环保型石硫合剂熬制锅的设计毕业设计论文

前言环保型石硫合剂熬制锅是石硫合剂熬制不可或缺的设备。近年来，随着经济、技术的不断发展，石硫合剂的环保与利用价值也陆续被发掘。试验研究表明，石硫合剂的环保价值非常可观，并且节省原料，部分地区的供需矛盾也日益突出。因此开发石硫合剂熬制锅的销售市场显得尤为重要和迫切，而且其发展前景十分广阔。民间熬制石硫合剂是用瓦锅或生铁锅（不能用铜锅或铝锅否则易腐蚀损坏）。首先将生石灰，硫磺粉和水按比例称好备用。把称好的生石灰放入锅内用户少量水化开调成糊状，再用少量水配成石灰乳。去除杂质后兑入足量水即1份石灰兑10-15份水加热煮沸，将1.7份硫磺粉用少量水调成糊状，慢慢加入石灰乳中搅拌均匀后，猛火熬煮。熬制过程中添加热水来补充水分，沸腾约40分钟左右待药液呈红褐色，渣子变黄绿色时停火冷却后，用纱窗布滤出渣子即为石硫合剂原液。民间用这种熬制锅石硫合剂，不仅耗时，而且熬制过程中会产生大量的有毒气体，易导致工作人员中毒和大气污染；熬制时间难以把握，易出现熬过现象，多硫化钙产出率低下；熬制的石硫合剂浓度不稳定等诸多缺点。工业化熬制生产的石硫合剂由于运输，管理等原因，使用成本是农民自己熬制的3-4倍，同时，该产品保质期较短，到农民手中质量不能保证。本次设计的是设计一种新型的石硫合剂熬制锅，这种锅不仅解决民间传统开放式熬制石硫合剂的缺点，同时可以降低工业成品高昂的费用及保质期短，保护环境防污染，易失效的弊端，使得农户能以最低的成本获得高品质的石硫合剂。既节约了时间，又使反应产物不排泄到外面从而继续回到反应罐里反应，实现了废气循环使用，设备简单，安全可靠，使本方案有了初步的设计应用价值。关键词：环保型；熬制锅；石硫合剂目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 绪论1.1课题研究的意义新型石硫合剂熬制锅设备，通过密闭熬制罐并安装回流装置，使石硫合剂熬制时间缩短、反应产物增多、并减少了废气、毒气排放，设备简单，能用于民间大众生产使用。由于在一定的压力条件下，反应速度加快，有传统方法加热沸腾反应40分钟降至15-20分钟分钟，节省了时间[1]。反应时产生的硫化氢有毒气体、水蒸气等通过冷凝回流装置重新进入反应罐中进行反复反应，减少了加水程序，增加了反应产物，降低了有毒气体对熬制人员的毒害和大气的污染；由于反应罐盖安装有安全阀、温度压力表及压力阀，熬制安全可靠；设备简单，方法成熟，能用于民间使用。新型的石硫合剂熬制锅，这种锅不仅解决民间传统开放式熬制石硫合剂的缺点，同时可以降低工业成品高昂的费用及保质期短，保护环境防污染，易失效的弊端，使得农户能以最低的成本获得高品质的石硫合剂。效果十分显著，实践中也取得了极大的社会效益。1.2石硫合剂熬制锅发展状况1.2.1石硫合剂熬制锅发展现状石硫合剂是清园常用药剂，用生石灰和硫磺粉为原料加水熬制而成，颜色为红褐色透明液体，有强烈臭鸡蛋味，防治多种果树的害螨和介壳虫幼、若虫，也可防治炭疽病、白粉病、锈病、黑斑病等病害。石硫合剂对果树主要起保护作用，在发病前或发病初期施用效果才好，主要用于清园。近些年果树病虫害发生较重，很重要的一点就是许多果农清园工作做得不好，为了省事，不用自制石硫合剂，其它药剂铲除效果又不太理想，使越冬病虫基数加大，给后来的防治工作带来了难度。石硫合剂是无机农药,具有药效长、成本低,既杀虫又杀菌,其中所含的硫和钙还是作物所需营养元素,对环境无污染等优点，是果园春季清除越冬病、虫源的最佳选择。石硫合剂有强碱性、腐蚀性，其有效成分是多硫化钙CaS.Sx。