组合式空气处理机

组合式空气处理机（精选4篇）

组合式空气处理机 篇1

1 概述

冶金工厂电气室通常具有建筑面积大, 设备布置紧凑, 设备发热量大的特点, 通常选用的空调形式为全空气空调系统。组合式空气处理机组由各种功能的模块 (又称功能段) 组合而成, 能够实现空气的混合、过滤、冷却、加热、加湿、输送、消声等功能[1], 是冶金工厂电气室常用的空气处理末端设备。

组合式空气处理机组选型, 不仅关系到系统的初始投资和运行费用, 也与电气室内的温度湿度环境密切相关。冶金工厂电气室通常为无人值守, 其空调负荷具有显热负荷大, 潜热负荷小的特点, 与组合式空气处理机组的额定工况存在较大差别, 无法按照样本直接选取使用的设备。本文结合冶金工厂电气室的具体特点, 提出组合式空气处理机组选型的建议。

2 冶金工厂电气室对空调的要求

评价冶金工厂电气室空调的标准主要是空调的精度以及温度分布状况。空调精度越高, 则要求送风温差越小, 换气次数越大。一般电气柜对温度和湿度的要求是28℃±2℃, 相对湿度不大于60%, 空调风口不发生凝露。由于电气室设备发热量大, 因此组合式空气处理机组选择应首先满足消除室内余热, 保证设备正常运行温度的要求。同时, 为了避免电气室周围粉尘进入电气室对电气柜造成影响, 需要维持房间处于微正压状态, 房间正压一般为5 Pa~10 Pa。

3 选型方法的比较

本文以某钢铁厂电气室为例, 分析不同选型方法之间的区别。电气室室内参数为干球温度tN=28℃, 室内相对湿度ΦN=60%, 电气室空调冷负荷为Q=250 kW, 湿负荷很小可以忽略, 维持正压需要的新风比为10%, 夏季空调室外计算干球温度tW=34.6℃, 夏季空调室外计算湿球温度tWs=28.1℃。组合式空气处理机组采用一次回风方式 (见图1) 。

经过计算, 室内点焓值为hN=64.57 k J/kg, 室外点焓值hW=90.14 k J/kg, 则混合点焓值为:

根据规范要求, 送风温差一般选择6℃~9℃, 经过计算, 室内状态点对应的露点温度为20.4℃, 为避免空气再热引起的能源浪费, 按照露点送风计算送风温差为:

送风温差处于规范要求的范围, 可以按照7.6℃温差计算送风量, 则确定送风点温度tO=20.4℃, 送风点焓hO=56.80 k J/kg, 由此计算空调送风量:

由于设计新风比为10%, 则新风量及新风负荷为:

空调系统总负荷为:

根据上述案例, 电气室空调系统的总负荷为332.3 k W, 需要的送风量为96 525 m3/h。

3.1 表冷器排数的确定

由于目前组合式空气处理机组通常未提供表冷器的具体参数, 工程设计中可以依照经验按照表冷器处理前后空气的焓差Δh=hC-hO来确定表冷器的排数[2], 当Δh≤21 k J/kg时, 表冷器选4排, 当21 k J/kg<Δh<27 k J/kg时选6排, 当Δh≥27 k J/kg时选择8排。本案例中Δh=hC-hO=67.13-56.80=10.33 k J/kg, 因此应选择4排表冷器。

3.2 根据风量选择, 校核全冷量

以国内组合式空气处理机组样本为依据, 根据风量选择机组型号为ZK100, 冷却盘管4排时, 机组全冷量为492.8 k W (进风干球温度27℃, 湿球温度19.5℃) , 比电气室所需的冷量大了48.3%, 远远大于电气室对空调冷量的需求。

《热质交换原理与设备》[3]中详细介绍了表冷器的热工计算, 依照样本中的工况选择表冷器迎面风速2.5 m/s, 表冷器冷冻水流量2×42.4 m3/h, 冷冻水管道管径2×DN100, 计算冷冻水流速为1.37 m/s。通过计算得到表冷器的全热交换效率为Eg=0.484, 则表冷器需要的冷冻水进水温度为:

冷冻水出水温度为:

