zlg-0.4型試驗(yàn)用凍干機(jī)的設(shè)計論文[帶圖紙]

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p>　　題目：ZLG-0.4型試驗(yàn)用凍干機(jī)的設(shè)計</p><p>　　系 （部）： 機(jī)電信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 生：

2、 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2013年 05月 </p><p>　　ZLG-0.4型試驗(yàn)用凍干機(jī)的設(shè)計</p><p

3、><b>　　摘 要</b></p><p>　　真空冷凍干燥（Vaccum Freeze-Drying，簡稱凍干）是將物體凍結(jié)到共晶點(diǎn)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。隨著制冷、真空、生物、電子等技術(shù)的發(fā)展，真空冷凍干燥設(shè)備現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，目前還應(yīng)用于分子生物學(xué)、基因工程學(xué)、新型生物醫(yī)學(xué)、中藥新制劑、高品質(zhì)方

4、便食品、考古學(xué)、粉末材料制造等領(lǐng)域。目前對凍干設(shè)備性能的研究已引起廣泛的興趣和重視。該機(jī)廣泛用于食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電子工業(yè)等行業(yè)的實(shí)驗(yàn)研究部門，已是基礎(chǔ)科學(xué)研究中必不可少的基本手段，為生產(chǎn)小樣生物制品與實(shí)驗(yàn)研究提供了一種新型加工設(shè)備。</p><p>　　本文介紹了ZLG-0.4型試驗(yàn)用真空冷凍干燥機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計計算。ZLG-0.4型凍干機(jī)是凍干合一型。本機(jī)具有加熱和制冷的功能。能對物料

5、進(jìn)行干燥。它由干燥箱、水汽凝結(jié)器（捕水器）、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)六大部件組成。設(shè)計的主要部分是干燥箱、水汽凝結(jié)器（捕水器）、真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。凍干箱中設(shè)工件架，工件架上設(shè)有擱板，用來擱置凍干的物料。凍干箱工作溫度范圍-60℃-+80℃左右。擱板工作溫度范圍+125-55℃。水汽凝結(jié)器用來凝結(jié)物料升華產(chǎn)生的水汽，用接管和凍干箱相連。制冷循環(huán)一般為復(fù)疊式，制冷系統(tǒng)中涉及兩個熱力膨脹閥和兩個電磁截止閥，分別通向凍干箱和

6、捕水器，兩個電磁截止閥相互連鎖，一個開啟時，兩一個關(guān)閉狀態(tài)。真空系統(tǒng)包括凍干箱，捕水器和真空管道，選擇真空泵，選旋葉泵。加熱系統(tǒng)，凍干箱的隔板的升溫采用管狀加熱器直接加熱。</p><p>　　關(guān)鍵詞：凍干機(jī)；性能；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；</p><p>　　ZLG - 0.4 Experimental Design of the Lyophilizer</p><p>&l

7、t;b>　　Abstract</b></p><p>　　Vacuum freeze-drying is a kind of dry method，which is to freeze the object below the eutectic point temperature ，then pass the sublimation to obviate the moisture from t

8、he object under the condition of higher vacuum.With the development of refrigeration，vacuum，biology，electronics，etc.，now vacuum freeze-drying equipments have already applied to the realms extensively，such as medical scie

9、nce，biology，pharmacy and agriculture，etc，so far they still apply to the molecular biology， genetic engineering</p><p>　　This article describes the ZLG-0.4-type test with vacuum freeze-drying machine works，st

10、ructural features，design calculations.ZLG-0.4-scale freeze-dried unity. This machine has a heating and cooling function.The material to dry.It consists of oven，condensation (water catching)，heating system，vacuum system，c

11、ooling system and electrical control system composed of six parts.The primary components of the oven， condensation (water catching)，vacuum and cooling systems.The freeze-dried box set the frame</p><p>　　Keyw

12、ords：Freeze-drying；Performance；Structure；Desig </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 真空冷凍干燥的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域1</p><p>　　1.2

13、凍干歷史和發(fā)展概況2</p><p>　　1.3 真空冷凍干燥的發(fā)展概況3</p><p>　　1.4 我國凍干的歷史3</p><p>　　1.5 我國凍干的現(xiàn)狀及發(fā)展前景5</p><p>　　1.6 實(shí)驗(yàn)用凍干機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6</p><p>　　1.7 本課題研究內(nèi)容7</p>

14、<p>　　2 真空冷凍干燥的理論基礎(chǔ)8</p><p>　　2.1 凍干的基本原理8</p><p>　　2.2 真空冷凍干燥的基本過程8</p><p>　　2.2.1 物料制品的準(zhǔn)備及預(yù)凍過程8</p><p>　　2.2.2 一次干燥（升華干燥）過程9</p><p>　　2.2.3

15、二次干燥（解析干燥）過程10</p><p>　　2.2.4 后處理12</p><p>　　3 ZLG-0.4型真空冷凍干燥機(jī)13</p><p>　　3.1 整體結(jié)構(gòu) 13</p><p>　　3.2 干燥室的設(shè)計14</p><p>　　3.2.1 擱板的設(shè)計15</p><p

16、>　　3.2.2 擱物架架體的設(shè)計16</p><p>　　3.2.3 水管的設(shè)計17</p><p>　　3.2.4 箱體強(qiáng)度的計算20</p><p>　　3.2.5 保溫層厚度的確定21</p><p>　　3.2.6 觀察窗21</p><p>　　3.2.7 真空規(guī)21</

17、p><p>　　3.2.8 干燥室熱負(fù)荷的計算21</p><p>　　3.3 真空系統(tǒng)的設(shè)計與計算22</p><p>　　3.3.1 真空體放氣量的計算23</p><p>　　3.3.2 真空泵的選擇23</p><p>　　3.3.3 真空泵和真空閥門23</p><p>

18、　　3.4 水汽凝結(jié)器的設(shè)計與計算24</p><p>　　3.4.1 對水汽凝結(jié)器的要求25</p><p>　　3.4.2 水汽凝結(jié)器的結(jié)構(gòu)25</p><p>　　3.4.3 水汽凝結(jié)器所需冷量的計算25</p><p>　　3.4.4 水汽凝結(jié)器所需傳熱面積的計算26</p><p>　　3.

