全液相卧式超高压装备设计.docVIP

黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 1 绪 论1.1 引言超高压加工技术 ( High pressure processing)，又 称高静水压加工技术( High hydrostatic pressure processing )，即利用液体介质使在100MPa的压力下处理食品，达到延长食品保藏时间的一种物理加工方法。该技术是一种新兴的非热力加工技术，可以更好地保持食品原有的风味、色泽和营养价值，表现出巨大的潜在市场和广阔的发展前景。在 日本、美国和加拿大等发达国家，超高压食品已有了相当程度的发展。由于在食品工程用超 高压设备的研制和生产方面的技术积累不足，中国在食品加工领域超高压技术研究和应用的时间较短 、存在设备结构设计不尽合理、处理量小、难以连续化处理及自动化程度低等诸多问题。国外超高压设备价格昂贵，一般为国内的57倍，如西班牙N公司的55L超高压设备的售价为90万欧元，这限制了生产企业对超高压技术的应用。整体产业的发展亟待中国在食品工程用大型超高压设备的自行研制上取得突破。为了增加超高压设备的处理容积，提高设备运行的稳定性和运行效率，本文设计了食品工程用超高压设备，为商业化的大型超高压设备的设计和制造提供了参考。1.2 高压食品加工技术的应用前景 一般而言，压力越高杀菌效果越好。但在相同压力下延长受压时间并不一定能提高灭菌效果。在400600 MPa的压力下，可以杀死细菌、酵母菌、霉菌，避免了一般高温杀菌带来的不良变化，超高压冷杀菌技术的先进性是高压、常温灭菌，采用该项技术对食品进行处理后，不但具备高效杀菌性，而且能完好保留食品中的营养成分，食品口感佳，色泽天然，安全性高，保质期长，这是传统高温热力杀菌方法所不具有的优点。目前，国外超高压灭菌已在果蔬、酸奶、果酱、乳制品、水产品、蛋制品等生产中有了一定的应用。在每cm2的肉食上施加大约6t重的压力进行高压灭菌。结果，其味跟原来一样，色泽也比原先更好看。日本明治屋食品公司将草莓、苹果和猕猴桃等果酱经软包装后在400600MPa、1030min条件下灭菌，产品的色泽和风味不变，并保持了水果原有的口感，VC的保留率较高。 高压技术和其它技术相结合，能更有效杀灭微生物，破坏酶，延长货架寿命2。利用高压CO2和高压技术相结合方法处理胡萝卜汁，使用4.9MPaCO2和300MPa高静水压结合处理，可使需氧菌完全失活，多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果胶甲酯酶残留活性分别低于11.3%、8.3%、35.1%。高压对食品成分的影响后概括了其具有应用前景的方面，迄今仍被认为是较为全面的概括，其主要内容是：(1)低温消毒或灭菌：在温度低于100摄氏度或常温下，采用高压技术可取得高温下相同的灭菌效果。特别是对于果汁和含有挥发性香味的食品，这种方法更为优越。这可能是高压加工方法最具应用前景的方面。(2)蛋白质改性：在高压下使蛋白质结构再造，使肉类变得松软可口，使一些酶或毒素失活，以提高食品的安全性和可口性，也可以提高食品的营养价值。(3)物质状态的改变：高压可逆性地改变冰和脂类的溶点、冰点和沸点。这一特性可用于制造不同条件下具有不同口感和其他感官特性的食品(如巧克力、冰淇淋等)。高压下淀粉的糊化也可用于稻米和豆类的软化加工。(4)加快某些反应：有些反应在常压下不可能发生，但在高压下则可以较快地进行。例如生物大分子的酸性水解，酶反应、有气体参加的反应等等，这些反应在食品加工方面具有良好的应用前景。(5)气体的溶解或分离：通过高压可使食品内部的气体逸出，也可使一些气体如CO：等溶解在液体介质中，从而达到加工的目的。(6)表面覆膜：有利于矿物质、维生素、风味元素、色素及抗氧化剂的吸收，高压也可用于液体胶囊技术和保护性可食用膜的制造。