考虑到表冷器使用一段时间后可能出现的结垢和积灰的情况, 选择表冷器时, 应该适当降低冷冻水进水温度, 进水温度的降低值为冷冻水温升值的10%~20%[4], 因此选择冷冻水进水温度为:

计算结果表明, 按照样本中表冷器计算冷冻水供回水温度为11.3℃/15.35℃。由于组合式空气处理机组冷冻水管上电动阀通常以回风温度作为检测信号, 在供回水温度7℃/12℃条件下电动两通阀开度处于很小的位置甚至频繁关闭, 造成制冷机流量减小, 水泵处于低流量, 高压头运行的状态, 偏离高效率运行点。

依照样本, 根据空调系统送风量直接选择组合式空气处理机组, 通常会出现风量适合, 但是冷量超出很多的情况, 设备供冷能力过大, 造成设备初始投资过大, 同时也会导致制冷机房设备选型过大, 冷冻水主机及水泵运行效率低、能耗增大。

3.3 根据全冷量选择, 校核风量

以上述案例为参照, 按照电气室全冷量, 考虑机组积尘积垢的修正后, 根据风量选择组合式空气处理机组。

由于表冷器使用过程中结垢和积灰的情况, 计算表冷器全冷量时, 应考虑一定的安全系数, 对于仅用于空气冷却的表冷器, 安全系数取0.94[5], 则组合式空气处理机组需要的全冷量为:

根据组合式空气处理机组的样本, 选择机组型号为ZK70, 机组全冷量为360.9 k W, 额定风量为70 000 m3/h, 额定工况下水流量62 m3/h, 进水温度7℃, 回水温度12℃。

在此条件下, 由于机组的全冷量和风量不能同时满足要求, 则需要对组合式空气处理机组的选型进行校核。按照《热质交换原理与设备》介绍的校核计算方法, 计算得到处理后空气温度t2=12.8℃, 由于室内点露点温度tNd=20.4℃, 处理后空气状态点不处于热湿比线上, 会导致室内状态点偏离设计值。同时由于风量小于计算风量, 造成室内正压值不够, 易导致粉尘进入电气柜, 对设备运行安全带来不利影响[5]。

4 结语

1) 由于冶金工厂电气室显热负荷特别大, 潜热负荷很小的特点, 现有绝大多数空调厂商提供的样本均不能与实际使用工况吻合, 设备选型时需要进行校核;

2) 冶金工厂电气室组合式空气处理机组表冷器处理前后空气焓差较小, 表冷器排数通常应选择4排;

3) 为了保证电气室内的温湿度环境, 组合式空气处理机组选型时, 要详细计算空调系统的负荷和送风量, 选择组合式空气处理机组时, 依照风量选取机组型号, 不能简单的按照空调计算负荷选取机组;

4) 按照风量选取机组后, 应对组合式空气处理机组表冷器进行校核计算, 通过调整翅片间距、迎风面积、冷冻水流量等, 使选择的表冷器能够满足空气处理过程需要的全热交换效率, 同时降低设备初始投资;

5) 集中供应冶金工厂电气室空调的制冷站可以考虑提高冷冻水的供水温度, 既能满足电气室空调要求, 又能提高制冷机的能效比, 降低能耗。

参考文献

[1]陆亚俊.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[2]徐勇.组合式空调系统设计中机组选型方法探讨[J].徐州建筑职业技术学院学报, 2003 (3) :30-32.

[3]连之伟.热质交换原理与设备[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[4]赵荣义.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[5]马最良, 姚杨.民用建筑空调设计[M].北京:化学工业出版社, 2003.

组合式空气处理机 篇2

组合式压缩空气冷干机布置在空压机后端,空压机、冷干机前后串联布置,构成压缩空气系统。根据空气冷却与吸附干燥原理,从空压机出来的压缩空气先经过冷干机制冷系统冷却到一定的露点温度,析出相应水分。进行初步的气液分离后,压缩空气进入冷干机的吸附塔进行深度干燥处理,获得高品质的气源。

2 工作流程

乌沙山发电厂干输灰系统采用JAL-40M组合式压缩空气冷干机,正常运行时,系统压力在0.6MPa左右。冷干机的工艺流程主要分为冷却和干燥两部分。冷却部分的主要原理是制冷循环原理。通过压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器这制冷系统的四大部件和附属设备,对压缩空气进行冷却和初步的除湿。这部分与本文所述缺陷无关,不作工艺流程的详述。