19、5 制冷系統(tǒng)的選擇26</p><p>　　3.6 控制系統(tǒng)27</p><p><b>　　4 結(jié)論28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>

20、;　　1 緒論</b></p><p>　　1.1真空冷凍干燥的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　真空冷凍干燥(以下簡稱凍干)技術(shù)是一門跨學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)，技術(shù)含量比較高、涉及知識面比較廣的一種技術(shù)，也是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的技術(shù)。它需要真空、制冷、流體、生物工程、傳熱傳質(zhì)和自動控制等方面知識，它是交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物，它的發(fā)展推動著交叉學(xué)科的進(jìn)步。同時它還是一項(xiàng)高新應(yīng)用技術(shù)

21、，在、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，凍干是先將含水物質(zhì)凍結(jié)，并在凍結(jié)狀態(tài)下于真空中使冰結(jié)晶升華而將物料干燥的方法，即使在低溫低壓下干燥。</p><p>　　真空冷凍干燥是先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水份變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸汽，再用真空系統(tǒng)的捕水器將水蒸氣冷凝，從而獲得干燥制品的技術(shù)。干燥過程是水的物態(tài)變化和移動過程。由于這種變化和移動是發(fā)生在低溫和低壓下。因此，真空

22、冷凍干燥的基本原理就是低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機(jī)理。真空冷凍干燥是物質(zhì)脫水干燥的一種工藝措施，冷凍干燥的基本工藝流程為：前處理→預(yù)凍結(jié)→真空干燥→真空包裝→成品。一般分預(yù)凍、升華、解析3個主要過程。其中升華和解析是在真空條件下進(jìn)行的。與其他干燥方法(自然風(fēng)干、曬干、熱風(fēng)干燥)相比，具有以下特點(diǎn)：冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，且處于高真空狀態(tài)，因此對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用，如蛋白質(zhì)、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。一些易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)

23、，保留了新鮮食品的色、香、味及營養(yǎng)成分。由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。凍干產(chǎn)品脫水徹底，含水量低(2%一5%)，重量輕，貯運(yùn)方便；凍干制品采取真空或充氮?dú)獍b和避光保存，可保持</p><p>　　真空冷凍干燥設(shè)備的工作原理是：先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變線達(dá)到規(guī)定的要求而

24、停止供熱和抽真空，完成凍干全過程。</p><p>　　化學(xué)熱力學(xué)中的相平衡理論是真空冷凍干燥技術(shù)原理的基礎(chǔ)。在一定的壓力和溫度下，水的三種形態(tài)之間達(dá)到一定的相平衡，據(jù)此得到水的相圖(圖1-1)三相點(diǎn)顯示</p><p>　　了水的氣、液、固三相共存的壓力和溫度條件。</p><p>　　圖1-l水的相平衡圖</p><p>　　當(dāng)蒸汽壓大于

25、三相點(diǎn)壓力P0(610.5Pa)時，冰首先融化為水然后再由水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，其過程為蒸發(fā)過程；如果低于三相點(diǎn)壓力，冰可直接升華為水蒸氣，這就是升華干燥的理論基礎(chǔ)。當(dāng)干燥室內(nèi)的真空度低于6l0Pa絕對壓力，物料溫度低于零度，物料內(nèi)的冰晶才能直接升華成水蒸氣。一般采用預(yù)凍結(jié)的方法：先將含水物品快速低溫凍結(jié)，然后在高真空的條件下，使物品中的冰晶升華，待冰晶升華后再除去物品中的吸附水，即成為冷凍干燥物品。冷凍干燥物品的殘留水量一般在1％-4％左右

26、。</p><p>　　1.2凍干歷史和發(fā)展概況</p><p>　　真空凍干技術(shù)起源于19世紀(jì)初，但由于制冷技術(shù)與真空技術(shù)等限制，直至20世紀(jì)初人們才開始用于干燥生物制品，第二次世界大戰(zhàn)中，由于急需人體血漿，真空凍干技術(shù)得以快速發(fā)展。二戰(zhàn)結(jié)束后，在一些發(fā)達(dá)國家中先后將此技術(shù)用于加工上。一時間各種真空凍干廠蜂擁出現(xiàn)，有人當(dāng)時預(yù)言，真空凍干將很快取代其它干制。可成固態(tài)的冰，然后將經(jīng)過前處理的

27、預(yù)凍裝入干燥倉內(nèi)，在低溫真空狀態(tài)下，由加熱板導(dǎo)熱或輻射方式供給熱能，使中的水分直接由冰升華成水蒸氣，不斷升華出的水蒸氣，由于復(fù)雜的設(shè)備、巨大的能耗和很低的生產(chǎn)率，使其產(chǎn)品難以銷售。60年代中期，某些真空凍干廠出現(xiàn)倒閉和轉(zhuǎn)產(chǎn)。70年代人們對真空凍干重新認(rèn)識，這個時期凍干研究報道與專利技術(shù)最多。真空凍干理論也很深入，如循環(huán)壓力法，均勻退卻理論模型，交替工作冷凝裝置，微波熱源作為強(qiáng)化換熱性能的試驗(yàn)探討等。80年代至今，真空凍干設(shè)備已經(jīng)商品化、

28、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。凍干面積從幾平方米至上千平方米。作業(yè)方式有間歇式和連續(xù)式。自動控制程度高，有些真空凍干機(jī)實(shí)現(xiàn)微電腦管理，使真空凍干工藝更趨合理化[2]。</p><p>　　1.3真空冷凍干燥的發(fā)展概況 </p><p>　　真空冷凍干燥是將物體凍結(jié)到共晶點(diǎn)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(shù)是隨制冷、真空、生物、電子等技術(shù)的發(fā)展

29、而迅速興起的多學(xué)科綜合性應(yīng)用技術(shù)，除了在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用外，目前已向分子生物學(xué)、基因工程學(xué)、新型生物醫(yī)學(xué)、中藥新制劑、高品質(zhì)方便食品、考古學(xué)、粉末材料制造等領(lǐng)域發(fā)展。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，對凍干技術(shù)的應(yīng)用和凍干產(chǎn)品的需求日益增長。但在我國，凍干技術(shù)無論在理論研究還是工藝水平、設(shè)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(shù)和凍干設(shè)備性能的研究已引起廣泛

30、的興趣和重視。 我國已生產(chǎn)出多臺凍干機(jī)，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(jī)也能走出國門，走向世界，應(yīng)該是我們真空冷凍干燥研究人員的責(zé)任和使命[3]。</p><p>　　1.4我國凍干的歷史</p><p>　　解放前，我國的凍干技術(shù)和設(shè)備都是進(jìn)口的，既沒有從事凍干技術(shù)研究的大專院校和科研院所，也沒有凍干設(shè)備的設(shè)計人員和制造工廠。

31、1951年在上海由葛學(xué)煊工程師最先設(shè)計成功凍干機(jī)，并于1953年由上海合眾、五昌機(jī)器廠和上海醫(yī)療器械廠分工制造，20世紀(jì)50年代共生產(chǎn)10套，當(dāng)時由于質(zhì)量差、能耗大沒有發(fā)展起來。1965年原北京人民廠、輕工部研究所和北京工業(yè)研究所合作對果蔬、肉類、對蝦、雞蛋粉等凍干進(jìn)行試驗(yàn)研究，并設(shè)計制造了每日脫水500kg的凍干設(shè)備，擱板面積為43.5m2，于1969年在原北京人民廠試車并投產(chǎn)。20世紀(jì)60年代，北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建

32、立了一些實(shí)驗(yàn)性凍干食品生產(chǎn)廠家并先后仿制了一批凍干機(jī)，特點(diǎn)是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。1965年原北京人民廠、輕工部研究所和北京工業(yè)研究所合作對果蔬、肉類、對蝦、雞蛋粉等凍干進(jìn)行試驗(yàn)研究，并設(shè)計制造了每日脫水500kg的凍干設(shè)備，擱板面積為43.5m2，于1969年在原北京人民廠試車并投產(chǎn)。</p><p>　　1974年上海梅林罐頭廠對凍干進(jìn)行開發(fā)，于1978年建成了年產(chǎn)300噸的冷凍升華干

