ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計系別機電信息系專業(yè)機械設計制造及其自動化班級姓名學號導師2012年12月16日1畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1題目背景冷凍干燥技術(shù)已廣泛應用于醫(yī)藥和食品行業(yè)，宇航及新材料的研制等領域。目前，凍干工藝主要是靠實驗摸索。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)，最初都是在小型試驗型設備上通過實驗逐漸摸索，確定合理的凍干工藝，再進行中試和大量生產(chǎn)。而目前實驗型凍干設備大都是針對于特定產(chǎn)品的，對于其它產(chǎn)品的開發(fā)并不適合，開發(fā)一種多功能的實驗型凍干設備具有較廣泛的應用前景。1.2研究意義真空冷凍干燥(以下簡稱凍干)是將物體凍結(jié)到共晶點溫度以下，然后在較高的真空條件下通過升華干燥除去物體中水分的一種干燥方法。真空冷凍干燥技術(shù)是隨制冷、真空、生物、電子等技術(shù)的發(fā)展而迅速興起的多學科綜合性應用技術(shù)，除了在傳統(tǒng)的醫(yī)學、生物學、藥學、農(nóng)業(yè)等領域得到廣泛的應用外，目前已向分子生物學、基因工程學、新型生物醫(yī)學、中藥新制劑、高品質(zhì)方便食品、考古學、粉末材料制造等領域發(fā)展。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，對凍干技術(shù)的應用和凍干產(chǎn)品的需求日益增長116。但在我國，凍干技術(shù)無論在理論研究還是工藝水平、設備制造等方面與國際水平比較均有很大差距，因而近年來對凍干技術(shù)和凍干設備性能的研究已引起廣泛的興趣和重視。我國已生產(chǎn)出多臺凍干機，但其性能和功能仍不能滿足市場的要求，與國外產(chǎn)品仍有很大的差距。如何縮小差距，使我國生產(chǎn)的凍干機也能走出國門，走向世界，應該是我們真空冷凍干燥研究人員的責任和使命2。實驗室用凍干機應能適應藥品、食品、生物制品和化工材料的凍干實驗，熱物理系數(shù)測定，傳熱傳質(zhì)理論研究。因此，對其溫度范圍要求寬(-65一+90)，能自動調(diào)節(jié)溫度和壓力，設定、貯存、顯示多條凍干曲線。因為是實驗用凍干機，又要求多功能，所以它是非標準產(chǎn)品，凍干機廠家沒有生產(chǎn)過，第一次生產(chǎn)出來并交到實驗室來的凍干機因性能不合格而退貨。這臺凍干機只是通過了初步的驗收實驗，在以后的實驗中是否能滿足各種要求還不知道，因此，凍干機的性能研究提到了日程上來。目前脫lkg水需要的能耗是凍干機最重要的指標，國際上這個指標為脫除lkg冰晶需1.2kwh電左右。俄羅斯食品設計研究院的博士論文中曾給出脫lkg水，需消耗lkwh電能的報告，國內(nèi)報道蘭州科近真空凍干技術(shù)公司開發(fā)的節(jié)能型JDG系列食品凍干機脫lkg冰的能耗為0.55kwh。因此在凍干機上做純水的凍干實驗，以精確計算脫lkg水需要的能耗是非常必須的。另外，每一家生產(chǎn)凍干產(chǎn)品的企業(yè)，面對需求不斷變化的市場，所選設備多為間歇式凍干裝置，多品種輪換生產(chǎn)，每試產(chǎn)一個新品種食品，求得其干燥工藝曲線，往往耗費相當數(shù)額的人力、物力、財力。有的企業(yè)雖然買了小型試驗機，但因在小試驗機上做出的樣品都不能指導大凍干機生產(chǎn)因為結(jié)構(gòu)不同，試驗條件不同所致。作為專門研究真空冷凍干燥技術(shù)與設備的研究生，對多功能型實驗用凍干機結(jié)構(gòu)以及性能進行研究，來模擬大中型凍干機的生產(chǎn)過程，取得干燥工藝曲線，用來指導大中型凍干裝置的規(guī)?；a(chǎn)是非常需要的，也是非常必要的3。由于以上原因，本文選擇對ZLG-0.4型試驗用凍干機的設計進行研究。1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況1.3.1國外凍干機的發(fā)展概況凍干技術(shù)誕生的很早，大約出現(xiàn)在1811年，當時用于生物體的脫水。1813年，英國人WlliamHyde就發(fā)現(xiàn)水在減壓的容器中可以結(jié)冰，當時他用手動抽氣機減壓，效率不高，達不到較高的真空度，他僅僅觀察了這種現(xiàn)象，也沒有想到什么用途。后來Leslie教授設計了一種儀器，可將水冷凍后慢慢消失。至1935年一1938年期間，F(xiàn)losdorf和Greacves等分別研究了比較完善的冷凍干燥的儀器和機械，用冷氣機冷卻冷凝器以凝集樣品升華的水分，使冷凍干燥走出實驗室。