真空預冷機設計與分析

李嘉彬，楊永發

（西南林業大學，云南 昆明650244）

0 引言

根據預冷方式預冷可以分為：真空預冷、冷風(冷空氣)預冷和冷水預冷[1]。其中冷風（冷空氣）的預冷方式和冷水的預冷方式，只是制冷裝置中所需冷媒不同，冷風冷卻式是利用制冷裝置產生的冷風（冷空氣）作為冷媒，并在果蔬之間進行冷熱交換的方式；而冷水預冷的方式是將冷水作為冷媒，并在果蔬間進行冷熱交換的冷卻方法。兩者之間只是冷媒選取的差別。而真空預冷的方式是通過真空泵對真空室進行抽真空，將真空室中的壓力降低，以此來降低水蒸發所需要的沸點，并以水分蒸發的方式，快速對果蔬進行降溫保鮮。相比于冷風預冷和冷水預冷，真空預冷的耗時更短，能快速降低果蔬的溫度，這樣可以起到很好的保鮮作用[2]。由于真空預冷機能夠快速冷卻果蔬，所以能夠最大化保質保鮮果蔬。目前，國內的真空預冷行業的發展并不成熟，對于果蔬的保存大多采用的是以大型冷庫的方式進行冷藏。由于我國對冷藏系統的研究直到20世紀80年代才開始，以至于現在我國整個冷藏鏈的技術都還不能夠滿足果蔬儲藏運輸的需求。雖然20世紀80年代，我國引進了第一套水果氣調庫，這是水果氣調貯藏技術開始應用于我國果蔬產業的重要標志[3]，截至2015年，我國的冷庫總容量已達2 626萬t，冷藏車保有量達99 662臺[4]。但是對我國果蔬保鮮運輸的需求依舊存在很大的缺口，而且在果蔬真空預冷這一塊同樣還存在很大的技術缺陷。

在真空預冷的方式下，由于在一個大氣壓的條件下水的沸點是100℃，當對真空室抽取真空時，真空室中的氣壓下降到630 Pa的條件下時水的沸點下降到0℃。由于在環境壓力較低的情況下，果蔬內部和表面的水分蒸發較快，所以將果蔬放在密閉的真空容器內；同時，由于降低了真空室內部氣壓，果蔬本身水分會進行蒸發，這樣就可以帶走大量蒸發潛熱而使果蔬被預冷，水的沸點與蒸氣壓及蒸發熱的關系如表1所示[5]。部分果蔬的含水量及比熱如表2所示，例如，若需要對重量為5 kg的萵苣預冷，求1 h內需要除去的氣化潛熱Q。已知萵苣的重量G=5 kg，萵苣的比熱C=0.96 kcal/kg（4.02 kJ/kg），假定初始溫度t1=25℃，最終的溫度t2=3℃，則總的下降溫度t3=t1-t2=22℃，則根據氣化潛熱公式Q=GCt3可得，Q=442.2 kJ。

表1 水的沸點與蒸氣壓及蒸發熱表

表2 部分果蔬相關數據及比熱查詢表

1 整機結構

兩柜式真空預冷機箱體主要由密封門、真空室、加強筋、定位槽和鏈輪傳動組成，箱體的結構示意圖如圖1所示。為了更好地實現密封門在兩個箱體間的運動，密封門采用滑輪導軌的形式和箱體連接，并通過鏈條鏈輪傳動在兩箱體間移動。相關技術參數如表3所示。

圖1 箱體結構示意圖

表3 技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 真空室的結構設計

由于該箱體用于真空預冷，所以箱體在進行真空的抽取時，為了防止箱體變形所以需要箱體最少能夠承受一個大氣壓強度的壓力，根據本次設計的要求，每次進入到真空室的貨物重量需要達到4 000 kg，所以根據需求可以采用長方體的真空室，真空室周圍的材料可以用優質碳鋼，其短邊尺寸為2 200 mm×2 400 mm，長邊尺寸為4 500 mm。同時，為了提高真空室表面抗壓強度，選取規格為某型號的矩形鋼作為加強筋，以30 mm為間隔焊接在真空室表面。

1）真空室的壁厚（S）計算。該真空室結構為盒型殼體式，盒型殼體式的真空室可以按照矩形平板來計算厚度，其使用條件為板周邊固定，受外壓為0.1 MPa，水壓試驗用壓力為200 MPa，根據盒型殼體板厚計算公式1可知：

式中：S0為真空室壁厚計算理論厚度（cm）；B為板的短邊長度（cm）；[σ]彎為彎曲時許用應力（MPa），軋鋼和鑄鋼許用應力通常規定與簡單拉伸壓縮時用的需用應力相同[6]。真空室殼體的實際厚度：

