摘要 ：在 已有 的christ真 空冷凍干 燥機(jī) 的基 礎(chǔ)上 ，設(shè) 計(jì) 了適用 于產(chǎn) 量較 小 的真空 冷凍干 燥 機(jī) (christ型真 空冷 凍干燥機(jī) )。
其 中，以?xún)龈上渥?為主要設(shè)計(jì) 對(duì)象進(jìn)行 了設(shè)計(jì)計(jì)算 。首 先是箱體壁厚 的計(jì)算 以及擱板 的導(dǎo)熱液 進(jìn) 出 口位 置 的確 定 ，然 后是擱板 的結(jié) 構(gòu)和加 工方法 、導(dǎo)熱液 回流和 進(jìn) 油的導(dǎo) 熱液軟 管長(zhǎng)度 的計(jì) 算 ，最 后做了導(dǎo)熱液循環(huán)部件 的設(shè)計(jì) 、捕水器 的改造 、制冷壓 縮機(jī)組 的布局設(shè)計(jì)及 配置 ，并進(jìn) 行 了實(shí)際運(yùn)行 效果 的測(cè) 試 。
關(guān)鍵 詞 ：凍干箱 ；擱板 ；導(dǎo)熱 液 ；計(jì)算 ；捕水器 ；導(dǎo)熱液循環(huán) 部件
 
 引言
隨著生物制品的廣泛應(yīng)用，冷凍干燥技術(shù)得 到了快速的發(fā)展 。本次設(shè)計(jì)是為 了滿(mǎn)足不同產(chǎn)量的需求 ，實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥機(jī) 的規(guī)格系列化 ，在 已有 的ZLG一8型 (有效面積為8ITI)真空冷凍干燥機(jī)的基礎(chǔ)上 ，設(shè)計(jì) 了適用于產(chǎn)量較 小的真 空冷凍干燥機(jī) 。在分 析 了ZLG一8型真 空冷凍干燥 機(jī)結(jié)構(gòu)及存 在 的問(wèn)題 的基礎(chǔ)上 ，我們對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)并定型為christ型(有效面積為3mz)真空冷凍干燥機(jī) 。該機(jī)主要 由冷凍系統(tǒng) 、真空系統(tǒng) 、液壓壓塞系統(tǒng) 、循環(huán)系統(tǒng) 、凍干箱體、擱板及捕水器、控制系統(tǒng)等組成 。
本 設(shè) 計(jì) 的 重 要 部 分 是 以 凍 干 箱 作 為 主 要 設(shè) 計(jì)對(duì)象 ，對(duì)凍干箱 的主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn) ，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定的效果 。
1 christ型真 空冷 凍 干燥機(jī) 機(jī) 械 方 面 的總體 設(shè)計(jì)根據(jù)christ型真空冷凍干燥機(jī)的設(shè)計(jì)要求 ，我們參 照Z(yǔ)LG-8型真空冷凍 干燥機(jī) 的系統(tǒng)原理進(jìn) 行了總體布局 ，結(jié)合產(chǎn)量變小 的要求 ，本著 降低能耗和制造成本的原則，我們確定 Tchrist型真空冷凍箱 與捕 水器之 間，強(qiáng) 電控 制柜置于凍干箱 一側(cè) ，微機(jī)控制柜則可 以根據(jù)安裝現(xiàn)場(chǎng)需要布置。整套設(shè)備的 占地面積為5000mmX4000IlllTI，凈高度約3190nlln，廠房高度不得低于3500mm。christ型真空冷凍干燥機(jī) 的總體布局 圖如 圖2所 示。
1．4 總 裝 配 圖設(shè) 計(jì)
根據(jù)christ型真空冷凍干燥機(jī) 的總體布局 圖，我們 設(shè)計(jì) 了ZLG-3型真空冷凍干 燥機(jī) 的總裝配 
2 christ型真 空冷凍 干燥機(jī)主 要部件設(shè)計(jì)我們對(duì)凍干箱及擱板等關(guān)鍵部件進(jìn)行 了設(shè)計(jì) ，凈而發(fā)生污染；(4)若用液壓裝 置在箱 內(nèi)實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)加塞 時(shí)，擱板應(yīng) 能上下移動(dòng) ，移動(dòng) 時(shí)不得傾斜 以免卡死 ；
(5)箱 內(nèi)零部件布置盡量減少升華水汽流 向水汽凝 結(jié)器 的流動(dòng) 阻力 。
2．1．1．2 凍 干箱 體 的 制造 要 求
