机械设计说明书-小型试验用冻干机的设计

本科毕业设计（论文）题目：小型试验用冻干机的设计小型试验用冻干机3.1整体结构冻干机主要有两种类型：一种是冻干合一型，一种是冻干分离型。前者是将冻干装置置于干燥仓内，干燥过程在干燥仓内一次完成，这种形式减少了冻结食品的运输，但干燥仓内应合理设计干燥搁板、加热板、制冷装置的关系，且对干燥仓需要保温；后者是食品冻结与干燥过程分开进行，将冻结好的食品放入干燥仓内进行干燥，干燥仓内不含制冷装置，可简化干燥仓的结构。本文设计小型试验用冻干机是冻干合一型。它由干燥箱、水汽凝结器（捕水器）、加热系统、真空系统、制冷系统和电气控制系统六大部件组成。设计的主要部分是干燥箱、水汽凝结器（捕水器）、真空系统和制冷系统。采用整体式结构，所有系统与构件装在一个机架内。这种结构美观大方，搬运方便，为便于观察实验，观察窗采用聚丙稀有机玻璃。冻干箱中设工件架，工件架上设有搁板，用来搁置冻干的物料。水汽凝结器用来凝结物料升华产生的水汽，用接管和冻干箱相连。制冷循环一般为复叠式，制冷系统中涉及两个热力膨胀阀和两个电磁截止阀，分别通向冻干箱和捕水器，两个电磁截止阀相互连锁，一个开启时，两一个关闭状态。真空系统包括冻干箱，捕水器和真空管道，选择真空泵，选旋叶泵。加热系统，冻干箱的搁板的升温采用管状加热器直接加热[9]。组成结构如图3-1所示：图3.1小型试验用冻干机的结构示意图3.2干燥室的设计冻干箱是冻干机的核心部件。冻干箱是一个能够制冷到-60℃左右，能够加热到+80℃左右的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水份升华而干燥。医药用冻干机的物料冷冻和干燥都在冻干箱内完成；食品用冻干机的物料预冻合格后也在冻干箱内完成真空干燥。所以，冻干箱内需要有加热和制冷的搁板，需要有热或冷流体的导入，有电极引入部件，有观察窗等部件。如果带有消毒灭菌功能的冻干机，箱体还必须能承受内压。箱体有圆筒形和长方形两种。本设计为实验型的冻干机，选用长圆筒形。冻干箱是冻干机的主体部件，它是一个隔热容器，冻干箱的箱体是严格要求密封的外压容器，将冻干机的冻干箱内径设计成ø700mmx940mm，容积为1.5m3，采用优质不锈钢制成，箱体和箱门内表面和箱内零件要求表面光滑，箱体内角均为满足GMP条件的大圆角。箱体底面略向后面倾斜，排放蒸气口设计在最低点，冻干箱外包有厚绵作隔热保温层。冻干箱主要由箱壁、搁板、箱门、和保温层等部件组成。组成结构如图3.2所示：图3.2冻干箱的结构示意图3.2.1搁板的设计冻干箱中搁板是冻干时放置冻干制品的部件，在冻干箱内要设计搁板医药用冻干机的搁板上放置被冻干物料，搁板既是冷冻器又是加热器；有些食品用冻干机的搁板上放置被冻干物料，大部分食品冻干机上不放置物料，而只是用作辅助加热的加热器。冻干制品的干燥升华过程主要就是通过控制搁板的温度来实现的，所以搁板设计的好坏直接影响到冻干制品的质量和成品成分的均匀性无论哪种冻干机，都要求搁板表面加工平整，温度分布均匀，结构设计的合理，便于加工制造。冻干机搁板结构要根据降温和加热方式而定，通常有四种形式：直冷直热式，间冷间热式，直冷间热式和间冷直热式。直冷就是将搁板作为直冷系统中的蒸发器，制冷工质通过节流膨胀，直接进入搁板中蒸发制冷；直热就是将加热器直接放入搁板中加热。直冷直热式的优点是冷、热效率高，结构简单，对于小型制冷机可用。