ZLG-0.4型试验用冻干机的设计【13张CAD图纸和说明书】

摘  要
真空冷冻干燥（Vaccum Freeze-Drying，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。随着制冷、真空、生物、电子等技术的发展，真空冷冻干燥设备现在已广泛的应用于医学、生物学、药学、农业等领域，目前还应用于分子生物学、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。目前对冻干设备性能的研究已引起广泛的兴趣和重视。该机广泛用于食品工业、化学工业、医药工业、电子工业等行业的实验研究部门，已是基础科学研究中必不可少的基本手段，为生产小样生物制品与实验研究提供了一种新型加工设备。
本文介绍了ZLG-0.4型试验用真空冷冻干燥机的工作原理、结构特点、设计计算。ZLG-0.4型冻干机是冻干合一型。本机具有加热和制冷的功能。能对物料进行干燥。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。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。冻干箱工作温度范围-60℃-+80℃左右。搁板工作温度范围+125-55℃。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，冻干箱的隔板的升温采用管状加热器直接加热。

关键词：冻干机；性能；结构；设计；

ZLG - 0.4 Experimental Design of the Lyophilizer
Abstract
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 the 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 science，biology，pharmacy and agriculture，etc，so far they still apply to the molecular biology， genetic engineering， new biomedical science，new type Chinese herbal medicine，high-quality convenient food， archeology and the powder material manufacturing etc.Researches on the function of vacuum freeze-drying equipment have already caused the extensive interest and value.
This article describes the ZLG-0.4-type test with vacuum freeze-drying machine works，structural 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，cooling 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 of the workpiece，the workpiece rack has a shelf used to shelve the lyophilized material. Lyophilized box Operating temperature range -60 ℃ - +80 °C. The shelf operating temperature range +125-55 ℃. The condensation is used to condense the material sublimation of water vapor generated with takeovers and lyophilized box connected.Refrigeration cycle is generally complex cascade，involving two thermal expansion valve and two solenoid shut-off valve in the cooling system，leading to the freeze-dried box and water catching the two solenoid shut-off valve chain to each other，an open，Close state.The vacuum system consists of freeze-dried case of water traps and vacuum，to select vacuum pump，selected rotary vane pump.Heating system。

Keywords：Freeze-drying；Performance；Structure；Desig     

目  录

1 绪论 1
 1.1 真空冷冻干燥的原理、特点及其应用领域 1
 1.2 冻干历史和发展概况 2
 1.3 真空冷冻干燥的发展概况 3
 1.4 我国冻干的历史 3
 1.5 我国冻干的现状及发展前景 5
 1.6 实验用冻干机的国内外研究现状  6
 1.7 本课题研究内容 7
2 真空冷冻干燥的理论基础 8
 2.1 冻干的基本原理 8
 2.2 真空冷冻干燥的基本过程 8
2.2.1  物料制品的准备及预冻过程 8
2.2.2  一次干燥（升华干燥）过程 9
2.2.3  二次干燥（解析干燥）过程 10
2.2.4  后处理 12
3 ZLG-0.4型真空冷冻干燥机 13
 3.1 整体结构  13
 3.2 干燥室的设计 14
3.2.1  搁板的设计 15
3.2.2  搁物架架体的设计 16
3.2.3  水管的设计 17
3.2.4  箱体强度的计算 20
3.2.5  保温层厚度的确定 21
3.2.6  观察窗 21
3.2.7  真空规 21
3.2.8  干燥室热负荷的计算 21
 3.3 真空系统的设计与计算 22
3.3.1  真空体放气量的计算 23
3.3.2  真空泵的选择 23
3.3.3  真空泵和真空阀门 23
 3.4 水汽凝结器的设计与计算 24
3.4.1  对水汽凝结器的要求 25
3.4.2  水汽凝结器的结构 25
3.4.3  水汽凝结器所需冷量的计算 25
3.4.4  水汽凝结器所需传热面积的计算 26
 3.5 制冷系统的选择 26
 3.6 控制系统 27
4 结论 28
参考文献 29
致谢 30
毕业设计（论文）知识产权声明 31
毕业设计（论文）独创性声明 32

