机械课程设计（论文）-刮板式热交换器设计【全套图纸】.doc

1 绪论吉 林 大 学食 品 工 程 系 统设 计 说 明 书 刮板式热交换器的设计 作者姓名： 班 级：学 号：导师姓名： 2012 年 9 月- 11 -目 录1 绪论 11.1 选题的目的和意义 . 11.2 文献综述 . 11.3 本设计的内容 . 12 总体方案的选择 22.1 方案的论证 . 22.2结晶器的选择 . 23 设计计算 . 33.1 33.2 .3 3.3 . 4 3.4 . 4 3.5 . 44 结构设计 . 64.1 64.2 64.3 65 总结 . 10参考文献 11全套图纸，加1538937061 绪论1.1课程设计提出的背景及应用价值旋转刮板式热交换器，也称旋转刮板式热结晶器，是常用于冷冻浓缩系统的重要设备。冷冻浓缩是将溶液中的一部分水以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去，从而使溶液浓缩的方法。对热敏性食品的浓缩特别有利，具有低温操作、气液界面小、微生物增殖少、溶质的劣化及挥发性芳香成分的损失可控制在极低水平的优点。浓缩的制品或直接作为成品，或作为冷冻干燥过程中的半成品使用。1.2 研究和使用现状同其他技术相比，冷冻浓缩的原理简单，在陈醋生产过程中，我国劳动者就曾使用冷冻浓缩技术。华南理工大学的冯毅、谭展机制作的悬浮式冷冻浓缩装置，在实验室中，利用该装置浓缩中药提取液，连续作业程度高，可连续排出冰晶，工作温度低至-15。刘凌等采用渐进式冷冻浓缩和真空蒸发浓缩两种浓缩方式浓缩柠檬汁，试验结果表明，在保持香气成分、Vc含量及原汁的香气协调性等方面，冷冻浓缩优于真空蒸发浓缩。冷冻浓缩实际上分为结晶和分离两个过程。结晶过程要求冰晶有适当大小，其大小与结晶成本和分离都有关系，一般而言结晶成本随晶体尺寸增大而增加。然而冷冻浓缩的关键在于分离分离操作的成本费用以及因晶体夹带所引起的溶质损失，一般随晶体尺寸的减小而大幅度增加，因此必须确定最优冰晶尺寸。工业上目前对冷冻浓缩结晶有两种形式，一种在管板式、板式、转鼓式以及带式设备中进行成为渐进冷冻法；另一种发生在搅拌的冰晶悬浮液中，称为悬浮冻结。分离设备有压滤机、过滤式离心机、洗涤塔，以及这些设备组合而成的分离装置等。1.3 本设计的内容经过查阅资料和分析，我们发现目前食品料液的冷冻浓缩大多采用的是内冷式的悬浮结晶法。荷兰Eindhoven 大学Thijssen等在70 年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶 , 并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型, 从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。以此为基础制造的Grenco冷冻浓缩设备至今仍被作为冷冻浓缩设备的代表。本设计的内容是：总体方案的选择，刮板式热交换器的设计计算、结构设计以及热力学计算2 总体方案的选择2 总体方案的选择2.1 方案的论证悬浮结晶法既冷却物料使之形成无数自由悬浮于母液中的小冰晶，在带搅拌的低温罐中长大并不断排除，使母液浓度增加而实现浓缩。这种方法的冷冻浓缩系统有三个主要设备：刮板式热交换器、低温搅拌罐、洗涤塔。Grenco冷冻浓缩系统作为悬浮式结晶法的典型，其主要工艺流程如下： 返冲液 进料冷却结晶低温搅拌冰晶成熟长大送入洗涤塔冰晶分离融冰排出 浓缩液2.2 结晶器的选择作为冷冻浓缩系统重要的结晶设备，我们选择了传统的刮板式热交换器。这种热交换器换热效率高，结构相对简单并且易于拆装和清洗，占地面积小，吞吐量高，适合小型工厂的连续化生产需要3 设计计算3 设计计算3.1 设备结构本机主要由罐体、前后罐盖、传动部分、驱动部分及套筒式刮板等部分组成。3.1.1 罐体的设计3.1.1.1壁厚的设计由于是低温搅拌罐，考虑普通钢板在低温条件下耐受程度不够以及特性的改变，选择低合金钢作为罐体铸造材料，低合金钢板许用厚度3mm，故设计罐体壁厚为4mm3.1.1.2 罐体主要尺寸设计罐体全长1333mm，总高480mm；搅拌罐内壁直径300mm，外部冷却缸内壁直径340mm，长1036mm；冷却液入口在罐后部正上方，内壁直径40mm，上法兰厚4mm；冷却液出口在罐前部正下方，尺寸同入口设计参数3.1.2 罐盖的设计为了便于搅拌罐的快速拆装，设计了带有密封结构的罐盖。