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冻干机
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毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年 12 月 16 日 1 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况 ） 目背景 冷冻干燥技术已广泛应用于医药和食品行业，宇航及新材料的研制等领域。目前，冻干工艺主要是靠实验摸索。每一种新产品的开发，最初都是在小型试验型设备上通过实验逐渐摸索，确定合理的冻干工艺，再进行中试和大量生产。而目前实验型冻干设备大都是针对于特定产品的，对于其它产品的开发并不适合，开发一种多功能的实验型冻干设备具有较广泛的应用前景。 研究意义 真空冷冻干燥 (以下简称冻干 )是将物体冻结到共晶点温度以下，然后在较高的真空条件下通过升华干燥除去物体中水分的一种干燥方法。真空冷冻干燥技术 是随制冷、真空、生物、电子等技术的发展而迅速兴起的多学科综合性应用技术，除了在传统的医学、生物学、药学、农业等领域得到广泛的应用外，目前已向分子生物学、基因工程学、新型生物医学、中药新制剂、高品质方便食品、考古学、粉末材料制造等领域发展。随着我国社会主义市场经济的高速发展和人民生活水平的迅速提高，对冻干技术的应用和冻干产品的需求日益增长 116。但在我国，冻干技术无论在理论研究还是工艺水平、设备制造等方面与国际水平比较均有很大差距，因而近年来对冻干技术和冻干设备性能的研究已引起广泛的兴趣和重视。 我国 已生产出多台冻干机，但其性能和功能仍不能满足市场的要求，与国外产品仍有很大的差距。如何缩小差距，使我国生产的冻干机也能走出国门，走向世界，应该是我们真空冷冻干燥研究人员的责任和使命 2。 实验室用冻干机应能适应药品、食品、生物制品和化工材料的冻干实验，热物理系数测定，传热传质理论研究。因此，对其温度范围要求宽 (一 +90 )，能自动调节温度和压力，设定、贮存、显示多条冻干曲线。因为是实验用冻干机，又要求多功能，所以它是非标准产品，冻干机厂家没有生产过，第一次生产出来并交到实验室来的冻干机因性能不 合格而退货。这台冻干机只是通过了初步的验收实验，在以后的实验中是否能满足各种要求还不知道，因此，冻干机的性能研究提到了日程上来。 目前脱 需要的能耗是冻干机最重要的指标，国际上这个指标为脱除 晶需 h 电左右。俄罗斯食品设计研究院的博士论文中曾给出脱 ，需消耗能的报告，国内报道兰州科近真空冻干技术公司开发的节能型 列食品冻干机脱 的能耗为 此在冻干机上做纯水的冻干实验，以精确计算脱 另外，每一家生产冻干产品的企业 ，面对需求不断变化的市场，所选设备多为间歇式冻干装置，多品种轮换生产，每试产一个新品种食品，求得其干燥工艺曲线，往 往耗费相当数额的人力、物力、财力。有的企业虽然买了小型试验机，但因在小试验机上做出的样品都不能指导大冻干机生产 因为结构不同，试验条件不同所致。作为专门研究真空冷冻干燥技术与设备的研究生，对多功能型实验用冻干机结构以及性能进行研究，来模拟大中型冻干机的生产过程，取得干燥工艺曲线，用来指导大中型冻干装置的规模化生产是非常需要的，也是非常必要的 3。 由于以上原因，本文选择对 干机的设计进行研究。 内外相关研究 情况 外冻干机的发展概况 冻干技术诞生的很早，大约出现在 1811 年，当时用于生物体的脱水。 1813 年，英国人 时他用手动抽气机减压，效率不高，达不到较高的真空度，他仅仅观察了这种现象，也没有想到什么用途。