全液相立式超高壓裝備設計

1、黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 1 緒 論1.1 引言超高壓加工技術 ( High pressure processing)，又稱高靜水壓加工技術( High hydrostatic pressure processing )，即利用液體介質(zhì)使在100MPa的壓力下處理食品，達到延長食品保藏時間的一種物理加工方法。該技術是一種新興的非熱力加工技術，可以更好地保持食品原有的風味、色澤和營養(yǎng)價值，表現(xiàn)出巨大的潛在市場和廣闊的發(fā)展前景。在 日本、美國和加拿大等發(fā)達國家，超高壓食品已有了相當程度的發(fā)展。由于在食品工程用超 高壓設備的研制和生產(chǎn)方面的技術積累不足，中國在食品加工領域超高壓技術研究

2、和應用的時間較短 、存在設備結構設計不盡合理、處理量小、難以連續(xù)化處理及自動化程度低等諸多問題。國外超高壓設備價格昂貴，一般為國內(nèi)的57倍，如西班牙N公司的55L超高壓設備的售價為90萬歐元，這限制了生產(chǎn)企業(yè)對超高壓技術的應用。整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亟待中國在食品工程用大型超高壓設備的自行研制上取得突破。為了增加超高壓設備的處理容積，提高設備運行的穩(wěn)定性和運行效率，本文設計了食品工程用超高壓設備，為商業(yè)化的大型超高壓設備的設計和制造提供了參考。1.2 高壓食品加工技術的應用前景高壓對食品成分的影響后概括了其具有應用前景的方面，迄今仍被認為是較為全面的概括，其主要內(nèi)容是：(1)低溫消毒或滅菌：在溫度低于

3、100攝氏度或常溫下，采用高壓技術可取得高溫下相同的滅菌效果。特別是對于果汁和含有揮發(fā)性香味的食品，這種方法更為優(yōu)越。這可能是高壓加工方法最具應用前景的方面。(2)蛋白質(zhì)改性：在高壓下使蛋白質(zhì)結構再造，使肉類變得松軟可口，使一些酶或毒素失活，以提高食品的安全性和可口性，也可以提高食品的營養(yǎng)價值。(3)物質(zhì)狀態(tài)的改變：高壓可逆性地改變冰和脂類的溶點、冰點和沸點。這一特性可用于制造不同條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)。高壓下淀粉的糊化也可用于稻米和豆類的軟化加工。(4)加快某些反應：有些反應在常壓下不可能發(fā)生，但在高壓下則可以較快地進行。例如生物大分子的酸性水解，酶反應

4、、有氣體參加的反應等等，這些反應在食品加工方面具有良好的應用前景。(5)氣體的溶解或分離：通過高壓可使食品內(nèi)部的氣體逸出，也可使一些氣體如CO：等溶解在液體介質(zhì)中，從而達到加工的目的。(6)表面覆膜：有利于礦物質(zhì)、維生素、風味元素、色素及抗氧化劑的吸收，高壓也可用于液體膠囊技術和保護性可食用膜的制造。(7)其它：高壓還可用于與食品有關的醫(yī)學、化學、物理等基礎學科的研究。1.3 本論文主要研究的內(nèi)容及其目的和意義超高壓食品處理裝置在我國起步較晚，還沒有形成規(guī)范，也沒有成型的設計可參考，主要的筒體結構形式是多層縮套式或剖分式的，造價均非常昂貴。由于繞絲式容器的結構簡單，簡體受力狀況較好，且如果形成

5、規(guī)模制造，造價也比較低廉。因此在此對繞絲式容器的設計進行了研究。本論文通過理論計算、分析及結構設計設計出一新型實驗用食品超高壓處理裝置，并結合先進的計算機技術實現(xiàn)其強度自動設計。主要研究內(nèi)容如下：(1)超高壓食品處理裝置結構設計：本框架繞絲式超高壓食品處理裝置為-+型實驗裝置，對各個零部件都進行了詳細的結構設計和計算。其核心部件超高壓容器部分采用繞絲式結構，具有只漏不爆的特點，保證了工作人員操作時的人身安全和實驗室的財產(chǎn)安全；裝置采用框架結構，簡體只受雙向力，完全不承受軸向力，采用自緊式密封，對密封質(zhì)量的要求較低，結構優(yōu)化，重量較輕。并采用滑軌裝置，裝料卸料方便；(2)強度設計：在給定的設計條

