机械课程设计（论文）-冷冻浓缩洗净塔的设计【全套图纸】.doc

吉 林 大 学食 品 工 程 系 统设 计 说 明 书冷冻浓缩洗净塔的设计作者姓名：班 级：学 号：导师姓名：2012 年 9 月全套图纸，加153893706目 录1 绪论 31.1 选题的目的和意义 . 11.2 文献综述 .3. 31.3 本设计的内容 . 52 总体方案的选择 62.1 方案的论证 .6 42.2方案的确定 6 53 设计计算 . 73.1 设备结构73.2功率的计算 84 结构设计 . 94.1 94.2 94.3 105 总结 . 11参考文献 121 绪论1.1 课程设计提出的背景及应用价值冷冻浓缩是近年来发展迅速的一种浓缩方式，由于在低温常压下操作，具有可阻止不良化学变化和生物化学变化及风味、香气和营养损失小等优点13。目前冷冻浓缩在工业化应用的过程中多以悬浮式冷冻浓缩为主45，但该工艺方式对装置和操作的要求均较高，特别是在洗涤的过程中容易造成溶质的损失和能量的消耗6。因此洗涤是冷冻浓缩的最后一道工序，是浓缩工艺成败的关键控制点之一。洗涤塔法是目前工业上在冷冻浓缩方面应用的较多、经济的、果汁浪费率较低的一种洗涤方式。它是通过溶液、熔冰水依次自上而下洗涤，逐层冲刷了冰晶体表面上的夹带，回流后的溶液通过与原果汁混合的形式，再次输入到结晶罐中，大大地提高了生产的利用率。相对其它的洗涤方式，比如离心分离冰晶法，洗涤塔法显然在风味香气方面更具优势。目前在国内在洗涤塔洗涤冰晶的方式研究报道较少，冷冻浓缩技术日益重要而且前景广阔。1.2 研究和使用现状冷冻浓缩的应用：冷冻浓缩工艺在七十年代起应用于工业化生产，以Grenc。冷冻浓缩设备为代表。用于海水淡化及烧酒废液处理等方面。Hartel等以去脂牛乳为对象进行冷冻浓缩，维持最佳热平衡条件。以求获得易分离的表面光滑的大冰晶，还进行了对再结晶糟分段控温、进料液回收附着液等方面的研究。美国乳品研究基金会(DRF)、美国电力研究院(EPRI)、美国能源部(USDE)和荷兰GRENCO公司联合进行牛乳制品冷冻浓缩的研究网。使用去水量约36Okg/h的二级结晶冷冻浓缩中试装置，浓缩包括全牛乳、去脂牛乳、甜乳清、酸乳清、乳清蛋白浓缩物和乳清透过物在内的6种牛乳制品，取得良好效果。就冷冻浓缩方面是一件比较成熟的技术， 该过程对装置和操作的要求均较高。现己证明，冷冻浓缩牛奶复原后的口感与鲜牛奶凡乎没有任何差别，与传统浓缩牛奶和干燥奶制品相比更胜一筹28。目前己开发或生产的产品有：工业用牛奶浓缩物；饮料用牛奶浓缩物；代替零售蒸发牛奶浓缩物；非饮料用的零售牛奶浓缩物；高档乳品饮料。速溶咖啡工业最早在工业上应用的是冷冻干燥和喷雾干燥。冷冻干燥可保留更多的芳香物质，并生产出优质的可溶咖啡粉，但是干燥费用昂贵。冷冻浓缩的费用要低的多，如果与冷冻干燥相结合使用，可使整个加工费用降低。浓缩咖啡时，有效成分损失小于1%。液态咖啡市场发展非常迅猛。咖啡提取物浓缩后可不需要进一步的干燥。这些浓缩物可以直接装瓶出售，也可供给干燥工厂或者用于配制食品体系中。1986年第一个冷冻浓缩设备与喷雾设备结合安装后便在可溶咖啡工业产生了重大突破。