真空预冷机设计与分析

李嘉彬，杨永发

（西南林业大学，云南 昆明650244）

0 引言

根据预冷方式预冷可以分为：真空预冷、冷风(冷空气)预冷和冷水预冷[1]。其中冷风（冷空气）的预冷方式和冷水的预冷方式，只是制冷装置中所需冷媒不同，冷风冷却式是利用制冷装置产生的冷风（冷空气）作为冷媒，并在果蔬之间进行冷热交换的方式；而冷水预冷的方式是将冷水作为冷媒，并在果蔬间进行冷热交换的冷却方法。两者之间只是冷媒选取的差别。而真空预冷的方式是通过真空泵对真空室进行抽真空，将真空室中的压力降低，以此来降低水蒸发所需要的沸点，并以水分蒸发的方式，快速对果蔬进行降温保鲜。相比于冷风预冷和冷水预冷，真空预冷的耗时更短，能快速降低果蔬的温度，这样可以起到很好的保鲜作用[2]。由于真空预冷机能够快速冷却果蔬，所以能够最大化保质保鲜果蔬。目前，国内的真空预冷行业的发展并不成熟，对于果蔬的保存大多采用的是以大型冷库的方式进行冷藏。由于我国对冷藏系统的研究直到20世纪80年代才开始，以至于现在我国整个冷藏链的技术都还不能够满足果蔬储藏运输的需求。虽然20世纪80年代，我国引进了第一套水果气调库，这是水果气调贮藏技术开始应用于我国果蔬产业的重要标志[3]，截至2015年，我国的冷库总容量已达2 626万t，冷藏车保有量达99 662台[4]。但是对我国果蔬保鲜运输的需求依旧存在很大的缺口，而且在果蔬真空预冷这一块同样还存在很大的技术缺陷。

在真空预冷的方式下，由于在一个大气压的条件下水的沸点是100℃，当对真空室抽取真空时，真空室中的气压下降到630 Pa的条件下时水的沸点下降到0℃。由于在环境压力较低的情况下，果蔬内部和表面的水分蒸发较快，所以将果蔬放在密闭的真空容器内；同时，由于降低了真空室内部气压，果蔬本身水分会进行蒸发，这样就可以带走大量蒸发潜热而使果蔬被预冷，水的沸点与蒸气压及蒸发热的关系如表1所示[5]。部分果蔬的含水量及比热如表2所示，例如，若需要对重量为5 kg的莴苣预冷，求1 h内需要除去的气化潜热Q。已知莴苣的重量G=5 kg，莴苣的比热C=0.96 kcal/kg（4.02 kJ/kg），假定初始温度t1=25℃，最终的温度t2=3℃，则总的下降温度t3=t1-t2=22℃，则根据气化潜热公式Q=GCt3可得，Q=442.2 kJ。

表1 水的沸点与蒸气压及蒸发热表

表2 部分果蔬相关数据及比热查询表

1 整机结构

两柜式真空预冷机箱体主要由密封门、真空室、加强筋、定位槽和链轮传动组成，箱体的结构示意图如图1所示。为了更好地实现密封门在两个箱体间的运动，密封门采用滑轮导轨的形式和箱体连接，并通过链条链轮传动在两箱体间移动。相关技术参数如表3所示。

图1 箱体结构示意图

表3 技术参数

2 关键部件设计

2.1 真空室的结构设计

由于该箱体用于真空预冷，所以箱体在进行真空的抽取时，为了防止箱体变形所以需要箱体最少能够承受一个大气压强度的压力，根据本次设计的要求，每次进入到真空室的货物重量需要达到4 000 kg，所以根据需求可以采用长方体的真空室，真空室周围的材料可以用优质碳钢，其短边尺寸为2 200 mm×2 400 mm，长边尺寸为4 500 mm。同时，为了提高真空室表面抗压强度，选取规格为某型号的矩形钢作为加强筋，以30 mm为间隔焊接在真空室表面。

1）真空室的壁厚（S）计算。该真空室结构为盒型壳体式，盒型壳体式的真空室可以按照矩形平板来计算厚度，其使用条件为板周边固定，受外压为0.1 MPa，水压试验用压力为200 MPa，根据盒型壳体板厚计算公式1可知：

式中：S0为真空室壁厚计算理论厚度（cm）；B为板的短边长度（cm）；[σ]弯为弯曲时许用应力（MPa），轧钢和铸钢许用应力通常规定与简单拉伸压缩时用的需用应力相同[6]。真空室壳体的实际厚度：

