食品机械设备课程设计实用教案

1、一、设计(shj)目的 （1 1）培养同学们把所学的食品机械与设备）培养同学们把所学的食品机械与设备(shbi)(shbi)、机械制、机械制图、食品工程原理及其相关课程的理论知识，在课程设计中图、食品工程原理及其相关课程的理论知识，在课程设计中综合加以运用，巩固和强化有关食品工厂设备综合加以运用，巩固和强化有关食品工厂设备(shbi)(shbi)与原理课程与原理课程的基本理论和基本知识。的基本理论和基本知识。 （2 2）培养同学们对工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题的）培养同学们对工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题的能力。树立正确的设计思想，掌握搅拌通用搅拌罐设计的基本方法能力。树

2、立正确的设计思想，掌握搅拌通用搅拌罐设计的基本方法和步骤，为今后从事食品领域和相关技术改造工作打下一定的基础。和步骤，为今后从事食品领域和相关技术改造工作打下一定的基础。 （3 3）培养同学们熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、）培养同学们熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的设计能力的基本训练。面所必备的设计能力的基本训练。 第1页/共

3、150页第一页，共150页。二、课程设计的要求二、课程设计的要求(yoqi) （1）树立正确的设计思想。在设计中自始至终(z sh zh zhng)本着对工程设计负责的态度，从难从严要求，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性和先进性，严肃认真地进行设计，高质量完成设计任务。 （2）具有积极主动的学习态度和进取精神。在课程设计中遇到问题不敷衍，通过查阅资料和复习有关教材，积极思考、提出个人见解，主动解决问题，注重能力培养。 （3）学会正确的设计方法，统筹兼顾、抓住主要矛盾。对于初学者，往往把设计片面的理解为是理论上的强度、刚度等计算，认为这些计算结果不可更改，实际上，对于设备的合理设计，其计算结果

4、只是设计时某一方面的依据，设计是还要考虑结构等方面的要求。 （4）严格按照给定的设计任务书的设计参数设计，随意更改设计参数，将视为无效的设计，将直接重修！第2页/共150页第二页，共150页。三、课程设计的内容三、课程设计的内容(nirng) 1、准备阶段（分组、分工：1112周） （1）设计前应预先准备好设计资料、手册、图册、计算和绘图(hu t)工具、图纸等； （2）认真研究设计任务书，分析设计题目的原始数据和工艺条件，明确设计要求和设计内容； （3）设计前应认真复习有关教材，熟悉有关资料和设计步骤； （4）有条件的应结合现场参观，熟悉典型设备的结构，比较其优缺点，以便选择出适当的结构为己

5、所用，没有现场条件的也要先读懂几张典型设备图。第3页/共150页第三页，共150页。2 2、工艺计算、工艺计算(j sun)(j sun)和机械设计阶段和机械设计阶段（13151315周）周） 根据设备的工艺条件，围绕设备内、外附件的选型进行结构设计、围绕着根据设备的工艺条件，围绕设备内、外附件的选型进行结构设计、围绕着确定厚度大小进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算，一般步骤如下：确定厚度大小进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算，一般步骤如下： （1 1）全面考虑按压力大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选材。）全面考虑按压力大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选材。 （2 2）选用零部件。）选

6、用零部件。 （3 3）强度、刚度、稳定性设计和校核计算。）强度、刚度、稳定性设计和校核计算。 （4 4）传动设备的计算与选型。）传动设备的计算与选型。 （5 5）绘制设备总装配图。对初学者，常采用）绘制设备总装配图。对初学者，常采用“边算、边选、边画、边改边算、边选、边画、边改”的作法的作法(zu f)(zu f)，初步计算后，确定大体结构尺寸，分配图纸幅面，绘出，初步计算后，确定大体结构尺寸，分配图纸幅面，绘出视图初稿，待尺寸确定后再加深成正式图纸。视图初稿，待尺寸确定后再加深成正式图纸。 （6 6）绘制零部件图。）绘制零部件图。 （7 7）提出技术要求。对设备制造、装配、检验和试车等工序提

7、出合理的要）提出技术要求。对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字形式标注在总装配图上。求，以文字形式标注在总装配图上。第4页/共150页第四页，共150页。3 3、编制设计、编制设计(shj)(shj)计算说明书计算说明书 设计计算说明数是图纸设计的理论依据，是设计计算的设计计算说明数是图纸设计的理论依据，是设计计算的整理和总结，是审核整理和总结，是审核(shnh)(shnh)设计的技术文件之一，设设计的技术文件之一，设计说明书内容包括：计说明书内容包括： 目录目录 设计任务书设计任务书 设计方案的分析和拟定；设计方案的分析和拟定； 各部分结构尺寸的确定和设计计算；各部分结构

8、尺寸的确定和设计计算； 设计小结；设计小结； 参考资料。参考资料。 设计说明书要求计算正确、论述清楚、文字精炼，插图设计说明书要求计算正确、论述清楚、文字精炼，插图简明，书写工整，装订成册。简明，书写工整，装订成册。第5页/共150页第五页，共150页。 课程设计的图样及设计说明书全部完成后，进行课程设计审阅。（初稿提交时间1617周） 19周交正式说明书及图纸。课程设计的成绩根据图样、设计说明书所反映的设计质量和能力(nngl)以及设计过程中的学习态度综合加以评定。第6页/共150页第六页，共150页。四、设计四、设计(shj)(shj)步骤步骤 1 1、概述、概述 阐述设计目的、所设计设备

