標(biāo)流量與壓力，但不知流體輸送機(jī)械所需轉(zhuǎn)速為多少，由式(27)可以計(jì)算出參數(shù)Ksys，可寫成 流體輸送機(jī)械1750rpm時(shí)的性能曲線如式(25)所示，將式(25)與式(37)所需是數(shù)代入式(29)，求得系統(tǒng)流量QA。再利用式(1)求得Nsys 將原本的流體輸送機(jī)械轉(zhuǎn)速調(diào)至Nsys，即可得到所需的流量。由式(1)流體輸送機(jī)械調(diào)整轉(zhuǎn)速后的方程式為 將系數(shù)整理后可得到 利用以上原理，以某廠管路配置為例如圖6，圖7為相關(guān)資料，圖8為單臺(tái)的性能曲線，性能曲線方程式為 P＝-0.8889Q2+6.6667Q+700 (38) 此例題為三臺(tái)流體輸送機(jī)械并聯(lián)的情形，每臺(tái)流體輸送機(jī)械型號(hào)與轉(zhuǎn)速皆相同。先將三臺(tái)流體輸送機(jī)械等效于單臺(tái)流體輸送機(jī)械，由式(26)可得到并聯(lián)的性能曲線為 P＝-0.0988Q2+2.2222Q+700 (39) 由式(27)可求得Ksys 式(39)和式(40)代入式(29) 然而系統(tǒng)需求的總流量只要40cfs，計(jì)算出的總流量41.9cfs如圖9，因此必須降低流體輸送機(jī)械的轉(zhuǎn)速。假設(shè)式(38)的轉(zhuǎn)速為1750rpm，由式(35)可以得到 由式(37)可求得單臺(tái)流體輸送機(jī)械轉(zhuǎn)速降至1670rpm時(shí)的方程式為 P＝-0.8889Q2+6.3619Q+637.46(41) 將流體輸送機(jī)械改成式(37)，用方法一重新計(jì)算后得到的總流量為40cfs，詳細(xì)資料如圖10三機(jī)并聯(lián)所示，各出口流量幾乎相等，且壓力一致。
同理可以求得雙機(jī)并聯(lián)時(shí)的需求轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速必須調(diào)高至1850rpm，才能達(dá)到系統(tǒng)需求。如圖10雙機(jī)并聯(lián)結(jié)果所示，各出口流量也幾乎相同，壓力誤差值與系統(tǒng)需求僅僅只有2％以內(nèi)。
至于等效率曲率，是由制造商依機(jī)械的實(shí)際性能測(cè)試而得，如圖1所示，無法由理論推導(dǎo)得知。因此只能將制造商所提供的資料，直接使用。



圖1顯示離心式流體輸送機(jī)械的資料圖。
圖2顯示多臺(tái)離心式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置及負(fù)載側(cè)的管路系統(tǒng)。
圖3顯示單臺(tái)、兩臺(tái)與三臺(tái)流體輸送機(jī)械并聯(lián)的性能曲線。
圖4顯示流體輸送機(jī)械性能曲線與系統(tǒng)阻抗曲線。
圖5顯示流體輸送機(jī)械，1750rpm與2275rpm性能曲線與系統(tǒng)阻抗曲線。
圖6顯示負(fù)載側(cè)的管路結(jié)構(gòu)。
圖7顯示系統(tǒng)各管段與工作流體資料。
圖8顯示流體輸送機(jī)械轉(zhuǎn)速1750rpm的性能曲線。
圖9流體輸送機(jī)械轉(zhuǎn)速1750rpm的各出口流量分配情況。
圖10顯示流體輸送機(jī)械轉(zhuǎn)速1670rpm的各出口流量分配情況。
圖11顯示系統(tǒng)流量需求QT，壓力需求為PT時(shí)，單機(jī)與雙機(jī)并聯(lián)的性能曲線。
圖12顯示雙機(jī)與三機(jī)并聯(lián)的性能曲線。
圖13顯示包含等效曲線的壓力與流量資料圖。
圖14顯示傳統(tǒng)方式與本案方式的壓力操作法。
圖15顯示本案裝置的各元件配置圖。
圖16顯示系統(tǒng)控制架構(gòu)圖。
附圖標(biāo)記說明 61具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械。
62功率計(jì) 63壓力計(jì) 64流量計(jì) 65控制器 66負(fù)載側(cè)
具體實(shí)施例方式 當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際狀況時(shí)，允許操作的時(shí)間短促，無法經(jīng)由上述理論推衍所得公式加以計(jì)算而得到所需結(jié)果，必須設(shè)法利用上述公式所得的結(jié)果直接使用于所面臨的實(shí)際狀況，以下介紹的實(shí)施例即依上述公式所得的結(jié)果直接使用于所面臨的實(shí)際狀況。
假設(shè)系統(tǒng)所需流量為QT，壓力為恒壓PT，選用某一廠牌泵(使用多臺(tái)泵時(shí)，原則上是同一廠牌，同一型號(hào))，單臺(tái)泵可提供最大流量Q1，最大壓力為P1。基本資料得知，若Qt＞Q1則一臺(tái)泵無法達(dá)到流量的需求，而P1＞PT壓力則可符合需求。