33、燥車間，這是當(dāng)時我國最大的凍干裝置。該裝置采用蒸汽噴射泵抽真空系統(tǒng)，加熱方式采用平板式加熱板，以水為載熱體，加熱板表面涂以黑色涂料，以增加輻射強(qiáng)度。在國產(chǎn)凍于機(jī)中是首次采用輻射加熱型式的機(jī)型。1975年，華中工學(xué)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 m2的大型凍干機(jī)，采用單機(jī)雙級壓縮機(jī)，這是我國自行研制的第一臺能在凍干機(jī)內(nèi)加塞的凍干饑。1977年廣東省江門冷凍廠建成冷凍干燥車間，最大日處理鮮蘑菇可達(dá)600k

34、g，當(dāng)時的凍干因加工費(fèi)用高且未打入國際市場效益不佳而導(dǎo)致工廠停產(chǎn)。為加快我國凍干技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電部將工業(yè)真空冷凍干燥機(jī)列入1988年工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目，由華中理工大學(xué)承擔(dān)并與浙江真空設(shè)備廠協(xié)作進(jìn)行研制，產(chǎn)品于1989羊通過部級鑒定，該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，擱板間距可調(diào)，采用微機(jī)程控。80年代后，凍干的生產(chǎn)在我國又有了較大的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)效益比較好的是青島市第二廠(青島大洋股份有限公司)，引進(jìn)了日本凍干設(shè)備生產(chǎn)凍干香蔥、姜片等，主要用于出口

35、。1990年東北大學(xué)研制了ZLC-1型</p><p>　　1.5我國凍干的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 </p><p>　　近幾年來，國內(nèi)在凍干設(shè)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(jī)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(jī)的水平也有了很大的是高，全部執(zhí)行了GMP標(biāo)準(zhǔn)，基本上都設(shè)置了自動清洗裝置(CIP )，自動加蓋機(jī)構(gòu)。此外，清華大學(xué)核能設(shè)計研究院引進(jìn)

36、俄羅斯真空冷凍干燥設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，直接與國家一級企業(yè)煙臺冰輪集團(tuán)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(diǎn)是：起點(diǎn)高、投資少、見效快。在引進(jìn)、消化、吸收的同時，對設(shè)備的改進(jìn)提出了切實(shí)可行的方案，特別是控制系統(tǒng)設(shè)計，從工藝要求出發(fā)，在考慮節(jié)能的同時，以進(jìn)一步提高效率為目的，采用現(xiàn)代化的儀表和先進(jìn)控制手段，對設(shè)備的控制系統(tǒng)重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，從根本上提高了我國冷凍干燥機(jī)的整體設(shè)計及控制水平。我國第一臺連續(xù)式冷凍干燥裝置在遼寧沈陽研

37、制成功并通過了投產(chǎn)及技術(shù)鑒定，該裝置達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，為中國制冷史增添了新的一頁[5]。</p><p>　　但是，目前我國凍干機(jī)還都是非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。大部分生產(chǎn)廠家走的是仿制道路，有些廠家在采用國外先進(jìn)技術(shù)的同時，進(jìn)行了較大的改進(jìn)。如：加熱板內(nèi)采用了特殊導(dǎo)流裝置，使板內(nèi)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(shí)現(xiàn)交替捕水和融冰，捕水器盤管內(nèi)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

38、冷，使捕水器盤管內(nèi)溫度均勻，結(jié)霜性能良好。除仿制之外，國內(nèi)自己的研制能力也在提高，有些單位已經(jīng)脫離了仿制國外機(jī)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)，降低了設(shè)備價格。但國產(chǎn)凍干設(shè)備還有許多不足，例如：主要控制元件和可靠的功能元件靠進(jìn)口；連續(xù)式凍干備太少；實(shí)驗(yàn)用凍干設(shè)備功能、精度不能滿足要求；互相重復(fù)的東西太多，創(chuàng)新性成果太少。</p><p>　　為提高我國凍干設(shè)備的整體技術(shù)水平，保設(shè)

39、備質(zhì)量，由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會組織，煙臺冰輪集團(tuán)有限公司起草了我國凍干設(shè)備方面的第一份行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10285-2001《真空冷凍干燥設(shè)備》并已于2001年發(fā)布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)俄羅斯全境禽類加工工業(yè)科學(xué)研究院轉(zhuǎn)讓的ZDG系列凍干設(shè)備技術(shù)而制定，參數(shù)指標(biāo)參照了丹麥ATLAS工業(yè)公司相同設(shè)備的性能指標(biāo)，且達(dá)到了該公司及俄羅斯全境禽類加工工業(yè)科學(xué)研究院的指標(biāo)水平。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施無疑將對我國凍干設(shè)備行業(yè)的發(fā)展起較大的促進(jìn)作用。</p&g

40、t;<p>　　1.6實(shí)驗(yàn)用凍干機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　全國各地涌現(xiàn)出大大小小不少于30家的凍干設(shè)備的生產(chǎn)廠，這其中，有一部分是真正的凍干設(shè)備國產(chǎn)化，促進(jìn)國內(nèi)凍干行業(yè)進(jìn)步而努力攻關(guān)的大專院校和科研單位，以及有一定技術(shù)基礎(chǔ)和科研力量的軍工企業(yè)，真空設(shè)備、速凍設(shè)備制造廠等。但是，也有一些是與凍干行業(yè)不相關(guān)，以為生產(chǎn)凍干設(shè)備有利可圖而匆匆上馬的機(jī)械加工等單位，所以，一時間魚目混珠，打出生產(chǎn)

41、凍干設(shè)備的廣告而從未設(shè)計和銷售一臺凍干設(shè)備的廠家比比皆是。大部分國產(chǎn)凍干機(jī)生產(chǎn)廠家走的是仿制道路。有的廠家在采用國外先進(jìn)技術(shù)的同時，進(jìn)行了很大的改進(jìn)。如加熱板內(nèi)采用了特殊導(dǎo)流裝置，使板內(nèi)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(shí)現(xiàn)交替捕水和融冰，捕水器盤管內(nèi)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(nèi)溫度均勻，結(jié)霜性能良好。除仿制之外，國內(nèi)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(jī)型，抽氣

42、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(shè)備價格有所降低。但是國產(chǎn)凍干機(jī)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(jié)構(gòu)和材料</p><p>　　目前國內(nèi)單箱凍干面積在0.4m2以上原料藥用真空冷凍干燥機(jī)很少。國內(nèi)一些制造商以制造雙箱擱板面積2×0.2m2以上加單一水汽凝結(jié)器結(jié)構(gòu)組合為主。</

43、p><p>　　這種雙箱和單一水汽凝結(jié)器組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：</p><p>　　①從生產(chǎn)過程管理角度來看，由于二個干燥箱體本身制造質(zhì)量即真空泄漏率上存在差異，故雙箱凍干成品同一批質(zhì)量上如殘余含水量等存在差異；</p><p>　　②當(dāng)凍干產(chǎn)品產(chǎn)量不足時，停止一個干燥箱工作，只有一個干燥箱參與工作，水汽凝結(jié)結(jié)器容量富裕一半，如用一臺壓縮機(jī)工作的話浪費(fèi)能耗，一般為雙套壓縮機(jī)組；