9、用途。进行搅拌罐（发阐述设计目的、所设计设备用途。进行搅拌罐（发酵罐）的总体结构设计。根据工艺（温度、压力、酵罐）的总体结构设计。根据工艺（温度、压力、容量等）要求并考虑容量等）要求并考虑(kol)(kol)制造、安装、维护检修制造、安装、维护检修的方便，确定各部分的结构形式，如封头的形式，的方便，确定各部分的结构形式，如封头的形式，传热方式，传动类型、轴封和各种附件的结构形式。传热方式，传动类型、轴封和各种附件的结构形式。 第7页/共150页第七页，共150页。机械(jxi)搅拌罐在食品加工的应用 搅拌混合：粉体物料与水的混合；萃取混合器； 食品原料加热：预煮、预热、蒸发浓缩等； 食品原料冷

10、却：加工后的冷却 食品原料的反应：淀粉的糖化、味精的结晶(jijng)操作等； 味精、酱油、柠檬酸等的发酵。第8页/共150页第八页，共150页。搅拌罐结构(jigu)第9页/共150页第九页，共150页。发酵罐的结构(jigu) 与普通搅拌罐比较，发酵罐增加(zngji)了无菌空气通风管以及消泡器。 此外罐体的高径比等参数选择不同。第10页/共150页第十页，共150页。2. 2. 罐体的设计罐体的设计(shj)(shj) 2 21 1 罐体的结构设计罐体的结构设计 罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座（耳座）安装在基础或平台上，罐底罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座（耳座）安装在基础或平

11、台上，罐底通常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态通常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态(zhungti)(zhungti)下操作，常选用椭圆形封头，对直下操作，常选用椭圆形封头，对直径较小的搅拌罐，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用径较小的搅拌罐，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。顶盖与罐底分别与筒体相连，罐底与筒体的连接采用焊接。以支撑搅拌器及其传动装置。顶盖与罐底分别与筒体相连，罐底与筒体的连接采用焊接。筒体与顶盖的连接形式分为可拆连接和不可拆连接，筒体内径筒体与顶盖的连接形式分为可拆连接和不可拆连接，筒体内径D1120

12、0mmD11200mm，宜采用可拆，宜采用可拆的法兰连接，常采用甲型平焊法兰连接。大型搅拌罐一般采用焊接连接。（如图的法兰连接，常采用甲型平焊法兰连接。大型搅拌罐一般采用焊接连接。（如图1 1、2 2、3 3）第11页/共150页第十一页，共150页。2.2 2.2 罐体几何罐体几何(j h)(j h)尺寸的计尺寸的计算算 2 22 21 1 确定罐体的内径确定罐体的内径(ni jn)D(ni jn)D（公称直径）（公称直径） 一般由工艺条件给定的容积（公称容积一般由工艺条件给定的容积（公称容积或装料量）、装料系数和高径比或装料量）、装料系数和高径比H/DH/D，计算确定筒体的内径计算确定筒体

13、的内径(ni jn)D(ni jn)D。 全容积全容积= =公称容积公称容积+ +上封头容积。上封头容积。3/4）（DHVDV为搅拌罐公称为搅拌罐公称(gngchng)容积或全容积。容积或全容积。公称公称(gngchng)容积为下封头与筒体容积之和。容积为下封头与筒体容积之和。 第12页/共150页第十二页，共150页。对于给定(i dn)的是装料量数据，计算公式则不同计算方法为根据装料量及装料系数确定全容积；计算方法为根据装料量及装料系数确定全容积；再初步选定公称直径再初步选定公称直径D，确定封头形式，再根据，确定封头形式，再根据全容积计算实际公称直径，进行验算全容积计算实际公称直径，进行验

14、算(yn sun)（见举例）。（见举例）。也可计算出全容积直接代入也可计算出全容积直接代入 公式计算。公式计算。3/4）（DHVD第13页/共150页第十三页，共150页。压力容器公称直径压力容器公称直径(zhjng)(zhjng)的选择的选择括号括号(kuho)(kuho)为非优先系列。为非优先系列。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500

15、360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000尽量不采用括号尽量不采用括号(kuho)的直径系列的直径系列第14页/共150页第十四页，共150页。 设计时，应将工艺计算初步确定(qudng)的设备内径，调整为符合前表所规定的公称直径。 封头的公称直径与筒体一致。第15页/共150页第十五页，共150页。222确定(qudng)筒体的高度H1bVVVH其中：其中：Vb为下封头的容积为下封头的容积(rngj) V1为为1米高筒体的容积米高筒体的容积(rngj)，与内径有关，可查手册确定。与内径有关，可查手册确定。 V为公称

16、容积为公称容积(rngj)。将计算出的将计算出的D与与H带入带入H/D复核，大体符合给定范围即可。复核，大体符合给定范围即可。第16页/共150页第十六页，共150页。搅拌罐尺寸(ch cun)关系 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 s/d =1.52.5第17页/共150页第十七页，共150页。2 22 23 3 确定确定(qudng)(qudng)搅拌罐筒体的厚度搅拌罐筒体的厚度 根据工艺条件，筒体材料、内压力已确定的内径等根据工艺条件，筒体材料、内压力已确定的内径等参数，按薄壁内压容器强度计算公式确定筒体的设参数，按薄壁内压容器强度计算公式确定筒体的设计