直冷直热式的缺点是降温和加热不均匀，不易调控，特别是加热不均匀危险较大，可能产生局部过热使冻干产品变质。间冷是将制冷系统的蒸发器放在冻干箱的外面，制冷剂与冷媒(载冷剂)在蒸发器中进行热交换，再将冷媒用循环泵通入搁板中；间热是在冻千箱外将热媒加热，再用循环泵将热媒打入搁板循环。目前采用间冷间热式的冻干机比较多。冷、热媒可以用一种介质，搁板比较简单；也可用不同介质，需要两套介质流动管路，搁板结构复杂。搁板采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制造，采用特殊空心夹板，强度高、密封性好，设置搁放物料的有效搁板2块，装载制品用的，在最上一块搁板为温度补偿板，确保箱内的空间都处在相同的温度条件下，搁板500mm，宽400mm，板层厚度为30mm，内有媒体导管分布其中，可对物料进行冷却或加热，为了便于进出料和清洗，搁板组件可以通过支架安装在冻干箱内，最上层的一块搁板为温度补偿加强板，它保证箱内所有物料的冷热环境相同，符合MGP(医药制造管理和品质管理规则)要求[10]。搁板的技术要求和设计要点：(l)表面光洁，其粗糙度小于0.5μm。(2)表面平整度小于1mm/m。(3)承内压能力不小于0.3Mpa，有足够的强度和刚度。(4)搁板工作温度范围+125-55℃。(5)搁板两侧和后面应设置档板，以免制品脱离搁板。目前搁板按制作将其相对压合在一起用大电流电阻焊焊合相近，但方向相反的底板，将其相对压合在一起，用大电流电阻焊焊合起来，此种结构板面总的变形也较小，自动化程度较高，是一种较为先进的加工方法，但是因在熔点处板面有熔化，冷却后搁板表面略有凹坑，加了表面平整的加工量。此外，由于熔点除承受内压外还需承受变形力，加之熔点承力面较小，因此要有足够多和足够大的熔点。如图3.3结构示意图：图3.3搁板结构示意图3.2.2搁物架架体的设计搁物架架体的设计采用不锈钢制成，长500mm，宽400mm，高470mm，有三块搁板固定在架体中，其中二块为有效隔板，搁板间距为190mm。如图3.4搁物架架体的结构示意图：3.2.3水管的设计水管材料选用不锈钢，一共需要设计9根接管，壁厚为5mm。如图3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、3.10所示：图3.4搁物架架体的结构示意图图3.5接管1结构所示图3.6接管2结构所示图3.7接管3结构所示图3.8接管4结构所示图3.9三通头1结构所示图3.10三通2结构所示3.2.4箱体强度的计算考虑到装载量和机械性能，冻干箱选择圆筒形箱体，材料为1Cr18NgiTi(不锈钢)圆筒形箱体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚为：（3.1）式中：S0筒箱体计算壁厚，mm；Di圆筒内径，mm；P--外压涉及压力，MPa；L--圆筒计算长度，mm，通常是相邻两加强筋之间长度；Ei--材料温度为t时的弹性模量，Mpa；圆筒的实际壁厚为：S=S0+C式中：C--壁厚附加量，mm。可用公式C=C1+C2+C3（3.2）计算得到。C1--钢板的最大负公差附加量，一般情况下取C=0.5mm；C2--腐蚀裕度，在冻干机中，一般取C2=lmm；C3--封头冲压时的拉伸减薄量，一般取计算值的10%，且不大于4mm，不经冲压的封头取C3=0；式中的使用条件是：材料泊松系数μ=0.3；；0.4，一般之值大于5时，可设计加强圈。