在水汽升華 階段 ，箱 內(nèi)為真空 ，因此箱 體為受外壓 的容器，箱體的強(qiáng)度應(yīng)引起足夠的重視 。凍干箱工作時(shí) 內(nèi)腔為真 空，真空度最低為2～3Pa，經(jīng)計(jì)算每塊壁板均承受不小于100000N、最大承受160000N的壓 力。因此 ，箱體要有足夠的強(qiáng)度 、良好 的密封性及保溫性能。凍 干箱 采 用 矩 形 箱 體氬 弧焊 焊 接 形 式 ，箱 體 各壁板 為鋼板與加強(qiáng)筋焊接結(jié)構(gòu) 。采用矩形箱體 一方面可 以利用 以往 的成熟技術(shù)，另一方面矩形箱體相對(duì)于圓形箱體而言具有體積 小 、箱 體 內(nèi)可 利 用 空 間大 的優(yōu) 點(diǎn) ，便 于 箱 體 內(nèi)各零件 的布置 ，與凍干箱大 門(mén)的連接 簡(jiǎn)單可靠 ，便于箱體頂部安裝液壓系統(tǒng)及儲(chǔ)油罐 。
箱體壁板 的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)保證 了箱體的強(qiáng)度 ，并減輕 了箱體重量 ，便于在加強(qiáng)筋之 間貼放保溫材料。
 
2．2．2 導(dǎo)熱液循環(huán)機(jī) 組相對(duì)于ZLG一8型凍干 機(jī) 的改進(jìn)
2．2．2．1 冷熱交換器使用不銹鋼板式換熱器板式換熱器相對(duì)于盤(pán)管式換熱器有 以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)熱交 換效率 高：板式換熱器 由許 多不銹鋼薄板經(jīng)沖 壓后焊接而成 ，鋼板 厚度 小 ，熱交換面積大 ，間隔的板 片之 間旋轉(zhuǎn) 180。形成 兩路 相分 離 的管路 ，制冷劑和導(dǎo)熱 液在兩個(gè)管路 中以相反的方 向流動(dòng)，因此熱交換效率高；
(2)由于各板片之間所形成 的管路 非常細(xì)小 ，且密度高，這樣不但使換熱器的熱交換效率較高，而且所需制冷劑及導(dǎo)熱液少 ，降低 了制造和使用成本 ；
(3)密封性好 ，最 高可 以承受3MPa的壓力 以及2．0×10-sMPa的真空度 ，可靠性高；
(4)由于熱交換效率高 ，在相 同的熱交換量下 ，結(jié)構(gòu)緊湊 ，占地面積小 ，便于安裝連接 。
2．2．2．2 將加熱器做成循環(huán)管路 的一部分 ，減 少了硅油的用量我們將加熱器做成循環(huán)管路的一部分 ，減小了體積，便于各部件的布排 ，減少了硅油的用量 ，使整個(gè)系統(tǒng) 的熱慣性減小，從而減少了加熱器 的功率。在設(shè)計(jì) 時(shí)我們估算硅 油用量為 100L，實(shí) 際用量 為 85L(由于 板 式 換 熱 器 的容 積 無(wú) 法 估 算 ，計(jì) 算時(shí)設(shè)定一個(gè)值 ，但從使用情 況看，板式 換熱器 的容積很小)，因而 降低 了制造和使用成本 。由于硅油用量較少 ，加熱器 的功率 可 以相應(yīng)降低 ，設(shè)計(jì)功率為9kW ，從 調(diào) 試 使用 情 況 看 ，此 功 率 可 以使 得 硅 油 達(dá)到 1．5℃／min的溫 升速 率 ，由于 使用 了板 式換 熱器 并將加熱器融入循環(huán)管路中，使整個(gè)機(jī)組 占地面積減小 ，從而將 機(jī)組 放在 凍干 箱 與捕水 器 之 間成 為可 能 。
2．3 捕 水 器 的 改 造
christ型凍干機(jī) 的捕水器仍然采用ZLG一8型凍干機(jī)的捕水器外形及結(jié)構(gòu)形式。
 
阻力和局部損失 。(1)沿程 阻力是一 種沿導(dǎo)管長(zhǎng)度上 的能量損失，它 與管的粗糙度、流體性質(zhì)及流動(dòng)狀 態(tài)有關(guān) 。(2)局部損 失是因局 部障礙 引起流束顯著變形及渦流所產(chǎn)生的阻力。顯然此處彎頭的能量損失主要為局部損失，即產(chǎn) 生了渦流 。如果流體經(jīng)過(guò)彎管后直接與分配器連接 ， 由于渦流 的存在使 同一截面上 的各處壓力不均勻 ，如 圖9上A、B兩點(diǎn) ，會(huì)使各通路 的流量分配有較 大差別 ，最后 導(dǎo)致 的直 接 結(jié)果就 是各捕 霜板 之間捕霜 不均勻 。若 在分配 器前加 一段直管 ，流體在直 管 內(nèi)流 動(dòng)時(shí)主 要為沿程損 失，局部損失很小 ，可 以忽略不計(jì) 。