17、计(shj)(shj)厚度。厚度。 cppDtdt 2其中td设计厚度，mm；p为设计压力，MPa；D为薄壁圆筒内径(ni jn),mm为材料在设计温度t时的许用应力，MPa；厚度附加量厚度附加量t为焊缝系数为焊缝系数第18页/共150页第十八页，共150页。设计(shj)压力与工作压力 注意：设计任务书中给定压力为工作压力； 使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍； 使用防爆破膜时根据其型式(xn sh)，一般取工作压力的1.151.4倍作为设计压力。第19页/共150页第十九页，共150页。许用应力许用应力(yngl)许用应力是容器壳体等受压元件的材料许

18、用强度，取材料极许用应力是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料极限强度限强度与相应的安全系数之比。与相应的安全系数之比。 材料的极限强度的选择取决于容器材料的判废标准，对材料的极限强度的选择取决于容器材料的判废标准，对于常温或温度于常温或温度(wnd)(wnd)不高的搅拌罐，为了防止在操作过程中不高的搅拌罐，为了防止在操作过程中出现过度塑性变形或断裂等破坏形式，在工程设计中通常取出现过度塑性变形或断裂等破坏形式，在工程设计中通常取屈服点屈服点ss和抗拉强度和抗拉强度bb作为强度极限，作为强度极限， 与所选材料有关，与所选材料有关，可以通过查资料或手册得到。可以通过查资料或手册得到。ssbb

19、nnnbnb、nsns分别是抗拉强度、屈服点的安全系数分别是抗拉强度、屈服点的安全系数, ,安全系数是一个反映包括设计分析、材料安全系数是一个反映包括设计分析、材料(cilio)(cilio)试验制造运行控制等水平不同的质试验制造运行控制等水平不同的质量保证参数，对于碳素钢、低合金钢、铁素体量保证参数，对于碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：高合金钢：nb3.0 ns1.6nb3.0 ns1.6第20页/共150页第二十页，共150页。常用材料(cilio)的许用应力数据第21页/共150页第二十一页，共150页。焊接接头焊接接头(ji tu)(ji tu)系数系数焊接削弱焊接削弱(xuru)(

20、xuru)而降低设计许用应力的系数。而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部(jb)无损探伤。无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。第22页/共150页第二十二页，共150页。厚度(hud)附加量满足满足(mnz)(mnz)强度要求的计算厚度之外，额外增强度要求的计算厚度之外，额

21、外增加的厚度量，包括由钢板负偏差加的厚度量，包括由钢板负偏差( (或钢管负偏差或钢管负偏差) ) ClCl、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2 C2，即，即 C C Cl Cl十十 C2 C2厚度22.22.52.83.03.23.53.844.55.5负偏差 0.13 0.14 0.150.160.180.20.2厚度6782526303234364042505260负偏差0.60.80.911.11.21.3第23页/共150页第二十三页，共150页。腐蚀速度腐蚀速度(sd)(sd)0.05mm0.05mma(a(包括大气包括大气腐蚀腐蚀) )时：时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀

22、C2C21mm1mm，双，双面腐蚀取面腐蚀取C2C22mm2mm， 当腐蚀速度当腐蚀速度(sd)(sd)0.05mm0.05mma a时，单时，单面腐蚀取面腐蚀取C2C22mm2mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C2C24mm4mm。不锈钢取不锈钢取C2C20 0。第24页/共150页第二十四页，共150页。封头的设计(shj)封头又称端盖，结构(jigu)及类型如下：第25页/共150页第二十五页，共150页。2.3.4 2.3.4 确定封头的厚度确定封头的厚度(hud)(hud)和结构尺寸和结构尺寸封头的设计已标准化，内径与筒体的内径一致，封头的设计已标准化，内径与筒体的内径一致，标准锥形封头、

23、椭圆标准封头尺寸、重量标准锥形封头、椭圆标准封头尺寸、重量(zhngling)(zhngling)可查设计资料。可查设计资料。 封头设计厚度按工艺条件，用强度计算公式进封头设计厚度按工艺条件，用强度计算公式进行计算。对椭圆形封头，其壁厚计算公式为行计算。对椭圆形封头，其壁厚计算公式为: : pKpDtt5 . 0 21对标准对标准(biozhn)(biozhn)椭圆形封头椭圆形封头:K=1:K=1第26页/共150页第二十六页，共150页。锥形封头广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降(chnjing)器等)的底盖，便于收集与卸除设备中的固体物料。第27页/共150页第二十七页，

24、共150页。2.3 2.3 罐体压力罐体压力(yl)(yl)试验试验 采用水压试验，试验压力公式为 其中：为实验温度下材料的许用应力(yngl)，MPa； t为设计温度下材料的许用应力(yngl)，MPa。tTpp25. 1第28页/共150页第二十八页，共150页。 试验试验(shyn)(shyn)压力下圆筒中的应力为：压力下圆筒中的应力为： 查材料的屈服点强度查材料的屈服点强度ss 如满足如满足0.9 s0.9 s，则压力试验，则压力试验(shyn)(shyn)强度足够。强度足够。MPaCtCtDpnnT1188 . 0)6 . 16(2)6 . 16(360023. 0)(2)(1设计设