6、件下，進行框架繞絲式超高壓食品處理裝置容器的強度設計，選擇合適材料，設計出符合要求的超高壓容器。由于設計過程繁復，編寫出程序，設計者只需進行選材，輸入設計條件，與材料相關的性能參數(shù)由程序自動添加，且計算機自動給出設計結果，該程序具有一定的智能水平；(3)超高壓殺菌實驗研究：超高壓食品殺菌具有傳統(tǒng)殺菌方法不能比擬的優(yōu)勢，本文以綠色蔬菜為研究對象，對其進行了超高壓殺菌實驗研究。1.4本章小結本章從整個設備的應用領域開篇，敘述了超高壓設備整體發(fā)展歷程和應用前景，回首了過往，展望了未來，表明了超壓設備發(fā)展趨勢，為今后從事超壓設備的工作人員，開了一個宏達的篇章，也對過往的經(jīng)驗進行了總結。2 設計要求與總

7、體結構原理 2.1設計要求 食品工程用超高壓設備的處理量和處理效率必須滿足工業(yè)化食品加工的要求。具體需要解決的關鍵問題有：提高增壓器的工作效率，提升設備的升壓速度；改善高壓下設備的密封性，并實現(xiàn)系統(tǒng)中的液壓油和水介質(zhì)的有效隔離；提高設備在增壓前的充水速度，進一步縮短單批物料的處理時間；選擇合適的材料，設計安全可靠的承壓容器。本文設計的食品工程用超高壓設備要求容積達到 2L，最高工作壓力為600M Pa；設備的處理能力達到 1.5 t/h 以上。2.2結構原理 設備主要由超高壓承壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和水介質(zhì)系統(tǒng)組成。承壓系統(tǒng)是設備處理物料的場所，包括承壓框架、容器支架、容器體、容器堵頭和堵頭密封等裝

8、置。液壓系統(tǒng)負責高靜壓的產(chǎn)生和設備部件的機械移動，主要包括水介質(zhì)增壓器、油泵、油箱、換向閥、等部件。水介質(zhì)系統(tǒng)指傳壓介質(zhì)水的整個循環(huán)路徑，主要包括高壓水泵組、排水泵、水箱、單向閥、等部件。水介質(zhì)直接接觸食品，各級密封必須確保水介質(zhì)與液壓油完全分開。設備總體結構原理是：在主油泵的驅動下，利用增壓器使泵入的水介質(zhì)的壓力上升，再通過單向閥將高壓水注入承壓容器，使容器內(nèi)的水介質(zhì)形成高靜壓環(huán)境。水介質(zhì)和物料在高壓狀態(tài)保持一段時間后卸壓，利用極端壓力的物理作用殺滅食品中微生物或改變食品的特性。2.3工作過程JM400-2L型超高壓設備工作過程為：當容器容器口部空出，此時可以裝入物料。油泵驅動堵頭聯(lián)動桿將堵

9、頭推入容器后，墊塊插入堵頭和承壓框架中間。堵頭和墊塊就位后，處于中位的容器開始充水和增壓。容器體處理結束后自動泄壓。待容器內(nèi)的水排出后，墊塊和堵頭依次移出。移位結束后，處于上位容器體又可以再次進出物料，處理完成后容器自動卸壓。自此，設備運行完成一個循環(huán)。2.4本章小結本章主要以設計要求為起點，從結構原理出發(fā)，最后得出整套設備的工作過程，循序漸進的分析了設計要求，以及對應的結構原理和工作過程，以面到點的深入分析出本次設計的重點在于機構設計，結果在于工作過程，為后續(xù)詳細零部件的設計奠定了基礎，也做了大量的資料積累，減輕了后續(xù)設計的工作量。3主要部件設計3.1超高壓承壓容器超高壓承壓容器是超高壓設備