干燥部分的工艺原理如图1所示。

图1中,IA、IB分别是A、B塔的进气气动阀,RA、RB分别是A、B吸附塔的排气气动阀。几个气动阀的用气原先取自干燥系统的入口处。OA、OB、CA、CB是布置在A、B塔出口管路上的逆止阀。RV是手动调压阀。经过制冷系统冷却后的压缩空气到达干燥系统。冷干机正常运行时,A、B塔轮流倒换工作。

启动:空压机系统正常启动前,冷干机处于备用状态。此时,RA、RB阀门处于关闭状态,IA、IB阀门处于开启状态。这时,有其它的空压机为用户提供压缩空气,其中有一小部分压缩空气从用户端通过RV调压阀和OA、OB逆止阀进入A、B塔,并进一步往回返到前面的空压机里,这样,在设备处于备用状态下为气动阀提供了气源。系统启动时,首先开启冷干机,IB阀门关闭,然后RB阀门打开,A塔开始工作。然后,启动空压机,整个系统正常工作。

运行:A塔进行工作时。B塔进行干燥剂再生,此时,IA、RB阀门打开,IB、RA阀门关闭。空气经过IA进入A塔进行干燥,然后从A塔顶部出去经过CA逆止阀后,大部分的压缩空气到达后置的除尘过滤器进行再次过滤后,得到高品质的气源输送到用户。另有一小部分气通过调压阀RV,逆止阀OB从B塔顶部进入,对B塔干燥剂进行再生,然后经过B塔底部的RB阀门,最后经过排气消音器排空。

倒换:A塔运行20分钟至半小时后,系统由A塔倒换至B塔运行。这时,RB阀门关闭,IB阀门打开,B塔压力开始升高。等到压力平衡后,IA阀门关闭,RA阀门打开,A塔中的压力瞬间排空,排气消音器处能听到较大的排气声。此时,B塔开始工作,A塔开始再生。

停运:系统正常停运时,先停运空压机,再停运冷干机。此时,RA和RB关闭,IA和IB打开,系统恢复到备用状态。

3 故障现象

运行中的冷干机发生漏气时,排气消音器出口有很大的漏气声,A、B塔压力都在0.4MPa左右,输灰压缩空气罐压力会在短时间内下降到0.4MPa以下,造成输灰系统输灰不畅,气动阀门故障等各种问题,给工业生产造成压力。这类问题往往在吸附塔下一次倒换后消失。

4 故障分析

此类漏气故障发生时,往往会在短时间内造成系统压力下降,因此,第一时间赶到现场的运行人员往往会选择及时倒换设备,这样会导致故障原因不能再第一时间判断出来。因此,在此类缺陷发生时,可以先将其它空压机和对应的冷干机启动,但暂时不把漏气的设备停运。技术人员应第一时间赶到现场观察各个阀门的状态。如果因为设备紧急倒换错过判断故障的第一时间,可以根据停运时4个气动阀门的状态来进行判断,同时可以将该设备重新启动,观察运行,进一步确认故障原因。

当漏气发生时,应打开冷干机下方的盖板,观察A、B塔底部的四个气动阀的状态。同时结合A、B塔压力表的参数进行辅助判断。正常运行时,图1中的四个气动阀,互成对角线的两个阀门状态是一致的。不同的阀门出现故障时,具体的情况如下:IA阀门故障:如果IA阀门故障,则漏气时系统B塔处在运行状态,RB阀门关闭,IB、RA开启,IA关故障(实际处于开启或者未关严状态),同时,A、B塔压力表压力在0.4MPa左右,大量空气从排气消音器处漏走。此时,如果将系统停运,先停运空压机,再停冷干机,那么,系统内的压力会从A塔排气口漏走,冷干机停运时,气动阀门已经没有足够的气源了,阀门状态不会发生改变,同时,A、B塔压力显示为0。如果没有停运,等到系统倒换至A塔运行后,系统恢复正常,A塔压力达到0.6MPa,B塔压力为0。IA、RB阀门开启,IB、RA阀门关闭。