建议设计加强圈不大于5时，为了减少壁厚亦本设计中取：圆筒内径：700mm；外压设计压力：0.1MPa；圆筒计算长度：940mm；不锈钢在-20℃时的弹性模量：1.99x105MPa；C1=0.5mm；C2=1mm；C3=4mm：μ=0.3；L/D=1.34；0.4=0.0035，(0.523为参考值)则：圆筒箱壁的计算厚度为：1.5mm；壁厚附加量为：3.5mm；圆筒箱壁的实际厚度为：5mm。3.2.5保温层厚度的确定冻干箱体外表面需采用适当的绝热保温层以达到节约能源的作用，选取温差-60℃，查表得k0=0.17kal/(m2·h·℃)；由k0=l/R0得：R0=5.88(m2·h·℃)kal。采用聚氨醋泡沫塑料作为保温材料。由冷藏库设计手册查得入=126W/((m·℃)=0.03kal/(m2·h·℃)由R=δ/λ得；δ=R/λ=0.035m。即：保温材料厚度为35mm。3.2.6观察窗为了观测冻干过程中，物料形态色泽的变化，冻干箱设置了观察窗，实验产品冻干过程一目了然.，观察窗采用聚丙稀有有机玻璃门ø208mm，厚度为3mm，实验产品冻干过程一目了然[11]。3.2.7真空规真空规的结构如图3.11所示。图3.11真空规的结构示意图3.2.8干燥室热负荷的计算（1）冷却被冻干物料耗冷量：因被冻干物料不同，耗冷量是不同的。在通用冻干机的设计计算中，可以按最大装料量计算，根据经验，最大装料量为10kg/m2。每次降到一60℃的时间可取为τ=3h。耗冷量为：qa=Ga(C1△t1+γ+C2△t2)/τ（3.3）式中Ga。每次冻干最大装料量，Ga=4kg；C1为冻干物料质量比热容，可按水计算，C1=4.18kJ/kg·℃(从20℃至0℃平均比热容)；△t1为温度差，△t1=20℃；γ为0℃水变成0℃冰的凝结热，γ=2837kJ/kg；C2为冰从0℃降到一60℃时的平均比热容，取C2=8.7kJ/kg·℃；△t2=60℃。因此：qa=4589.6KJ/h（2）搁板降温所需耗冷量：qb=GbC△t/τ（3.4）式中Gb为搁板重量，计算得Gb=20.1kg；C为搁板材料比热容，取C=0.489kJ/kg·℃；其余符号同前。计算得：qb=263.4KJ/h（3）箱壁及箱内其他零件的耗冷量：qc=Gc`C·△t/τ （3.5）式中Gc为箱壁及箱内其它零件的总重量，计算得出，Gc=80kg；其余符号同前。qc=1043.2kJ/h（4）围栏的结构传热量计算：qd=KF△t（3.6）中K为围护结构的传热系数，K=λ/σ，λ为隔热材料导致系数，查得λ=0.15kJ/m·h·℃，σ占为隔热材料的厚度，取占=35mm，计算出K=4.28kJ/时·h·℃；F为围护结构的面积，计算得F=1.33m2；△t为冻干箱内外温差，△t=80℃；qd=4.28x1.33x80=455.4kJ/h（5）冻干箱总耗冷量：q=qa+qb+qc+qd=6351.6KJ/h=1764W3.3真空系统的设计与计算这里所说的真空室包括冻干箱、捕水器和真空管道。因为水蒸气被捕水器抽走，所以配泵时不考虑抽水蒸气的量。冻干机的真空系统设计主要是依据空载时真空室要求的极限真空、干燥物料时所要求的工作压力、和抽气速率选择真空泵，依据工艺生产中被干燥物料所放出的气体，真空室内构件的放气量及系统的总漏气率选择主泵的大小。主泵(罗茨泵)的性质：主泵需要配前级泵。