輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)的設(shè)計(jì)

王棟 ，盧禹銘，袁越錦，CHUNG Lim Law，董繼先*，王加隆

1. 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（西安 710021）；2. 諾丁漢大學(xué)馬來(lái)西亞分校（吉隆坡 43500）；3. 輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司（西安 710086）

在果蔬加工前，燙漂預(yù)處理可有效鈍化果蔬中引起色澤和品質(zhì)劣變的酶[1]，抑制其酶促反應(yīng)，極大地保留果蔬原有的色澤、風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)成分[2]。熱水與常壓蒸汽這2種燙漂方法因其不僅具備護(hù)色效果，還可在后續(xù)干制加工中提高果蔬傳質(zhì)效率[3-5]，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但熱水燙漂方法一方面會(huì)造成果蔬中水溶性成分大量流失，另一方面則會(huì)產(chǎn)生大量污水，并且這些污水不經(jīng)處理排放會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成環(huán)境污染[1-3,6]。常壓蒸汽燙漂技術(shù)克服熱水燙漂的問(wèn)題，卻仍存在燙漂不均勻[7-8]、只適用于薄層物料加工[9]等問(wèn)題。陳添明[10]設(shè)計(jì)一種帶式氣體射流沖擊蒸汽燙漂機(jī)，除存在上述常壓蒸汽燙漂的問(wèn)題以外，還存在燙漂過(guò)程中大量蒸汽外泄、熱量浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。

巨浩羽等[11]開(kāi)發(fā)罐式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂設(shè)備，通過(guò)對(duì)物料進(jìn)行真空-蒸汽-真空處理后，消除空氣熱阻使得燙漂室內(nèi)各處的溫度均勻上升，提高燙漂均勻性和裝載量。但是此類燙漂設(shè)備為間歇式人工操作，每批物料加工均需要人工進(jìn)行加料、開(kāi)啟和擰緊承壓罐體等操作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、不能與生產(chǎn)線融合等問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂設(shè)備存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)，通過(guò)對(duì)該設(shè)備關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，以期獲得可與果蔬生產(chǎn)線融合良好、生產(chǎn)效率高、蒸汽余熱回收、燙漂均勻的新型農(nóng)產(chǎn)品燙漂加工裝備。

1 輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)的總體設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)主要由燙漂箱體、蒸汽系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燙漂箱體為矩形腔室，上下兩側(cè)各開(kāi)有物料進(jìn)出口。物料從上方進(jìn)料口進(jìn)入燙漂箱體內(nèi)，經(jīng)過(guò)真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂后，從下方出料口輸出。蒸汽系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器、蒸汽調(diào)節(jié)閥、蒸汽輸送管路和蒸汽分布器組成。蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)蒸汽輸送管路輸送，經(jīng)蒸汽分布器均勻分布于燙漂箱體內(nèi)。真空系統(tǒng)由真空泵、真空電磁閥、余熱回收器和真空泵冷卻水箱構(gòu)成。物料輸送系統(tǒng)由翻斗、輸送帶、滾筒、電動(dòng)機(jī)、減速器組成。密封系統(tǒng)主要包括出入口閥門(mén)密封和軸密封。控制系統(tǒng)由溫度傳感器、壓力表和控制箱組成。