后来 将水冷冻后慢慢消失。至 1935年一 1938年期间， 分别研究了比较完善的冷冻干燥的仪器和机械，用冷气机冷却冷凝器以凝集 样品升华的水分，使冷冻干燥走出实验室。第一台商业用冻干机问世是在 1935 年， 在冻干机上最先采用了低温冷阱，从而改变了用真空泵直接抽水蒸气的方法 ； 首次在冻千机上采用主动加垫的办法，使升华过程得到了强化，干燥时间得到缩短，因而可用于生产。由于第二次世界大战的爆发，输血的需要，必须发展血液制品，同时，抗生素的需要量也急剧增加，冻干技术和冻干机在医药工业中得到了迅速的发展。在英国， 1943年制成并开始使用大型冻干机，冷阱设在冻干箱内，是现在这种冻干设备的原型。 1944 年铆 用双管干冰阱，使捕水器温度降低，捕水效果更好，从而又开发出在外侧直接与多歧管连接的装置，成为现在歧管式冻干机最早的原型，用这种设备可以生产出冻干的盘尼西林和血浆。在日本，陆军中医中校内藤良一为了细菌战做准备，在 1939年到 1943年间进行了细菌、病毒等的冻干研究，并于 1943年将多歧管冻干机成功的改制成箱式冻干机 4。 目前主要企业有英国爱德华真空设备公司 ( )，美国的赫尔公司 (，日本真空技术株式会社 (，日本共和真空株式会 社 (月一麦的阿特拉斯工业公司 (美国奥特公司 (等，上述七家企业产品可以代表当今世界冻干设备的技术水平，各国的冻干设备有 80%以上为上述企业的产品。国外医药用冻干机的特点是 ： 1、产品严格按有关国际标准设计、制造。例如目前国际制药业权威 国卫生部和食品药品管理局 动清洗 )技术。随着 程检验 )概念的引入，对冻干设备提出了更高的要求。 2、冻干过程自动化装置的实现。为了实现安全性 (无菌、无传染 )综合发展蒸汽灭菌，自动清洗技术并研制出自 动装料、运载、冻干、输出、封盖的全自动无人操作装置，使冻干无菌室实现无人自动化，该装置在德国、日本己投入使用。 3、高 性能、高可靠性及经济性，为了确保冻干机无故障运行，除了在制造过程中实现全面质量控制外，设计时米用备用机，冻干过程中设有制品取样分析装置。经疥性指标是指制取同样冻干制品时的电、汽及水耗量最低。食品冻干机中，丹麦的阿特拉斯的本共和真空株式会社的无隔离干燥过程水汽凝结器除冰再生技术和 液体食品密闭系统管式冻干机可代表世界食品冻干机的先进技术 5。 国冻干机的发展概况 解放前，我国的冻干技术和设备都是进口的，既没有从事冻干技术研究的大专院校和科研院所，也没有冻干设备的设计人员和制造工厂。 1951年在上海由葛学煊工程师最先设计成功冻干机，并于 1953 年由上海合众、五昌机器厂和上海医疗器械厂分工制造， 20 世纪 50 年代共生产 10 套，当时由于质量差、能耗大没有发展起来。 20世纪 60 年代，北京、天津、南京、上海、大连等地相继建立了一些实验性冻干食品生产厂家并先后仿制了一批冻干机，特点是整体式，搁板温度不均匀，手动操作，能自动记录。 1975年，华中工 学院的林秀诚、赵鹤皋和湖北省生物药品厂共同研制成功冻干面积为 37.4 m，的大型冻干机，采用单机双级压缩机，这是我国自行研制的第一台能在冻干机内加塞的冻干饥。为加快我国冻干技术的发展，机电部将工业真空冷冻干燥机列入 1988 年工业技术发展基金项目，由华中理工大学承担并与浙江真空设备厂协作进行研制，产品于 1989 羊通过部级鉴定，该机结构紧凑，功能齐全，搁板间距可调，采用微机程控 6。此外，清毕大学核能设计研究院引进俄罗斯大型食品真空冷冻干燥设备的先进技术，直接与国家一级企业烟台冰轮集团合作，共同探索出一条发展 我国冷冻干燥事业的新路，优点是 ： 起点高、投资少、见效快。在引进、消化、吸收的同时，对设备的改进提出了切实可行拘方案。 