前级泵的几点规定：前级泵应保证始终及时排除主泵所排出的气体流量；前级泵在主泵(罗茨泵)出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强；兼作预抽泵的前级泵要满足预抽时间及预抽真空度的要求；泵由于转子与转子、转子与定子间的间隙较大，所以它对气体的压缩比较小，一般比其前级泵要大些[12]。对于真空冷冻干燥来说，食品用冻干机空载时极限压力为5-15Pa。从《真空冷冻干燥机机械行业标准》可查到罗茨泵的最佳压力使用范围为1-104Pa。所以主泵选用罗茨真空泵，茨泵是一种真空一般情况下在工作中不能将气体直接排到大气中去，必须有一个前级泵，并且工作前必须有一个预真空环境1333Pa方能工作。茨泵性能与前级泵有密切关系。茨泵启动快，允许被抽气体含有可凝性蒸汽，因为罗茨泵不会将这些气体压缩到饱和状态。它的缺点是抽含有分子量较小的气体时，其抽气速度陡降，因为这种气体在转子与定子间的间隙内扩散比空气快，返流量较大，故抽速下降。当抽除含有大量水蒸气的混合气体，或者类似具有较高蒸汽压的气体，且被抽气体不破坏前级泵油，选择罗茨泵与旋片泵组成的机组是最经济的。本设计为小型实验用机，物料冻干的真空度一般要求在10-130Pa范围，极限真空要求1Pa左右，因此选用极限真空为0.065Pa的双级旋片泵作为主泵，不需配置前级泵。在这里根据范围粗略选用旋片式油封机械真空泵。3.3.1真空泵放气量的计算Q=Qo+QL(3.7)式中Q0真空室内壁和表面放气量；QL为真空室的漏气量。(3.8)式中qi为每种材料单位表面积出气速率；Fi为每种材料暴露在真空室一侧的表面积。计算得Qo=0.0038Pa·L/s。QL=PXV/3600(3.9)式中Px为真空室内允许的压力增长率，这里取Px=13.3Pa/h；V为真空室容积，接近600L。3.3.2真空泵的选择泵的种类依真空度的要求选取，这里选用旋片泵。泵的大小通过计算。Se=Q/Pw(3.10)式中Se为真空室出口造成的有效抽速，L/s；Pw为真空室内的工作压力，取Pw=50Pa。计算得Se=0.045L/s。考虑到管道阻力等因素影响，实际选用2X一4型真空泵，名义抽速为4L/s[13]。3.3.3真空管道和真空阀门本系统设有真空管道和真空阀门，以满足冻干过程中对通道通断的要求。冻干箱内有真空控制阀门，目的是改进冻干箱内热量的传递，在第一阶段干燥室使用，通过进气阀门引入定量的空气到冻干箱内，使箱内压力得以控制在一定范围内，待制品升华干燥结束后即可停止控制。为了把冻干过程控制在理想水平，进气量的精确控制靠电磁阀来实现[14]。3.4水汽凝结器的设计计算3.4.1对水汽凝结器的要求水汽凝结器是冻干机中最关键的设备，水汽冷凝器又称捕水器，用来冷凝物料中升华的水蒸气，保护真空泵的正常工作，其优劣对产品加工质量、成本、生产效率和能耗影响很大。由于冷冻干燥的过程中，只有在水汽凝结器的温度低于冻干箱内的温度条件下，才能形成冻干箱与水汽凝结器之间的压差。因此如果水汽凝结器性能不佳，前述冻干箱与水汽凝结器之间对水蒸汽的推动力减小，真空系统将不可能有效地排除水蒸汽，影响制品质量和真空泵的寿命。水汽凝结器的性能好坏，直接影响冻干机的性能、制造成本和运转费用。1g水在133Pa真空度下，体积接近1000L。如l台工作真空度为133Pa，每小时升华量为60kg的冻干机，要求真空系统的抽气量相当于6x107L/h，无论多大的真空泵都不能抽除如此大量的水蒸气，大量的水蒸气必须靠水汽凝结器冷凝，只有少量的水蒸气和不凝性气体要靠真空泵排出系统[16]。