式中：S為真空室壁厚的實際厚度（cm）；C為壁厚附加量（cm）。

當進行水壓試驗時，矩形板的應力為：

2）加強筋的分布設計如圖2所示。

圖2 盒型殼體加強筋分布圖

在保證箱體受壓時的穩定性的情況下，讓盒型箱體的壁厚減小，則需要在箱體上合理地布置加強筋，加強筋的布局如圖2所示。在對殼體厚度進行計算時，對于有加強筋的殼體，其厚度采用公式（1）進行計算，式中的B需要由加強筋分布圖中的L代替，在對加強筋進行計算的時候，應該以真空室殼體所在平面中最大的平面進行計算。

在計算加強筋時，假定被加強筋分割的小平面所承受載荷的一半都由一個加強筋來受力，每個筋受彎矩時的抗彎截面模量為[6]：

式中：WP為加強筋的抗彎截面模量（cm3）；P為設計壓力，P=0.098 MPa；K為系數，與筋兩端的固定方式有關，若為剛性固定取K=12，若非剛性固定則取K=8[6]。

由公式（1）和公式（2）可得箱體的厚度為6 mm，在經過水壓試驗驗算后，由公式（3）來確定箱體的厚度為7.5 mm，在計算加強筋時，可根據公式（4）得出抗彎截面模量后得出矩形鋼厚度為2.5 mm。

2.2 密封門結構設計

為了達到本次設計的要求，密封門的設計尤為重要，因為密封門的結構強度和密封性往往關系到真空抽取的時間以及真空度是否達標。根據本次設計要求，密封門采用鏈輪導軌式的移動方式，在兩箱體間移動。由于密封門的最初狀態跟箱體存在縫隙，為了達到相關的密封要求，在密封門固定框架兩側設計有搖桿機構，可供真空抽取時隨著內部壓強不斷減小而跟箱體不斷壓實情況下，密封門跟固定框架存在一定角度的旋轉。相關示意圖如圖3所示。

圖3 密封門結構圖

2.3 密封門傳動系統的選擇

由于本設計密封門需要在兩個箱體間來回運動，密封門采用厚度為8 mm的優質碳鋼。同時，在表面放置某型號的矩形鋼作為加強筋，考慮到密封門整體的重量，所以選擇由鏈輪鏈條作為傳動機構帶動滑輪在導軌上滑動的傳動方案。相關結構圖如圖4所示。

圖4 密封門傳動系統結構圖

3 箱體建模與分析

3.1 箱體的建模

整個箱體包含有真空室模塊、密封門模塊以及傳動模塊共三大模塊。首先，通過Solidworks三維建模軟件對各個模塊中包含的零件（優質碳鋼板、加強筋、導軌和滑輪等）進行建模；然后，建立一個裝配體文件，通過裝配的方法將各個零部件進行裝配；最后得到整機的總裝圖。

3.2 箱體的靜應力分析

設備在進行預冷的過程中由于需要對箱體抽取真空，使得箱體內部壓力不斷減小，最終使得箱體內部接近真空。所以在整個工作工程中，主要由箱體承受壓力。所以可以通過Solidworks的motion應力分析插件對單個真空箱體進行靜應力分析。首先，通過殼體分析工具對真空室的厚度、加強筋的厚度以及密封門的厚度進行選取。然后，將整機的零部件材料設置為優質碳鋼，密度為7.9×103kg/m3、泊松比為0.3、彈性模量為206 GPa。箱體承受6個方向上垂直的一個大氣壓強，根據相關的數據資料一個大氣壓強為1.013 25×105Pa，所以給箱體6個面都添加上1.013 25×105Pa的壓力。由于箱體通過定位槽鋼固定，所以夾具選擇為固定并添加在定位槽鋼下側。在網格分化中選擇網格單元為20 mm，最后箱體進行有限元分析，得到的應力圖如圖5所示。由應力分析圖可知，箱體中加強筋結合處變形量最小，越向箱體中間靠攏，則箱體的變形量越大。最大的應力集中在箱體各個面的最中間的位置。由圖5可知箱體的屈服力大小為283 MPa，該箱體的屈服強度小于優質碳鋼的極限屈服強度308 MPa，所以本設計在真空抽取時能夠滿足承受一個大氣壓強的受壓條件。

圖5 箱體有限元分析應力圖

4 結論

此雙柜式真空預冷設備，在工作中大大地提升了果蔬的預冷效率，節省了人工成本，設計合理，滿足了人們對預冷的需求。此雙柜式真空預冷機不僅能提高果蔬的預冷效率，同時，采用一邊箱體預冷，一邊箱體上貨的工作方式，這也大大地減少了人工成本。根據價值優化的模型其中，取得該功能所耗費的成本C降低了，產品具有的功能F增加了，所以整個產品的價值便提高了。對箱體進行了有限元分析，通過觀察應力、應變云圖，了解到箱體受力后的結構變化滿足要求。真空預冷為果蔬采摘后的第一個環節，市場前景很好，可以為云南等偏遠山區的果蔬運輸保鮮和保證果蔬新鮮程度作出很大的貢獻。