石硫合剂具有强烈的臭鸡蛋气味性质不稳定易被空气中的氧气、二氧化碳分解。一般来说石硫合剂不耐长期贮存。在生产中常随熬随用[2]。1.2.2国内石硫合剂熬制锅发展现状长期以来，人们在石硫合剂熬制工艺及理论研究方面进行了大量探索。熬制石硫合剂时对生石灰和硫磺的放入顺序及时间的改变，先放硫磺等水沸腾后在放入生石灰，缩短了熬制时间；对石硫合剂熬制锅灶的设计，两个锅连在一起，一上一下，下锅熬石硫合剂，上锅利用余热作为温水的锅，充分利用了热能；对熬制过程中火候的控制，保持锅内温度均衡适宜，防治硫磺蒸发，可减轻污染，且省工、省力、省燃料；采用亚硫酸钠测定石硫合剂含量的方法，并得出最优测试条件;利用蒸压锅制备45%结晶石硫合剂的生产工艺研究。在现有的研究中并没有人生产专门的石硫合剂熬制设备，且针对该设备进行专门的系统研究，并形成农民可以方便使用的设备，因而对于小型的果园，农民大多还是采用敞开式的大锅进行熬制，不仅造成原材料浪费，还对环境造成了污染。针对以上问题，设计组人员设计了一种高压条件下熬制石硫合剂的装置，该装置主要包括压力反应锅、冷凝回流装置、压力阀、安全阀、温压计、搅拌装置，由压力反应锅底部安装的电磁炉或煤气灶来提供热源。并利用该装置进行大量试验。通过设置具体压力梯度、生石灰和硫磺的比例、熬制时间的单因素及正交实验结果分析，探究高压条件、加装搅拌装置、加装回流装置对熬制石硫合剂的有利性，对石硫合剂熬制工艺进行优化，以获得该装置最佳熬制工艺，为快速，简便，高效熬制石硫合剂提供理论依据[3]。1.3国内外石硫合剂熬制锅存在的问题我国石硫合剂熬制锅起步较晚发展缓慢，和发达国家相比只能望其项背，目前市场上流行的一些机具中，存在如下问题，因此，难以大范围推广应用。(1)污染过重。民间用锅熬制石硫合剂时，采用露天大锅熬制，当熬制到一定程度时，废气、毒气没有经过任何净化作用而直接排到大气中，对人，对环境都有一定的影响。(2)损失率高。因为设计时参数选择不合理，造成熬制过程不完全现象比较严重，熬制时间难以把握，易出现熬过现象，多硫化钙产出率低，熬制的石硫合剂浓度忽高忽低。(3)耗时长而效率不稳。熬制时间难以把握，从而熬制的石硫合剂浓度过高或者过低，则会导致出现药害或无效等。(4)成本高。工业化生产的石硫合剂由于运输、管理等原因，应用成本是农民自己熬制的3-4倍；工业化产品保质期短，到农民手中质量不能保证；果园春季使用浓度较大，使用成本非常高，且不经济实用。(5)锅体性能不稳定，适应性不高。当锅内放入的原料过高时，由于达到一定温度时，药液会翻滚而发生向外溅射，容易造成对人以及周边的环境造成伤害及污染。从而国内能够完成熬制、省时、无污染功能的环保型石硫合剂熬制设备由于经济性，技术性等原因，还未在全国范围内推广使用。国外石硫合剂熬制锅的发展历史已经有上百年了，其特点主要是能够根据用户的不同需求，在熬制锅上配备多种工作装置。国外石硫合剂熬制锅的用途比较广范，且以简单、高效的环保型石硫合剂熬制锅为主的熬制锅抢占着全球很大市场[4]。1.4研究的内容和方法根据我国石硫合剂熬制锅的发展现状和存在问题以及石硫合剂熬制锅的发展要求，设计普遍式环保型石硫合剂熬制锅。环保型石硫合剂熬制锅主要由动力输入装置、传动装置、冷凝回流装置、搅拌装置、锅体熬制装置组成。其中，动力装置是通过马达作用在连接锅盖上的细杆拧刀上，只需把石硫合剂原料送入锅体熬制装置并不断转动细杆拧刀便可实现石硫合剂熬制工作。