44、</p><p>　　③干燥箱內(nèi)凍結(jié)產(chǎn)品升華的水蒸汽運(yùn)行至水汽凝結(jié)器的通道彎曲、阻力較大；</p><p>　?、芩Y(jié)器為直接膨脹供液方式，應(yīng)對負(fù)荷變動能力差，以犧勝冷凝器溫度為代價，使凍結(jié)制品升華溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓與冷凝器溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓的兩者壓差減小，水蒸汽運(yùn)行時推動力減小，凍結(jié)制品升華速率也降低，導(dǎo)致凍干周期延長。</p><p>　　總的來說，

45、限于國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的水平和自動控制技術(shù)等的因素，雖然一些國產(chǎn)的凍干設(shè)備經(jīng)過了國家鑒定，達(dá)到了一定的水平，但跟進(jìn)口凍干設(shè)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(jī)，存在的主要問題是設(shè)計上模仿國外進(jìn)口機(jī)型制造出的設(shè)備雖能滿足使用，但仍未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能，盡管制造成本低，售價低，可是運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。小型凍干機(jī)存在的問題主要是性能不好，往往達(dá)不到實(shí)際要求。這就要求我們努力改進(jìn)設(shè)備，縮短與國外設(shè)備之間的差距，完善國產(chǎn)的凍干機(jī)[6

46、]。</p><p>　　國外實(shí)驗(yàn)用凍干機(jī)的特點(diǎn)是：1、產(chǎn)品嚴(yán)格按有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造。例如目前國際制藥業(yè)權(quán)威GMP標(biāo)準(zhǔn)，美國衛(wèi)生部和食品藥品管理局FDA標(biāo)準(zhǔn)以及CIP(自動清洗)技術(shù)。隨著PV(過程檢驗(yàn))概念的引入，對凍干設(shè)備提出了更高的要求。2、凍干過程自動化裝置的實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)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(shù)并研制出自動裝料、運(yùn)載、凍干、輸出、封蓋的全自動無人操作裝置，使凍干無菌室實(shí)現(xiàn)

47、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(jì)性，為了確保凍干機(jī)無故障運(yùn)行，除了在制造過程中實(shí)現(xiàn)全面質(zhì)量控制外，設(shè)計時米用備用機(jī)，凍干過程中設(shè)有制品取樣分析裝置。經(jīng)疥性指標(biāo)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(jī)中，丹麥的阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續(xù)式凍干機(jī)，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水汽凝結(jié)器除冰再生技術(shù)和TL型液體食品密閉系統(tǒng)管式凍干機(jī)可代表世界食品凍干機(jī)的先進(jìn)技術(shù)[7]

48、。</p><p>　　1.7本課題研究內(nèi)容</p><p>　　設(shè)計一臺試驗(yàn)型凍干設(shè)備，擱板面積為0.4m2。整體方案的設(shè)計，干燥室的設(shè)計計算，捕水器的設(shè)計計算，水汽凝結(jié)器的設(shè)計與計算，制冷系統(tǒng)的選擇，真空系統(tǒng)的設(shè)計與計算，制冷系統(tǒng)的選擇，控制系統(tǒng)的設(shè)計，其余零部件的設(shè)計。 </p><p>　　2 真空冷凍干燥的理論基礎(chǔ)</p

49、><p>　　2.1凍干的基本原理</p><p>　　真空冷凍干燥（簡稱凍干）是將含水物質(zhì)先凍結(jié)成固態(tài)，然后使其中的水份從固態(tài)升華成氣態(tài)，從而除去水份而保存物質(zhì)的方法。 </p><p>　　2.2真空冷凍干燥的基本過程</p><p>　　真空冷凍干燥工藝流程主要包括以下幾個方面：</p><p>　　(1)制品的制

50、備(前處理)：如藥物的培養(yǎng)、滅菌、分裝、洗瓶、半加塞等；</p><p>　　食品原料的挑選清洗、切分、滅酶、分裝等；</p><p>　　(2)制品的凍結(jié)(預(yù)凍)：將制品凍結(jié)成固態(tài)；</p><p>　　(3)第一階段干燥(升華干燥)：將制品中的冰晶以升華方式除去；</p><p>　　(4)第二階段干燥(解吸干燥)：將殘留于制品的水分在較

51、高溫度下蒸發(fā)一部分，使殘余水分達(dá)到預(yù)定要求；</p><p>　　(5)密封包裝(后處理)：已干制品一般應(yīng)在真空或充惰性氣體條件下密封包裝，以利于儲存。</p><p>　　2.2.1物料制品的準(zhǔn)備及預(yù)凍過程</p><p>　　物料制品的準(zhǔn)備及預(yù)凍過程：如藥物的培養(yǎng)、滅菌、分裝、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑選、清洗、切分、滅酶、分裝殺菌、添加反應(yīng)劑和抗氧化劑等。將

52、制品凍結(jié)成固態(tài)[8]。</p><p>　　其目的是清除雜物，使之易升華干燥；清除醇素引起的變質(zhì)；防止脂肪氧化和酵母引起的化學(xué)變質(zhì)。同時切分尺寸及切口方位影響凍干速率。如在物料的切制成片時，應(yīng)垂直于食品的纖維方向切斷，這有利于干燥時產(chǎn)生的水蒸氣逸出和提高部分傳熱系數(shù)，可減少能耗。且物料厚度越小，消耗的能量也隨著降低。在下階段凍結(jié)過程中，食品的初始溫度直接影響到凍結(jié)結(jié)束時平均溫度，因此在預(yù)處理時應(yīng)對食品進(jìn)行預(yù)冷處理

53、。方法是將物料浸入溫度為5℃-10℃的水中快速冷卻不同的食品，有不同的預(yù)處理工藝。預(yù)處理對凍干制品質(zhì)量影響很大，需嚴(yán)格按工藝要求操作。</p><p>　　預(yù)凍是將溶液中的自由水固化，使干燥后產(chǎn)品與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽真</p><p>　　空干燥時起泡、收縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化產(chǎn)生，減少因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。</p><p>　　

54、一般來說預(yù)凍之前應(yīng)確定三個數(shù)據(jù)：一是預(yù)凍速率，產(chǎn)品不同，其最優(yōu)冷凍速率也不同，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)來確定；預(yù)凍的最低溫度，應(yīng)根據(jù)該產(chǎn)品的共熔點(diǎn)來決定，預(yù)凍的最低溫度應(yīng)低于共熔點(diǎn)溫度；是預(yù)凍時間，根據(jù)設(shè)備的情況來決定，保證抽真空之前所有產(chǎn)品均已凍實(shí)。果沒有凍實(shí)，則抽真空時產(chǎn)品會沒有一定的形狀；凍干箱的每一板層之間的溫差小，則預(yù)凍時間可以相應(yīng)縮短，一般產(chǎn)品的溫度達(dá)到預(yù)凍最低溫度之后1-2小時即可開始抽真空升華。凍干是工藝要求最復(fù)雜的一道工序，要嚴(yán)格按

55、一定的工藝要求(即凍干曲線)進(jìn)行。凍干曲線是指凍干物料溫度和凍干箱內(nèi)壓力隨時間變化的曲線。不同的物料、同的品種、不同的凍干設(shè)備，都有不同的凍干曲線，一般都是由實(shí)驗(yàn)確定，再用來指導(dǎo)凍干生產(chǎn)。</p><p>　　2.2.2一次干燥（升華干燥）過程</p><p>　　升華干燥也稱為第一階段干燥，將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，當(dāng)全部冰晶除去時，第一階段干燥就完成了，此時約除去全部水

