ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計【含14張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目：ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 姓 名 學 號 導 師 2012年 12 月 16 日 1 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況） 1.1 題目背景 冷凍干燥技術已廣泛應用于醫(yī)藥和食品行業(yè)，宇航及新材料的研制等領域。目前，凍干工藝主要是靠實驗摸索。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)，最初都是在小型試驗型設備上通過實驗逐漸摸索，確定合理的凍干工藝，再進行中試和大量生產(chǎn)。而目前實驗型凍干設備大都是針對于特定產(chǎn)品的，對于其它產(chǎn)品的開發(fā)并不適合，開發(fā)一種多功能的實驗型凍干設備具有較廣泛的應用前景。 1.2 研究意義 真空冷凍干燥(以下簡稱凍干)是將物體凍結到共晶點溫度以下，然后在較高的真空條件下通過升華干燥除去物體中水分的一種干燥方法。真空冷凍干燥技術是隨制冷、真空、生物、電子等技術的發(fā)展而迅速興起的多學科綜合性應用技術，除了在傳統(tǒng)的醫(yī)學、生物學、藥學、農(nóng)業(yè)等領域得到廣泛的應用外，目前已向分子生物學、基因工程學、新型生物醫(yī)學、中藥新制劑、高品質方便食品、考古學、粉末材料制造等領域發(fā)展。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，對凍干技術的應用和凍干產(chǎn)品的需求日益增長[1][16]。但在我國，凍干技術無論在理論研究還是工藝水平、設備制造等方面與國際水平比較均有很大差距，因而近年來對凍干技術和凍干設備性能的研究已引起廣泛的興趣和重視。 我國已生產(chǎn)出多臺凍干機，但其性能和功能仍不能滿足市場的要求，與國外產(chǎn)品仍有很大的差距。如何縮小差距，使我國生產(chǎn)的凍干機也能走出國門，走向世界，應該是我們真空冷凍干燥研究人員的責任和使命[2]。 實驗室用凍干機應能適應藥品、食品、生物制品和化工材料的凍干實驗，熱物理系數(shù)測定，傳熱傳質理論研究。因此，對其溫度范圍要求寬(-65℃一+90 ℃ )，能自動調節(jié)溫度和壓力，設定、貯存、顯示多條凍干曲線。因為是實驗用凍干機，又要求多功能，所以它是非標準產(chǎn)品，凍干機廠家沒有生產(chǎn)過，第一次生產(chǎn)出來并交到實驗室來的凍干機因性能不合格而退貨。這臺凍干機只是通過了初步的驗收實驗，在以后的實驗中是否能滿足各種要求還不知道，因此，凍干機的性能研究提到了日程上來。 目前脫lkg水需要的能耗是凍干機最重要的指標，國際上這個指標為脫除lkg冰晶需1.2kw h電左右。俄羅斯食品設計研究院的博士論文中曾給出脫lkg水，需消耗lkwh電能的報告，國內報道蘭州科近真空凍干技術公司開發(fā)的節(jié)能型JDG系列食品凍干機脫lkg冰的能耗為0.55kwh。因此在凍干機上做純水的凍干實驗，以精確計算脫lkg水需要的能耗是非常必須的。 另外，每一家生產(chǎn)凍干產(chǎn)品的企業(yè)，面對需求不斷變化的市場，所選設備多為間歇式凍干裝置，多品種輪換生產(chǎn)，每試產(chǎn)一個新品種食品，求得其干燥工藝曲線，往往耗費相當數(shù)額的人力、物力、財力。有的企業(yè)雖然買了小型試驗機，但因在小試驗機上做出的樣品都不能指導大凍干機生產(chǎn)—因為結構不同，試驗條件不同所致。作為專門研究真空冷凍干燥技術與設備的研究生，對多功能型實驗用凍干機結構以及性能進行研究，來模擬大中型凍干機的生產(chǎn)過程，取得干燥工藝曲線，用來指導大中型凍干裝置的規(guī)?；a(chǎn)是非常需要的，也是非常必要的[3]。 由于以上原因，本文選擇對ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計進行研究。 1.3 國內外相關研究情況 1.3.1 國外凍干機的發(fā)展概況 凍干技術誕生的很早，大約出現(xiàn)在1811年，當時用于生物體的脫水。1813年，英國人Wlliam Hyde就發(fā)現(xiàn)水在減壓的容器中可以結冰，當時他用手動抽氣機減壓，效率不高，達不到較高的真空度，他僅僅觀察了這種現(xiàn)象，也沒有想到什么用途。后來Leslie教授設計了一種儀器，可將水冷凍后慢慢消失。