1.2 工作原理

物料由前段輸送帶輸送至翻斗內(nèi)，翻斗內(nèi)的物料達(dá)到一定量時(shí)，打開(kāi)物料入口閥，操作翻斗，使物料落入到內(nèi)部輸送帶上，并隨輸送帶一起運(yùn)動(dòng)；內(nèi)部輸送帶運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值即物料輸送至燙漂箱內(nèi)部最左側(cè)時(shí)，同時(shí)關(guān)閉內(nèi)部輸送帶和前段輸送帶，并關(guān)閉物料入口閥，打開(kāi)抽真空閥，開(kāi)啟真空泵抽真空；待真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉抽真空閥和真空泵，此時(shí)完成抽真空階段；打開(kāi)蒸汽入口閥，進(jìn)入到蒸汽燙漂階段，通入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行燙漂，待燙漂時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉蒸汽入口閥；完成一個(gè)真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂周期。根據(jù)燙漂物料的不同，真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂周期可按照一定次數(shù)進(jìn)行循環(huán)。在此過(guò)程中，每次抽真空時(shí)，完成燙漂的蒸汽廢氣通過(guò)抽真空管道進(jìn)入余熱回收器，經(jīng)余熱回收器對(duì)蒸汽的余熱進(jìn)行快速換熱回收后，進(jìn)入水環(huán)真空泵及真空泵水箱，回收的熱量可用于對(duì)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水進(jìn)行加熱，降低加工能耗，并有效減緩真空泵溫升；待達(dá)到設(shè)定好的循環(huán)次數(shù)后，打開(kāi)物料出口閥，燙漂好的物料從出料口落入到后段輸送帶上，由后段輸送帶輸出；待內(nèi)部輸送帶上的物料輸出完畢，關(guān)閉物料出口閥，完成整個(gè)真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂加工過(guò)程。

圖1 輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 燙漂箱體設(shè)計(jì)

燙漂箱體是物料進(jìn)行真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂加工的場(chǎng)所。燙漂室殼體采用AISI 304不銹鋼材料制造；考慮到便于密封內(nèi)部輸送帶傳動(dòng)軸以及提高空間利用率，將燙漂箱體設(shè)計(jì)為800 mm×800 mm×400 mm的矩形腔室。為保證燙漂箱體受壓后不變形，選取寬度40 mm、高度60 mm、厚度δ=5 mm的6號(hào)槽鋼（鋼號(hào)為Q235-B）作為加強(qiáng)筋，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，整個(gè)燙漂箱體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燙漂箱體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 箱體壁厚的計(jì)算

箱體的壁厚可根據(jù)矩形平板校核，見(jiàn)式（1）[12]。

式中：K為特征系數(shù)，0.69；b為加強(qiáng)筋間距，150 mm；p為設(shè)計(jì)壓力，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)測(cè)定壓力值與安全系數(shù)，設(shè)計(jì)壓力為0.2 MPa；[σ]t為許用應(yīng)力，137 MPa；代入計(jì)算，得箱體壁厚δ1為4 mm。

2.1.2 箱體的靜力學(xué)分析

圖3 箱體的位移云圖

圖4 箱體的應(yīng)力云圖

采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)燙漂箱體進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，從而驗(yàn)證其可靠性[13-14]。箱體的位移變形云圖及應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。

由圖3可知，整體最大變形發(fā)生在箱體上部中間部位開(kāi)孔處，最大變形量為0.269 mm，小于設(shè)計(jì)箱體的容許變形（箱體應(yīng)變面上的最大長(zhǎng)度800 mm/1 000=0.8 mm）；由圖4可知，箱體最大應(yīng)力也發(fā)生在機(jī)體上部中間部位開(kāi)孔處，且最大應(yīng)力為98.595 MPa，小于材料許用應(yīng)力137 MPa，對(duì)于設(shè)計(jì)的燙漂箱體，其容器變形范圍和靜強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 蒸汽發(fā)生器的計(jì)算選型

蒸汽燙漂時(shí)燙漂室的典型壓力為0.11 MPa[11]，則蒸汽質(zhì)量m由式（2）求出：

式中：ρ為蒸汽密度，0.645 kg/m3；V為燙漂箱體積，0.256 m3，代入計(jì)算，求出蒸汽質(zhì)量為0.165 kg，按設(shè)計(jì)要求10 min可完成3個(gè)燙漂周期計(jì)算，則總共需要0.495 kg蒸汽，選用型號(hào)為WDR 0.034-0.7（選自上海華征特種鍋爐制造有限公司）的電加熱飽和蒸汽發(fā)生器。