25、计(shj)厚度厚度第29页/共150页第二十九页，共150页。搅拌罐罐体设计(shj)举例试设计一搅拌罐罐体，工艺要求为：装料量为50t，密度为1.076t/m3，要求装料系数为0.8，最高工作压力为0.1MPa,试确定搅拌罐的主要结构尺寸和壁厚。解: （1）、选材对于食品工业，搅拌罐的制造材料可以(ky)选用碳钢、不锈钢、合金钢，相对于其他工业来说，食品液体对钢材的腐蚀性不大，温度不高，压力为低压，故可选用16Mn钢材, 查表16MnR钢b =510MPa，安全系数nb取3，则材料在设计温度下的许用应力为T=170MPa。第30页/共150页第三十页，共150页。第31页/共150页第三十

26、一页，共150页。（2）、计算搅拌罐的主要(zhyo)尺寸 搅拌罐的总容积为搅拌罐的总容积为 搅拌罐为立式容器搅拌罐为立式容器, ,上封头选用标准椭圆形封头上封头选用标准椭圆形封头, ,下封头为了考下封头为了考虑排料选用无折边的锥形封头虑排料选用无折边的锥形封头, ,并选取筒体高度并选取筒体高度H H与筒体半径与筒体半径D1D1的比值为的比值为1.2:11.2:1；上、下封头也可相同。；上、下封头也可相同。 初选筒体直径取初选筒体直径取3600mm,3600mm,查表得标准椭圆形封头的容积查表得标准椭圆形封头的容积为为6.62m36.62m3；如下；如下(rxi)(rxi)封头也为椭圆形封头，

27、则封头也为椭圆形封头，则V2=V1V2=V1。 设锥形封头锥体高度为设锥形封头锥体高度为h,h,半锥顶角为半锥顶角为3030, ,则则h=h= 故搅拌罐的容积由上封头容积故搅拌罐的容积由上封头容积1 1、下封头容积、下封头容积V2V2和筒体容积和筒体容积V3V3组成。组成。3588 . 0076. 1/50mVt3231D第32页/共150页第三十二页，共150页。 解得D1=3530mm，经圆整并取公称直径为D1=3600mm。H=? （3）、搅拌罐筒体壁厚计算： 取设计压力等于最高工作压力的1.1倍（1.11.4），即1.10.1=0.11MPa。同时(tngsh)还需判断是否需要考虑液体

28、静压力。 罐内实装液体为50/1.076=46.47m3，下封头（锥体）部分的液体为 ，所以筒身部分实装液体为46.47-10.57=35.9m3，故筒身部分液柱高度为 ，筒体底部静压力为： 1211213212 . 6DDDDVVVV312157.103234131mDDmDH55. 34/ )(9 .3521MPagHp037. 08 . 955. 3107611第33页/共150页第三十三页，共150页。由上述计算可见，筒体部分液柱静压力0.037MPa已超过(chogu)设计压力的5%，应计如设计压力内，计设计压力为p=0.11+0.037=0.147MPa筒

29、体的焊缝采用带垫板的单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数=0.8。第34页/共150页第三十四页，共150页。 筒体的计算壁厚为： 根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加(ln ji)。 由表查得钢板厚度负偏差c1=0.2mm，腐蚀裕量取c2=1mm， 所以筒体的设计厚度为： td=t+c1+c2=3+0.2+1=4.2mm 考虑安全裕量，圆整后取筒体的名义厚度为5mm。mppDt95. 1147. 08 . 017023600147. 0 21第35页/共150页第三十五页，共150页。（4 4）. .上封头壁厚计算上封头壁厚计算(j sun)(j sun)mmpKpDt

30、5 . 111. 05 . 08 . 01702360011. 015 . 0 21上第36页/共150页第三十六页，共150页。（5 5）. .下封头的壁厚计算下封头的壁厚计算(j sun)(j sun) 下封头为无折边锥形封头(半顶角30），椎体(zhu t)部分厚度可按下式计算： 下封头装液的高度为： 由于静压在封头底部产生的压力为： p2=H2g10766.679.80.07MPa（静压）cos1 21ppDt下mDHH67. 6326 . 3355. 3323112第37页/共150页第三十七页，共150页。 可见，锥形封头部分液柱静压已超过(chogu)了设计压力的5%，应计入设计

31、压力内，即锥形封头的设计压力为： p=0.110.07=0.18MPa 锥体部分的计算厚度为： 根据容器最小壁厚的规定，其最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕量另加，锥体部分的设计厚度为： t下d=tC2=31+0.2=4.2mm 取与筒体一样的厚度5mm 。mmppDt75. 230cos118. 08 . 01702360018. 0cos1 21下第38页/共150页第三十八页，共150页。（6 6）. .压力压力(yl)(yl)试验试验 采用水压试验，试验压力公式(gngsh)为 其中：为实验温度下材料的许用应力，MPa； t为设计温度下材料的许用应力，MPa。MPapptT23. 0170

32、17018. 025. 125. 1tTpp25. 1第39页/共150页第三十九页，共150页。 试验压力下圆筒中的应力为： 而屈服点强度(qingd)s345MPa 0.9 s0.9345310.5MPa 可见,0.9 s,所以压力试验强度(qingd)足够。MPaCtCtDpnnT1188 . 0)6 . 16(2)6 . 16(360023. 0)(2)(1第40页/共150页第四十页，共150页。3. 换热装置(zhungzh)设计 换热装置形式有夹套式、内蛇管式、换热装置形式有夹套式、内蛇管式、内列管式和外盘管式等几种形式，根据搅内列管式和外盘管式等几种形式，根据搅拌罐容积和装料量