至1935年一1938年期間，F(xiàn)losdorf和Greacves等分別研究了比較完善的冷凍干燥的儀器和機械，用冷氣機冷卻冷凝器以凝集樣品升華的水分，使冷凍干燥走出實驗室。第一臺商業(yè)用凍干機問世是在1935年，W.3.Elser等在凍干機上最先采用了低溫冷阱，從而改變了用真空泵直接抽水蒸氣的方法；首次在凍千機上采用主動加墊的辦法，使升華過程得到了強化，干燥時間得到縮短，因而可用于生產(chǎn)。由于第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，輸血的需要，必須發(fā)展血液制品，同時，抗生素的需要量也急劇增加，凍干技術和凍干機在醫(yī)藥工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。在英國，1943年制成并開始使用大型凍干機，冷阱設在凍干箱內，是現(xiàn)在這種凍干設備的原型。1944年鉚ckoff和Logcdin采用雙管干冰阱，使捕水器溫度降低，捕水效果更好，從而又開發(fā)出在外側直接與多歧管連接的裝置，成為現(xiàn)在歧管式凍干機最早的原型，用這種設備可以生產(chǎn)出凍干的盤尼西林和血漿。在日本，陸軍中醫(yī)中校內藤良一為了細菌戰(zhàn)做準備，在1939年到1943年間進行了細菌、病毒等的凍干研究，并于1943年將多歧管凍干機成功的改制成箱式凍干機[4]。 目前主要企業(yè)有英國愛德華真空設備公司(AD WARD S )，美國的赫爾公司(HULL德國的芬納昆公司(FINN-KOAU )，日本真空技術株式會社(ULVAC )，日本共和真空株式會社(DYOWAC )月一麥的阿特拉斯工業(yè)公司(ATLAS)，美國奧特公司(Virtis )等，上述七家企業(yè)產(chǎn)品可以代表當今世界凍干設備的技術水平，各國的凍干設備有80%以上為上述企業(yè)的產(chǎn)品。國外醫(yī)藥用凍干機的特點是：1、產(chǎn)品嚴格按有關國際標準設計、制造。例如目前國際制藥業(yè)權威GMP標準，美國衛(wèi)生部和食品藥品管理局FDA標準以及CIP(自動清洗)技術。隨著PV(過程檢驗)概念的引入，對凍干設備提出了更高的要求。2、凍干過程自動化裝置的實現(xiàn)。為了實現(xiàn)安全性(無菌、無傳染)綜合發(fā)展蒸汽滅菌，自動清洗技術并研制出自動裝料、運載、凍干、輸出、封蓋的全自動無人操作裝置，使凍干無菌室實現(xiàn)無人自動化，該裝置在德國、日本己投入使用。3、高性能、高可靠性及經(jīng)濟性，為了確保凍干機無故障運行，除了在制造過程中實現(xiàn)全面質量控制外，設計時米用備用機，凍干過程中設有制品取樣分析裝置。經(jīng)疥性指標是指制取同樣凍干制品時的電、汽及水耗量最低。食品凍干機中，丹麥的阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續(xù)式凍干機，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水汽凝結器除冰再生技術和TL型液體食品密閉系統(tǒng)管式凍干機可代表世界食品凍干機的先進技術[5]。 1.3.2 我國凍干機的發(fā)展概況 解放前，我國的凍干技術和設備都是進口的，既沒有從事凍干技術研究的大專院校和科研院所，也沒有凍干設備的設計人員和制造工廠。1951年在上海由葛學煊工程師最先設計成功凍干機，并于1953年由上海合眾、五昌機器廠和上海醫(yī)療器械廠分工制造，20世紀50年代共生產(chǎn)10套，當時由于質量差、能耗大沒有發(fā)展起來。20世紀60年代，北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干食品生產(chǎn)廠家并先后仿制了一批凍干機，特點是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。1975年，華中工學院的林秀誠、趙鶴皋和湖北省生物藥品廠共同研制成功凍干面積為37.4 m，的大型凍干機，采用單機雙級壓縮機，這是我國自行研制的第一臺能在凍干機內加塞的凍干饑。為加快我國凍干技術的發(fā)展，機電部將工業(yè)真空冷凍干燥機列入1988年工業(yè)技術發(fā)展基金項目，由華中理工大學承擔并與浙江真空設備廠協(xié)作進行研制，產(chǎn)品于1989羊通過部級鑒定，該機結構緊湊，功能齊全，擱板間距可調，采用微機程控[6]。此外，清畢大學核能設計研究院引進俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設備的先進技術，直接與國家一級企業(yè)煙臺冰輪集團合作，共同探索出一條發(fā)展我國冷凍干燥事業(yè)的新路，優(yōu)點是：起點高、投資少、見效快。