先确定我国已有熬制石硫合剂的类型，根据已有熬制石硫合剂锅的原理及结构设计新型的环保型石硫合剂熬制锅，使熬制锅能满足家庭及小型企业生产的要求[5]，也就是环保型石硫合剂熬制锅要能工作稳定，保证无污染，效率高，不浪费原料而循环再利用，效果好等优点。1.5预期目标（1）石硫合剂熬制锅操作方便，结构简单，通用性好，噪音小，使用寿命长。（2）被熬制的石硫合剂时间缩短，反应物增多，并减少了废气排放，可循环使用。（3）可以在室内、工作台或地面上作业，简单灵活，反应效率高，人工劳动量少，同时动力上要消耗少。（4）制造价格便宜，容易普及，能满足家庭使用的要求。1.6重点研究的关键问题及解决思路由露天反应锅改造为封闭式冷凝回流反应罐，提高了反应效率和环保性，并减少了补充水的加入。通过压力阀的调节，反应体系在一定的压力下进行，提高了反应速率。（1）选择合适动力传递方式，设计工作装置和传动装置。（2）运用AutoCAD软件，绘制二维零件图和装配图。（3）利用有限元分析和Solidworks进行虚拟样机设计[6]，完成整机各零部件的三维建模。1.7工作条件及解决方法塔里木大学位于南疆中心位置，校内有实习工厂、土槽实验室、农业工程重点实验室等，设计条件较好，为项目开展提供了场地和基本条件。校内拥有优良的硬件环境，机械电气化工程学院拥有先进的实验设备和机械加工制造设备，并且师资力量雄厚，完全可以满足环保型石硫合剂熬制锅的工作条件。2环保型石硫合剂熬制锅总体设计2.1熬制的典型方法及熬制锅方案的选择2.1.1熬制的几种典型方法目前所使用的绝大部分方法都是采用民间熬制方法。常见的民间熬制方法如下：老方法：是先将石灰水烧开，然后加硫磺粉，再连续熬制1小时即成。从配料、烧火到最后熬好要花2—3个小时，而且质量不易控制。新方法：先将2公斤硫磺粉用热水调成糊状，然后和10公斤水一起倒入锅内，边搅拌边加热，至锅中浆液开始沸腾，再把1-1.5公斤生石灰倒入。必须注意的是，一定要采用生石灰块（因为粉状石灰已回潮，化学成分变成氢氧化钙和碳酸钙，熬出的成品呈黄绿色，药效很低），并且生石灰块不要一次倒入，以免药液剧烈沸腾溅到锅外。随着石灰不断加入，石灰、硫磺和水产生剧烈的化学反应，生成多硫化钙，药液也逐渐变成红褐色。再用中火熬10分钟，边熬边搅拌边加水，以补充蒸发掉的水量。待药液表面有一层薄冰似的红褐色透明晶体析出，即表明药液熬制好。也可用棍子蘸点药液滴入冷水中，药液能迅速散开即表明反应已经结束。熬制时间过长反而会影响药液质量[7]。整个过程仅需20分钟左右，比老方法节省了一半多时间。2.1.2熬制锅方案的选择为了实现预定功能提出两个方案可供选用：方案一：采用露天式大锅进行熬制，其结构简单，但是环保性能差，污染严重，浪费原料。方案二：采用环保型石硫合剂熬制锅，其结构简单，操作容易上手，环保性能好，无污染，节省原料，产物高，反应速率快，可以循环利用，极大缩短了时间。经过方案的比较及选择，在设计要求内方案二能够满足设计的要求条件，方案二比方案一性价比高，且更加经济、实用。所以选择方案二的环保型石硫合剂熬制锅。2.2环保型石硫合剂熬制锅的结构该熬制锅是通过保持一种一定压力条件下熬制石硫合剂的设备，它包括了压力反应锅锅体，冷凝罐，安全阀，压力阀，压力温度计等。压力反应锅盖上有设置三个小孔，其中离锅盖沿较近的小孔是压力阀，压力阀通过连接管与冷凝管进气管紧密连接，压力阀中有一钢铁芯，用来调节反应压力。当锅内气压大于临界值时，钢铁芯被顶起来，锅体内的蒸汽沿压力阀连接管进入冷凝罐中的冷凝管中，通过冷凝罐进水口注入自来水使冷凝管中蒸汽冷却成液体，在压力和重力作用下通过锅体上的回流管再次回流至反应锅，继续参加反应；当锅内气压小于临界值时，钢铁芯回到原位，堵死气孔。