IB阀门故障:同理,IB阀门故障时,则漏气时系统A塔处在运行状态,RA阀门关闭,IA、RB开启,IB关故障(实际处于开启或者未关严状态),同时,A、B塔压力表压力在0.4MPa左右。此时将系统停运,阀门状态不会发生改变,A、B塔压力显示为0。如等到系统倒换至B塔运行后,系统恢复正常,B塔压力达到0.6MPa,A塔压力为0。IA、RB阀门关闭,IB、RA阀门开启。

RA阀门故障:RA阀门故障时,则漏气时系统A塔处在运行状态,IB阀门关闭,IA、RB开启,RA关故障(实际处于开启或者未关严状态),同时,A、B塔压力表压力在0.4MPa左右。此时将系统停运,阀门状态不会发生改变,A、B塔压力显示为0。如等到系统倒换至B塔运行后,系统恢复正常,B塔压力达到0.6MPa,A塔压力为0。IA、RB阀门关闭,IB、RA阀门开启。

RB阀门故障:同理,RB阀门故障时,则漏气时系统B塔处在运行状态,IA阀门关闭,IB、RA开启,RB关故障(实际处于开启或者未关严状态),同时,A、B塔压力表压力在0.4MPa左右。此时将系统停运,阀门状态不会发生改变,A、B塔压力显示为0。如等到系统倒换至A塔运行后,系统恢复正常,A塔压力达到0.6MPa,B塔压力为0。IA、RB阀门开启,IB、RA阀门关闭。

根据不同阀门的故障造成的不同现象,表1将正常状态及异常状态下的不同现象进行归纳总结,方便故障时进行快速排查。即便故障发生时设备紧急倒运,也可以根据异常停运时阀门的状态判断出是具体哪个阀门发生故障。

5 处理措施

根据故障现象判断出具体的故障阀门后,我们要采取具体的处理措施。通常阀门故障可能的原因有以下几种:a.阀体损坏:b.气缸损坏;c.气源管路堵塞;d.电磁阀组件故障;e.气源压力不足。

对于前四种原因,分别需要更换相应的阀体、气缸、气源管或电磁阀。对于气源压力不足的现象,则需要检查阀门气源的接入点,必要时进行改造。图2指出了乌沙山电厂气源管改造前后冷干机气动阀的气源接入点。原先气源接在干燥系统之前,改造后接到了冷干机除尘过滤器之后。

改造前,气源在干燥系统之前,气源负荷受到空压机加卸载的影响,存在气源不足的可能性,会造成阀门动作故障。改造后的气源布置在后端,气源压力很稳定,不会受空压机加卸载的影响。即便系统故障停运,也能够保证有足够的气源供阀门动作。此外,异常停运之后,四个阀门的状态较改造前有所不同。表2是气源改造后,异常停运时的阀门状态和A、B塔压力。

同时,后端的空气经过干燥系统和除尘过滤器的处理后,品质更好,能有效延长气缸的使用寿命,同时,还能减少气源管的堵塞。[1]

6 结论

运行中的冷干机发生漏气会造成输灰系统输灰不畅,气动阀门故障等各种问题,给工业生产造成极大的压力。故障发生时,应第一时间赶到现场观察各个阀门的状态。如果因为设备紧急倒换错过判断故障的第一时间,可以根据停运时4个气动阀门的状态来进行判断。同时,也可以将该设备重新启动,观察运行,进一步确认故障原因。专业人员要根据发生故障时的具体现象,准确判断出具体是哪个阀门发生了故障,并对阀门和相应的气源管路系统进行检查和处理。同时,建议将冷干机气动阀门的用气从前端供气改成后端供气,确保拥有高品质的稳定气源。

摘要：组合式压缩空气冷干机布置在空压机后端。运行中的冷干机发生漏气会给工业生产造成极大的压力。专业人员要根据发生故障时的具体现象,准确判断出故障阀门,并对阀门和相应的气源管路系统进行检查和处理。同时,建议将冷干机气动阀门的用气从前端供气改成后端供气,确保拥有高品质的稳定气源。

关键词：冷干机,气动阀,吸附塔

参考文献

组合式空气处理机 篇3

1 热管式空气预热器存在的问题

中海沥青股份有限公司在生产中使用的热管空气预热器在使用中遇到了不少问题, 主要有:

(1) 热管空气预热器使用寿命不超过3年, 其原因除了热管的质量外, 主要是操作弹性小。加热炉正常操作时, 烟气出对流室进空气预热器的温度为2 8 0~3 5 0℃, 而在异常情况下, 烟气温度可能高出设计值1 0 0~1 5 0℃, 此时产生大量不凝气体, 削弱了热管元件内的循环, 导致部分热管失效。

(2) 热管式空气预热器较难适应燃料的变化。当燃料硫含量增加, 烟气的露点温度提高, 热管式空气预热器低温段管壁温度可能低于露点温度, 导致露点腐蚀, 所以采用热管式空气预热器时为了防止露点腐蚀, 排烟温度不能定得太低, 一般为180~2 0 0℃, 因此加热炉热效率低于8 8%。

(3) 热管式空气预热器的原理是空气与烟气换热, 两种气体换热需要庞大的烟道, 不但投资高, 而且占地面积大。

(4) 实际运行中常、减压炉对流室出口烟气温度高达4 3 0℃, 板式空气预热器换热效果很差, 热管空气预热器容易失效, 排烟温度偏高 (超过3 0 0℃) , 导致加热炉效率偏低。

2 扰流子空气预热器和水热媒空气预热器组合应用的优点

经过调研, 采用扰流子空气预热器和水热媒空气预热器组合应用时, 可以解决装置目前存在的问题。采用组合式空气预热器具有以下优点:

(1) 水热媒空气预热器将烟气和空气分开, 热量通过热媒水管道 (D N 8 0) 来传递, 布置灵活方便, 特别适合于改造项目的实施。

(2) 由于水热媒装置可灵活调节烟气换热器的壁温, 因而可以适应燃料的变化。即使燃料的含硫量较高, 也可以通过旁路调节系统, 将烟气换热器的最低管壁温度控制在露点温度以上, 防止低温腐蚀。

(3) 可以适应加热炉负荷变化和短时间温度异常情况。水热媒系统的水温是可调的, 因此排烟温度和热风温度可以灵活地加以控制, 再加上管系中设置了安全阀, 可以完全避免因加热炉操作异常而发生低温腐蚀或类似热管高温爆管、失效现象。

(4) 使用寿命长。水热媒空气预热器采用高压锅炉管为换热元件, 全部对接焊缝100%拍片, 可以保证6年以上的使用寿命而无需更换换热元件。

(5) 清灰容易。改造后的扰流子空预器和烟气换热器由于设计中消除了露点腐蚀, 灰垢粘性低, 成“干”态, 为清除积灰创造了有利条件, 停炉清灰可采取水冲洗。

3 扰流子空气预热器和水热媒空气预热器组合应用方案

根据调研结果, 以及原烟道和风道实际布置情况, 决定采用扰流子空气预热器 (高温段) 和水热媒空气预热器 (低温段) 组合式空预器替代原空气预热器。

3.1 扰流子空气预热器

扰流子空气预热器是在普通管式空气预热器的基础上加以改进发展的新型空气预热器。主要是在换热管内增设了扰流片, 增加管内流动扰动, 提高管内换热系数。本次设计的扰流子空气预热器, 换热管水平布置, 管内走空气, 管内布置扰流子, 可以提高空气侧换热系数。壳侧走烟气, 便于清灰。

3.2 水热媒空气预热器

水热媒空气预热器主要由烟气换热器、空气换热器、二台热水循环泵 (一开一备) 及相应的循环水管道等组成, 利用带压除氧水 (1.8~2.2M P a) 作为热媒——中间热载体, 建立一个闭式循环系统, 吸收高温烟气中的余热, 加热入炉空气。

1.8~2.2MPa左右的热媒水经热水循环泵加压后进入烟气换热器, 吸收烟气的高温余热, 升温至1 9 5℃左右后进入空气换热器, 加热入炉空气, 经换热后的热媒水返回热水循环泵入口, 如此循环, 源源不断地将烟气中的热量传递给加热炉的入炉空气。为了防止烟气换热器发生低温酸露点腐蚀, 在空气换热器热媒水进、出口之间设置了一套旁通截止阀, 用于控制空气换热器换热量, 保证进烟气换热器热媒水温度高于露点温度, 即烟气换热器的最低壁温高于酸露点 (本次设计点为1 3 0℃, 可根据燃料变化进行调整) 。水热煤空气预热器流程示意图见图1。

