基于有限元分析的50 L液體發(fā)酵罐設(shè)計

周振，王萌，張夢雪，許月，盤賽昆，朱強*

1. 江蘇海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（連云港 222000）；2. 江蘇海洋大學(xué)機械工程學(xué)院（連云港 222000）；3. 連云港和昌機械有限公司（連云港 222000）

發(fā)酵罐是發(fā)酵技術(shù)的核心設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于食品、化工、制藥等行業(yè)[1-2]。由于發(fā)酵需求，發(fā)酵罐操作壓力較高，危險性較大[3]。因此，對發(fā)酵罐材料的確定、尺寸的選用、開孔的補強都有較高的要求[4]。有限元分析作為一種低成本、高效率的計算機輔助設(shè)計程序，以其在桿系結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈性薄板等方面的杰出表現(xiàn)，已被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計制造等方面[5]。董曉軍等[6]、Wang等[7]、辛丹丹[8]、楊學(xué)元等[9]在研究壓力容器時，均對其強度等采用了有限元方法分析應(yīng)力等。

此次課題主要設(shè)計通用型50 L機械攪拌、氣升式液體發(fā)酵罐。由于介質(zhì)非易燃、易爆，腐蝕性可忽略，因此對強度和密封性能要求度一般。采用有限元分析方法，按照標(biāo)準(zhǔn)進行應(yīng)力和強度分析[10]，以期設(shè)計一款主要用于中試生產(chǎn)、科學(xué)實驗的50 L液體發(fā)酵罐。

1 工藝計算

1.1 發(fā)酵罐體設(shè)計

發(fā)酵罐的工作容積V0=50 L，取填充系數(shù)μ=0.75，總?cè)莘eV=V0/μ=66.67 L。

考慮鋼板厚度偏差，取罐體厚度和橢圓形封頭厚度均為δ=δd=3 mm。

查表得，平板封頭結(jié)構(gòu)系數(shù)K取0.31，其材質(zhì)與罐體相同。平板封頭承載電機等設(shè)備的質(zhì)量、厚度增加一倍，取σu=20 mm。

1.2 攪拌傳動裝置設(shè)計

攪拌器的功率Pj=f N=3.106 W。

傳動軸功率P=Pj(0.4+0.6m)=6.833 W（m為攪拌層數(shù)）。

考慮機械的傳動系數(shù)0.8，則Pg=5.281 W，故選擇0.75 kW電機。

由于軸上開槽或開孔會引起軸截面局部消弱，軸徑需增加4%～8%，機械功率消耗、機械摩擦、腐蝕裕度等因素也會有影響，軸徑可適當(dāng)增加2～4 mm，因此攪拌軸直徑取20 mm[14]。

1.3 傳熱面積設(shè)計

取發(fā)酵熱q=10 000 W/m2，則總熱負(fù)荷Q=QV=0.05×10 000=500 W

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖1）

圖1 封頭結(jié)構(gòu)圖

2.2 總結(jié)構(gòu)圖（圖2）

圖2 總結(jié)構(gòu)圖

2.3 3D視圖（圖3）

圖3 3D視圖

3 有限元分析

使用Ansys軟件對發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)進行靜力分析，驗證其強度和剛度是否滿足條件。在Solidworks建立發(fā)酵罐罐體模型，將其導(dǎo)入到Workbench中進行參數(shù)設(shè)置。發(fā)酵罐材料為stainless steel，結(jié)構(gòu)性能參數(shù)為密度為7 750 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為200 GPa[15]。

發(fā)酵罐屬于薄壁零件，采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為145 170，發(fā)酵罐底部和罐體連接處設(shè)置fixed support約束，發(fā)酵罐在工作條件下的總質(zhì)量為80 kg，在封頭和筒體連接的部位施加800 N的重力載荷，容器的計算壓力為0.422 MPa。因此，在容器所有承受內(nèi)壓的內(nèi)表面施加0.422 MPa的壓力，下封頭受支撐部件支撐，在封頭和筒體連接部位施加固定約束，在罐體施加一個豎直向下的重力加速度。經(jīng)過計算，發(fā)酵罐的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 發(fā)酵罐的等效應(yīng)力云圖

發(fā)酵罐的最大等效應(yīng)力為78.173 MPa，發(fā)酵罐體材料的許用應(yīng)力為134 MPa，滿足強度條件。發(fā)酵罐的總變形云圖如圖5所示。發(fā)酵罐的最大變形發(fā)生在下封頭取料口，為0.032 214 mm，滿足剛度基本要求。

圖5 發(fā)酵罐的總變形云圖

4 結(jié)語

該發(fā)酵罐按照GB/T 150—2011《壓力容器》等進行設(shè)計，采用有限元分析法對設(shè)計進行分析。所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有所改進，能耗有所下降，產(chǎn)品質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計要求，已由連云港和昌機械有限公司生產(chǎn)、銷售，實體圖如圖6所示。

圖6 50 L液體發(fā)酵罐實體圖