2.2.2 蒸汽分布器設(shè)計(jì)

圖5 多管式蒸汽分布器三維模型圖

如圖5所示，多管式蒸汽分布器由一個(gè)分布器主管和若干帶噴射孔的分布器支管組成，分布器支管沿分布器主管對(duì)稱分布；蒸汽管選用Φ15 mm×1.5 mm的304不銹鋼管，其上開(kāi)有沿分布器支管軸線等距分布的Φ3 mm噴射孔。燙漂時(shí)，飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽分布器，經(jīng)分布器主管，從分布器支管上的噴射孔均勻噴出，對(duì)物料進(jìn)行燙漂，提高物料燙漂的均勻性。

2.3 真空系統(tǒng)的計(jì)算

2.3.1 真空泵的計(jì)算與選型

整個(gè)真空系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作需要計(jì)算選取合適的真空泵[15]。選擇真空泵時(shí)，根據(jù)工藝操作參數(shù)，計(jì)算真空管道中流體通導(dǎo)能力U，再綜合分析真空系統(tǒng)的總抽氣量，確定系統(tǒng)所需的抽氣速率。依據(jù)流導(dǎo)U和抽氣速率Se求出實(shí)際抽速Sp，其計(jì)算過(guò)程如式（3）～（6）所示[15]。

式中：D為真空管道內(nèi)直徑，0.02 m；L為真空管道當(dāng)量長(zhǎng)度，1 m；p為真空管道平均壓力，1 000 Pa；μ為黏度，1.25×10-5Pa·s；Q1為真空系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的氣體量，取0.078 3 kg/h；Q2為真空系統(tǒng)的放氣量（因真空度為粗真空，忽略放氣量），為0 kg/h；Q3為泄漏量，取1.5 kg/h；Q為總抽出氣體量，1.578 3 kg/h；R為通用氣體常數(shù)，8.31 kJ/（kmol·K）；T為抽出氣體溫度，303.15 K；PS為真空系統(tǒng)的工作壓力，5 kPa；M為抽出氣體的平均分子量，18。

計(jì)算可得Sp=4.57×10-3m3/s，即0.27 m3/min，根據(jù)抽氣速率和真空度要求，選用2BV-2061型水環(huán)式真空泵。

2.3.2 抽真空時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)所選真空泵的技術(shù)參數(shù)，可求出抽真空時(shí)間[11]。

式中：V為真空系統(tǒng)的容積，0.256 m3；S為真空泵的抽氣速率，0.87 m3/min；P1為初始真空度，101 kPa（絕壓）；P2為要求真空度，5 kPa（絕壓）。可得抽氣時(shí)間t為30 s，滿足該燙漂機(jī)對(duì)抽真空時(shí)間的要求。

2.4 物料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中燙漂機(jī)采用滾筒帶式輸送裝置。輸送帶為耐溫防粘結(jié)的特氟龍材質(zhì)網(wǎng)格帶（寬度500 mm，網(wǎng)孔大小5 mm×5 mm），在工作過(guò)程中物料輸送速度穩(wěn)定且可調(diào)。

2.4.1 軸承選用

由于設(shè)計(jì)中的軸承應(yīng)用于高溫高濕的環(huán)境中，若選用普通軸承，軸承中的潤(rùn)滑脂揮發(fā)對(duì)食品質(zhì)量安全有很大影響。陶瓷軸承具有耐高溫高濕、自潤(rùn)滑、免維護(hù)、可應(yīng)用于高真空的場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)軸承選用陶瓷軸承。

2.4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算

2.4.2.1 網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)所需功率

式中：m1為網(wǎng)帶及滾筒總質(zhì)量，30 kg；m2為網(wǎng)帶所要承受的物料總質(zhì)量，15 kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；ν為輸送網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度，0.06 m/s。