近几年来，国内在冻干设备及冻干工艺和冻干产品上发展非常迅速。生产医药用冻干机的工厂由十年前的几家，发展到现在的十几家，医药用冻干机的水平也有了很大的是高，全部执行了 本上都设置了自动清洗装置 (，自动加盖机构。 998年以前，我国生产的冻干机没有在位灭菌功能， 1998年以后，上海东富龙、远东，北京的天利、速原等公司生产的冻干机基本上都带有在位灭菌 (能。 20世纪 90 年代以后生产的冻干机，绝大部分采用计算机进行自动控制，从冻干机的运行程序的设起、执行、修改，冻干过程中温度、真空度、时间、含水量等主要参数的采集、显示、字储、控制，配套设备的运转，安全保护，故障处理等均能自动进行。据统计，上海东奢龙科技有限公司近几年产品销售量已达到 200台。在食品冻干机发展上，沈阳新阳速东设备有限公司等有关单位，已经生产出多台大型食品冻干机，单台最大冻干面积可达 100m717。 全国各地涌现出大大小小不少于 30 家的冻干设备的生产厂，这其中，有一部分 是真正的冻干设备国产化，促进国内 冻干行业进步而努力攻关的大专院校和科研单位，以及有一定技术基础和科研力量的军工企业，真空设备、速冻设备制造厂等。但是，也有一些是与冻干行业不相关，以为生产冻干设备有利可图而匆匆上马的机械加工等单位，所以，一时间鱼目混珠，打出生产冻干设备的广告而从未设计和销售一台冻干设备的厂家比比皆是。大部分国产冻干机生产厂家走的是仿制道路。有的厂家在采用国外先进技术的同时，进行了很大的改进 8。如加热板内采用了特殊导流装置，使板内流体的流量均匀，保证了加热的均匀和稳定 ： 捕水器在工作中可实现交替捕水和融冰，捕水器盘管内氨液 制冷方式由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷，使捕水器盘管内温度均匀，结霜性能良好。除仿制之外，国内自己的研制能力也在提高，有的单位己经脱离了仿制国外机型，抽气系统采用低架式水蒸气喷射泵抽水蒸气，省去了捕水器和制冷系统，使设备价格有所降低 18。但是国产冻干机存在的一些不足之处 ： (1)搁板温度不均匀，造成冻干产品含水率不均匀，产品合格率受影响。造成温度不均匀的原因各不相同 ： 或者是搁板结构和材料质量不好 ； 或者是加热流体分流或流程有欠缺 ； 或者是捕水器在干燥箱内绝热不好 9。 (2)干燥速率低，干燥箱内各点干 燥快慢不一致，反映在产品上仍然是合格率受影响。其原因除搁板温度不均匀外，还与真空系统配置得不合理有关。主要体现在 ： 捕水器配置得不合理 ； 水蒸气喷射泵性能不稳定 ： 抽气口位置不合理等。 (3)水汽凝结器效率低。主要体现在水汽凝结器面积大而捕水量小有部分无效面积，其根本原因是水汽凝结器设计不合理 10。 总的来说，限于国内机械制造业的水平和自动控制技术等的因素，虽然一些国产的冻干设备经过了国家鉴定，达到了一定的水平，但跟进口冻干设备相比，无论在外形，还是在节能方面都有一定的差距。大型冻干机，存在的主要问题是设计上模仿国外进口机型制造出的设备虽能满足使用，但仍未能实现优化设计和节能，尽管制造成本低，售价低，可是运转费用高。小型冻干机存在的问题主要是性能不好，往往达不到实际要求。这就要求我们努力改进设备，缩短与国外设备之间的差距，完善国产的冻干机 11。 2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或 措施 究的主要内容 设计一台试验型冻干设备 ， 冻干面积为 要研究的主要内容：有冻干箱箱体的选型， 冻干箱内要设计搁板 ，确定隔板的结构， 冻干箱外需要设计绝热结构，真空系统中主泵的选择 ， 水汽冷凝器结构的设计，制冷系统总体方案的选择，制冷剂的选择，压缩机的选择，冷凝器的选择，蒸发器的选择，蒸发器的选择热力膨胀阀的选择及 其余零部件的设计 12。