捕水器结构形式多种多样，冻干机上常用的水捕集器可分为两大类：一类是管式换热，另一类是板式换热。管式又可分为盘管(或螺旋管、蛇管)式和壳管(列管)式两种，前者主要用于小型冻干机，后者主要用于大型冻干机。板式又分为平板和圆筒形组合板两种，后者结构复杂，但冷凝效率高。无论是管式还是板式，小型冻干机多采用立式捕水器，大型冻干机多采用卧式捕水器。目前大多数冻干机生产厂商将水汽凝结器制作为卧式结构，内部为直冷式的蛇形盘管[17]。捕水器的安装位置按照水汽凝结器的放置位置来分可分为内置式和外置式两大类。内置式的捕水器安装在冻干箱内，外置式捕水器安装在冻干箱外。两种安装位置各有利弊。内置式结构紧凑，占地面积小，对水蒸气的流动阻力小，有利于捕水。但它的热损失比较大，捕水器冷表面与搁板热表面之间温差较大，距离较近，热屏蔽难保证。如果布置得不合理，还会出现热桥，使搁板表面温度不均匀，影响冻干产品的质量。同时，若采用周期式捕水，还会出现因化霜时间而影响生产周期，使设备利率降低，整个生产效率下降。外置式的优缺点与内置式刚好相反，且因外置式需单独制造外壳而使设备制造费用增加。本篇设计采用外置式，采用立式螺旋管式换热器1151，换热器管用紫铜管，且采用间冷式传热方式。这里所采用的立式螺旋管式换热器和普通的螺旋管式水汽凝结器不同[18]。3.4.2水汽凝结器的结构捕水器是由不锈钢制成的长圆筒形耐压密封容器，内装有无缝不朽管制成的蛇形盘管蒸发器，捕水器位于冻干箱的下面，中间由管道和阀门连接。捕水器的箱门圆形的有机玻璃支撑的，可观察水蒸气内捕水情况，容器箱体的内径为ø400mm，长853mm。如图3.11结构所示：3.4.3水汽凝结器所需传热面积的计算捕水器所需凝霜面积可用下式计算：F=G/γ·σ(3.11)式中G设计的最大捕水量5kg；γ为霜的体积质量，是变量，近似取0.5g/cm3；σ为霜层厚度，取0.006m。计算得F=1.67m2。选用ø12的紫铜管，计算出管的总长度：L=F/πD=44.3m。在捕水器中分2路绕制，每路管长22.5m。图3.12水汽凝结器的结构示意图3.4.3水汽凝结器所需冷量的计算q1=(G1C1△t+H2C2△t+G3C3△t)/τ(3.12)式中G为壳体材料重量，计算得G1=21kg；G2为壳体材料比热容，0.5kJ/kg·℃；C2=C1，G2为封头重量，G2=10kg；G3=0.376KJ/kg·℃，G3为换热管重量，G3=16kg；G3为换热管比热容；△t为温度差，取△t=80℃；τ为降温时间，取τ=2.5h(比物料降温快)。经计算g，=688.5KJ/h。保温层传热耗冷量：q2=kF△t(3.13)式中k为保温层传热系数，k=λ/σ=0.37；F为保温层传热面积，计算得F=1.3m2；△t为传热温差，取△t=80℃q2=160KJ/h水蒸气凝结的耗冷量：q3=G·γ+GC△t(3.14)式中G为单位时间的捕水量，取G=0.5kg/h；γ为凝结热，γ=2513kJ/kg；(一10℃)；C为霜的比热容，C=8.7kJ/kg·℃；△t为霜的温降，取△t=80℃。q3=1756KJ/hQ2=q1+q2+q3=2604.5KJ/h=726W3.5制冷系统的选择制冷系统是冻干机的“心脏”。为冻干箱和水汽凝结器提供冷源。冻干箱和水汽凝结器既可以用一套制冷系统，也可以用各自独立的两套制冷系统。