第一臺商業(yè)用凍干機問世是在1935年，W.3.Elser等在凍干機上最先采用了低溫冷阱，從而改變了用真空泵直接抽水蒸氣的方法；首次在凍千機上采用主動加墊的辦法，使升華過程得到了強化，干燥時間得到縮短，因而可用于生產(chǎn)。由于第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，輸血的需要，必須發(fā)展血液制品，同時，抗生素的需要量也急劇增加，凍干技術(shù)和凍干機在醫(yī)藥工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。在英國，1943年制成并開始使用大型凍干機，冷阱設在凍干箱內(nèi)，是現(xiàn)在這種凍干設備的原型。1944年鉚ckoff和Logcdin采用雙管干冰阱，使捕水器溫度降低，捕水效果更好，從而又開發(fā)出在外側(cè)直接與多歧管連接的裝置，成為現(xiàn)在歧管式凍干機最早的原型，用這種設備可以生產(chǎn)出凍干的盤尼西林和血漿。在日本，陸軍中醫(yī)中校內(nèi)藤良一為了細菌戰(zhàn)做準備，在1939年到1943年間進行了細菌、病毒等的凍干研究，并于1943年將多歧管凍干機成功的改制成箱式凍干機4。目前主要企業(yè)有英國愛德華真空設備公司(ADWARDS)，美國的赫爾公司(HULL德國的芬納昆公司(FINN-KOAU)，日本真空技術(shù)株式會社(ULVAC)，日本共和真空株式會社(DYOWAC)月一麥的阿特拉斯工業(yè)公司(ATLAS)，美國奧特公司(Virtis)等，上述七家企業(yè)產(chǎn)品可以代表當今世界凍干設備的技術(shù)水平，各國的凍干設備有80%以上為上述企業(yè)的產(chǎn)品。國外醫(yī)藥用凍干機的特點是：1、產(chǎn)品嚴格按有關(guān)國際標準設計、制造。例如目前國際制藥業(yè)權(quán)威GMP標準，美國衛(wèi)生部和食品藥品管理局FDA標準以及CIP(自動清洗)技術(shù)。隨著PV(過程檢驗)概念的引入，對凍干設備提出了更高的要求。2、凍干過程自動化裝置的實現(xiàn)。為了實現(xiàn)安全性(無菌、無傳染)綜合發(fā)展蒸汽滅菌，自動清洗技術(shù)并研制出自動裝料、運載、凍干、輸出、封蓋的全自動無人操作裝置，使凍干無菌室實現(xiàn)無人自動化，該裝置在德國、日本己投入使用。3、高性能、高可靠性及經(jīng)濟性，為了確保凍干機無故障運行，除了在制造過程中實現(xiàn)全面質(zhì)量控制外，設計時米用備用機，凍干過程中設有制品取樣分析裝置。經(jīng)疥性指標是指制取同樣凍干制品時的電、汽及水耗量最低。食品凍干機中，丹麥的阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續(xù)式凍干機，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水汽凝結(jié)器除冰再生技術(shù)和TL型液體食品密閉系統(tǒng)管式凍干機可代表世界食品凍干機的先進技術(shù)5。1.3.2我國凍干機的發(fā)展概況解放前，我國的凍干技術(shù)和設備都是進口的，既沒有從事凍干技術(shù)研究的大專院校和科研院所，也沒有凍干設備的設計人員和制造工廠。1951年在上海由葛學煊工程師最先設計成功凍干機，并于1953年由上海合眾、五昌機器廠和上海醫(yī)療器械廠分工制造，20世紀50年代共生產(chǎn)10套，當時由于質(zhì)量差、能耗大沒有發(fā)展起來。20世紀60年代，北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干食品生產(chǎn)廠家并先后仿制了一批凍干機，特點是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。1975年，華中工學院的林秀誠、趙鶴皋和湖北省生物藥品廠共同研制成功凍干面積為37.4m，的大型凍干機，采用單機雙級壓縮機，這是我國自行研制的第一臺能在凍干機內(nèi)加塞的凍干饑。為加快我國凍干技術(shù)的發(fā)展，機電部將工業(yè)真空冷凍干燥機列入1988年工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項目，由華中理工大學承擔并與浙江真空設備廠協(xié)作進行研制，產(chǎn)品于1989羊通過部級鑒定，該機結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，擱板間距可調(diào)，采用微機程控6。