城市楼房窗户防风沙密封结构的优化设计.doc

1、城市楼房窗户防风沙密封结构的优化设计摘要：春季防风沙是城市居民面临的难题，利用迷宫式密封的特点对现有窗户进行局部改进，提高密封效果，改善居民室内环境卫生。 关键词 ： 迷宫式密封 摩阻效应 流束收缩效应 热力学效应 中图分类号：O414.1 文献标识码： A 文章编号： 前言 我国西北地区春季沙尘大，无孔不入的沙尘让很多城镇居民不堪其扰，似乎家里的家具擦得再勤，也难免一摸一手灰，对大多数人来说，以往常用的开窗通风换气方法不再适用，春季防风沙是一个摆在大家面前的一个难题。现在防风沙除了从门窗做起，更多人选择了新兴的新风系统，利用它不开窗就能达到循环室内空气的目的，但是这种方式造价高，很多住户迫于

2、运行成本高而难以接受。通过对风沙流动的特点和机械密封原理的研究，我们针对现有窗户研制了迷宫式密封结构，对今后居民住房窗户密封结构的设计探索新的途径。 1、现有防风沙窗户使用情况 在现有市场上销售的各种窗户中，从其结构上面分析，可归纳为推拉式窗户、平开式窗户、和固定式窗户，这几种窗户在防沙功能上各有特点，都存在一些不足，现归纳如下： 1.1、推拉式窗户的特点 分左右、上下推拉两种。推拉窗有不占据室内空间的优点，外观美丽、价格经济、密封性较好。采用高档滑轨，轻轻一推，开启灵活。配上大块的玻璃，既增加室内的采光，又改善建筑物的整体形貌。窗扇的受力状态好、不易损坏。但其缺点也很突出，通气面积受一定限制

3、，在关上时密封性较差，是这几种窗户结构中，防沙性能是最差的，据了解，在发达国家很少使用这种窗户。 1.2、平开式窗户的特点 平开窗是指合页（铰链）安装于侧面向内或向外开启的门窗，优点是简洁、美观，窗幅大，玻璃块大，视野开阔，采光率高，擦玻璃方便，使用灵活，安全可靠，使用寿命长，在一个平面内开启，占用空间少，安装纱窗方便等。目前采用最多的就是推拉窗。缺点是两扇窗户不能同时打开，最多只能打开一半，通风性相对差一些；有时密封性也稍差。 1.3、固定式窗户的特点 固定式窗户顾名思义就是固定在窗洞上面的窗户，在密封性上比前面两种都要好，但是因为不能开启，就是牺牲了通风性能来要求绝对的密封性，对于普通家庭

4、使用的窗户来说，并不合适。 我们经过对目前城市居民住房存在沙尘入室问题的调查讨研究和对市场上的各种窗户密封结构比较后，经过反复试验和讨论，设计出了一种全新的窗户结构，综合了前面提到的各种类型窗户的密封结构特点，新研制设计的窗户密封结构具有外形简单、加工成本低、密封性能好的优点。本设计主要应用到了机械传动中轴封密封结构之一即简化迷宫式密封的原理。 流体通过简化迷宫产生阻力并使流量减少的机能称为“迷宫效应” 。对于本设计来说，运用了迷宫效应中的摩阻效应、流束收缩效应和热力学效应。 2、新型窗户密封结构密封原理 2.1、迷宫式密封结构的摩阻效应 众所周知，流体在管道或者空间中流动时，由于流体的粘滞性

5、及流体质点之间的相互位移会产生摩擦阻力，增加能量消耗。人们把这种摩擦阻力产生与能量消耗增加的关系称之为摩阻效应。将摩阻效应可以用于窗户针对风沙的危害，即通过迷宫式结构，增加风沙通过窗户密封区域的阻力，从而降低风沙的侵入。 2.2、迷宫式密封结构的流束收缩效应 流体通过迷宫入口或出口时，流束速度发生改变，并使其能量发生转换的现象。这也是迷宫式密封的特点之一。迷宫式窗户就是通过其特有的结构使风速、风压降低，从而达到更好的密封效果。 2.3、迷宫式密封结构的热力学效应 当风沙迷宫式密封结构的间隙入口处，气体收缩，越是接近入口，气流越是收缩和加速，在间隙最小处获得最大速度;当进入空腔，流束截面突然扩大

6、，并在空腔内形成强烈的漩涡。从能量观点来看，在间隙前后，气流的压力能转换为动能，同时温度下降，气流加速后通过间隙，当到达空腔时体积突然膨胀产生剧烈漩涡，涡流摩擦的结果是使气流的绝大部分动能转变为热能，被腔室中的气流所吸收而升高温度，只有很小部分的气流仍然具有动能而通过。 3、迷宫式窗户的结构的组成 迷宫式窗户和其它类型的窗户一样，可将一个窗户分为窗框和窗叶，窗框是安装固定在墙体边缘的，由一个平板材料在其中间部位上加工一个倒梯形的凹槽，材料选用铝合金或者塑钢都有可以，直接加工成型。倒梯形凹槽的优点就是密封条不容易脱落，镶嵌牢固，密封条采用橡胶制品作为其材料，形状与窗框上的倒梯形完全一致，因橡胶有

7、弹性，所以安装比较容易，窗框结构简图见下图一。 窗叶部分也是由一个平板结构加工制成，材料选用铝合金或者塑钢，窗页上与窗框对应结合的部位加工成接近矩形凸缘，结构见图二，形成简易的迷宫式密封结构。 图一 窗框结构简图 图二窗页结构简图 窗框与窗叶的开启方式是转轴式传动，在窗户外部连接，防止因开启方向产生缝隙使风沙进入室内。由此可见，风沙进入室内的唯一路径就是凸缘与沟槽的连接密封处，在此部位，风沙由边缘部位进入，来到沟槽处时空间突然增大，由流束收缩效应和热力学效应知道，在这个部位会形成漩涡，产生较大的摩擦阻力，从能量上看，动能大量转换为热能，并流速降低，其中携带的沙尘绝大部分沉降下来，只有极少部分微

8、粒会进入室内，这就是整个迷宫式窗户的防风沙机理的优化设计。 4、结论 通过对整个设计的理论分析，我们今年进行了迷宫式窗户密封结构的模型制作，通过实践来不断改进设计方案，使得该改进方案不仅能够实现防风沙的作用，而且确保迷宫式窗户制造、加工简单，成本低，开启方便，真正能为城市居民改善生活居所发挥作用。 参考文献 1 密封设计手册常德功 付平 (作者 ), 付平(编者)， 常德功(编者) 北京：化学工业出版社 2009 2 机械设计基础（第五版） 杨可桢等主编 北京：高等教育出版社 2006 City building window to protect themselves from blowin

9、g sand sealing structure optimization design Yang Xiancheng Jiang Guoping, li wen, Chen Yanling Chen Qian, Zhong Tingting (BeifangEthnicUniversity Institute of chemical, Yinchuan Ningxia750021) Abstract: Spring sandstorm is the challenges faced by the urban residents, the existing Windows to make us

10、e of the characteristics of labyrinth seal local improvement, improve the sealing effect, improve the residents health indoor environment. Key words: Labyrinth seal, friction effect, a beam pinch effect, thermal effect 项目课题来源：北方民族大学大学生课外创新实践科学研究 作者简介：杨贤成（1991） ，男，北方民族大学化工学院， 过程装备与控制工程学生，指导教师：姜国平，高级工程师，北方民族大学化工学院