33、设计选用。拌罐容积和装料量设计选用。 不同的传热装置的实用不同的传热装置的实用(shyng)范围范围:优先采用夹套。优先采用夹套。 第41页/共150页第四十一页，共150页。3.1 3.1 夹套设计夹套设计(shj)(shj) 确定换热方式：确定换热方式： 中小型搅拌罐优先采用夹套换热，当夹套传热面积中小型搅拌罐优先采用夹套换热，当夹套传热面积(min j)(min j)难以满足工艺温度的要求时，采用内蛇管或列管换热，对特别大难以满足工艺温度的要求时，采用内蛇管或列管换热，对特别大型的搅拌罐可以把采用外部夹套和内部蛇管或列管联合换热。型的搅拌罐可以把采用外部夹套和内部蛇管或列管联合换热。 确

34、定夹套材料：确定夹套材料： 挡板的设计：挡板的设计：第42页/共150页第四十二页，共150页。夹套常用结构夹套常用结构(jigu)形式形式发酵罐通常采用（发酵罐通常采用（b）这种结构）这种结构(jigu)形式形式第43页/共150页第四十三页，共150页。夹套几何尺寸夹套几何尺寸(ch cun)(ch cun)计算计算夹套的内径D2除根据工艺要求确定外，还需根据安装和结构要求合理确定，夹套的内径D2可根据筒体内(t ni)径D1，按经验选取（验算）。当D超过3000时，则不能采用夹套换热。表 夹套内径D2 mm第44页/共150页第四十四页，共150页。夹套高度H2由传热面积确定，高度不低于

35、装料高度，通常与装料系数有关。夹套高度H2可按下式计算：H2=( V-V封)/V1mV1m1米高筒体容积，m3/m；V为全容积。夹套所包围的罐体表面积(筒体表面积F筒+封头表面积F封)一定要大于工艺(gngy)要求的传热面积F，即:第45页/共150页第四十五页，共150页。夹套的强度夹套的强度( (厚度厚度(hud)(hud)计算计算 按内压薄壁容器按内压薄壁容器(rngq)对夹套筒体和封头进行强对夹套筒体和封头进行强度计算，计算公式与釜体计算公式完全相同（将罐度计算，计算公式与釜体计算公式完全相同（将罐体抽出，夹套可以看成一个比罐体大的容器体抽出，夹套可以看成一个比罐体大的容器(rngq)

36、，按薄壁容器，按薄壁容器(rngq)设计夹套的厚度）。设计夹套的厚度）。最后对夹套进行水压校核计算。最后对夹套进行水压校核计算。第46页/共150页第四十六页，共150页。例 2 以下表的工艺(gngy)条件为例，进行罐体结构设计计算第47页/共150页第四十七页，共150页。（1）. 确定筒体的直径(zhjng)和高度mDHVD258. 12 . 114. 3875. 14433根据操作容积根据操作容积(rngj)，确定装料系数为，确定装料系数为0.8，计算全容积，计算全容积(rngj)：V=VL/0.8=1.5/0.8=1.875m3取搅拌罐的高径比取搅拌罐的高径比H/D=1.2取整，公称

37、取整，公称(gngchng)直径直径D=1200mm第48页/共150页第四十八页，共150页。计算(j sun)筒体高度HmVVVHb417. 1131. 1272. 0875. 11筒体高度筒体高度(god)圆整为圆整为H=1.4m演算实际高径比演算实际高径比H/D=1.4/1.21.16复核结果基本接近复核结果基本接近1.2，满足要求。，满足要求。第49页/共150页第四十九页，共150页。（2）. 确定夹套的直径(zhjng)和高度 对于筒体内径D=700-800mm，夹套的内径D1=D+100, 因此Dj=1200+100=1300mm，符合压力容器公称直径。 夹套高度计算： 选取夹

38、套高度Hj=1200mm，则H0=H-Hj=1400-1200=200mm，这样是便于筒体法兰螺栓装拆的。 夹套面积验算：F=F1H1+Fh=3.771.2+1.71=6.23m26m2 夹套传热(chun r)面积符合设计要求。mVVVHb086. 12 . 14272. 05 . 121j第50页/共150页第五十页，共150页。（3）. 确定(qudng)夹套的材料和壁厚选用选用Q235-AQ235-A（A3A3）为夹套材料，查手册）为夹套材料，查手册(shuc)(shuc)对板厚对板厚为为4.516mm4.516mm时，时，Q235-AQ235-A在设计温度为在设计温度为150150的

39、许用应力的许用应力t=113MPat=113MPa，夹套加热蒸汽系统装有安全阀，选取夹，夹套加热蒸汽系统装有安全阀，选取夹套设计压力套设计压力pd=1.1ppd=1.1p，即，即pd=0.44MPapd=0.44MPa，夹套筒体与内筒，夹套筒体与内筒的环焊缝因无法双面焊和作相应的探伤检查，从安全考的环焊缝因无法双面焊和作相应的探伤检查，从安全考虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数=0.60=0.60，取壁厚附，取壁厚附加量偏差加量偏差c1=0.60c1=0.60，单面腐蚀裕度，单面腐蚀裕度c2=1mmc2=1mm。夹套的壁厚。夹套的壁厚计算如下：计算如下：mmcppDt