式中：S为真空室壁厚的实际厚度（cm）；C为壁厚附加量（cm）。

当进行水压试验时，矩形板的应力为：

2）加强筋的分布设计如图2所示。

图2 盒型壳体加强筋分布图

在保证箱体受压时的稳定性的情况下，让盒型箱体的壁厚减小，则需要在箱体上合理地布置加强筋，加强筋的布局如图2所示。在对壳体厚度进行计算时，对于有加强筋的壳体，其厚度采用公式（1）进行计算，式中的B需要由加强筋分布图中的L代替，在对加强筋进行计算的时候，应该以真空室壳体所在平面中最大的平面进行计算。

在计算加强筋时，假定被加强筋分割的小平面所承受载荷的一半都由一个加强筋来受力，每个筋受弯矩时的抗弯截面模量为[6]：

式中：WP为加强筋的抗弯截面模量（cm3）；P为设计压力，P=0.098 MPa；K为系数，与筋两端的固定方式有关，若为刚性固定取K=12，若非刚性固定则取K=8[6]。

由公式（1）和公式（2）可得箱体的厚度为6 mm，在经过水压试验验算后，由公式（3）来确定箱体的厚度为7.5 mm，在计算加强筋时，可根据公式（4）得出抗弯截面模量后得出矩形钢厚度为2.5 mm。

2.2 密封门结构设计

为了达到本次设计的要求，密封门的设计尤为重要，因为密封门的结构强度和密封性往往关系到真空抽取的时间以及真空度是否达标。根据本次设计要求，密封门采用链轮导轨式的移动方式，在两箱体间移动。由于密封门的最初状态跟箱体存在缝隙，为了达到相关的密封要求，在密封门固定框架两侧设计有摇杆机构，可供真空抽取时随着内部压强不断减小而跟箱体不断压实情况下，密封门跟固定框架存在一定角度的旋转。相关示意图如图3所示。

图3 密封门结构图

2.3 密封门传动系统的选择

由于本设计密封门需要在两个箱体间来回运动，密封门采用厚度为8 mm的优质碳钢。同时，在表面放置某型号的矩形钢作为加强筋，考虑到密封门整体的重量，所以选择由链轮链条作为传动机构带动滑轮在导轨上滑动的传动方案。相关结构图如图4所示。

图4 密封门传动系统结构图

3 箱体建模与分析

3.1 箱体的建模

整个箱体包含有真空室模块、密封门模块以及传动模块共三大模块。首先，通过Solidworks三维建模软件对各个模块中包含的零件（优质碳钢板、加强筋、导轨和滑轮等）进行建模；然后，建立一个装配体文件，通过装配的方法将各个零部件进行装配；最后得到整机的总装图。

3.2 箱体的静应力分析

设备在进行预冷的过程中由于需要对箱体抽取真空，使得箱体内部压力不断减小，最终使得箱体内部接近真空。所以在整个工作工程中，主要由箱体承受压力。所以可以通过Solidworks的motion应力分析插件对单个真空箱体进行静应力分析。首先，通过壳体分析工具对真空室的厚度、加强筋的厚度以及密封门的厚度进行选取。然后，将整机的零部件材料设置为优质碳钢，密度为7.9×103kg/m3、泊松比为0.3、弹性模量为206 GPa。箱体承受6个方向上垂直的一个大气压强，根据相关的数据资料一个大气压强为1.013 25×105Pa，所以给箱体6个面都添加上1.013 25×105Pa的压力。由于箱体通过定位槽钢固定，所以夹具选择为固定并添加在定位槽钢下侧。在网格分化中选择网格单元为20 mm，最后箱体进行有限元分析，得到的应力图如图5所示。由应力分析图可知，箱体中加强筋结合处变形量最小，越向箱体中间靠拢，则箱体的变形量越大。最大的应力集中在箱体各个面的最中间的位置。由图5可知箱体的屈服力大小为283 MPa，该箱体的屈服强度小于优质碳钢的极限屈服强度308 MPa，所以本设计在真空抽取时能够满足承受一个大气压强的受压条件。

图5 箱体有限元分析应力图

4 结论

此双柜式真空预冷设备，在工作中大大地提升了果蔬的预冷效率，节省了人工成本，设计合理，满足了人们对预冷的需求。此双柜式真空预冷机不仅能提高果蔬的预冷效率，同时，采用一边箱体预冷，一边箱体上货的工作方式，这也大大地减少了人工成本。根据价值优化的模型其中，取得该功能所耗费的成本C降低了，产品具有的功能F增加了，所以整个产品的价值便提高了。对箱体进行了有限元分析，通过观察应力、应变云图，了解到箱体受力后的结构变化满足要求。真空预冷为果蔬采摘后的第一个环节，市场前景很好，可以为云南等偏远山区的果蔬运输保鲜和保证果蔬新鲜程度作出很大的贡献。