罐盖外沿直径370mm，内沿直径300mm，半球形罐盖r=284mm；轴承端盖安装凸台高度70mm，铸造斜度1:10，外沿直径140mm，内沿直径100mm;联轴处密封圈凸台内径=71mm，高度34mm；距中心120mm处开进料口和出料口，内径40mm，法兰厚4mm，外沿直径60mm。3.1.3 罐体支座的设计设计了半圆形半包覆式的罐体支座。支座共分三个，间距360mm。制作的上半部分为半圆形合金钢板，厚度20mm，外径=380mm；弧形钢板下方的支撑钢架总高度146mm，宽度280mm，厚度40mm；地脚处凸台外伸长度30mm，高度8mm。加强筋厚度4mm，高度84mm3.1.4联轴套筒及刮板的设计 联轴套筒内径=70mm，厚度11mm，其上有支撑臂4个，长度78mm，=14mm，下方凸台高度6mm，长60mm，宽9mm刮板设计考虑到避免产生过多绕流阻力增加旋转轴的载荷，刮板尺寸为524*20mm，使得刮板在垂直于来流速度方向上的投影面积不会太大，厚度为4mm，并且开有斜型刀刃。由于悬浮式结晶法产生的冰晶通常1mm，所以设计刀刃距离搅拌罐内壁距离为0.2mm，可以将较小的冰晶从罐壁除下。3.2 联接方法及零件的选择3.2.1轴承端盖的选择及其联接 选择凸缘式轴承盖，m=30mm，e=10mm，D1=140mm,D0=120mm；盲孔M8*6；密封圈内径=93mm，厚度2mm；螺栓联接，选择GB5781-86系列M8全螺纹螺栓，长度系列=40mm3.2.2 罐盖和罐体联接 凸缘半径185mm，厚度6mm，其上开有盲孔M8*6；密封圈内径=300，厚度8mm；螺栓螺母联接，选择GB5782-86系列M16螺栓，长度系列l=40mm；选择GB451-86系列C级螺母M163.2.3旋转轴和套筒及刮板的联接 联接处轴径70mm，选择键20*12mm联接，长度系列360mm，套筒利用轴肩和在轴向定位，套筒和支撑臂为整体的铸造件，支撑臂和刮板间用M6螺栓螺母联接3.3功率的计算由于料液成分和相位复杂，对于这种低温下成分复杂的搅拌过程，对于旋转轴的载荷的计算有一定难度，我们采用以下公式： P=G3600其中G是工作机流量或者输送量，单位是kg/h，是系数，一般选择4000，是工作机的效率，取0.95。在广泛查阅资料后，我们选择每小时泵送的料液量为14.4m3，这样计算得出P为16.8kw3.4 绕流阻力的计算料液在罐中水平流动，刮板和支撑臂做法向与流动方向的转动，这会产生绕流阻力 D=CdAv022其中Cd是阻力系数，查表得3A是绕流物体在垂直于来流速度方向上的投影面积v0是来流的速度是流体的密度经过计算得绕流阻力大小为3.5 结晶的动力学分析计算冷冻浓缩冰晶生长动力学模型为： dmidt=0.1855据向心力公式：F=mv2r其中，主要物理量及单位：F向心力（N）；m冰晶质量（）；v线速度（m/s）;r半径（m）。由公式可知，在离中心出冰口距离r一样的情况下，向心力的大小受冰晶质量及冰晶线速度的影响，且向心力与冰晶质量、冰晶线速度成正比，冰晶质量越大，向心力越大；线速度越快，向心力越大。冰晶线速度由搅拌器提供，故通过调整液面搅拌器的转速，改变冰晶的向心力大小，即可调整冰晶体的排出速度。搅拌器转速由驱动电机提供，通过调节搅拌器驱动电机频率，则可以改变搅拌器的转速，进而改变冰晶向心力的大小，达到调整冰晶排放速度的目的。4 结构设计4 结构设计4.1结构分析刮板式换热器主要由罐体、前后罐盖、传动部分、驱动部分及套筒式刮板等部分组成。4.2 电动机的选择4.2.1、电动机类型的选择： Y系列三相异步电动机4.2.2、电动机功率选择：（1）传动装置的总效率：总=2轴承齿轮联轴器联轴器工作轴 =0.9820.970.990.990.95=0.87(2)电机所需的工作功率： P=G3600=16.8kw Pn=Pw=19.3kw4.2.3、确定电动机转速：计算工作轴工作转速：n轴=140r/min 1级圆柱齿轮减速器传动比范围18可得nd=1401120 4.2.4、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，选定电动机型号为Y200L2-6。其主要性能：额定功率：22KW，额定转速970r/min，4.3传动部分结构设计传动部分的主要部件有轴、联轴器及轴承。 4.3.1轴的设计4.3.1.1选择轴的材料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旋转轴部分转动的功率。轴的材料选为45号钢，调质处理。