傳統(tǒng)操作方式(系統(tǒng)阻抗可由管路配置圖及流經(jīng)各管路的流量加以計(jì)算，即可求得各流量下的系統(tǒng)阻抗并繪制成系統(tǒng)阻抗曲線)。
(1)開啟第一臺(tái)泵，如圖11所示，無法滿足需求，單機(jī)性能曲線(實(shí)線)無法和系統(tǒng)阻抗曲線交會(huì)于操作點(diǎn)O，P＝PT，Q＝QT。
(2)依第一臺(tái)泵相同條件，開啟第二臺(tái)泵，此時(shí)雙機(jī)并聯(lián)的性能曲線(---)和系統(tǒng)阻抗曲線交會(huì)于操作點(diǎn)O上方的X點(diǎn)，大于系統(tǒng)需求，適時(shí)將雙機(jī)轉(zhuǎn)速降低，使性能曲線(-·-)下降，而交會(huì)于操作點(diǎn)O即可。
(3)若增加開啟第三臺(tái)泵，操作方式和雙機(jī)并聯(lián)的操作方式相似，適時(shí)調(diào)整各臺(tái)轉(zhuǎn)速，即可使3臺(tái)并聯(lián)的系統(tǒng)性能曲線和系統(tǒng)阻抗曲線相交于操作點(diǎn)O，如圖12所示。
(4)同理，繼續(xù)增加開啟泵的臺(tái)數(shù)，只要適當(dāng)調(diào)整各泵的轉(zhuǎn)速，則必可使并聯(lián)多臺(tái)的性能曲線和系統(tǒng)曲線相交于操作點(diǎn)O。
(5)系統(tǒng)中并聯(lián)兩臺(tái)以上泵，則可滿足系統(tǒng)的流量與壓力需求。但以節(jié)能觀點(diǎn)而言，到底該并聯(lián)幾臺(tái)，方可達(dá)到最節(jié)省能源目的。此外，當(dāng)系統(tǒng)流量需求改變，而使系統(tǒng)阻抗曲線改變時(shí)，如何調(diào)整并聯(lián)臺(tái)數(shù)，方可達(dá)到最佳狀態(tài)。則成本發(fā)明所需解決的重要課題。
由泵理論得知，多臺(tái)并聯(lián)時(shí)，若各臺(tái)的輸出流量Q相同時(shí)，較為容易得到節(jié)能狀態(tài)。例Q1＝Q2＝Q3的狀態(tài)較Q1≠Q(mào)1≠Q(mào)3的狀態(tài)節(jié)能。因此使各臺(tái)泵的輸出流量Q為相同，則為首要之務(wù)。
為能得到各泵的流量相同，可利用裝設(shè)功率計(jì)在各泵，利用功率計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)，即可推算各泵的流量Q，所使用公式如下
P為系統(tǒng)壓力，必須穩(wěn)定不變，常數(shù)為單位換算值和泵效率的乘積，各臺(tái)狀態(tài)相同，效率應(yīng)也相同。得知功率HP，則可求得流量Q，換言之，若各臺(tái)泵的功率相同，HP1＝HP2＝HP3，則Q1＝Q2＝Q3。
若裝設(shè)流量計(jì)于各泵，可直接量得流量Q，但流量計(jì)誤差大，應(yīng)答速度亦較遲緩，利用功率計(jì)較合宜。
上述方法可在多臺(tái)并聯(lián)泵時(shí)使用，求得較佳節(jié)能狀態(tài)。但此時(shí)仍無法判定，到底使用多少臺(tái)數(shù)的泵予以并聯(lián)使用為最佳。如Q1＝Q2＝Q3較妥，或Q1＝Q2較妥。
系統(tǒng)以2臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)為例，將2臺(tái)并聯(lián)的性能曲線及此狀態(tài)在分別各臺(tái)的性能曲線(此時(shí)由前功率計(jì)調(diào)整且恒壓需求P1＝P2＝PT)，共同繪制于壓力-流量表，如圖12。
虛線為2臺(tái)泵并聯(lián)的性能曲線，適當(dāng)調(diào)整各泵的轉(zhuǎn)速，則可和系統(tǒng)阻抗曲線相交于操作點(diǎn)O，實(shí)線為各臺(tái)的性能曲線，曲線上O2點(diǎn)為流量

壓力為PT的點(diǎn)。當(dāng)3臺(tái)并聯(lián)時(shí)，將3臺(tái)并聯(lián)的性能曲線及此狀態(tài)的分別各臺(tái)的性能曲線(此時(shí)由前述功率計(jì)調(diào)整，使且符合恒壓要求P1＝P2＝P3＝PT)，繪入圖12。一點(diǎn)線(-·-)為3臺(tái)并聯(lián)的性能曲線，同樣的適當(dāng)調(diào)整各泵的轉(zhuǎn)速，則可和系統(tǒng)曲線相交于操作點(diǎn)O。O3點(diǎn)為流量為

壓力為PT的位置。2臺(tái)并聯(lián)與3臺(tái)并聯(lián)時(shí)，均可達(dá)到系統(tǒng)PT、QT的要求，但兩并聯(lián)中所使用的各泵，雖壓力PT，但所供給的流量分別為