56、分的90％。干燥是從外表面開始，逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成其后升華水蒸氣的逸出通道。</p><p>　　第一階段干燥（升華干燥）：將制品中的冰晶以升華方式除去。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產(chǎn)品脫水干燥。干燥是從外表面開始，逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的。在產(chǎn)品凍干的第一階段，除了要保持凍結(jié)產(chǎn)品的溫度不能超共晶點(diǎn)以外，產(chǎn)品干燥部分的溫度也必須低于其干燥

57、層表面容許的最高溫度(不燒焦或變性)，還要保持已干燥的產(chǎn)品溫度不能超過崩解溫度。</p><p>　　當(dāng)溫度上升到共晶點(diǎn)溫度以上時，產(chǎn)品就會發(fā)生熔化或產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象，致使凍干失敗，這時的溫度叫崩解溫度，崩解溫度主要由溶液的成分所決定"過低的崩解溫度會延長干燥時間，而且可能是設(shè)備能力所不能達(dá)到的，可以通過選擇合適的添加劑來提高崩解溫度。</p><p>　　空隙變成爾后升華水蒸氣的逸

58、出通道。已干燥層和凍結(jié)部分的分界面（實(shí)際上是一薄層）稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約為1mm/h的速率向內(nèi)推進(jìn)。當(dāng)全部冰晶除去時，升華干燥就完成了，此時可除去全部水分的90％左右。</p><p>　　2.2.3二次干燥（解析干燥）過程</p><p>　　解吸干燥也稱為第二階段干燥。第二次干燥（解析干燥）過程：將殘留于制品的水分在較高溫度下蒸發(fā)一部分，使殘余水分達(dá)到預(yù)定要求。解

59、吸干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基因上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的。當(dāng)它們達(dá)到一定含量時，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。實(shí)驗(yàn)證明，即使是單分子層吸附的低含水量，也可能成為某些化合物的溶液，產(chǎn)生與水溶液相同的移動性和反應(yīng)性。因此為了改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分中的大部分，只留下單分子層的水分。這就是解吸干燥的目的。</p><p&g

60、t;　　第一階段干燥是將水以冰晶形式除去的，因此凍干層的溫度和升華界面的壓力都必須控制在產(chǎn)品共熔點(diǎn)（或崩解溫度）以下，才不致使冰晶溶化。但對于吸附水，其吸附能量高，如果不給它們提供足夠的能量，它們就不可能從吸附中解吸出來。因此，這一階段產(chǎn)品的溫度應(yīng)足夠地高，只要不超過允許的最高溫度，不燒毀產(chǎn)品和不造成產(chǎn)品過熱而變性就可。同時，為了使解吸出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chǎn)品，必須使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸氣壓差，因此此階段中箱內(nèi)必須高真空。增加

61、會使細(xì)胞脫水而死亡。溶質(zhì)效應(yīng)在某一溫度范圍最為明顯，這個溫度范圍是在水的冰點(diǎn)和該液體的全部固化溫度之間，為了減弱溶質(zhì)效應(yīng)，需要以最高的凍結(jié)速率越過這個溫度范圍。機(jī)械效應(yīng)就是預(yù)凍速度慢，產(chǎn)生冰晶大而不規(guī)則；干燥時對于水蒸氣擴(kuò)散阻力小，有利于升華。但會對細(xì)胞組織產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷，影響成品的彈性和復(fù)水性，且復(fù)水性差。而快速冷凍產(chǎn)生的冰晶較小，形成的晶核數(shù)量越多，孔隙度越小，阻力越大，水蒸氣只有靠滲透穿過己干的固體膜層，干燥時間大大延長，不利

62、于升華，但干后復(fù)水性好。解決這個問題只需要增大冰晶體的體積。從實(shí)驗(yàn)得知，食品溫度在-1℃-5℃時，其絕大部分從液相變?yōu)楣滔啵环Q</p><p>　　冰升華完畢，產(chǎn)品的干燥就進(jìn)入了第二階段。在第一階段干燥后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的。當(dāng)它們達(dá)到一定含量時，就為微生物的生長繁殖和某些反應(yīng)提供了條件。為了使產(chǎn)品達(dá)到合格的殘余水份含量，改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性，延長保存期，必

63、須對產(chǎn)品進(jìn)一步干燥。在解吸干燥階段，可以使產(chǎn)品的溫度迅速地上升到該產(chǎn)品的最高允許溫度，并在該溫度下一直維持到凍干結(jié)束為止。同時，為了使解析出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chǎn)品，必須使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸汽壓差，因此在此階段中箱內(nèi)必須高真空。</p><p>　　第二階段干燥后，產(chǎn)品內(nèi)殘余水分的含量視產(chǎn)品種類和要求而定。一般在0.5％-4％之間。干燥的傳熱方式主要是傳導(dǎo)和輻射，其傳熱效率低。近年也有采用循環(huán)壓力法，其

64、基本原理是降低真空度以增加強(qiáng)制對流的效能來決定，保證抽真空之前所有產(chǎn)品均已凍實(shí)。一般產(chǎn)品的溫度達(dá)到預(yù)凍最低溫度之后1-2小時即可開始抽真空升華。預(yù)凍的速度影響真空凍干食品的質(zhì)量與凍干速率，為了獲得不同的降溫速度，就要采用不同的預(yù)凍方法；例如有時需裝箱之后才開始凍干箱的降溫；有時需要讓機(jī)器預(yù)先降到低溫，再將產(chǎn)品裝入凍干箱內(nèi)。由試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，預(yù)凍過程中會產(chǎn)生溶質(zhì)效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。溶質(zhì)效應(yīng)就是在預(yù)凍過程中，水分慢慢凍結(jié)而減少，導(dǎo)致溶液中電解質(zhì)濃度

65、逐漸升高，電解質(zhì)濃度的增加引起蛋白質(zhì)的變性，而使細(xì)胞死亡；另外電解質(zhì)濃度的</p><p>　　食品第二階段干燥后，產(chǎn)品內(nèi)殘余水分的含量視產(chǎn)品種類和要求而定。一般在0.45%-4%之間，食品在真空冷凍干燥過程中需吸收一定的熱量，這個過程實(shí)際上是傳熱。顯然，如何將熱量更為有效地傳給物料，將影響干燥速率。真空冷凍干冷凍干燥食品的香味對消費(fèi)者來說是判定它質(zhì)量的一個重要準(zhǔn)則，研究認(rèn)為，具有芳香風(fēng)味的食品，慢凍過程中冰結(jié)晶

66、之間的固體物質(zhì)部分較大，升華中通過擴(kuò)散香味損失減少，有利于芳香的保持。對于藥品、抗菌素以及血清，血漿和蛋白質(zhì)標(biāo)本可以進(jìn)行緩慢凍結(jié)，因?yàn)樗鼈兊纳锾匦圆粫l(fā)生變化。但是對細(xì)菌和病毒需要快速凍結(jié)，因?yàn)檫@樣能保持它們的生命能力，避免溶質(zhì)效應(yīng)的產(chǎn)生。綜上所述，需要選取一個合適的預(yù)凍速度，以得到較高的存活率和較好的物理性狀及溶解度，且有利于干燥過程中的升華。不同的物料應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定其最佳預(yù)凍速度。</p><p>　　在進(jìn)