                                                                                   
1  绪论
1.1真空冷冻干燥的原理、特点及其应用领域
真空冷冻干燥(以下简称冻干)技术是一门跨学科的复杂技术，技术含量比较高、涉及知识面比较广的一种技术，也是一门实验性很强的技术。它需要真空、制冷、流体、生物工程、传热传质和自动控制等方面知识，它是交叉学科发展的产物，它的发展推动着交叉学科的进步。同时它还是一项高新应用技术，在、医药、化工等领域都有着广泛的应用，冻干是先将含水物质冻结，并在冻结状态下于真空中使冰结晶升华而将物料干燥的方法，即使在低温低压下干燥。
真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水份变成固态的冰，然后在适当的温度和真空度下，使冰升华为水蒸汽，再用真空系统的捕水器将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动过程。由于这种变化和移动是发生在低温和低压下。因此，真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下传热传质的机理。真空冷冻干燥是物质脱水干燥的一种工艺措施，冷冻干燥的基本工艺流程为：前处理→预冻结→真空干燥→真空包装→成品。一般分预冻、升华、解析3个主要过程。其中升华和解析是在真空条件下进行的。与其他干燥方法(自然风干、晒干、热风干燥)相比，具有以下特点：冷冻干燥在低温下进行，且处于高真空状态，因此对于许多热敏性的物质特别适用，如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。一些易氧化的物质得到了保护，保留了新鲜食品的色、香、味及营养成分。由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。冻干产品脱水彻底，含水量低(2%一5%)，重量轻，贮运方便；冻干制品采取真空或充氮气包装和避光保存，可保持5年不变质。由于重量轻，可室温贮运销售，对营销十分有利。与速冻制品相比，免除了运输储存、销售过程中消耗很高的冷藏链。在升华过程中溶于水中的可溶性物质就地析出，避免了一般干燥方法中的表面硬化和营养损失的现象。冷冻干燥产品价格高，设备投资大，成本高[1]。
真空冷冻干燥设备的工作原理是：先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变线达到规定的要求而停止供热和抽真空，完成冻干全过程。
化学热力学中的相平衡理论是真空冷冻干燥技术原理的基础。在一定的压力和温度下，水的三种形态之间达到一定的相平衡，据此得到水的相图(图1-1)三相点显示
了水的气、液、固三相共存的压力和温度条件。

图1-l水的相平衡图
当蒸汽压大于三相点压力P0(610.5Pa)时，冰首先融化为水然后再由水转化为水蒸气，其过程为蒸发过程；如果低于三相点压力，冰可直接升华为水蒸气，这就是升华干燥的理论基础。当干燥室内的真空度低于6l0Pa绝对压力，物料温度低于零度，物料内的冰晶才能直接升华成水蒸气。一般采用预冻结的方法：先将含水物品快速低温冻结，然后在高真空的条件下，使物品中的冰晶升华，待冰晶升华后再除去物品中的吸附水，即成为冷冻干燥物品。冷冻干燥物品的残留水量一般在1％-4％左右。
1.2冻干历史和发展概况
真空冻干技术起源于19世纪初，但由于制冷技术与真空技术等限制，直至20世纪初人们才开始用于干燥生物制品，第二次世界大战中，由于急需人体血浆，真空冻干技术得以快速发展。二战结束后，在一些发达国家中先后将此技术用于加工上。一时间各种真空冻干厂蜂拥出现，有人当时预言，真空冻干将很快取代其它干制。可成固态的冰，然后将经过前处理的预冻装入干燥仓内，在低温真空状态下，由加热板导热或辐射方式供给热能，使中的水分直接由冰升华成水蒸气，不断升华出的水蒸气，由于复杂的设备、巨大的能耗和很低的生产率，使其产品难以销售。60年代中期，某些真空冻干厂出现倒闭和转产。70年代人们对真空冻干重新认识，这个时期冻干研究报道与专利技术最多。真空冻干理论也很深入，如循环压力法，均匀退却理论模型，交替工作冷凝装置，微波热源作为强化换热性能的试验探讨等。80年代至今，真空冻干设备已经商品化、系列化、标准化。冻干面积从几平方米至上千平方米。作业方式有间歇式和连续式。自动控制程度高，有些真空冻干机实现微电脑管理，使真空冻干工艺更趋合理化[2]。
1.3真空冷冻干燥的发展概况   
真空冷冻干燥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。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[3]。
1.4我国冻干的历史
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。1965年原北京人民厂、轻工部研究所和北京工业研究所合作对果蔬、肉类、对虾、鸡蛋粉等冻干进行试验研究，并设计制造了每日脱水500kg的冻干设备，搁板面积为43.5m2，于1969年在原北京人民厂试车并投产。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。1965年原北京人民厂、轻工部研究所和北京工业研究所合作对果蔬、肉类、对虾、鸡蛋粉等冻干进行试验研究，并设计制造了每日脱水500kg的冻干设备，搁板面积为43.5m2，于1969年在原北京人民厂试车并投产。