與

表示兩并聯(lián)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不同，坐落點(diǎn)Q2和Q3亦不相同。
如前述，每一泵，制造廠商均會(huì)提供等效率圖。將等效率圖繪制于圖12內(nèi)，則可得到圖13。
圖中雙曲線型的各虛線分別示意為等效率(η)，70％、60％、50％的曲線，由機(jī)械制造商所提供的數(shù)據(jù)，直接繪入。一點(diǎn)虛線為各等效率曲線的谷底的聯(lián)機(jī)，由于必須達(dá)成恒壓PT的限制，Q2和Q3和O點(diǎn)會(huì)在同一PT的水平線上。以圖為例，O2點(diǎn)為60％效率，而Q3點(diǎn)約65％效率，則并聯(lián)總輸出功率(HP)T，可由單機(jī)輸出功率(HP)單機(jī)乘以并聯(lián)臺(tái)數(shù)n可得。
(HP)T＝(HP)單機(jī)×并聯(lián)臺(tái)數(shù)(n)(43)


由式(45)和式(46)得知，(HP)T3小于(HP)T2，表示3臺(tái)并聯(lián)的總輸出功率會(huì)小于2臺(tái)并聯(lián)的總輸出功率，換言之，在此狀態(tài)3臺(tái)并聯(lián)較2臺(tái)并聯(lián)更能節(jié)約能源。
當(dāng)系統(tǒng)的供給流量因應(yīng)生產(chǎn)的需求而有所改變時(shí)，系統(tǒng)阻抗曲線會(huì)隨之改變，當(dāng)流量增大時(shí)，系統(tǒng)阻抗曲線會(huì)向右偏移，反之，向左偏移。當(dāng)流量增大時(shí)，如前述原理，可分兩途徑解決(1)不增加使用泵臺(tái)數(shù)，而令現(xiàn)使用的泵臺(tái)數(shù)提高轉(zhuǎn)速，達(dá)到增加流量目的。(2)增加使用泵臺(tái)數(shù)，不需提高轉(zhuǎn)速，甚至降低轉(zhuǎn)速，達(dá)到增加流量目的。何者為最高選擇，則可依前述原理，分別求得兩種途徑的并聯(lián)總功率，選擇并聯(lián)總功率較低者為操作原則。當(dāng)流量減少時(shí)，同理可分兩途徑解決(1)不減少使用泵臺(tái)數(shù)，而令現(xiàn)使用的泵臺(tái)數(shù)減小轉(zhuǎn)速，以達(dá)到減少流量目的。(2)減少使用泵臺(tái)數(shù)，不需降低轉(zhuǎn)速，甚至提高轉(zhuǎn)速，達(dá)到減少流量目的。至于何者為宜，同樣地依前述方法，選擇并聯(lián)總功率較低者為操作原則。
上述的系統(tǒng)阻抗曲線改變時(shí)，不管是選擇增加或減少，甚至維持原泵臺(tái)數(shù)的過程，都將衍生改變泵轉(zhuǎn)速的重要操作動(dòng)作。眾所周知，高科技精密工廠，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定操作環(huán)境的維持非常重視，操作環(huán)境的不當(dāng)改變將嚴(yán)重危及制程中的產(chǎn)品。報(bào)紙時(shí)有所聞，電力系統(tǒng)短暫的電壓供應(yīng)不穩(wěn)定，立即造成該區(qū)域內(nèi)廠商的莫大損害。同樣的，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速改變時(shí)，依性能曲線的原理，勢(shì)必造成供應(yīng)流體的壓力改變，此流體壓力的改變猶如電力系統(tǒng)的電壓改變，影響非常深遠(yuǎn)。稍有不慎，可立即造成工廠莫大損害。目前一般操作系統(tǒng)，容許調(diào)整的時(shí)間極為短暫，加之改變轉(zhuǎn)速導(dǎo)致壓力的改變，需要反應(yīng)時(shí)間，才能趨于穩(wěn)定。因此，在需要增加流量時(shí)，通常都急速提升轉(zhuǎn)速，待發(fā)現(xiàn)壓力超過恒壓設(shè)定時(shí)，再降低轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)壓力低于恒壓設(shè)定時(shí)，再又提升轉(zhuǎn)速，以提高流體壓力。如此，反復(fù)的調(diào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一段時(shí)間后，終于達(dá)到設(shè)定恒壓的要求。其壓力(P)對(duì)時(shí)間(T)的變化可如圖14的虛線表示。
流體的壓力P，是驅(qū)動(dòng)力的根源，系統(tǒng)中流體壓力值的不當(dāng)高低變動(dòng)，勢(shì)必造成出口端供給流量的忽大忽小現(xiàn)像，對(duì)制程中的產(chǎn)品有絕對(duì)的傷害，此狀況一直困擾廠商與操作維護(hù)人員。至于流量需求降低時(shí)，同樣的無法得知泵轉(zhuǎn)速該如何降低或甚至減少使用臺(tái)數(shù)，因此，大都采取不變應(yīng)萬變的措施，亦即讓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件維持不變，多余的流量成為回流。此時(shí)明顯得知，珍貴的能源在做無謂的浪費(fèi)，殊為遺憾。