本机中冻干箱和水汽凝结器共用一套制冷系统。水汽凝结器的温度要低于冻干箱的温度，预冻降温阶段大于水汽凝结器的耗冷量，因而本机根据水汽凝结器所需温度和预冻降温阶段耗冷量来选配制冷系统，并考虑管道、阀门等降温热负荷及冷损的影响，适当的加大制冷量。在冻干中，冷阱的温度要低于-40℃，因此只采用单级压缩制冷剂很难满足需要，一般来说冻干机中采用两级压缩制冷循环系统或液氮系统。本实验台是采用两级压缩制冷循环，所要达到的冷阱温度一般在-60℃到80℃之间。根据温度要求，制冷系统设计成复叠式；根据制冷量的要求，并结合市场上现有产品，选用全封闭1500W两台制冷压缩机QXL-30E。低温级制冷剂选用R13，高温级制冷剂选用R12。制冷系统中设置两个电磁截止阀和两个热力膨胀阀，分别通向冻干箱和捕水器，两个电磁截止阀互相连锁，一个开启时，另一个处于关闭状态。在制冷管路上包扎绝热材料，以保证安全并减少冷损。3.6控制系统电气控制系统包括：电源控制盒指示、真空泵运行控制与指示、冻干室压力显示与控制、搁板温度显示与控制及冷阱温度显示与控制五个部分。它的功能是对冻干机进行手动或自动控制，控制设备正常运转。当开始冷冻干燥时，合上电源总开关，电源指示灯亮，表示路线已通电。然后打开制冷组开关。当冷阱温度低于-40℃后，按下真空泵启动开关，真空泵起动，当需要停止真空泵是，再次点击真空泵启动开关，开关弹起，真空泵停止。当冻干室搁板需要加热时，按下电加热起动开关，电加热起动，由测量显示控制仪表控制搁板温度，当需要停止电加热时，再次点击电加热开关，开关弹起，电加热停止[15]。4结论本文简要介绍了冻干机的设计和设计的一些技术要求，冻干机是一种试验用机械，具有干燥物料的作用，整机尺寸较大，长为2010m，宽为1250m，高为2010m。干燥箱做为冻干机的一个重要部件，是唯一与物料接触的部件，干燥箱设计的好坏直接关系到物料的冻干质量，所以应该严格按照GMP规范的要求设计，对于冻干机的干燥箱，更应该严格要求。搁板采用直冷直热式，缺点是降温和加热不均匀，不易调控。内有媒体导管分布其中，可对物料进行冷却或加热，为了便于进出料和清洗，搁板组件可以通过支架安装在冻干箱内，最上层的一块搁板为温度补偿加强板，它保证箱内所有物料的冷热环境相同，符合MGP(医药制造管理和品质管理规则)要求。冻干箱设置了观察窗，可以很好地观察无料的形态色泽变化。本设计为小型试验用冻干机，物料冻干的真空度一般要求在10-130Pa范围，极限真空要求1Pa左右，因此选用极限真空为0.065Pa的双级旋片泵作为主泵，不需配置前级泵。冻干箱需耗冷量1764W，水汽凝结器所需耗冷量726W，直冷选用法国产全封闭1500W两台制冷压缩机,，计算耗冷量小于所选用的直冷系统的最大制冷量。参考文献[1]徐成海，张世伟，关奎之.真空干燥[M]，北京：化学工业出版社，2003.[2]徐成海，邹惠芬，张世伟.真空冷冻干燥技术的现状及发展趋势[J]，真空与低温，2000.6，6(2)：71-74.[3]郑贤德，赵鹤皋.冷冻干燥技术的进展[J]，全国第五次冷冻干燥学术交流会论文集，1997，(7)：1-3.[4]徐成海，刘军，王德喜.发展中的真空冷冻干燥技术[A],第七届全国冷冻干燥学术交流会论文集[C]，2002.[5]徐成海，赵雨霞，刘运连.真空冷冻干燥技术的国内外动态[J]，GM通用机械，2005，(8)：52-54.[6]王宇伟.国内冷冻干燥食品发展状况[J]，粮油食品科技，2002