锅盖中间一小孔接温度压力机，温度压力计用来指示反应体系的压力和温度状况。锅盖上还有一安全阀，起到安全保护作用。石硫合剂熬制完毕后，拧开连接管与冷凝管进气管的连接螺栓，松掉紧固栓，便可以直接打开锅盖[8]。图2-1环保型石硫合剂熬制锅装置图1.固定三角铁2.锅体3.旋钮4.细杆螺纹5.下管6.把手7.安全阀帽8.压力温度计9.轴承外壳10.摇杆11.固定架12.马达13.螺栓杆14.上部细管15.小螺母16.冷凝回流装置17.下部细管18.锅盖19.三角铁固定架20.转刀21.摇杆螺丝图2-2环保型石硫合剂熬制锅的整体结构示意图2.3环保型石硫合剂熬制锅熬制的原理石硫合剂是由生石灰，硫磺和水熬制而成的，配制比例为1kg优质生石灰，1.7~2.0kg细致硫磺粉，10~15kg水。原料对药液的影响很大，生石灰要选择洁白，质轻，块状的，已经风化的石灰不能使用,时间对药效影响也很大，时间短了，反应不完全，造成原料浪费，时间过长，生成的多硫化钙又会氧化分解。石硫合剂的主要成分是多硫化钙和硫代硫酸钙，生石灰先和水生成氢氧化钙，然后氢氧化钙再和硫磺在水的作用下反应生成多硫化钙，其生成式如下:3Ca(OH)2+（2X+1）S→2CaSx++3H2OCaSO3+S→CaS2O3作为杀菌剂，石硫合剂喷洒在植物表面上，其有效成分多硫化钙通过水解，氧化，并与二氧化碳反应形成极微小的元素硫颗粒和硫化氢气体起杀菌作用，硫化氢是强烈的神经毒素，对粘膜有强烈刺激作用。它能溶于水，0℃时1摩尔水能溶解2.6摩尔左右的硫化氢。其机理如下：CaS.Sx+2H2O→Ca(OH)2+H2S↑+XS↓2CaS.Sx+3O2→2CaS2O3+2(X-1)S↓CaS2O3→CaSO3+S↓CaS.Sx+CO2+H2O→CaCO3+H2S↑+XS↓此外，石硫合剂呈碱性，渗透性强，有侵蚀昆虫表皮蜡质层的作用，对红蜘蛛，介壳虫及其卵有较强的杀伤力，是早春预防和秋天清园的必备杀虫剂。熬好的石硫合剂，从锅中从锅中取出放在缸内冷却，并用波美比重计测量度数，表示为波美度（以Be表示），一般可达25-30波美度。在缸内澄清3天后吸取清液，装入缸或罐内密封备用，应用时按石硫合剂稀释方法来对水使用。稀释方法一：（重量法）原液需要量（千克）=所需稀释浓度/原液浓度x所需稀释液量。稀释方法二：（稀释倍数法）稀释倍数=原液浓度/需要浓度-1即取一份（重量）的石硫合剂原液[9]，加N倍的重量水混合均匀即成Y波美度的药液。3环保型石硫合剂熬制锅结构设计3.1锅体机构锅体的设计主要考虑其材料特性，锅体采用耐酸耐热的奥氏型不锈钢制造，并配有压力温度计和安全阀，外形美观，安装容易，操作方便，安全可靠。锅体整体采用圆柱型带盖锅体，除材料外，其锅盖本身除以上部件外，还有专门的紧固栓旋钮，搅拌装置，提栓，把手，出气阀孔。锅体的大小可根据用料的多少来设计，都可以固定在固定架上来进行调整[10]。图3-1锅盖示意图 图3-2锅体示意图3.2温度压力的计算某一定质量的气体在体积不变的情况下，压强随温度的变化规律得到如下数据：表3-1任选十次压强随温度的变化测量实验次数12345678910气体的温度（t/℃）0255075100125150175200225气体的压强（p/103Pa)100110120130140150160170180190由表3-1可得公式如下：锅内平均压强：当高压锅的限压阀的质量为100.8g，排气孔的面积为7mm时(g取10N/kg；外界大气压强为1标准大气压，计算时取1×105Pa)锅内最大压强为：