在引進、消化、吸收的同時，對設備的改進提出了切實可行拘方案。 近幾年來，國內在凍干設備及凍干工藝和凍干產(chǎn)品上發(fā)展非常迅速。生產(chǎn)醫(yī)藥用凍干機的工廠由十年前的幾家，發(fā)展到現(xiàn)在的十幾家，醫(yī)藥用凍干機的水平也有了很大的是高，全部執(zhí)行了GMP標準，基本上都設置了自動清洗裝置(CIP )，自動加蓋機構。998年以前，我國生產(chǎn)的凍干機沒有在位滅菌功能，1998年以后，上海東富龍、遠東，北京的天利、速原等公司生產(chǎn)的凍干機基本上都帶有在位滅菌(STP)功能。20世紀90年代以后生產(chǎn)的凍干機，絕大部分采用計算機進行自動控制，從凍干機的運行程序的設起、執(zhí)行、修改，凍干過程中溫度、真空度、時間、含水量等主要參數(shù)的采集、顯示、字儲、控制，配套設備的運轉，安全保護，故障處理等均能自動進行。據(jù)統(tǒng)計，上海東奢龍科技有限公司近幾年產(chǎn)品銷售量已達到200臺。在食品凍干機發(fā)展上，沈陽新陽速東設備有限公司等有關單位，已經(jīng)生產(chǎn)出多臺大型食品凍干機，單臺最大凍干面積可達100m2[7][17]。 全國各地涌現(xiàn)出大大小小不少于30家的凍干設備的生產(chǎn)廠，這其中，有一部分是真正的凍干設備國產(chǎn)化，促進國內凍干行業(yè)進步而努力攻關的大專院校和科研單位，以及有一定技術基礎和科研力量的軍工企業(yè)，真空設備、速凍設備制造廠等。但是，也有一些是與凍干行業(yè)不相關，以為生產(chǎn)凍干設備有利可圖而匆匆上馬的機械加工等單位，所以，一時間魚目混珠，打出生產(chǎn)凍干設備的廣告而從未設計和銷售一臺凍干設備的廠家比比皆是。大部分國產(chǎn)凍干機生產(chǎn)廠家走的是仿制道路。有的廠家在采用國外先進技術的同時，進行了很大的改進[8]。如加熱板內采用了特殊導流裝置，使板內流體的流量均勻，保證了加熱的均勻和穩(wěn)定：捕水器在工作中可實現(xiàn)交替捕水和融冰，捕水器盤管內氨液制冷方式由傳統(tǒng)的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷，使捕水器盤管內溫度均勻，結霜性能良好。除仿制之外，國內自己的研制能力也在提高，有的單位己經(jīng)脫離了仿制國外機型，抽氣系統(tǒng)采用低架式水蒸氣噴射泵抽水蒸氣，省去了捕水器和制冷系統(tǒng)，使設備價格有所降低[18]。但是國產(chǎn)凍干機存在的一些不足之處：(1)擱板溫度不均勻，造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻，產(chǎn)品合格率受影響。造成溫度不均勻的原因各不相同：或者是擱板結構和材料質量不好；或者是加熱流體分流或流程有欠缺；或者是捕水器在干燥箱內絕熱不好[9]。(2)干燥速率低，干燥箱內各點干燥快慢不一致，反映在產(chǎn)品上仍然是合格率受影響。其原因除擱板溫度不均勻外，還與真空系統(tǒng)配置得不合理有關。主要體現(xiàn)在：捕水器配置得不合理；水蒸氣噴射泵性能不穩(wěn)定：抽氣口位置不合理等。(3)水汽凝結器效率低。主要體現(xiàn)在水汽凝結器面積大而捕水量小有部分無效面積，其根本原因是水汽凝結器設計不合理[10]。 總的來說，限于國內機械制造業(yè)的水平和自動控制技術等的因素，雖然一些國產(chǎn)的凍干設備經(jīng)過了國家鑒定，達到了一定的水平，但跟進口凍干設備相比，無論在外形，還是在節(jié)能方面都有一定的差距。大型凍干機，存在的主要問題是設計上模仿國外進口機型制造出的設備雖能滿足使用，但仍未能實現(xiàn)優(yōu)化設計和節(jié)能，盡管制造成本低，售價低，可是運轉費用高。小型凍干機存在的問題主要是性能不好，往往達不到實際要求。這就要求我們努力改進設備，縮短與國外設備之間的差距，完善國產(chǎn)的凍干機[11]。 2 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1 研究的主要內容 設計一臺試驗型凍干設備，凍干面積為0.4m2。要研究的主要內容：有凍干箱箱體的選型，凍干箱內要設計擱板，確定隔板的結構，凍干箱外需要設計絕熱結構，真空系統(tǒng)中主泵的選擇，水汽冷凝器結構的設計，制冷系統(tǒng)總體方案的選擇，制冷劑的選擇，壓縮機的選擇，冷凝器的選擇，蒸發(fā)器的選擇，蒸發(fā)器的選擇熱力膨脹閥的選擇及其余零部件的設計[12]。