計(jì)算得P1為0.259 kW。

2.4.2.2 電機(jī)額定功率

傳動(dòng)裝置的功率損失可用傳動(dòng)效率η代替，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率P如式（9）所示。

式中：P1為網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)所需功率，0.259 kW；η為傳動(dòng)裝置的功率損失率，0.9。

計(jì)算可得P1≥0.288 kW，所選電機(jī)（Y80M1-2）功率為0.75 kW，電機(jī)帶蝸輪蝸桿減速器，轉(zhuǎn)速2 830 r/min，減速比為100。

2.5 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 出入口閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物料由輸送帶輸入輸出燙漂箱體，但在箱體上直接開(kāi)矩形物料進(jìn)出口難以選擇合適的元件對(duì)其進(jìn)行密封，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂加工過(guò)程。因此，為同時(shí)滿足輸送與密封這兩項(xiàng)要求，如圖6所示，燙漂箱體的上部物料入口設(shè)計(jì)為上方下圓的漏斗形結(jié)構(gòu)，物料出口設(shè)計(jì)為上圓下方的漏斗形結(jié)構(gòu)。物料出入口與箱體之間設(shè)有氣動(dòng)刀型閘閥，連接形式為對(duì)夾式，一方面可滿足物料進(jìn)出口的頻繁啟閉要求，另一方面氣動(dòng)刀型閘閥采用活動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，使得出入口的密封性得以保證。

圖6 出入口閥門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

2.5.2 軸密封設(shè)計(jì)

輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)需要電機(jī)及減速器等裝置通過(guò)傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)，將電機(jī)放置于通入高溫高濕蒸汽的燙漂箱內(nèi)則無(wú)法保證其正常工作，電機(jī)與減速器放置于燙漂箱外則會(huì)帶來(lái)傳動(dòng)軸的密封問(wèn)題。永磁連軸器是一種通過(guò)永磁體的磁力將原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)聯(lián)接起來(lái)的聯(lián)軸器，因其具備全封閉的結(jié)構(gòu)特性，能夠消除一些機(jī)械裝置中動(dòng)密封存在的泄漏問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)選用套筒式永磁聯(lián)軸器對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行軸密封。如圖7所示，永磁連軸器主要由外轉(zhuǎn)子、隔離套、內(nèi)磁體、輸送軸鍵、外磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子等組成，外轉(zhuǎn)子與減速器軸相連，安裝在隔離套和內(nèi)轉(zhuǎn)子外。隔離套為一層薄壁圓筒，將內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子隔開(kāi)，并與燙漂箱體密封連接，對(duì)燙漂箱體內(nèi)介質(zhì)起全封閉作用，內(nèi)轉(zhuǎn)子則與滾筒軸相連，減速器軸與滾筒軸靠?jī)?nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行傳動(dòng)，無(wú)需機(jī)械連接。

圖7 軸密封裝配圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)，該機(jī)由燙漂箱體、蒸汽系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等部分組成。對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型。

1) 設(shè)計(jì)帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的矩形燙漂箱體，并使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)箱體進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，最大變形和最大應(yīng)力都發(fā)生在箱體上部中間部位開(kāi)孔處，最大形變量0.269 mm，最大應(yīng)力98.595 MPa，小于箱體的容許變形和許用應(yīng)力，箱體的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。在蒸汽系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多管式蒸汽分布器，提高了燙漂的均勻性。

2) 采用刀型閘閥對(duì)頻繁啟閉的漏斗形物料進(jìn)出口進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，對(duì)承壓箱體內(nèi)外傳動(dòng)的傳動(dòng)軸采用永磁聯(lián)軸器進(jìn)行密封。

新型輸送帶式真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂機(jī)能夠與連續(xù)加工的果蔬生產(chǎn)線融合，工作效率高，蒸汽余熱回收利用，促進(jìn)真空-蒸汽脈動(dòng)燙漂技術(shù)的推廣應(yīng)用。