查表得许用弯曲应力-1b=60MPa,得A=110dminA3Pn=110316.8140=54.3mm考虑键槽的影响轴径增加3%，dmin55.9=56mm4.3.1.2 轴的结构设计 （1）轴的零件定位，固定和装配 在搅拌罐中，可以将刮板套筒（2个）安排在罐体中央，相对两轴承对称分布，套筒靠中间侧用轴肩定位，右面用销定位，分别从两侧装入；周向定位采用键和过渡配合，两轴承以轴承肩定位，周向定位则用过渡配合或过盈配合，轴呈阶状，左套筒和左轴承从左面装入，右套筒和右轴承从右面装入。（2）确定轴的各段直径和长度 d0最小轴径56mm，由于要安装联轴器，长度50mm；d1段轴径增加5mm，由于安装轴承端盖，长度为50mm；d2段考虑没有轴向力存在，初选6013型深沟球轴承，其内径为65mm，宽度为18mm，由于只有轴肩定位，则该段长18mm；d3段安装刮板套筒段长度为522mm，轴径70mm；d4轴肩段长4mm，轴径80mm；d5段长度152mm，轴径70mm；d6轴肩段同d4；d7右侧套筒段，长度536mm，轴径70mm；d8段轴径65mm，长度20mm。（3）轴的结构工艺性由于安装联轴器和刮板套筒，联轴器周围定向采用C型普通平键联接，尺寸b*h*L=16*10*32，左套筒采用A型平键连接(4)按弯扭复合强度计算求转矩：已知T3=271Nm求圆周力Ft Ft=2T3/d2=2271103/300=1806.7N求径向力Fr Fr=Fttan=1806.70.36379=657.2N两轴承对称LA=LB=49mm(1)求支反力FAX、FBY、FAZ、FBZFAX=FBY=Fr/2=657.2/2=328.6NFAZ=FBZ=Ft/2=1806.7/2=903.35N (2)由两边对称，书籍截C的弯矩也对称截面C在垂直面弯矩为MC1=FAYL/2=328.649=16.1Nm (3)截面C在水平面弯矩为MC2=FAZL/2=903.3549=44.26Nm (4)计算合成弯矩MC=（MC12+MC22）1/2 =（16.12+44.262）1/2 =47.1Nm (5)计算当量弯矩：根据课本P235得=1Mec=MC2+(T)21/2=47.12+(1271)21/2 =275.06Nm (6)校核危险截面C的强度由式（10-3）e=Mec/（0.1d）=275.06/(0.1453)=1.36Mpa-1b=60Mpa此轴强度足够4.3.2 轴承的设计根据根据条件，轴承预计寿命3658=2920小时4.3.2.1 计算轴承 （1）已知n=140r/min两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N初先两轴承为角接触球轴承6013型FS=0.63FR 则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N (2) FS1+Fa=FS2 Fa=0故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N (3)求系数x、yFA1/FR1=315.1N/500.2N=0.63FA2/FR2=315.1N/500.2N=0.63取e=0.68FA1/FR1e x1=1 FA2/FR248720h预期寿命足够4.3.2.2轴承的选择本机为卧式结构，转鼓和物料产生的轴向力较大由于加料不匀以及动平衡等原因产生径向力。轴的工作温度较低，故必须选择能承受径向力的轴承，因此在结构上，选择深沟球轴承，这样不需承受轴向力，这样的结构能比较好适应轴的转动4.3.3键联接的选择及校核计算轴径d1=56mm,L1=50mm查手册得，选用C型平键，得：键A 87 GB1096-79 l=L1-b=50-8=42mmT2=48Nm h=7mmp=4T2/dhl=448000/22742 =29.68MpaR(110Mpa)2、工作轴与刮板套筒采用平键连接轴径d3=70 mm L3=522 mm T=271Nm查手册P51 选A型平键键108 GB1096-79l=L3-b=48-10=38mm h=8mmp=4T/dhl=4271000/35838 =101.87Mpap(110Mpa)5 总结5 总结经过这次工程系统设计，我学习和收获了很多。仅课题本身而言，对食品的冷冻浓缩有了进一步的认识，并且对刮板式换热器的设计和工作原理有了进一步的掌握，对机械设计更加熟练的掌握。对于这次的课设，暴漏了很多的问题和不足，比如同组之间交流和配合不够，专业知识尤其是食品机械方面的知识掌握的不扎实，在设计过程中遇到了很多的困难和问题，最后在广泛查阅资料和老师的悉心指导下，问题一一迎刃而解，是我们有了很多的收获。在今后的毕业设计中，我要吸取这一次的经验教训，再接再厉，强化机械设计知识，争取做出最好的毕业作品。参考文献参 考