本發(fā)明針對(duì)上述增減流量過程則有快速且節(jié)能的措施。前述得知，本發(fā)明提出的方法，能迅速求得當(dāng)系統(tǒng)阻抗曲線改變(意謂流量改變)時(shí)的最佳使用泵臺(tái)數(shù)與各泵轉(zhuǎn)速的方法，因此可迅速將泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整至略低于最適轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，即略低恒壓設(shè)定，待壓力變化確認(rèn)，再微調(diào)轉(zhuǎn)速至最適轉(zhuǎn)速。其變化可如圖14的實(shí)線變化狀況。此時(shí)，此系統(tǒng)中的流體壓力不會(huì)產(chǎn)生高低不當(dāng)?shù)淖儎?dòng)，當(dāng)然出口端的供應(yīng)流量亦不會(huì)有忽大忽小的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)制程產(chǎn)品的穩(wěn)定性有莫大的貢獻(xiàn)。
依據(jù)以上實(shí)施例的需要，本案節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，可由多臺(tái)的具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械61，功率計(jì)62，壓力計(jì)63，流量計(jì)64，控制器65與負(fù)載側(cè)為66所組成，如圖15所示，其間各自所司功能以及相互關(guān)連關(guān)系，控制程序，則可由圖16系統(tǒng)控制架構(gòu)圖得之。
由以上資料得知，本發(fā)明所提出的「節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置」為通過學(xué)理分析與公式推導(dǎo)以計(jì)算流體輸送機(jī)械在并聯(lián)裝置時(shí)的各種所需資料，以此資料為依據(jù)控制器控制各并聯(lián)的機(jī)械，達(dá)到安全、迅捷的操作目的。在此過程中可以對(duì)并聯(lián)不同的機(jī)械所得不同的效率，因而找出最節(jié)省能源的機(jī)械臺(tái)數(shù)。因此，本案所揭露的技術(shù)內(nèi)容，和前述已公告的專利案內(nèi)容完全不同，本案努力研發(fā)的結(jié)果所呈現(xiàn)的新穎性與進(jìn)步性是無庸置疑的，并可協(xié)助國內(nèi)科技廠商大幅降低成本，增加國際競爭力。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，由恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線，負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線，等效率曲線以及多組分支系統(tǒng)并聯(lián)組成，其特征在于，分支系統(tǒng)包含
具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，壓力計(jì)，功率計(jì)，流量計(jì)以及控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線資料可依并聯(lián)的流體輸送機(jī)械的流量與壓力關(guān)系式計(jì)算而求得。
3.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線資料，可依負(fù)載側(cè)的管路配置而推導(dǎo)的流量與阻抗關(guān)系式計(jì)算而求得。
4.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，等效率曲線資料，可依機(jī)械制造商所提供的資料改換成流量與壓力函數(shù)的數(shù)據(jù)庫方式儲(chǔ)存。