10、的主要部件，其材料的選擇和耐壓性能關系到設備的安全和使用壽命。對于承受 98 MPa 以上壓力的承壓容器，各國至今還沒有完整的設計規(guī)范、制造準則、驗收條款，我國也尚未頒布正式的設計制造規(guī)范。超高壓承壓容器的設計對容器材質(zhì)要求嚴格，結構必須保證強度的可靠性和密封的嚴密性。設計參照超高壓容器設計規(guī)范 WJ/Z24689，同時符合美國 ASME 設計規(guī)范，對超高壓設備所需要的整體鍛造承壓容器進行設計、計算及安全性分析。超高壓加工的壓媒一般為液體，且通常使用油或者水，而在本試驗中需對食品進行加工，考慮到清潔性，選取水為超高壓容器中的工作介質(zhì)，工作溫度為常溫。因此得到本容器的設計參數(shù)：設計溫度：常溫；設

11、計壓力：P=600x1.5=650MPa；操作次數(shù)：超高壓食品加工容器屬于間歇式操作，取其設計疲勞壽命N=10000次；3.1.1繞絲式容器的強度設計超高壓容器筒體基本幾何尺寸的確定：我國實際加工能力，設計要求取簡體內(nèi)徑r=25mm，則筒體的有效長度為：L=40X2+200000/3.14x252=102mm考慮到容器端部空間，取簡體總長度取L=202mm。對繞絲式容器的強度計算包括纏繞層外徑計算、內(nèi)筒外徑計算、鋼絲層預緊應力計算、容器器壁的應力分布等。(1)內(nèi)筒與纏繞鋼絲的E、U值相同。 （2)鋼絲絲層及內(nèi)筒處子彈性范圍內(nèi)。(3)由于鋼絲層間接觸緊密，故工作壓力Pi引起的威力和應變在纏繞層的

12、整個壁厚上是連續(xù)的，工作壓力可用Lame公式計算。(4)不考慮簡體端部對其應力和變形的影響，當作平面問題處理。內(nèi)徑r=25 mm，設計壓力P=650 M pa，內(nèi)筒材料為En26(英)，屈服極限，s=1130Mpa，屈服安全系數(shù)ns=1.3。內(nèi)筒材料的許用應力為=1130/1.3=869.23Mpa所使用的鋼絲65Mn鋼絲許用應力為=1569.1Mpa許用力為=1600/1.3=1207Mpa3.1.2預緊系數(shù)的確定數(shù)選取原則是保證內(nèi)筒內(nèi)壁的周向力i將不超過內(nèi)筒的屈服極限屈限。一i=10511，猩多數(shù)情況下，如果值取得過大，內(nèi)筒內(nèi)壁周向應力，將超過內(nèi)筒的屈服極限屈限，但不盡然。只有>時，才不會出現(xiàn)拉應變。其中，u泊松比，取03。3.1.3纏繞層外徑ri的確定繞絲式容器中，鋼絲層是承受內(nèi)壓力的主要部分，由于它不與內(nèi)部介質(zhì)接觸，不受腐蝕，故最好采用強度較高而又具有較好焊接性能的鋼絲。一般使用經(jīng)過冷拉或冷拔的鋼絲進行纏繞。經(jīng)過冷加工的鋼絲其屈服點與強度均較內(nèi)筒為高，但塑性較低。對鋼絲的具體要求是：(1)鋼絲的截面不應有粗細不一或超過公差等缺陷。(2)鋼絲內(nèi)部不應當有縮孔、粗糙的非金屬夾雜物。(3)鋼絲的表面不應有折迭、斑點蒜缺陷。(4)鋼絲含碳量在06O7之間，含硫與磷的