p=p0+mg／S=1×105Pa+(0.1008kg×10N/kg)/7×10-6m2=2.44×105Pa．设锅内压强每增加3.6×103Pa，水的沸点就相应的增加1℃，则锅内的最高温度可达多高?锅增加压强为

△p=p-p0=1.44×105Pa

水的沸点增高

△t=(1.44×105／3.6×103Pa)℃=40℃

所以，锅内温度最高可达：t=100℃+40℃=140℃．3.3固定架的设计说明固定架的作用是支撑长方体大水箱和石硫合剂熬制锅的，为熬制石硫合剂过程中提供支架，保证整个熬制石硫合剂锅与长方体大水箱有个骨架，也为环保型石硫合剂熬制锅的工作提供基础[11]。固定架由角铁焊接而成。4搅拌装置的设计4.1搅拌机构的工作原理图4-1搅拌装置示意图图4-2直线电机结构示意图电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。三相交流异步电动机转子转动的原理:当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩[12]，转子就转动起来。电机转速与频率的公式

（4-1）

上式中

n——电机的转速（转/分）；

60——每分钟（秒）；

f——电源频率（赫兹）；

p——电机旋转磁场的极对数。

我国规定标准电源频率为f=50周/秒，所以旋转磁场的转速的大小只与磁极对数有关。磁极对数多，旋转磁场的转速成就低。

极对数P=1时，旋转磁场的转速n=3000；

极对数P=2时，旋转磁场的转速n=1500；

极对数P=3时，旋转磁场的转速n=1000；

极对数P=4时，旋转磁场的转速n=750；

极对数P=5时，旋转磁场的转速n=600

（实际上，由于转差率的存在，电机.实际转速略低于旋转磁场的转速）

在变频调速系统中，根据公式n=60f/p可知：

改变频率f就可改变转速

降低频率↓f，转速就变小：即60f↓/p=n↓

增加频率↑f，转速就加大：即60f↑/p=n↑额定功率与转速的公式（4-2）T是转矩，单位P是输出功率，单位是KWN是电机转速，单位是用近似值进行估算，达到生产要求所需的功率，考虑到电动机效率及意外情况，取电动机功率为。4.2螺旋转刀的工作分析图4-3螺旋转刀示意图图4-4螺旋图示意图图4-5螺旋展开示意图螺旋叶片的下料尺寸

做直角三角形ABC，其中AB等于螺旋节的导程S,BC等于πD,BD等于πd,斜边b,a分别为螺旋内外缘线的实长。

a2=(πD)2+S2a-螺旋外缘展开长,D-螺旋外圆直径

b2=(πd)2+H2b-螺旋内缘展开长d-螺旋内圆直径

c=(D-d)/2c-螺旋节宽度

（4-3）

为了使保证叶片外观及尺寸精度，如果用火焰切割下料，在割完内外圆后应先在车床上加工R及r，然后割缺口[13]。螺旋叶片冷压成形工艺的关键是模具设计，模具结构不但要满足最终成形工件的精度要求，而且要使展开料能顺利滑入模具型腔，确保展开料轴向拉长、径向缩小变形过程的顺利进行，不致于发生卡死和折弯现象，这是确保工件最终成形的前提，也是模具设计的关键。