要求隔板的溫度均勻，測量系統(tǒng)的需進一步完善。 2.2 擬采用的研究的方案 凍干機按結構可分為干燥箱、捕水器、制冷機、真空泵和閥門、電氣控制元件等幾個部分。如按系統(tǒng)分則可分為制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)蒸汽滅菌系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。它主要有兩種類型：一種是凍干合一型，一種是凍干分離型。前者是將凍干裝置置于干燥倉內，干燥過程在干燥倉內一次完成，這種形式減少了凍結食品的運輸，但干燥倉內應合理設計干燥擱板、加熱板、制冷裝置的關系，且對干燥倉需要保溫；后者是食品凍結與干燥過程分開進行，將凍結好的食品放入干燥倉內進行干燥，干燥倉內不含制冷裝置，可簡化干燥倉的結構。本文設計的是凍干合一型。設計的主要部分是真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)[13]。對于大型凍干機，因閥門較多，往往還選用氣動系統(tǒng)。這幾大部份的取舍、搭配可構成不同的設計方案。通常，醫(yī)用凍干機冷凍、干燥箱為一體。大型凍干機多數(shù)帶有液壓封蓋系統(tǒng)，擱板是活動的，采用間冷間熱式，冷媒與熱媒用同一種物質。凍干箱和水汽凝結器的制冷系統(tǒng)分成兩套，凍干箱中設有擱板，用來擱置凍干的物料。加熱通過擱板進行，按照熱量的提供方式不同，加熱有直接加熱和間接加熱兩種形式[14]。水汽凝結器用來凝結物料升華產(chǎn)生的水汽，一般用管道和凍干箱相連，凝結溫度要求-40 C以下，水汽凝結器的制冷系統(tǒng)制冷量應大于凍干箱制冷系統(tǒng)的制冷量，溫度應低于凍干箱制冷溫度，制冷循環(huán)一般為兩級壓縮制冷循環(huán)和復疊式制冷循環(huán)。真空系統(tǒng)是為了保持凍干箱和水汽凝結器中所必要的真空度，并抽出連接管道及閥門處泄漏入系統(tǒng)的空氣及不凝性氣體，一般需采用兩級抽的設計指導思想。中型凍干機則采用直冷間熱式，目前我國生產(chǎn)的凍干機多采用這種形式，而且多數(shù)沒有壓蓋裝置。小型實驗用凍干機的結構，多采用直冷直熱式，冷凍系統(tǒng)可采用一套機組，用閥門控制凍干箱與水汽凝結器的走向。真空系統(tǒng)也比較簡單。實驗型凍干機應該設計取樣裝置和壓蓋機構[15]。食品工業(yè)生產(chǎn)用的凍千機往往比較大，按食品凍干工藝特點，冷凍室和干燥箱應該分開，這樣可以節(jié)省能源，降低產(chǎn)品價格。現(xiàn)在國內醫(yī)用凍干機每脫水1公斤約需2元錢人民幣的操作費用。如果采用分室結構，可望將操作費用降至每脫1公斤水花費1元錢左右。其它用途的凍千機，可根據(jù)用戶需要的規(guī)模、真空度、溫度、脫水量等參數(shù)進行設計，避免千篇一律的搬用現(xiàn)有的醫(yī)用凍干機。只有從實際出發(fā)，才能設計出節(jié)能、經(jīng)濟、好用的凍千機。 2.3 研究的方法或措施 通過對凍干機中各個系統(tǒng)的分析，對其中的干燥室、捕水器和各個零部件的結構設計和理論的分析計算，確定設計所需要選用的各個零部件，根據(jù)理論和實際相結合設計出符合本課題要求的凍干機。 3 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 3.1 研究的重點及難點 研究的重點有真空系統(tǒng)的設計，制冷系統(tǒng)的設計，加熱系統(tǒng)的設計.合理制定凍干工藝；選用符合衛(wèi)生要求的價廉的原材料；選用高效換熱器，合理確定冷干的自動化控制技術等等，主要的難點有干燥室，捕水器，其余零部件的設計，隔板溫度要均勻和測量系統(tǒng)的完善。 3.2 前期已開展工作 （1）查找和閱讀大量國內外相關資料，明確研究課題的相關內容。 （2）擬定論文大綱，明確論文的基本分析框架和寫論文的思路。 （3）對所搜集到的資料進行整理和歸集。 4 完成本課題的工作方案及進度計劃 第1-2周：查找資料，熟悉課題；寫開題報告。 第3-8周：總體方案的設計，各零部件的計算、分析和選擇。 第6-9周：完成裝配圖。 第10-13周：完成零部件的圖。 第14-18周：完成論文及翻譯，準備答辯。 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1] 徐成海，張世偉，關奎之.真空干燥[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2003. 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