摘要 ：在 已有 的christ真 空冷凍干 燥機 的基 礎上 ，設 計 了適用 于產(chǎn) 量較 小 的真空 冷凍干 燥 機 (christ型真 空冷 凍干燥機 )。
其 中，以凍干箱作 為主要設計 對象進行 了設計計算 。首 先是箱體壁厚 的計算 以及擱板 的導熱液 進 出 口位 置 的確 定 ，然 后是擱板 的結 構和加 工方法 、導熱液 回流和 進 油的導 熱液軟 管長度 的計 算 ，最 后做了導熱液循環(huán)部件 的設計 、捕水器 的改造 、制冷壓 縮機組 的布局設計及 配置 ，并進 行 了實際運行 效果 的測 試 。
關鍵 詞 ：凍干箱 ；擱板 ；導熱 液 ；計算 ；捕水器 ；導熱液循環(huán) 部件
 
 引言
隨著生物制品的廣泛應用，冷凍干燥技術得 到了快速的發(fā)展 。本次設計是為 了滿足不同產(chǎn)量的需求 ，實現(xiàn)真空冷凍干燥機 的規(guī)格系列化 ，在 已有 的ZLG一8型 (有效面積為8ITI)真空冷凍干燥機的基礎上 ，設計 了適用于產(chǎn)量較 小的真 空冷凍干燥機 。在分 析 了ZLG一8型真 空冷凍干燥 機結構及存 在 的問題 的基礎上 ，我們對其進行改進并定型為christ型(有效面積為3mz)真空冷凍干燥機 。該機主要 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 計 的 重 要 部 分 是 以 凍 干 箱 作 為 主 要 設 計對象 ，對凍干箱 的主要部件進行了設計計算。經(jīng)實踐檢驗 ，該設計達到了預定的效果 。
1 christ型真 空冷 凍 干燥機 機 械 方 面 的總體 設計根據(jù)christ型真空冷凍干燥機的設計要求 ，我們參 照ZLG-8型真空冷凍 干燥機 的系統(tǒng)原理進 行了總體布局 ，結合產(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 電控 制柜置于凍干箱 一側 ，微機控制柜則可 以根據(jù)安裝現(xiàn)場需要布置。整套設備的 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 的總體布局 圖如 圖2所 示。
1．4 總 裝 配 圖設 計
根據(jù)christ型真空冷凍干燥機 的總體布局 圖，我們 設計 了ZLG-3型真空冷凍干 燥機 的總裝配 
2 christ型真 空冷凍 干燥機主 要部件設計我們對凍干箱及擱板等關鍵部件進行 了設計 ，凈而發(fā)生污染；(4)若用液壓裝 置在箱 內(nèi)實現(xiàn) 自動加塞 時，擱板應 能上下移動 ，移動 時不得傾斜 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 結器 的流動 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，箱體的強度應引起足夠的重視 。凍干箱工作時 內(nèi)腔為真 空，真空度最低為2～3Pa，經(jīng)計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 為鋼板與加強筋焊接結構 。采用矩形箱體 一方面可 以利用 以往 的成熟技術，另一方面矩形箱體相對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 ，便 于 箱 體 內(nèi)各零件 的布置 ，與凍干箱大 門的連接 簡單可靠 ，便于箱體頂部安裝液壓系統(tǒng)及儲油罐 。
箱體壁板 的加強筋結構保證 了箱體的強度 ，并減輕 了箱體重量 ，便于在加強筋之 間貼放保溫材料。
 
2．2．2 導熱液循環(huán)機 組相對于ZLG一8型凍干 機 的改進
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于盤管式換熱器有 以下優(yōu)點：
(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 180。形成 兩路 相分 離 的管路 ，制冷劑和導熱 液在兩個管路 中以相反的方 向流動，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 ，結構緊湊 ，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 ，使整個系統(tǒng) 的熱慣性減小，從而減少了加熱器 的功率。在設計 時我們估算硅 油用量為 100L，實 際用量 為 85L(由于 板 式 換 熱 器 的容 積 無 法 估 算 ，計 算時設定一個值 ，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 以相應降低 ，設計功率為9kW ，從 調(diào) 試 使用 情 況 看 ，此 功 率 可 以使 得 硅 油 達到 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，使整個機組 占地面積減小 ，從而將 機組 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 的捕水器仍然采用ZLG一8型凍干機的捕水器外形及結構形式。
 
阻力和局部損失 。(1)沿程 阻力是一 種沿導管長度上 的能量損失，它 與管的粗糙度、流體性質及流動狀 態(tài)有關 。(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 ，會使各通路 的流量分配有較 大差別 ，最后 導致 的直 接 結果就 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 動時主 要為沿程損 失，局部損失很小 ，可 以忽略不計 。如果這段直管足夠長 ，沿程 阻力對渦流 起抑 制和 消除 的作 用 ，會 消 除渦流和擾 動的影響。此時，流體 的雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù) ，會形成層流 ，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 、運動黏度系數(shù)有關 ，管路直徑為一定值 ，但流 體的流速 及運動黏度系數(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，當雷諾數(shù)大于上臨界雷諾數(shù)時 ，管路中的流體就會形成紊流 。但是，紊流的存在不一定是有害 的，從微觀上分析紊流是 由于流體各質點運動跡線各不相 同造成的，從而造成 了在某一時刻 同一截 面上各處壓力分布無序 。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 造 成 在 同一截面上某一 點可 能在 一段時間 內(nèi)總高于或低 于另外一 點。這種情況是最惡劣的情況 ，是應極力避免 的，它會造成各板之 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 點上 壓 力 無 規(guī) 則分 布 ，在 不 同的 時刻 在 同一點上壓力也不相 同，但在一段時間內(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 藝要求對設計進行 了改進 。擱板與導熱液軟管 、導熱液分配器 、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產(chǎn)生較大 的熱脹冷縮變形 ，螺紋經(jīng)過數(shù)次交替變形后會產(chǎn)生松動現(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，直接影響機械的使用性能。因此 ，我們改用 了焊接連接方式 ，即將擱板 、導熱液軟管、導熱液分配器 、匯流器整體焊接好后 ，再放在凍干箱 內(nèi)裝配 ，這樣有兩個優(yōu) 點：
一
是便于焊 接后 的檢 漏 ，檢漏 可 以在凍 干箱 外進行 ；二是保證密封性，提高了密封可靠性。
3 結 語
通過實 際調(diào)試和凍干試 驗，ZLG-3型凍干機 的各項主要指標達 到了設 計要求 ，設備運 行可靠 ，制冷 、真空 、導熱液循環(huán) 、壓塞等系統(tǒng)運行平穩(wěn) 。
以下是該機 的一些 實測數(shù)據(jù) ：(1)擱 板最低溫度 ：一50℃；(2)擱板溫 降速率：在 一40～+14℃時用 時為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)導熱 液加 熱溫升
速 率 ：1．5℃／min。從實際調(diào)試觀察，擱板最低溫度可達到 -53℃，但需較長時間才可達到；捕水器捕霜板最低溫度為控制溫度 ，實際最低溫度可低于-70℃。