通过结合使用冷冻浓缩装置，使最终产品获得了更多的芳香物质，咖啡的质量更具有自然冲调品质。冷冻浓缩这一技术不仅仅限于液态食品浓缩，在热敏性医药及生物制品的浓缩与分离方面，在废水处理、海水淡化、生物废液的回收再利用等方面都是非常有开发价值的。如表1所示。表1冷冻浓缩的应用研究事例Tab.1TheaPPlieationoffreezeeoneentration浓浓缩目的的应用对象象减少液体体积以利于厂内储存和处理理降低采摘后的运输及储存费用，降低容器费用提高现存物质的浓度，否则因含量太低无法分析或反应生成结晶，回收不溶性有机和无机盐海水制备纯水，用作饮用水或其他用途提高可食用液体的糖含量至延缓腐败的程度制作较浓的液体使之可较为经济地干燥在保藏过程中恢复己稀释保藏液的浓度制成新型液体产品将液体中某些成分的浓度提高到可描述程度通过较早产生不溶物或悬浮物沉淀加速反应过程提高固性物浓度使之排除较为经济对产品进行处理阻止运输期间腐败RUH啤酒的浓缩缩橙汁浓缩缩海洋学家的实验室浓缩装置置用海水生产磷酸氨盐盐海水脱盐盐果品糖浆速溶或可溶咖啡啡腌渍液的浓缩缩由浓缩啤酒制麦曲曲葡萄酒浓缩提高乙醇量冷冻浓缩降低啤酒的陈化时间浓缩污水水出口葡萄酒的冷冻浓缩在国内，主要有刘凌等对冷冻浓缩作了比较全面的综述，并发表了渐进式冷冻浓缩的实验结果与理论分析结果。华南理工大学冯毅等亦有过相关中药的冷冻浓缩报道，但总体说来我国有关冷冻浓缩方面的相关报道较少。就浓缩效果而言上述两种方式都是可行的，但从应用的角度来说，悬浮结冰式更好。原因是：1、渐进结冰式是在冷的壁面结成厚冰层，因为冰的导热系数很小，随着浓缩的进程冰层的加厚，溶液的浓缩速度急剧下降，浓缩效率很低，工业上大规模应用很困难；2、渐进结冰式容易将果汁中的溶质和纤维素等包含在冰层中，难以分离。3、同时由于限于结晶罐的规模也跟不上工业上所需产量。悬浮式冷冻浓缩由于会在母液中形成大量的冰晶体，单位体积冰晶的表面积很大，浓缩终点较大，且结晶罐与生长罐的分离，大大地扩大了工业化生产规模。1.3 本设计的内容实验操作过程实验主体结晶罐部分采用板式放热器，通过由制冷机组对冷媒(氯化钙)制冷，通过外围的泵输送冷媒为板式放热器提供源源不断的冷源在板式放热器的夹层中放有探头，并对夹层中的温度起感应和控制作用当夹层温度低于设定温度时停止泵送反之当高于时泵启动当主体溶液温度低于过冷度后，溶液开始结冰，通过刮刀将壁边缘的冰刮下，此时在底部换热界面产生均匀细小的冰晶体这些冰晶体借助浮力自动上升，在上升的过程中由于温度的波动变化，使得奥斯特瓦尔德效应能够很好的得到反映在生长罐中充分生长一定的时间后，开启上层搅拌器，使上层液体旋转，由此产生了对液体的离心力和冰晶体的向心力，利用液体旋转对冰晶体产生的向心力和冰晶体的浮力，通过中心排冰法的方式：由于大小冰晶在同一转速下所受到的向心力不同，有选择地实现了大冰晶的分离，分离后所得的冰晶经过洗涤塔洗涤过滤后，分离冰晶，回流洗涤液，混合原果汁后再次进入浓缩本实验冷冻浓缩的步骤为：1、将果汁过滤后移入结晶罐中；2、同时开启制冷机组对外围冷媒(氯化钙溶液)预先制冷，直至达到预定温度；3、将温度控制器探头插入结晶罐夹层，控制冷媒温度；4、启动循环泵，将冷媒通入结晶罐的夹层中循环流动；5、启动变速电机，带动刮刀转动，待筒壁上有冰晶析出时刮刀将冰晶刮下，悬浮于溶液表面成为种冰；6、种冰在生长罐中停留一定时间后，开启上层搅拌器，分离溶液中的大小冰晶；7、通过洗涤塔的洗涤过滤分离冰晶和洗涤液。