(7)其它：高压还可用于与食品有关的医学、化学、物理等基础学科的研究。1.3 本论文主要研究的内容及其目的和意义超高压食品处理装置在我国起步较晚，还没有形成规范，也没有成型的设计可参考，主要的筒体结构形式是多层缩套式或剖分式的，造价均非常昂贵。由于绕丝式容器的结构简单，简体受力状况较好，且如果形成规模制造，造价也比较低廉。因此在此对绕丝式容器的设计进行了研究。本论文通过理论计算、分析及结构设计设计出一新型实验用食品超高压处理装置，并结合先进的计算机技术实现其强度自动设计。主要研究内容如下：(1)超高压食品处理装置结构设计：本框架绕丝式超高压食品处理装置为-+型实验装置，对各个零部件都进行了详细的结构设计和计算。其核心部件超高压容器部分采用绕丝式结构，具有只漏不爆的特点，保证了工作人员操作时的人身安全和实验室的财产安全；装置采用框架结构，简体只受双向力，完全不承受轴向力，采用自紧式密封，对密封质量的要求较低，结构优化，重量较轻。并采用滑轨装置，装料卸料方便；(2)强度设计：在给定的设计条件下，进行框架绕丝式超高压食品处理装置容器的强度设计，选择合适材料，设计出符合要求的超高压容器。由于设计过程繁复，编写出程序，设计者只需进行选材，输入设计条件，与材料相关的性能参数由程序自动添加，且计算机自动给出设计结果，该程序具有一定的智能水平；(3)超高压杀菌实验研究：超高压食品杀菌具有传统杀菌方法不能比拟的优势，本文以绿色蔬菜为研究对象，对其进行了超高压杀菌实验研究。2 设计要求与总体结构原理 2.1设计要求 食品工程用超高压设备的处理量和处理效率必须满足工业化食品加工的要求。具体需要解决的关键问题有：提高增压器的工作效率，提升设备的升压速度；改善高压下设备的密封性，并实现系统中的液压油和水介质的有效隔离；提高设备在增压前的充水速度，进一步缩短单批物料的处理时间；选择合适的材料，设计安全可靠的承压容器。本文设计的食品工程用超高压设备要求容积达到 50L，最高工作压力为600M Pa；设备的处理能力达到 1.5 t/h 以上。2.2结构原理 如图2-1所示设备主要由超高压承压系统、液压系统和水介质系统组成。承压系统是设备处理物料的场所，包括承压框架、容器支架、容器体、容器堵头和堵头密封等装置。液压系统负责高静压的产生和设备部件的机械移动，主要包括水介质增压器、油泵、油箱、换向阀、等部件。水介质系统指传压介质水的整个循环路径，主要包括高压水泵组、排水泵、水箱、单向阀、等部件。水介质直接接触食品，各级密封必须确保水介质与液压油完全分开。设备总体结构原理是：在主油泵的驱动下，利用增压器使泵入的水介质的压力上升，再通过单向阀将高压水注入承压容器，使容器内的水介质形成高静压环境。水介质和物料在高压状态保持一段时间后卸压，利用极端压力的物理作用杀灭食品中微生物或改变食品的特性。2.3工作过程 HHP-600-100L型超高压设备工作过程为：当容器容器口部空出，此时可以装入物料。油泵驱动堵头联动杆将堵头推入容器后，垫块插入堵头和承压框架中间。堵头和垫块就位后，处于中位的容器开始充水和增压。容器体处理结束后自动泄压。待容器内的水排出后，垫块和堵头依次移出。移位结束后，处于左位容器体又可以再次进出物料，处理完成后容器自动卸压。自此，设备运行完成一个循环。 图2-1食品工程用超高压设备系统原理示意图3主要部件设计3.1超高压承压容器超高压承压容器是超高压设备的主要部件，其材料的选择和耐压性能关系到设备的安全和使用寿命。对于承受 98 MPa 以上压力的承压容器，各国至今还没有完整的设计规范、制造准则、验收条款，我国也尚未颁布正式的设计制造规范。超高压承压容器的设计对容器材质要求严格，结构必须保证强度的可靠性和密封的严密性。设计参照超高压容器设计规范 WJ/Z24689，同时符合美国 ASME 设计规范，对超高压设备所需要的整体锻造承压容器进行设计、计算及安全性分析。