3.3 结构设计

扰流子空气预热器采用φ3 2×2光管为换热元件, 烟气走壳侧, 便于清灰, 空气走管内, 内放扰流子, 以强化管内换热。为了消除热应力, 在空气进口管板与构架之间设置了膨胀节。扰流子空气预热器除烟气进口处设计少量衬里内保温外, 主要采取外保温。

烟气换热器和空气换热器均采用蛇形翅片管为换热元件, 顺列布置。为了保证设备质量, 便于现场安装, 烟气换热器和空气换热器均设计为一整体箱式结构, 所有承压元件焊接、固定、组装均在制造厂内完成, 对接焊缝100%射线探伤。承压部件的所有焊缝均安排在夹层内, 检查、维修时只需打开由外护板组成的检修门即可, 十分方便。

3.4 首台试用的空气预热器性能参数

扰流子空气预热器 (高温段) 和水热媒空气预热器 (低温段) 组合式空气预热器在装置上应用的情况见表1~表4。

4 节能减排效果及经济效益分析

4.1 节能减排效果分析

(1) 节能效果分析

项目实施后, 预热后的空气温度提高了1 2 0℃, 加热炉排烟温度从原来的近3 0 0℃下降至1 7 0~1 8 0℃, 烟气余热得以充分利用, 加热炉热效率提高了3%以上, 加热炉的燃料油消耗量由加工每吨原油消耗1 1.7 k g下降到1 1.0 k g。

统计期年加工原油1 0 0万t, 燃料油折标系数按1.4286计算。则

(2) 减排效果分析

按物料衡算法计算减少的二氧化硫排放量:

式中:G s o2——燃油S O2年排放量

W——年减少燃油消耗量,

S——燃料中硫含量%, 经分析, 燃料中硫含量为0.5%

P——燃料中硫转化为S O2的转化率%, 燃油P=1 0 0%

h——治理设施脱硫效率, 无脱硫设施h值为0

4.2 经济效益分析

(1) 节约燃料油费用:对加热炉进行扰流子空气预热器和水热媒空气预热器组合应用改造后, 年可减少消耗700t, 若燃料油价格按3 5 0 0元/t计算, 可节约2 4 5万元。

(2) 每年可节约检修费1 0万元左右。

综上, 合计节约费用2 5 5万元/年。

5 结论

组合式空气处理机 篇4

近年来，微结构光纤引起了人们的广泛关注。它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，这类光纤在很宽的波长范围内可以单模工作，而折射率导光一般不要求包层中的空气孔呈周期性分布。微结构光纤有很多奇特的性质，例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式的传输;包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质;排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应等。

本文提出一种方形组合空气孔微结构光纤，并研究其色散特性，为其应用做理论铺垫。

1 理论计算方法简介

人们常用来计算微结构光纤模式的方法有：有限元法[1]、频域有限差分法[2]和FDTD(时域有限差分)法[3,4]等。在这些方法中，FDTD法简单直接，易于编程计算，且可以减少计算量。

FDTD法是1966年由Kane.S.Yee[5]提出来的，采用Yee氏网格的空间离散方式，把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分格式，在这种差分格式中每个网格点上的电场(或磁场)分量仅与与它相邻的磁场(或电场)分量及上一时间该点的场值有关。光纤中的导模，可以假定传播常数沿传播方向(设z方向)为β，这样每一个场分量就具有(x,y,z)=(x,y)exp(iβz)的形式，代表任何场分量。在Maxwell方程中，z方向的导数就可以用iβ来代替，这样Maxwell方程就可以只用横向场量表达出来[6]。边界条件采用APML(各向异性理想匹配层)[7]。在初始时刻引入一个人为设定的场分布，只要演化时间足够长，这个场分布中非物理的成分在时间演化过程中会逐渐消失，而物理的成分会保留下来。由于所有的场都是在时域中得到的，所以要想得到这些场在频域中的信息，需要做一个付氏变换。由FDTD法可以得到传播常数β随真空中波长λ的变化关系，通过换算得到有效折射率neff和波导色散Dg的关系。材料色散Dm可以利用Sellmeier公式得到。总色散为波导色散Dg和材料色散Dm之和。