通过对以上各种方法的分析论证，可以发现洗涤是冷冻浓缩的最后一道工序，是浓缩工艺成败的关键控制点之一洗涤塔法相比其它的不同的分离工艺有其自身特别的优势其主要体现在冰晶分离的过程中溶液不需要克服表面张力，这使得清洗变得较为容易润本实验在通过对冰晶与浓缩液分离工艺的研究，在比较不同洗涤工艺的优劣后，采用螺旋式洗涤塔工艺对冰晶进行洗涤研究 132 总体方案的选择2 总体方案的选择2.1 方案的论证冷冻浓缩日益重要而且前景广阔。2.2方案的论证实验主体结晶罐部分采用板式放热器，通过由制冷机组对冷媒(氯化钙)制冷，通过外围的泵输送冷媒为板式放热器提供源源不断的冷源在板式放热器的夹层中放有探头，并对夹层中的温度起感应和控制作用当夹层温度低于设定温度时停止泵送反之当高于时泵启动当主体溶液温度低于过冷度后，溶液开始结冰，通过刮刀将壁边缘的冰刮下，此时在底部换热界面产生均匀细小的冰晶体这些冰晶体借助浮力自动上升，在上升的过程中由于温度的波动变化，使得奥斯特瓦尔德效应能够很好的得到反映在生长罐中充分生长一定的时间后，开启上层搅拌器，使上层液体旋转，由此产生了对液体的离心力和冰晶体的向心力，利用液体旋转对冰晶体产生的向心力和冰晶体的浮力，通过中心排冰法的方式：由于大小冰晶在同一转速下所受到的向心力不同，有选择地实现了大冰晶的分离，分离后所得的冰晶经过洗涤塔洗涤过滤后，分离冰晶，回流洗涤液，混合原果汁后再次进入浓缩本设计的内容是：总体方案的选择、螺旋式冷冻浓缩洗净塔的设计设计计算、结构设计。3 设计计算3 设计计算3.1 设备结构螺旋式洗净塔本主要由螺旋输送轴、洗净塔塔壁、电机驱动部分、减速器传动部分、联轴器及附件等部分组成。3.1.1 螺旋洗净塔冰晶的输入量为13.8t/h;冰晶密度0.917t/m3;物料温度A3Pn =28.182mm,取30mm综合以上，选d=40mm. 3.1.2转速主动轴的转速为50r/min。3.1.3电动机的选择考虑到主动轴的转速比较小，选择最小转速的电动机，最小的转速为750r/min。查机械设计课程设计表10-2，选常用的同步转速为750r/min的Y型系列异步电动机，型号为Y90S-6.。3. 1.4 减速器的选择nw=50r/mini=15单级减速器的最大传动比为60，本设计选择传动比为15的单级减速器。3.2功率的计算考虑功率的损耗，得出=0.82，可以求出工作时所需的功率。由前面的条件可知，每小时的产量G=13.8t/h.PW=GL367(w0+sin90o)kW=13.8*2367(4+1)=0.386Kw=grrc 由机械设计课程设计表10-1，滚动轴承效率为0.99；8级精度齿轮传动（稀油润滑）效率为0.97；联轴器效率为0.98，则总效率=Pn=0.42Kw因载荷平稳，电动机额定功率Ped只需略大于Pn即可。查表10-2中Y系列电动机技术数据，选电动机的额定功率Ped为0.75Kw。