超高压加工的压媒一般为液体，且通常使用油或者水，而在本试验中需对食品进行加工，考虑到清洁性，选取水为超高压容器中的工作介质，工作温度为常温。因此得到本容器的设计参数：设计温度：常温；设计压力：P=600x1.05=630MPa；操作次数：超高压食品加工容器属于间歇式操作，取其设计疲劳寿命N=10000次；3.1.1绕丝式容器的强度设计绕丝式筒体绕丝式筒体主要由内筒、钢丝层和，内筒一般为单层整锻式简体，高强度钢丝以一定的预拉应力逐层环向缠绕在内筒上，直至设计所规定的厚度，然后在钢丝层外壁面涂上防腐蚀层，并加保护钢板。钢丝缠绕拉应力在内简上可产生很高的压缩应力，达到均化应力沿壁厚分布的目的，从而提高圆筒的承载能力。这种简体结构具有很高的安全性，当内筒破坏后，钢丝层的强度并未丧失，仍可承载，因而只会引起泄漏而无爆炸的危险。超高压容器筒体基本几何尺寸的确定：我国实际加工能力，设计要求取简体内径r=100mm，则筒体的有效长度为：L=4X50/3.14x2002=1592.4考虑到容器端部空间，取简体总长度取L=1700mm。对绕丝式容器的强度计算包括缠绕层外径计算、内筒外径计算、钢丝层预紧应力计算、容器器壁的应力分布等。(1)内筒与缠绕钢丝的E、U值相同。（2)钢丝丝层及内筒处子弹性范围内。(3)由于钢丝层间接触紧密，故工作压力Pi引起的威力和应变在缠绕层的整个壁厚上是连续的，工作压力可用Lame公式计算。(4)不考虑简体端部对其应力和变形的影响，当作平面问题处理。内径r=200 mm，设计压力P=630 M pa，内筒材料为En26(英)，屈服极限，s=1130Mpa，屈服安全系数ns=1.3。内筒材料的许用应力为=1130/1.3=869.23Mpa所使用的钢丝65Mn钢丝许用应力为=1569.1Mpa许用力为=1600/1.3=1207Mpa3.1.2预紧系数的确定数选取原则是保证内筒内壁的周向力i将不超过内筒的屈服极限屈限。一i=10511，猩多数情况下，如果值取得过大，内筒内壁周向应力，将超过内筒的屈服极限屈限，但不尽然。只有时，才不会出现拉应变。其中，u泊松比，取033.1.3缠绕层外径r的确定绕丝式容器中，钢丝层是承受内压力的主要部分，由于它不与内部介质接触，不受腐蚀，故最好采用强度较高而又具有较好焊接性能的钢丝。一般使用经过冷拉或冷拔的钢丝进行缠绕。经过冷加工的钢丝其屈服点与强度均较内筒为高，但塑性较低。对钢丝的具体要求是：(1)钢丝的截面不应有粗细不一或超过公差等缺陷。(2)钢丝内部不应当有缩孔、粗糙的非金属夹杂物。(3)钢丝的表面不应有折迭、斑点蒜缺陷。(4)钢丝含碳量在06O7之间，含硫与磷的量均需在004以下。(5)钢丝应预留一定的允许冷拔次数，延伸率需达到3，以防抽拔时脆断。框架绕丝式超离压食品处理装置容器备部分缠绕层外径取ri=500mm3.1.4内筒外径以的确定由于绕丝式容器的钢丝缠绕展不受轴向力，这样势必由内筒承受全部的轴向力。而这样一来，内筒必定较厚，对于容器来说(尤其是一些大型容器)，内筒的壁厚就比较突出，从而给卷板带来一定的困难，因而般都在钢丝缠绕层外面加一框架分担轴向力。框架可有绕丝组成，也碍由几个拉杆组成。内筒不承受轴向力或部分承受轴向力，而框架与外筒除受轴向力外，并不承受他力系的应力。本论文涉及的超高压绕丝式食品处理容器的设计，在工作压力下，轴向力全部由框架承受，内筒仅受双向威力(周向力和径向力)。 根据我国超高压容器用钢材料的特殊性和现有制造水平，取安全系数k=25则有：rj=2.5k=2.5x100=250mm因而内筒厚壁厚t=rj-=250-100=150mm3.1.5压扁失稳校核 当不受内压时，缠绕层对内筒外壁的预加力不应大子内筒出于外压的失稳压力，即：Pi=2.2E3=2.2x206x1000x(150/180