此外，清畢大學核能設計研究院引進俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設備的先進技術(shù)，直接與國家一級企業(yè)煙臺冰輪集團合作，共同探索出一條發(fā)展我國冷凍干燥事業(yè)的新路，優(yōu)點是：起點高、投資少、見效快。在引進、消化、吸收的同時，對設備的改進提出了切實可行拘方案。近幾年來，國內(nèi)在凍干設備及凍干工藝和凍干產(chǎn)品上發(fā)展非常迅速。生產(chǎn)醫(yī)藥用凍干機的工廠由十年前的幾家，發(fā)展到現(xiàn)在的十幾家，醫(yī)藥用凍干機的水平也有了很大的是高，全部執(zhí)行了GMP標準，基本上都設置了自動清洗裝置(CIP)，自動加蓋機構(gòu)。998年以前，我國生產(chǎn)的凍干機沒有在位滅菌功能，1998年以后，上海東富龍、遠東，北京的天利、速原等公司生產(chǎn)的凍干機基本上都帶有在位滅菌(STP)功能。20世紀90年代以后生產(chǎn)的凍干機，絕大部分采用計算機進行自動控制，從凍干機的運行程序的設起、執(zhí)行、修改，凍干過程中溫度、真空度、時間、含水量等主要參數(shù)的采集、顯示、字儲、控制，配套設備的運轉(zhuǎn)，安全保護，故障處理等均能自動進行。據(jù)統(tǒng)計，上海東奢龍科技有限公司近幾年產(chǎn)品銷售量已達到200臺。在食品凍干機發(fā)展上，沈陽新陽速東設備有限公司等有關(guān)單位，已經(jīng)生產(chǎn)出多臺大型食品凍干機，單臺最大凍干面積可達100m717。全國各地涌現(xiàn)出大大小小不少于30家的凍干設備的生產(chǎn)廠，這其中，有一部分是真正的凍干設備國產(chǎn)化，促進國內(nèi)凍干行業(yè)進步而努力攻關(guān)的大專院校和科研單位，以及有一定技術(shù)基礎和科研力量的軍工企業(yè)，真空設備、速凍設備制造廠等。但是，也有一些是與凍干行業(yè)不相關(guān)，以為生產(chǎn)凍干設備有利可圖而匆匆上馬的機械加工等單位，所以，一時間魚目混珠，打出生產(chǎn)凍干設備的廣告而從未設計和銷售一臺凍干設備的廠家比比皆是。大部分國產(chǎn)凍干機生產(chǎn)廠家走的是仿制道路。有的廠家在采用國外先進技術(shù)的同時，進行了很大的改進8。如加熱板內(nèi)采用了特殊導流裝置，使板內(nèi)流體的流量均勻，保證了加熱的均勻和穩(wěn)定：捕水器在工作中可實現(xiàn)交替捕水和融冰，捕水器盤管內(nèi)氨液制冷方式由傳統(tǒng)的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷，使捕水器盤管內(nèi)溫度均勻，結(jié)霜性能良好。除仿制之外，國內(nèi)自己的研制能力也在提高，有的單位己經(jīng)脫離了仿制國外機型，抽氣系統(tǒng)采用低架式水蒸氣噴射泵抽水蒸氣，省去了捕水器和制冷系統(tǒng)，使設備價格有所降低18。但是國產(chǎn)凍干機存在的一些不足之處：(1)擱板溫度不均勻，造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻，產(chǎn)品合格率受影響。造成溫度不均勻的原因各不相同：或者是擱板結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量不好；或者是加熱流體分流或流程有欠缺；或者是捕水器在干燥箱內(nèi)絕熱不好9。(2)干燥速率低，干燥箱內(nèi)各點干燥快慢不一致，反映在產(chǎn)品上仍然是合格率受影響。其原因除擱板溫度不均勻外，還與真空系統(tǒng)配置得不合理有關(guān)。主要體現(xiàn)在：捕水器配置得不合理；水蒸氣噴射泵性能不穩(wěn)定：抽氣口位置不合理等。(3)水汽凝結(jié)器效率低。主要體現(xiàn)在水汽凝結(jié)器面積大而捕水量小有部分無效面積，其根本原因是水汽凝結(jié)器設計不合理10?？偟膩碚f，限于國內(nèi)機械制造業(yè)的水平和自動控制技術(shù)等的因素，雖然一些國產(chǎn)的凍干設備經(jīng)過了國家鑒定，達到了一定的水平，但跟進口凍干設備相比，無論在外形，還是在節(jié)能方面都有一定的差距。大型凍干機，存在的主要問題是設計上模仿國外進口機型制造出的設備雖能滿足使用，但仍未能實現(xiàn)優(yōu)化設計和節(jié)能，盡管制造成本低，售價低，可是運轉(zhuǎn)費用高。小型凍干機存在的問題主要是性能不好，往往達不到實際要求。這就要求我們努力改進設備，縮短與國外設備之間的差距，完善國產(chǎn)的凍干機11。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2