5.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式泵構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式抽風(fēng)機(jī)構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，可由具變頻作用的離心式送風(fēng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，壓力計(jì)是用以偵測(cè)流體輸送管路的流體壓力，以確保恒壓狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，功率計(jì)是用以量測(cè)具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械的輸出功率，通過量測(cè)的功率，代入流量＝(功率×常數(shù))/(壓力)的公式，求得流量，其中常數(shù)為單位換算值。
10.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，流量計(jì)是用以量測(cè)具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械的輸出流量，以確保各機(jī)械輸出的流量相同。
11.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由可程序邏輯控制器所構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線資料。
12.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由可程序邏輯控制器所構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線資料。
13.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由可程序邏輯控制器所構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算等效率曲線資料。
14.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由計(jì)算機(jī)構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線資料。
15.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由計(jì)算機(jī)構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線資料。
16.如權(quán)利要求1所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，控制器可由計(jì)算機(jī)構(gòu)成并執(zhí)行運(yùn)算等效率曲線資料。
17.如權(quán)利要求11所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，可程序邏輯控制器，可依運(yùn)算結(jié)果，控制具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械泵，抽風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
18.如權(quán)利要求14所述的節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，其特征是，所述計(jì)算機(jī)，可依運(yùn)算結(jié)果，控制具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械泵，抽風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種節(jié)能型的恒壓式流體輸送機(jī)械并聯(lián)裝置，是滿足在恒壓條件下能大量且彈性多樣的供應(yīng)生產(chǎn)所需氣體與水至各生產(chǎn)單位。本裝置包含具變頻作用的離心式流體輸送機(jī)械，壓力計(jì)，功率計(jì)，流量計(jì)以及控制器。上述機(jī)械并聯(lián)裝置的性能曲線，負(fù)載側(cè)的系統(tǒng)阻抗曲線等資料通過理論分析的結(jié)果與制造商提供的等效率曲線資料一起內(nèi)建于控制器。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)建的資料和裝設(shè)的壓力計(jì)、功率計(jì)以及流量計(jì)所得實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比對(duì)，得到最佳節(jié)能條件，依此條件做為本裝置操作的準(zhǔn)則。
文檔編號(hào)F04D1/10GK101122297SQ20061011545
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
發(fā)明者王吉一, 黃文正, 傅武雄 申請(qǐng)人:王吉一, 黃文正