模具结构特点和工作原理如下：

上下模分别用四个螺栓固定在油压机的上工作台和下工作台上，其中上工作台上下动作来实现叶片成形，上模中间为空心，下模中间为芯轴。工作是展开料放在下模上，油压机向下移动，首先接触到展开料切口的左缘，继续下行，迫使展开料从切口边缘开始向下产生轴向拉长，内外径缩小变形，并逐渐进入上下模工作腔，下下模合模完成最终成形[14]。5熬制锅装置的设计与选用5.1锅体系统系统及选取分析影响锅体熬制质量的因素很多，首先是锅体的材料选取，然后是石硫合剂原料的选取，配比，兑水量，温度控制，以及时间的把握。锅体的材料具有抗高温，高压，耐腐蚀，不易磨损。为了提高其浪费原料少，省时，省力，得到的溶液质量高，所以按照标准比例是：生石灰、硫磺、加水煮成对应比例为1:2:10。即生石灰1千克，硫磺2千克，水10千克，并用大火（100℃）熬煮40-60分钟即可[15]。5.2波美度石硫合剂的生产率选取1千克硫磺，0.5千克生石灰，5千克水。先将水烧至8成开，将石灰倒入锅中，待石灰泛了之后捞出渣子，开锅之后将调成糊状的硫磺粉倒入锅中，这时要将火烧旺，越旺越好。先不要搅拌，等到将要开锅时进行充分搅拌，千万不要跑锅。搅至石灰、硫磺充分乳化呈棕色，停止搅拌。中慢火熬制。熬好的石硫合剂呈老酱油色。5波美度石硫合剂的计算公式：熬好药液的度数/5-1=0.5千克药液加水数。量石硫合剂的表要选用波美比重计[16]。总结此次设计的任务是完成环保型石硫合剂熬制锅的设计。这是我们在大学期间所进行的一次非常全面的设计，为自己在大学四年所学习知识的全面总结和巩固，使我们初步了解和掌握做设计的基本步骤、基本方法，通过本环节把我们在大学期间所学课程中所获得的理论知识在设计实践中加以综合运用，把大学四年来所学的知识贯穿起来，使理论知识和生产实践密切的结合起来，为我将来的实际工作打下了坚实的基础。(1)确定了环保型石硫合剂熬制锅的总体参数。通过系统分析国内外熬制锅的发展和熬制机理及过程的研究现状，通过查找资料，参考文献以及网上搜集资料等确定了熬制锅为密封式熬制锅。分析挖熬制锅中搅拌装置的转速，通过计算得到马达的旋转速度、压力温度的条件、锅体的容量以及其他相关参数，进而对整体熬制过程进行设计计算。(2)通过设计机组的三维概念模型，清楚地了解石硫合剂熬制锅的工作原理，并在石硫合剂熬制锅整体设计方案上对主要部件进行了设计，并用solidworks完成了零件的基本造型和装配。(3)文中涉及搅拌装置，摇杆转刀，温度压力的计算等物理方面的知识，通过本次设计发现对很多知识的掌握不足，需加强对专业知识的学习。致谢毕业在即，四年的大学生活已接近尾声，经过三个多月的努力，在李平老师的悉心指导下，设计任务基本完成了。在撰写论文期间，我要衷心的感谢我的指导老师李平，从设计的选题、实施到撰写、修改和定稿，李老师均倾注了大量的心血。导师的悉心指导、热忱鼓励不仅使我树立了深远的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。还有，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力将使我终生受益。同时我还要感谢大学期间各位任课老师在学习上给予我的指导和帮助，感谢他们四年来的辛勤栽培，他们的关怀和熏陶让我在这四年里收获颇丰。最后，也感谢和我一起学习的同窗朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐，感谢他们的陪伴与帮助，愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐。参考文献[1]范崇辉,王小芹.石硫合剂熬制方法的比较试验[J].中国果树,1997(1):31-32.

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