67、入干燥室以前必須低于共晶點(diǎn)溫度，共晶點(diǎn)溫度必須在預(yù)凍前通過實(shí)驗(yàn)測得，測定共晶點(diǎn)的方法有多種，有電阻檢測法、差熱分析儀掃描法、低溫顯微鏡直接觀察法等。其中電阻檢測法方便宜行。測量時一般先把需要凍干的產(chǎn)品配制成溶液，溶液凍結(jié)后離子將固定不能運(yùn)動，因此電阻率將非常大，而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產(chǎn)品的電阻率將能確定其共晶點(diǎn)。在制定實(shí)際工藝曲線時，一般預(yù)凍溫度要比共晶點(diǎn)溫度低5℃-10℃。</p><p>

68、;<b>　　2.2.4后處理</b></p><p>　　經(jīng)凍干的制品不僅含水量低，且其呈多孔狀，組織表面比原來擴(kuò)大100-150倍，因而吸濕性強(qiáng)，易受氧化影響。為了便于保存，后處理不容忽視，后處理的主要內(nèi)容是包裝。包裝材料一般選不透水、隔氧、遮光的真空鍍鋁薄膜及PET/鋁薄/即復(fù)合材料。包裝形式可采用真空包裝或真空充氣包裝(充氮或二氧化碳)食品中的微生物會導(dǎo)致包裝后食品的變質(zhì)和敗壞，必須

69、采取各種有效的滅菌和消毒方法，對包裝材料和食品殺菌。對凍干食品來說，常用的方法有紫外線殺菌和輻射殺菌。值得一提的是在包裝過程中，隨著技術(shù)的發(fā)展，微波也應(yīng)用于食品包裝上。食品包裝紙在生產(chǎn)、傳輸和保存過程中，極易受到病原微生物的污染，常規(guī)的化學(xué)或物理消毒方法都會損及紙的品質(zhì)，尤其是化學(xué)消毒方法，甚至?xí)蚱涑粑抖档图埖氖褂脙r值。有的考慮其安全問題，用紫外線燈進(jìn)行滅菌，效果也不理想，所以很難處理。微波消毒比常規(guī)加熱消毒所需溫度低，殺菌從表面到

70、內(nèi)部均能實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高干燥速率，降低成品的價格，對凍干產(chǎn)品的發(fā)展具有重大意義。因此必須多方面努力，尋求先進(jìn)可行的操作過程，對于一種新的物料，在制定合適的操作方案時，最好在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上測定主要因素對凍干過程的影響，以供實(shí)際操作時參考。</p><p>　　隨著我國種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的提高，國際市場對真空冷凍干燥食品需求量的不斷增加，食品的加

71、工貯藏工業(yè)越來越被人們重視；冷凍干燥作為新技術(shù)必將得到進(jìn)一步飛速發(fā)展，成為很有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　3 ZLG-0.4型真空冷凍干燥機(jī)</p><p><b>　　3.1整體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　凍干機(jī)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(nèi)，干燥過程在干燥倉內(nèi)一次完成，

72、這種形式減少了凍結(jié)食品的運(yùn)輸，但干燥倉內(nèi)應(yīng)合理設(shè)計干燥擱板、加熱板、制冷裝置的關(guān)系，且對干燥倉需要保溫；后者是食品凍結(jié)與干燥過程分開進(jìn)行，將凍結(jié)好的食品放入干燥倉內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥倉內(nèi)不含制冷裝置，可簡化干燥倉的結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計ZLG-0.4型凍干機(jī)是凍干合一型。它由干燥箱、水汽凝結(jié)器（捕水器）、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)六大部件組成。設(shè)計的主要部分是干燥箱、水汽凝結(jié)器（捕水器）、真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。采用整體式結(jié)構(gòu)，所有系統(tǒng)

73、與構(gòu)件裝在一個機(jī)架內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)美觀大方，搬運(yùn)方便，為便于觀察實(shí)驗(yàn)，觀察窗采用聚丙稀有機(jī)玻璃。凍干箱中設(shè)工件架，工件架上設(shè)有擱板，用來擱置凍干的物料。水汽凝結(jié)器用來凝結(jié)物料升華產(chǎn)生的水汽，用接管和凍干箱相連。制冷循環(huán)一般為復(fù)疊式，制冷系統(tǒng)中涉及兩個熱力膨脹閥和兩個電磁截止閥，分別通向凍干箱和捕水器，兩個電磁截止閥相互連鎖，一個開啟時，兩一個關(guān)閉狀態(tài)。真空系統(tǒng)包括凍干箱，捕水器和真空管道，選擇真空泵，選旋葉泵。加熱系統(tǒng)，凍干箱的隔板的升溫采

74、用管</p><p>　　圖3-2 ZLG-0.4型真空冷凍干燥設(shè)備系統(tǒng)示意圖 </p><p>　　3.2干燥室的設(shè)計</p><p>　　凍干箱是凍干機(jī)的核心部件。凍干箱是一個能夠制冷到-60℃左右，能夠加熱到+80℃左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機(jī)的主要部分，需要凍干的產(chǎn)品就放在箱內(nèi)分層的金屬板層上，對

75、產(chǎn)品進(jìn)行冷凍，并在真空下加溫，使產(chǎn)品內(nèi)的水份升華而干燥。醫(yī)藥用凍干機(jī)的物料冷凍和干燥都在凍干箱內(nèi)完成；食品用凍干機(jī)的物料預(yù)凍合格后也在凍干箱內(nèi)完成真空干燥。所以，凍干箱內(nèi)需要有加熱和制冷的隔板，需要有熱或冷流體的導(dǎo)入，有電極引入部件，有觀察窗等部件。如果帶有消毒滅菌功能的凍干機(jī)，箱體還必須能承受內(nèi)壓。箱體有圓筒形和長方形兩種。本設(shè)計為實(shí)驗(yàn)型的凍干機(jī)，選用長圓筒形。</p><p>　　凍干箱是凍干機(jī)的主體部件，它

76、是一個隔熱容器，凍干箱的箱體是嚴(yán)格要求密封的外壓容器，將凍干機(jī)的凍干箱內(nèi)徑設(shè)計成ø700mmx940mm，容積為1.5m3，采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成，箱體和箱門內(nèi)表面和箱內(nèi)零件要求表面光滑，箱體內(nèi)角均為滿足GMP條件的大圓角。箱體底面略向后面傾斜，排放蒸氣口設(shè)計在最低點(diǎn)，凍干箱外包有厚綿作隔熱保溫層。凍干箱主要由箱壁、擱板、箱門、和保溫層等部件組成。組成結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 凍干

77、箱的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　3.2.1擱板的設(shè)計</p><p>　　凍干箱中擱板是凍干時放置凍干制品的部件，在凍干箱內(nèi)要設(shè)計擱板醫(yī)藥用凍干機(jī)的擱板上放置被凍干物料，擱板既是冷凍器又是加熱器；有些食品用凍干機(jī)的擱板上放置被凍干物料，大部分食品凍干機(jī)上不放置物料，而只是用作輔助加熱的加熱器。凍干制品的干燥升華過程主要就是通過控制擱板的溫度來實(shí)現(xiàn)的，所以擱板設(shè)計的好壞直接影響到凍干制