40、j83. 56 . 144. 06 . 01132130044. 0 2d第51页/共150页第五十一页，共150页。夹套封头壁厚计算(j sun)采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取c=1.6mm圆整至钢板规格圆整至钢板规格(gug)厚度并查阅封头标准，选取夹套厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为的筒体和封头的壁厚均为6mm。mmcppDtj83. 56 . 144. 06 . 01132130044. 0 2d第52页/共150页第五十二页，共150页。夹套与釜体的连接夹套与釜体的连接(linji)可分为可分为:不可拆卸的整体夹套；不可拆卸的整体夹

41、套；可拆卸的整体夹套。可拆卸的整体夹套。不可拆整体夹套：一般不可拆整体夹套：一般(ybn)采用焊接。采用焊接。第53页/共150页第五十三页，共150页。可拆卸的整体可拆卸的整体(zhngt)夹套夹套夹套与罐体用螺栓夹套与罐体用螺栓(lushun)连接。连接。第54页/共150页第五十四页，共150页。夹套的安装夹套的安装(nzhung)(nzhung) 夹套与筒体的焊接点与法兰的距离(jl)要考虑装拆法兰螺栓的方便，一般不小于150200mm。第55页/共150页第五十五页，共150页。 根据工艺要求温度、总散热量等确定冷却装置根据工艺要求温度、总散热量等确定冷却装置（设管、列管等）的冷却面

42、积、管径、长度、（设管、列管等）的冷却面积、管径、长度、高度高度(god)等参数。等参数。 计算依据：设计任务书中的换热面积。计算依据：设计任务书中的换热面积。3.2 3.2 蛇管换热装置蛇管换热装置(zhungzh)(zhungzh)第56页/共150页第五十六页，共150页。内部内部(nib)(nib)蛇管换热蛇管换热装置装置 水平蛇管型式：水平蛇管型式：在满足换热面积的前体下，在满足换热面积的前体下，先选择参数再计算换热面积先选择参数再计算换热面积和蛇管高度等参数。和蛇管高度等参数。蛇管中径与容器直径之比蛇管中径与容器直径之比Dc/D=0.80;蛇管管子蛇管管子(gun zi)外径与蛇外

43、径与蛇管中径之比管中径之比Dco/Dc=0.042;每圈蛇管之间距与蛇管管子每圈蛇管之间距与蛇管管子(gun zi)外径之比外径之比Sc/dco=1.0;蛇管距器底的高度与容器直蛇管距器底的高度与容器直径之比径之比Hc/D=0.10。第57页/共150页第五十七页，共150页。立式立式(l sh)(l sh)（蛇（蛇管）列管换热装置管）列管换热装置第58页/共150页第五十八页，共150页。蛇管的固定蛇管的固定(gdng) 如果蛇管的中心如果蛇管的中心(zhngxn)圆直径圆直径较小或圈数不多、重量不大时，就利用较小或圈数不多、重量不大时，就利用蛇管进出口固定在顶盖上，不再另设支蛇管进出口固定

44、在顶盖上，不再另设支架固定蛇管。当蛇管比较笨重或搅拌时架固定蛇管。当蛇管比较笨重或搅拌时有振动，则则需要安装支架以增加蛇管有振动，则则需要安装支架以增加蛇管的刚性。的刚性。 一般采用支柱和一般采用支柱和(U形形)螺栓固定。螺栓固定。蛇管常用的固定结构如图示。蛇管常用的固定结构如图示。第59页/共150页第五十九页，共150页。蛇管支柱蛇管支柱(zhzh) 因为蛇管本身有一定因为蛇管本身有一定(ydng)的重量，且进出口与罐体相连，因此，除有强烈搅的重量，且进出口与罐体相连，因此，除有强烈搅拌或剧烈振动外，一般情况支柱不必与设备筒体或下封头固定连接，以便于装拆。拌或剧烈振动外，一般情况支柱不必与

45、设备筒体或下封头固定连接，以便于装拆。第60页/共150页第六十页，共150页。蛇管进出口结构蛇管进出口结构(jigu)蛇管进出口一般都设置在顶盖上，有时蛇管进出口一般都设置在顶盖上，有时(yush)考虑结考虑结构上方便也可设置在筒体上。构上方便也可设置在筒体上。(a)用于蛇管与封头一起抽用于蛇管与封头一起抽出的情况；出的情况；(b)可拆卸蛇管；可拆卸蛇管；(c)型结构简单，使用可靠。型结构简单，使用可靠。(d) 有衬里设备的蛇管进出有衬里设备的蛇管进出口结构。口结构。(e)进出口与顶盖采用填料进出口与顶盖采用填料函密封函密封(mfng)；(f)型为适用于常压设备。型为适用于常压设备。第61页

46、/共150页第六十一页，共150页。例3：已知一容积为50m3, 罐径D为4.5m的搅拌罐，其换热装置的传热面积(min j)（由传热量确定）不小于26m2,试进行蛇管的结构设计。 选取(xunq)管材：根据食品料液的性质，选取(xunq)不锈钢管为换热管，根据罐体容积选取(xunq)公称直径为32mm的管材，壁厚为3.5mm。公称直径101520253240506580100125外径141825323845577689108133壁厚3333.53.53.53.54444公称直径150175200225250300350400450500外径159194219245273325377426