4 结构设计4 结构设计4.1结构分析该连续式冷冻浓缩洗净塔的核心结构是主动轴及上的螺旋叶片。它是通过溶液、熔冰水依次自上而下洗涤，逐层冲刷了冰晶体表面上的夹带，回流后的溶液通过与原果汁混合的形式，再次输入到结晶罐中，大大地提高了生产的利用率。4.2传动部分结构设计传动部分的主要部件有轴、轴承、轴承端盖及联轴器4.2.1轴的设计轴是连接动力部分与工作部分的重要部件，将电动机的功率转化为锥篮部分转动的功率。轴的材料选为45号钢。1.初估轴经一般按需用扭转切应力的计算方法先初步估算轴经，常用的估算公式。dA3Pn =28.182mm,取30mm考虑到轴的最前端应该连接联轴器，查机械设计课程设计表16-5得，可选择YLD8，其轴孔直径为40mm，确定轴的最小直径为40mm。由于轴的最小直径在联轴器处，然后，沿轴的方向，依次连接有套筒、轴承、螺旋叶片、轴承、轴承端盖。轴承端盖和轴承都差标准件。4.2.2套筒的设计套筒的作用跟定位轴肩的作用类似，套筒一端抵住轮毂，一端抵住轴承，为防止其沿轴方向滑动。设计套筒的长度为80mm，套筒内径为48mm，外径为60mm。和螺旋叶片接触的轴，由于垂直螺旋输送机的旋转轴承直径约为螺旋直径的13,所以取为100mm.4.2.3轴承的设计本次选用深沟球轴承，查机械设计课程设计表13-2，按照轴经为40mm选择轴承，选用6018轴承，其D=140mm，d=90mm，B=24mm。4.2.2 V带的设计根据选定电动机的参数，确定V带采用B型带长度为2000mm.V带是连接电动机与轴的重要部件，它是弹性体，依靠摩擦力实现传动。带传动工作时，存在松边与紧边，并且两边的拉力不相等，易出现滑动现象，从而使传动失效。由此在本设计中加入了张紧装置。4.3外箱壁的设计为了符合前面的设计，将塔总体的高为2306mm。直径为266mm,将外箱的壁厚设计为8mm。4.4 支架的设计由于该塔较高，电机与联轴器在塔的底端，所以设计一个支架，支撑所有设备，支架尺寸设计为866mm*372mm*832mm,使用6脚接地，脚尺寸为46nmm*46mm，具体见图。4.5 进料口出料口设计 进料口和出料口采用相同设计，与垂直面45度角，内径为184mm,，外径190mm,与外接管处为法兰盖设计，查标准法兰盖，取外径390mm,4个螺纹孔，直径36mm.5 总结5 总结本次课程设计的题目是冷冻浓缩洗净塔的设计首先分析了国内外对冷冻浓缩的研究和使用现状，然后提出本设计的内容在设计过程中，参考了机械设计课程设计机械工业出版社；食品加工技术装备 中国轻工业出版社；食品加工机械与设备机械工业出版社；食品机械 化学工业出版社等相关书籍和文献。虽然这次课程设计虽然经过了多方面的理论论证，力求使设计的设备达到结构合理、经济实用，但由于理论知识的不足，以及实践经验的欠缺，设计的机难免会存在一些不足，还要在今后的实践中加以改进。参 考 文 献1 陈梅英，龚雪梅，王文成等.高压脉冲电场集成冷冻浓缩加工果汁初探J.中国农学通报，2008(24)：440-444.2 陈梅英，王文成，陈锦权.相场法模拟冷冻浓缩过程冰晶生长的可行性探讨J.江西农业学报，2010，22(3)：137-139.3 江华，余世袁.低聚木糖溶液冷冻浓缩时冰