78、品的質(zhì)量和成品成分的均勻性無論哪種凍干機(jī)，都要求擱板表面加工平整，溫度分布均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理，便于加工制造。凍干機(jī)擱板結(jié)構(gòu)要根據(jù)降溫和加熱方式而定，通常有四種形式：直冷直熱式，間冷間熱式，直冷間熱式和間冷直熱式。直冷就是將擱板作為直冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，制冷工質(zhì)通過節(jié)流膨脹，直接進(jìn)入擱板中蒸發(fā)制冷；直熱就是將加熱器直接放入擱板中加熱。直冷直熱式的優(yōu)點(diǎn)是冷、熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，對于小型制冷機(jī)可用。直冷直熱式的缺點(diǎn)是降溫和加熱不均勻，不易調(diào)控

79、，特別是加熱不均勻危險較大，可能產(chǎn)生局部過熱使凍干產(chǎn)品變質(zhì)。間冷是將制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器放在凍干箱的外面，制冷劑與冷媒(載冷劑)在蒸發(fā)器中進(jìn)行熱交換，再將冷媒用循環(huán)泵通入擱板中；間熱是在凍千箱外將熱媒加熱，再用循環(huán)泵將熱媒打入擱板循環(huán)。目前采用間冷間熱</p><p>　　擱板采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料制造，采用特殊空心夾板，強(qiáng)度高、密封性好，設(shè)置擱放物料的有效擱板2塊，裝載制品用的，在最上一塊擱板為溫度補(bǔ)償

80、板，確保箱內(nèi)的空間都處在相同的溫度條件下，擱板500mm，寬400mm，板層厚度為30mm，內(nèi)有媒體導(dǎo)管分布其中，可對物料進(jìn)行冷卻或加熱，為了便于進(jìn)出料和清洗，擱板組件可以通過支架安裝在凍干箱內(nèi) ，最上層的一塊擱板為溫度補(bǔ)償加強(qiáng)板，它保證箱內(nèi)所有物料的冷熱環(huán)境相同，符合MGP(醫(yī)藥制造管理和品質(zhì)管理規(guī)則)要求[10]。擱板的技術(shù)要求和設(shè)計要點(diǎn)：</p><p>　　(l)表面光潔，其粗糙度小于0.5μm。<

81、/p><p>　　(2)表面平整度小于1mm/m。</p><p>　　(3)承內(nèi)壓能力不小于0.3Mpa，有足夠的強(qiáng)度和剛度。</p><p>　　(4)擱板工作溫度范圍+125-55℃。</p><p>　　(5)擱板兩側(cè)和后面應(yīng)設(shè)置檔板，以免制品脫離擱板。</p><p>　　目前擱板按制作將其相對壓合在一起用大電流

82、電阻焊焊合相近，但方向相反的底板，將其相對壓合在一起，用大電流電阻焊焊合起來，此種結(jié)構(gòu)板面總的變形也較小，自動化程度較高，是一種較為先進(jìn)的加工方法，但是因在熔點(diǎn)處板面有熔化，冷卻后擱板表面略有凹坑，加了表面平整的加工量。此外，由于熔點(diǎn)除承受內(nèi)壓外還需承受變</p><p>　　形力，加之熔點(diǎn)承力面較小，因此要有足夠多和足夠大的熔點(diǎn)。如圖3-3結(jié)構(gòu)示意圖：</p><p>　　圖3-3 擱板

83、結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　3.2.2擱物架架體的設(shè)計</p><p>　　擱物架架體的設(shè)計采用不銹鋼制成，長500mm，寬400mm，高470mm，有三塊擱板固定在架體中，其中二塊為有效隔板，擱板間距為190mm。如圖3-4擱物架架體的結(jié)構(gòu)示意圖：</p><p>　　圖3-4 擱物架架體的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　3.2.3水

84、管的設(shè)計</p><p>　　水管材料選用不銹鋼，一共需要設(shè)計9根接管，壁厚為5mm。如圖3-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10所示：</p><p>　　圖3-5接管1結(jié)構(gòu)所示</p><p>　　圖3-6 接管2結(jié)構(gòu)所示</p><p>　　圖3-7 接管3結(jié)構(gòu)所示</p><p>　　圖3-8 接管4結(jié)

85、構(gòu)所示</p><p>　　圖3-9 三通頭1結(jié)構(gòu)所示</p><p>　　圖3-10 三通2結(jié)構(gòu)所示</p><p>　　3.2.4箱體強(qiáng)度的計算</p><p>　　考慮到裝載量和機(jī)械性能，凍干箱選擇圓筒形箱體，材料為1Cr18NgiTi(不銹鋼)圓筒形箱體只承受外壓時，可按穩(wěn)定條件計算，其壁厚為：</p><p>

86、;<b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：S0---筒箱體計算壁厚，mm；</p><p>　　Di---圓筒內(nèi)徑，mm；</p><p>　　P--外壓涉及壓力，MPa；</p><p>　　L--圓筒計算長度，mm，通常是相鄰兩加強(qiáng)筋之間長度；</p><p>　　Ei--材

87、料溫度為t時的彈性模量，Mpa；</p><p>　　圓筒的實(shí)際壁厚為：S=S0+C </p><p>　　式中：C--壁厚附加量，mm?？捎霉?lt;/p><p>　　C= C1+C2+C3 （3.2）</p><p

88、><b>　　計算得到。</b></p><p>　　C1--鋼板的最大負(fù)公差附加量，一般情況下取C=0.5mm；</p><p>　　C2--腐蝕裕度，在凍干機(jī)中，一般取C2=lmm；</p><p>　　C3--封頭沖壓時的拉伸減薄量，一般取計算值的10%，且不大于4mm，不經(jīng)沖壓的封頭取C3=0；式中的使用條件是：材料泊松系數(shù)μ=0

89、.3；；0.4 ，一般之值大于5時，可設(shè)計加強(qiáng)圈。建議設(shè)計加強(qiáng)圈不大于5時，為了減少壁厚亦本設(shè)計中?。簣A筒內(nèi)徑：700 mm；</p><p>　　外壓設(shè)計壓力：0.1MPa；</p><p>　　圓筒計算長度：940mm；</p><p>　　不銹鋼在-20℃時的彈性模量： 1.99x105MPa；</p><p><b>　　C

90、1=0.5mm；</b></p><p>　　C2=1mm； </p><p><b>　　C3=4mm：</b></p><p><b>　　μ=0.3；</b></p><p><b>　　L/D=1.34；</b></p><

91、p>　　0.4 =0.0035， (0.523為參考值)</p><p>　　則：圓筒箱壁的計算厚度為：1.5mm；</p><p>　　壁厚附加量為：3.5mm；</p><p>　　圓筒箱壁的實(shí)際厚度為：5 mm。</p><p>　　3.2.5保溫層厚度的確定</p><p>　　凍干箱體外表面需采用適當(dāng)