如果這段直管足夠長(zhǎng) ，沿程 阻力對(duì)渦流 起抑 制和 消除 的作 用 ，會(huì) 消 除渦流和擾 動(dòng)的影響。此時(shí)，流體 的雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù) ，會(huì)形成層流 ，即壓力在 同一半徑上相 等，這種情 況是最理想的。流體 的雷諾數(shù)與管路的直徑 、流速 、運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)有關(guān) ，管路直徑為一定值 ，但流 體的流速 及運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)是不可控制且是在不斷變化的，即流體 的雷諾數(shù)是變化的，當(dāng)雷諾數(shù)大于上臨界雷諾數(shù)時(shí) ，管路中的流體就會(huì)形成紊流 。但是，紊流的存在不一定是有害 的，從微觀上分析紊流是 由于流體各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)跡線(xiàn)各不相 同造成的，從而造成 了在某一時(shí)刻 同一截 面上各處壓力分布無(wú)序 。從宏觀上分析紊流可分為兩種 ：第一種是渦流 ，渦流分布是有一定 規(guī)律 的 ，即 由于 局 部 損 失造 成 的渦 流會(huì) 造 成 在 同一截面上某一 點(diǎn)可 能在 一段時(shí)間 內(nèi)總高于或低 于另外一 點(diǎn)。這種情況是最?lèi)毫拥那闆r ，是應(yīng)極力避免 的，它會(huì)造成各板之 間流量 分配不 均。第二種 是由于上游渦流 引起 的紊流 ，在下游某一截面上在不 同的 點(diǎn)上 壓 力 無(wú) 規(guī) 則分 布 ，在 不 同的 時(shí)刻 在 同一點(diǎn)上壓力也不相 同，但在一段時(shí)間內(nèi)某一截面上的壓力分布則是有規(guī)律的。
因此，在分配器前加一段直管可 以起到整理液題 ，并根據(jù)工 藝要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行 了改進(jìn) 。擱板與導(dǎo)熱液軟管 、導(dǎo)熱液分配器 、匯流器的連接 ，以前采用螺紋連接形式 ，在裝配 時(shí)這些零件都可以在凍干箱內(nèi)逐一裝配 ，但是這種螺紋連接形式在使用過(guò)程中密封性不好 ，由于凍干箱 內(nèi)溫度變化 范圍大 ，螺紋在這種情況下會(huì)產(chǎn)生較大 的熱脹冷縮變形 ，螺紋經(jīng)過(guò)數(shù)次交替變形后會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象 ，螺紋的緊固力矩減小，使硅油產(chǎn)生泄漏，容易污染藥 品，直接影響機(jī)械的使用性能。因此 ，我們改用 了焊接連接方式 ，即將擱板 、導(dǎo)熱液軟管、導(dǎo)熱液分配器 、匯流器整體焊接好后 ，再放在凍干箱 內(nèi)裝配 ，這樣有兩個(gè)優(yōu) 點(diǎn)：
一
是便于焊 接后 的檢 漏 ，檢漏 可 以在凍 干箱 外進(jìn)行 ；二是保證密封性，提高了密封可靠性。
3 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)實(shí) 際調(diào)試和凍干試 驗(yàn)，ZLG-3型凍干機(jī) 的各項(xiàng)主要指標(biāo)達(dá) 到了設(shè) 計(jì)要求 ，設(shè)備運(yùn) 行可靠 ，制冷 、真空 、導(dǎo)熱液循環(huán) 、壓塞等系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn) 。
以下是該機(jī) 的一些 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) ：(1)擱 板最低溫度 ：一50℃；(2)擱板溫 降速率：在 一40～+14℃時(shí)用 時(shí)為1h；(3)捕水器捕霜板最低溫 度 ：一70℃；
(4)凍干 箱最大真 空度 ：3Pa；(5)導(dǎo)熱 液加 熱溫升
速 率 ：1．5℃／min。從實(shí)際調(diào)試觀察，擱板最低溫度可達(dá)到 -53℃，但需較長(zhǎng)時(shí)間才可達(dá)到；捕水器捕霜板最低溫度為控制溫度 ，實(shí)際最低溫度可低于-70℃。