47、480530壁厚4.5667889999管材的工程管材的工程(gngchng)直径系列：直径系列：第62页/共150页第六十二页，共150页。计算(j sun)蛇管的长度 考虑蛇管由两列蛇管组成，两列蛇管的长度可根据(gnj)公式计算：。于内径加壁厚，为蛇管的平均直径，等式中：两列蛇管长度：m)(2400345. 014. 326cpcpDmDALDcp=0.031+0.007/2=0.0345mm第63页/共150页第六十三页，共150页。 根据(gnj)结构设计，罐体直径D=4.5m，蛇管中Dc=0.8D=0.8*4.5=3.6m)(15. 315. 0) 122() 1(H223 .11

48、240lmh md)(3 .1115. 0)6 . 314. 3()(lpp2222mhNLNcmhdpppc两列蛇管总高度两列蛇管总圈数：）蛇管圈之间的间距，（）蛇管圈直径，（式中：每圈蛇管的长度根据蛇管高度与已知的装根据蛇管高度与已知的装料高度比较，确定是否料高度比较，确定是否(sh fu)需要对蛇管高度需要对蛇管高度进行调整。进行调整。第64页/共150页第六十四页，共150页。4. 搅拌搅拌(jiobn)装置设计装置设计 搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成(z chn)。 当搅拌器型式确定后，设计的主要内容是确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构，进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核，选

49、择轴的支承结构。 搅拌器直径Dj与发酵罐D1内径之比根据文献推荐值选取。第65页/共150页第六十五页，共150页。 4.1 4.1 搅拌器的结构形式搅拌器的结构形式(xngsh)(xngsh)及安装及安装 典型的搅拌器有旋桨式、推进式、涡轮式等。设典型的搅拌器有旋桨式、推进式、涡轮式等。设计时，搅拌器形式的选择一般根据工艺要求或由计时，搅拌器形式的选择一般根据工艺要求或由任务书给定任务书给定(i dn)。 搅拌器的安装形式：中心式、偏心式、倾斜式、搅拌器的安装形式：中心式、偏心式、倾斜式、旁入式等，一般采用中心式。旁入式等，一般采用中心式。第66页/共150页第六十六页，共150页。桨式搅拌

50、器桨式搅拌器 桨叶多为两叶，搅拌器内径与罐体内径之比常取0.350.8,多用于n100r/min的场合。 桨式搅拌器常用螺栓对夹,当轴径大于50时,再加圆柱(yunzh)销固定。第67页/共150页第六十七页，共150页。桨式搅拌器的主要桨式搅拌器的主要(zhyo)尺寸如下：尺寸如下：第68页/共150页第六十八页，共150页。 推进推进(tujn)式搅拌器式搅拌器 推进推进(tujn)(tujn)式搅拌器的结构和主要尺寸式搅拌器的结构和主要尺寸: :第69页/共150页第六十九页，共150页。推进推进(tujn)式搅拌器的安装式搅拌器的安装 搅拌器与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴

51、端加固定螺母。为防螺纹腐蚀可加轴头(zhu tu)保护帽。第70页/共150页第七十页，共150页。涡轮式搅拌器 有开启涡轮与圆盘涡轮两种结构型式。 涡轮式搅拌机的主要特点是： 适于搅拌多种物料，尤其(yuq)对中等粘度液体特别有效；混合生产能力较高，能量消耗少，搅拌效率较高； 有较高的局部剪切效应； 容易清洗和造价较高。涡轮式搅拌机常用于制备低粘度的乳浊液、悬浮液和固体溶液。 第71页/共150页第七十一页，共150页。搅拌器选型第72页/共150页第七十二页，共150页。4.2 4.2 搅拌器的设计搅拌器的设计(shj)(shj)要求要求 通过搅拌器强度设计确定搅拌器桨叶厚度（在此不作要求

52、(yoqi)）。本设计主要进行搅拌器材料、选型和搅拌器层数、主要外形尺寸等的确定。第73页/共150页第七十三页，共150页。 搅拌轴的机械设计内容同一般传动轴，主要是进行结构设计（包括(boku)轴的支承结构）和强度校核，对于转速n200r/min的轴，还要进行临界转速的校核。 4.3 4.3 搅拌搅拌(jiobn)(jiobn)轴设计轴设计第74页/共150页第七十四页，共150页。4.3.1 4.3.1 搅拌搅拌(jiobn)(jiobn)轴的结轴的结构构 常用实心或空心直轴，结构型式根据轴上安装搅拌器类型、支承的结构和数量，以及(yj)与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。

53、 连接桨式和框式搅拌器的轴头较简单，因用螺栓对夹，所以用光轴即可；连接推进式和涡轮式搅拌器的轴头需车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。 较长的搅拌轴，为加工和安装的方便，常分段制造后用联轴器连接起来。安装搅拌器部分称搅拌轴，与减速器输出轴相联的轴称传动轴，与联轴器配合的轴头部分，按联轴器的要求而定。（见图）第75页/共150页第七十五页，共150页。4.3.2 4.3.2 搅拌搅拌(jiobn)(jiobn)轴强度校核计算轴强度校核计算 搅拌轴的特点是细长,搅拌器安装在轴的最远端,轴经常受到的载荷是扭转载荷、弯曲载荷和轴向载荷等组成的合成载荷。计算比较复杂。工程实际中常采用近似的方法进行强度计算