92、的絕熱保溫層以達(dá)到節(jié)約能源的作用，選取溫差-60℃，查表得k0=0.17 kal/(m2·h·℃)；</p><p>　　由k0=l/R0得：</p><p>　　R0=5.88(m2·h·℃)kal。</p><p>　　采用聚氨醋泡沫塑料作為保溫材料。</p><p>　　由冷藏庫設(shè)計手冊查得入=1

93、26W/((m·℃)=0.03kal/(m2·h·℃)</p><p><b>　　由R=δ/λ得；</b></p><p>　　δ=R/λ= 0.035m。</p><p>　　即：保溫材料厚度為35mm。</p><p>　　3.2.6 觀察窗</p><p>

94、　　為了觀測凍干過程中，物料形態(tài)色澤的變化，凍干箱設(shè)置了觀察窗，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品凍干過程一目了然.，觀察窗采用聚丙稀有有機(jī)玻璃門ø208mm，厚度為3mm，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品凍干過程一目了然[11]。</p><p><b>　　3.2.7真空規(guī)</b></p><p>　　真空規(guī)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-11 真空規(guī)的結(jié)構(gòu)示

95、意圖</p><p>　　3.2.8干燥室熱負(fù)荷的計算 </p><p>　?。?）冷卻被凍干物料耗冷量：</p><p>　　因被凍干物料不同，耗冷量是不同的。在通用凍干機(jī)的設(shè)計計算中，可以按最大裝料量計算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最大裝料量為10kg/m2。每次降到一60℃的時間可取為τ=3 h。耗冷量為：</p><p>　　qa=Ga(C1

96、△t1+γ+C2△t2)/ τ （3.3）</p><p>　　式中Ga。每次凍干最大裝料量，Ga=4kg；C1為凍干物料質(zhì)量比熱容，可按水計算，C1=4.18kJ/kg·℃(從20℃至0℃平均比熱容)；△t1為溫度差，△t1=20℃； γ為0℃水變成0℃冰的凝結(jié)熱，γ=2837kJ/kg；C2為冰從0℃降到一60℃時的平均比熱容，取C2=8.7kJ/kg

97、83;℃；△t2=60℃。因此：</p><p>　　qa=4589.6 KJ/h</p><p>　?。?）擱板降溫所需耗冷量：</p><p>　　qb = Gb C△t/ τ （3.4）</p><p>　　式中Gb為擱板重量，計算得Gb=20.1kg；C為擱板材料比熱容，取C=0.48

98、9kJ/kg·℃；其余符號同前。計算得：</p><p>　　qb=263.4KJ/h</p><p>　?。?）箱壁及箱內(nèi)其他零件的耗冷量：</p><p>　　qc=Gc`C·△t/τ （3.5）</p><p>　　式中Gc為箱壁及箱內(nèi)其它零件的總重量，計算得出，Gc=8

99、0kg；其余符號同前。</p><p>　　qc=1043.2kJ/h</p><p>　　（4）圍欄的結(jié)構(gòu)傳熱量計算：</p><p>　　qd=KF△t （3.6） </p><p>　　中K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，K=λ/σ， λ為隔熱材料導(dǎo)致系數(shù)，查得λ=0.15kJ/m·

100、h·℃，σ占為隔熱材料的厚度，取占=35mm，計算出K=4.28kJ/時·h·℃；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，計算得F=1.33m2；△t為凍干箱內(nèi)外溫差，△t=80℃；</p><p>　　qd=4.28x1.33x80=455.4kJ/h</p><p>　　（5）凍干箱總耗冷量：</p><p>　　q=qa+qb+qc+qd=6351.

101、6KJ/h=1764W</p><p>　　3.3真空系統(tǒng)的設(shè)計與計算</p><p>　　這里所說的真空室包括凍干箱、捕水器和真空管道。因?yàn)樗魵獗徊端鞒樽撸耘浔脮r不考慮抽水蒸氣的量。凍干機(jī)的真空系統(tǒng)設(shè)計主要是依據(jù)空載時真空室要求的極限真空、干燥物料時所要求的工作壓力、和抽氣速率選擇真空泵，依據(jù)工藝生產(chǎn)中被干燥物料所放出的氣體，真空室內(nèi)構(gòu)件的放氣量及系統(tǒng)的總漏氣率選擇主泵的大小。主

102、泵(羅茨泵)的性質(zhì)：主泵需要配前級泵。前級泵的幾點(diǎn)規(guī)定：前級泵應(yīng)保證始終及時排除主泵所排出的氣體流量；前級泵在主泵(羅茨泵)出口處造成的壓強(qiáng)應(yīng)低于主泵的最大排氣壓強(qiáng)；兼作預(yù)抽泵的前級泵要滿足預(yù)抽時間及預(yù)抽真空度的要求；泵由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與定子間的間隙較大，所以它對氣體的壓縮比較小，一般比其前級泵要大些[12]。</p><p>　　對于真空冷凍干燥來說，食品用凍干機(jī)空載時極限壓力為5-15Pa。從《真空冷凍干

103、燥機(jī)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》可查到羅茨泵的最佳壓力使用范圍為1-104Pa。所以主泵選用羅茨真空泵，茨泵是一種真空一般情況下在工作中不能將氣體直接排到大氣中去，必須有一個前級泵，并且工作前必須有一個預(yù)真空環(huán)境1333Pa方能工作。茨泵性能與前級泵有密切關(guān)系。茨泵啟動快，允許被抽氣體含有可凝性蒸汽，因?yàn)榱_茨泵不會將這些氣體壓縮到飽和狀態(tài)。它的缺點(diǎn)是抽含有分子量較小的氣體時，其抽氣速度陡降，因?yàn)檫@種氣體在轉(zhuǎn)子與定子間的間隙內(nèi)擴(kuò)散比空氣快，返流量較大，

104、故抽速下降。當(dāng)抽除含有大量水蒸氣的混合氣體，或者類似具有較高蒸汽壓的氣體，且被抽氣體不破壞前級泵油，選擇羅茨泵與旋片泵組成的機(jī)組是最經(jīng)濟(jì)的。本設(shè)計為小型實(shí)驗(yàn)用機(jī)，物料凍干的真空度一般要求在10-130Pa范圍，極限真空要求1Pa左右，因此選用極限真空為0.065Pa的雙級旋片泵作為主泵，不需配置前級泵。在這里根據(jù)范圍粗略選用旋片式油封機(jī)械真空泵。</p><p>　　3.3.1真空泵放氣量的計算</p>

105、;<p>　　Q=Qo+QL (3.7)</p><p>　　式中Q0真空室內(nèi)壁和表面放氣量；QL 為真空室的漏氣量。</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　式中qi為每種材料單位表面積出氣速率；Fi為每種材料暴露

106、在真空室一側(cè)的表面積。</p><p>　　計算得Qo=0.0038Pa·L/s。</p><p>　　QL=PXV/3600 (3.9)</p><p>　　式中Px為真空室內(nèi)允許的壓力增長率，這里取Px=13.3Pa/h；V為真空室容積，接近600L。</p><p>

107、;　　3.3.2真空泵的選擇</p><p>　　泵的種類依真空度的要求選取，這里選用選片泵。泵的大小通過計算。</p><p>　　Se=Q/Pw (3.10)</p><p>　　式中Se為真空室出口造成的有效抽速，L/s；Pw為真空室內(nèi)的工作壓力，取Pw=50Pa。計算得Se