果蔬真空预冷装置关键部件的设计与计算 果蔬真空预冷机
摘要： 文章阐明了果蔬真空预冷装置的原理、特性及优点；结合课题给出了预冷装置关键部件基本设计参数的确定方法及计算公式并给出实例，可供专业人员设计参考。中图分类号：U295.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0027-020 引言
随着人们生活质量提高，民以食为天的准则不随以饱来衡量，因而对食品提出了更高的要求，人们不仅要求食品品质优良，营养丰富，而且要求品种繁多，卫生便利，故如何延长各类食品的存放保鲜期，保持天然食品原有状态、色泽风味和营养成分，成为今后的研究方向。因此必须寻求一种新的保鲜方法，经研究，发现真空预冷对果蔬保鲜效果甚佳，能保持其原有风味，便于运输与储存，且处理速度快、时间短、量大卫生等，因而有着广泛的应用前景。本文着重分析真空预冷装置的工作原理、性能特点、结构组成及关键部件设计计算方法等，以供专业设计人员参考。
1 真空预冷装置的原理
真空预冷的冷却方法是利用降压来降低水的沸点，靠水份蒸发带走果蔬产品热量的冷却方法。在正常大气压101325Pa（760mmHg）下，水的沸点为100℃，随着压力的下降，水的沸点也随之降低。试验表明，气压为610Pa（4.58mmHg）时，水的沸点为0℃。水在蒸腾时带走大量的蒸发热。
所以在真空条件下加快了果蔬等产品中水分的蒸腾，随着水分向外迅速蒸腾，产品中的潜热便随着水蒸气释放至体外，因为水从液态变为气态的过程中约需2500kJ/kg的汽化热，从而使产品温度下降，达到冷却目的。在真空预冷中，只要有少量水分的蒸发就有较大的降温，大约温度每下降5.6℃，失水为产品质量的1%左右。真空冷却靠蒸发果蔬产品自身的水分冷却到规定温度，对单位重量表面积较大的叶菜类——菠菜、山野菜、莴苣等有特效，最适用，冷却速度快、时间短。
真空预冷装置主要由真空容器、真空系统、制冷系统、控制系统（包括检测）四大部分组成，其结构示意框图如图1所示。以下将对该装置的四大部分中关键部件的设计及计算进行详细说明。
2 真空容器的设计计算
本设计要求，满足每次处理量为100kg，日产1t，属于小型预处理装置（可车载）。可采用圆筒型，真空室采用不锈钢作材料，内壁抛光，外壁涂防锈漆，真空室的半径:R=0.6M，圆筒长度L1=2m，采用蝶形封头（厚度和最大允许外压力按2:1椭圆头风头设计），不采用加强圈，处理时间要求小于30min。
2.1 弹性失稳判断 按下式计算验证设计压力P是否在弹性失稳阶段。
P＜0.56（?滓""s）3/5（■）2/3（1）
其中L为真空容器的长度，
L=L1+2×■×■=2+2×■×■=2.2m
?滓""s=186MPa；E=20600MPa；Di=1.2m。
将其带入（1）式得P=0.1MPa<1.46Mpa，可得设计压力P在弹性失稳阶段。
2.2 壁厚计算 壁厚按下式计算
?啄=1.06Di（■）0.4（2）
将P、L、Di带入（2）式得?啄=4.8。
取C2=1 mm，C1=0.8 mm，考虑圆整量与钢板规格后，取容器名义壁厚?啄n=8mm，则?啄e=6.2mm。
2.3 验算容器是否为短圆筒 应按下式计算验算容器是否为短圆筒Ler=1.17D0■（3）
Ler=19.5m<2.2m，（3）式成立，故容器为短圆筒。
2.4 验算精度是否满足要求 应按下式计算验算精度是否满足要求
L/D0＞10（?啄e/D0）0.5（4）
L/D0=1.8＞10（?啄e/D0）0.5=0.71
2.5 验算许用压力是否满足要求 应按下式计算验算精度是否满足要求[P]=■（5）
经计算有[P]=0.186MPa＞设计压力0.1MPa，则?啄n=8mm满足设计要求。
2.6 真空室门的强度计算 本设计暂考虑真空室门壁厚为8mm，真空室门采用蝶形，其外形图如图2所示。
蝶形封头的强度计算如下式:
S=■+C （mm）（6）
式中:P—为绝对压力，可取为1×105Pa；RB—蝶形封头球形部分内边半径，（mm）；M—系数，M=（1/4）（3+■=4.46）；γ—焊缝系数，取0.7；r—蝶形封头圆角半径，（mm）；[?滓]—钢的许用应力Pa，293K（20℃）时为137MPa；C—壁厚附加量，C=C1+C2+C3，式中：C1—钢板的最大负公差附加量（mm），一般情况下均取0.5mm；C2—腐蚀额度，取1mm；C3—封头冲压时拉伸减薄量，取1.5mm；因此， C=C1+C2+C3=3mm代入（4）式得：S=5.5mm<8mm，因此，选用8mm门厚满足其强度要求。
2.7 真空室的密封 为了保证工作真空度，要求真空室的筒体与门之间要严格密封，可在真空室与筒体端面处加工一环形槽，内放O型圈作为密封材料，O型圈可选用氯丁橡胶作材料，因氯丁橡胶适用于低真空，且放气率和透气率均低于普通橡胶，根据筒体直径可选用O型圈的型号为：O型圈1200×20。
3 真空系统的设计计算
3.1 真空泵容量
①抽气时间:要求20min内抽到预定真空度，来计算泵的抽速，从而选择泵的大小。
t=2.3■lg■（7）
式中：V—真空室的内容积（m3）；Se—有效排气速度， （m3/s）；P1—起始压强，（Pa）；P2—极限压力，（Pa）。本设计中，V既包含真空室的体积，又包含冷凝器的体积，因为真空室与冷凝器相连通，暂设冷凝器的内径d=0.5m，长L= 3m，故V=V1+V2=3.37m3（其中真空室封头容积为0.2385×2=0.48m3，冷凝器封头容积为0.02×2=0.04m3）；P1取自然大气压力101325Pa，P2取真空室最终平衡压力，为671.1Pa。由（5）式变化得：Se=■lg■=14.0L/s。