要求隔板的温度均匀，测量系统的需进一步完善。 采用的研究的方案 冻干机按结构可分为干燥箱、捕水器、制冷机、真空泵和阀门、电气控制元件等 几个部分。如 按系统分则可分为制冷系统、真空系统、换热系统、液压系统蒸汽灭菌系统和控制系统。它主要有两种类型 ： 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。本文设计的是冻干合一型。设计的主要部分是真空系统、加热系统和制冷系统 13。对于大型冻干机，因阀门较多，往往还选用气动系统。这几大部份的取舍、搭配可构成不同的设计方案。通常，医用冻干机冷冻、干燥箱为一体。大型冻干机多数带有液压封盖系统，搁板是活动的，采用间冷间热式，冷媒与热媒用同一种物质。冻干箱和水汽凝结器的制冷系统分成两套，冻干箱中设有搁板，用来搁置冻干的物料。加热通过搁板进行，按照热量的提供方式不同，加热有直接加热和间接加热两种形式 14。水汽凝结器用来凝结物料升华产生的水汽，一般用管道和冻干箱相连，凝结温度要求 以下，水汽凝结器的制冷系统制冷量应大于冻干箱制冷系统的制冷量，温度应低于冻干箱制冷 温度，制冷循环一般为两级压缩制冷循环和复叠式制冷循环。真空系统是为了保持冻干箱和水汽凝结器中所必要的真空度，并抽出连接管道及阀门处泄漏入系统的空气及不凝性气体，一般需采用两级抽的设计指导思想。中型冻干机则采用直冷间热式，目前我国生产的冻干机多采用这种形式，而且多数没有压盖装置。小型实验用冻干机的结构，多采用直冷直热式，冷冻系统可采用一套机组，用阀门控制冻干箱与水汽凝结器的走向。真空系统也比较简单。实验型冻干机应该设计取样装置和压盖机构 15。食品工业生产用的冻千机往往比较大，按食品冻干工艺特点，冷冻室和干 燥箱应该分开，这样可以节省能源，降低产品价格。现在国内医用冻干机每脱水 1公斤约需 2元钱人民币的操作费用。如果采用分室结构，可望将操作费用降至每脱 1公斤水花费 1元钱左右。其它用途的冻千机，可根据用户需要的规模、真空度、温度、脱水量等参数进行设计，避免千篇一律的搬用现有的医用冻干机。只有从实际出发，才能设计出节能、经济、好用的冻千机。 究的方法或措施 通过对冻干机中各个系统的分析，对其中的干燥室、捕水器和各个零部件的结构设计和理论的分析计算，确定设计所需要选用的各个零部件，根据理论和实际相结合设计出符 合本课题要求的冻干机 。 3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 究的重点及难点 研究的重点有真空系统的设计 ， 制冷系统的设计 ， 加热系统的设计 选用符合卫生要求的价廉的原材料 ； 选用高效换热器 ， 合理确定冷干的自动化 控制技术等等 ， 主要的难点有干燥室 ， 捕水器 ， 其余零部件的设计，隔板温度要均匀和测量系统的完善。 期已开展工作 （ 1）查找和阅读大量国内外相关资料，明确研究课题的相关内容。 （ 2） 拟定论文大纲，明确论文的基本分析框架和写论文的思路。 （ 3）对所搜集到的资料进行整 理和归集。 4 完成本课题的工作方案及进度计划 第 1 查找资料 ， 熟悉课题 ； 写开题报告。 第 3 总体方案的设计 ， 各零部件的计算、分析和选择。 第 6成装配图。 第 10成零部件的图。 第 14成论文及翻译，准备答辩。 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审
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