2 方形组合空气孔微结构光纤结构

本文提出了一种方形组合空气孔微结构光纤，其横截面结构如图1所示。它的包层由两套直径不同的呈正方形排列的空气孔组成，芯区是由去掉一个空气孔所形成的缺陷构成的，d1为小孔直径，d2为大孔直径，Λ为孔间距。n2为空气孔的折射率，n1为纯硅区域的折射率。

3 结果与讨论

对于图1所示的方形组合空气孔微结构光纤，我们采用FDTD法，通过大量的计算，对其色散特性进行了详细的理论研究。

在光纤背景介质的折射率n1=1.47，空气孔的折射率n2=1.0，波长在1.0～2.0μm范围内，且间距Λ分别取1.75、2.0、2.25和2.3μm的条件下，通过调整大、小孔直径，得到了几组优化结果。

图2所示为Λ=1.75μm,d2/Λ=0.9,d1/Λ分别取0.26、0.30和0.34时，这种微结构光纤的基模的色散曲线。从图中可以看出，在1.0～2.0μm波长范围内，随着d1的增大，色散曲线的峰值的位置向短波长方向移动，而色散曲线的峰值的大小在逐渐降低。在1.5～2.0μm波长范围内，d1/Λ=0.30时的色散曲线比d1/Λ=0.26、0.34时的曲线要平坦一些。可见调整d1/Λ的大小，就可以调整色散曲线的平坦度。

图3所示为Λ=2.0μm,d2/Λ=0.9,d1/Λ分别取0.26、0.30和0.34时，这种微结构光纤的基模的色散曲线。由图中可以看出，在1.0～1.4μm波长范围内，色散曲线都较为陡峭，d1/Λ取0.26和0.30的色散曲线基本重合;在1.4～2.0μm波长范围内，色散曲线都较为平坦，d1/Λ取0.30时，色散曲线更为平坦，但色散值较大。

图4所示为Λ=2.3μm,d1/Λ=0.26,d2/Λ分别取0.5、0.6和0.7时，这种微结构光纤的基模的色散曲线。由图中可以看出，在1.0～2.0μm波长范围内，色散曲线基本相似，d2/Λ越大，色散曲线的峰值的位置越向短波长方向移动，而色散曲线的峰值的大小基本保持不变。可见调整d2/Λ的大小，就可以调整色散曲线峰值的位置。

图5所示为Λ=2.25μm,d2/Λ=0.9,d1/Λ=0.26;Λ=2.00μm,d2/Λ=0.8,d1/Λ=0.30;Λ=1.75μm,d2/Λ=0.7,d1/Λ=0.34时，这种微结构光纤的基模的色散曲线。由图中可以看出，在1.0～2.0μm波长范围内，Λ=2.25μm,d2/Λ=0.9,d1/Λ=0.26和Λ=2.00μm,d2/Λ=0.8,d1/Λ=0.30时的色散曲线基本相似，但前者的色散曲线的峰值的位置向短波长方向移动了。Λ=1.75μm,d2/Λ=0.7,d1/Λ=0.34时的色散曲线平坦，色散曲线的峰值也低。

从上面的计算结果可以看出，方形组合空气孔微结构光纤由于具有两套空气孔，能更好地控制色散的自由度，适当调整方形组合空气孔微结构光纤的孔间距和大、小孔直径，可以调整色散曲线峰值的位置和色散曲线的平坦度。

4 结束语

本文提出了一种方形组合空气孔微结构光纤，并对其色散特性进行了详细的理论研究。由上面的仿真结果可以看出，由于方形组合空气孔微结构光纤具有两套空气孔，因此只要选择合适的参数就可以使这种微结构光纤具有较强的色散控制能力，通过优化，可以得到较低、较平坦的色散曲线。

摘要：提出一种新型的方形组合空气孔微结构光纤,其包层是由两种不同大小的空气孔组合而成的,借助FDTD(时域有限差分)法计算了这种光纤的几何结构参数的变化对基模色散曲线图的影响。结果表明,这种微结构光纤由于有两套空气孔,具有较强的色散控制能力。通过优化,可以得到较低、较平坦的色散曲线。

关键词：微结构光纤,时域有限差分法,色散

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