54、，假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料(cilio)的许用应力，弥补由于忽略弯曲载荷引起的误差。 第76页/共150页第七十六页，共150页。3nPAd 搅拌轴的直径可按下式估算：mm式中：P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；A为随许用剪应力 变化的系数；可查手册选取； 为轴材料的许用剪切应力，MPa。通常(tngchng)搅拌轴强度校核计算常与轴结构设计同时进行，边画图、边计算、边修改。设计的d30mm第77页/共150页第七十七页，共150页。4.3.3 4.3.3 搅拌轴的支承搅拌轴的支承(zh chn)(zh chn)结构结构 搅拌轴的支撑常采用滚动轴承。

55、搅拌轴的滚动轴承选型通常根据转速(zhun s)、载荷的大小及轴径d选择，高转速(zhun s)、轻载荷可选用角接触球轴承；低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。轴承轴承(zhuchng)第78页/共150页第七十八页，共150页。 一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏，需要时，轴的刚度条件变坏，需要(xyo)(xyo)增加轴承。为保证搅增加轴承。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂L1L1、轴径、轴径d d和两轴承间距和两轴承间距B B应满应满足系列关系：足系列关系： L1/B45L1/B4

56、5；L1/d4050L1/d4050。 若轴封能起支承作用，式中若轴封能起支承作用，式中B B算至轴封处，当算至轴封处，当d d的裕量较大的裕量较大（即取值偏大）和轴转速较低，（即取值偏大）和轴转速较低，L1/BL1/B及及L1/dL1/d取偏大值，否取偏大值，否则取偏小值。则取偏小值。 第79页/共150页第七十九页，共150页。4.3.4 4.3.4 搅拌搅拌(jiobn)(jiobn)轴临界转速校核轴临界转速校核 搅拌轴上装有搅拌器，往往(wngwng)由于结构不对称、加工安装有误差等原因，使回转中心离开轴线而产生回转离心力，使轴受到周期性载荷干扰。当周期载荷的频率与搅拌轴的自然频率接近

57、时，轴便发生剧烈振动，这种现象称为轴的共振。产生共振时，搅拌轴的转速称为临界转速。搅拌器的转速n200转/分时，都应作临界转速校核，一般搅拌周常设计成刚性轴，使n（0.750.8) nc1。 第80页/共150页第八十页，共150页。 轴的临界转速轴的临界转速(zhun s)有许多阶，分别是有许多阶，分别是一阶、二阶、三阶临界转速一阶、二阶、三阶临界转速(zhun s)等。工程等。工程中将工作转速中将工作转速(zhun s)低于一阶临界转速低于一阶临界转速(zhun s)的轴称为刚性轴，超过一阶临界转速的轴称为刚性轴，超过一阶临界转速(zhun s)的轴成为挠性轴。的轴成为挠性轴。 当轴上装有

58、单层且经过很好平衡的搅拌器时，当轴上装有单层且经过很好平衡的搅拌器时，其一阶临界转速其一阶临界转速(zhun s)nc1为：为：)(3260n1211c1BLLWEIgW-轴及搅拌器的等效轴及搅拌器的等效(dn xio)重量，重量，N。第81页/共150页第八十一页，共150页。第82页/共150页第八十二页，共150页。5. 5. 传动装置设计传动装置设计(shj) (shj) 搅拌罐的搅拌器由传动装置来带动，传动装置通常设置在顶封头的上部，传动装置设计内容一般(ybn)包括：电机、减速器的计算与选型；联轴器选型；选用和设计机架和底座等。第83页/共150页第八十三页，共150页。 搅拌罐搅

59、拌装置选用搅拌罐搅拌装置选用(xunyng)(xunyng)电机，主要是确定电机功率、转速、型号以及电机，主要是确定电机功率、转速、型号以及安装形式和防爆要求等内容。最常用的为安装形式和防爆要求等内容。最常用的为Y Y系列全封闭自扇式三相异步电动机，系列全封闭自扇式三相异步电动机，当有防爆要求时，可选用当有防爆要求时，可选用(xunyng)YB(xunyng)YB系列。系列。 Y Y型三相异步电机主要技术数据查设计手册。型三相异步电机主要技术数据查设计手册。5.1 5.1 常用电机及其连接常用电机及其连接(linji)(linji)尺寸尺寸 第84页/共150页第八十四页，共150页。 电机功

60、率可按电机功率可按 确定确定(qudng)(qudng) 其中：其中：P P为电机功率，为电机功率，KWKW； PmPm为搅拌所需的轴功率，为搅拌所需的轴功率，KWKW； PTPT为轴封摩擦损失功率，为轴封摩擦损失功率，KWKW； 为传动系统的效率。为传动系统的效率。 依据计算的电机功率，同时考虑搅拌器转速，查电机依据计算的电机功率，同时考虑搅拌器转速，查电机型号。型号。TmPPP第85页/共150页第八十五页，共150页。第86页/共150页第八十六页，共150页。5.2 5.2 减速减速(jin s)(jin s)装置的初步设计装置的初步设计 减速装置的类型主要有：两级齿轮传动减速器、三角