甘蔗汁过滤设备的研究与开发

摘要

甘蔗是我国重要的糖料作物，甘蔗制糖在我国有悠久的历史，然而目前我国大部分糖厂所采用的过滤工艺和过滤设备还比较落后，带来的能耗和浪费巨大。因此，改变现有落后的工艺，提高糖业产品的质量和综合效益具有非常重要的现实意义。
　　本文针对应用膜设备制糖的新型工艺，设计了甘蔗汁过滤设备，并围绕设备使用过程中的零件振动情况，设备的过滤流量、过滤效率与转速的关系等问题进行了一系列研究，得到了过滤设备螺旋搅拌轴振幅估算公式和甘蔗汁过滤设备过滤流量估算公式。对过滤样机进行了实际工况下的生产实验，结果表明甘蔗汁过滤设备可以简化蔗糖生产流程，改变现有落后的工艺，提高糖业产品的质量和综合效益。
　　本文主要成果及结论如下:
　　1、研究分析了目前工业上使用的固液分离机械设备的结构特点、性能差异和应用的场合，比较了滤饼过滤、澄清过滤和动态过滤在原理上的差异和优缺点。明确了甘蔗汁过滤设备的工作原理，对甘蔗汁过滤设备的主要零部件的结构方案、功能、尺寸大小进行了设计和详细阐述。
　　2、采用有限元仿真的方法，计算了甘蔗汁过滤设备上的螺旋搅拌轴的临界转速;分析了螺旋搅拌轴在工作状况下的振动状况，结果表明随转速提升，搅拌轴振幅增大，振动的随机性增强。当转速从200r/min上升到800r/min时，平均振幅上升70％;波动强度上升了3倍。根据动力学方程和搅拌轴所受流体力的计算公式，得出了螺旋搅拌轴的振幅估算公式，该公式在模拟工作状态搅拌轴振动情况时，相比于传统公式要更加精确。
　　3、采用计算流体力学的方法对过滤设备的工作过程进行仿真。分析了过滤过程中，搅拌腔内流体的流速、流态、压力和固含量随搅拌轴转速的影响，讨论了流场内截面的切向流速大小随工作转速的变化规律、各截面涡流的形成和对过滤效率的提高作用，以及工作转速对分离效率的影响。结果表明，随工作转速从200r/min增加到800r/min过滤腔内切向流速上升近4倍，边界压力上升15％，分离效率提升5.3％;域内各截面涡流数目增加、涡流直径变大，对混合液的过滤效果增强。给出了螺旋搅拌过滤设备的过滤方程，方程的计算值与仿真值的误差在15％左右。
　　4、还对过滤样机进行了实际工况下的生产实验，对比了甘蔗汁过滤设备-膜设备组合工艺和传统甘蔗汁过滤工艺的生产效果。结果表明新工艺在过滤精度、过滤流量，设备可连续使用时间上，都要优于传统工艺和设备。本文还总结了在实验过程中甘蔗汁过滤设备暴露出来的一些结构上不合理的问题，给出针对这些问题具体的改进方案。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 液体过滤原理

1．2．1 滤饼过滤和澄清过滤

1．2．2 动态过滤

1．2．3 现代过滤理论

1．3 过滤设备的研究现状及发展趋势

1．4 离心搅拌式过滤设备的原理和国内外研究现状

1．5 课题的研究意义

1．6 课题的研究内容

1．7 本章小结

第二章 甘蔗汁过滤设备的结构设计

2．1 设备主体结构设计

2．2 滤网桶结构和过滤介质

2．2．1 滤网桶的设计

2．2．2 过滤介质的选择

2．3 螺旋搅拌轴

2．4 轴承座结构设计

2．5 其他辅助结构

2．5．1 出料挡板结构设计

2．5．2 高度支撑架结构设计

2．6 电机和联轴器

2．7 定位与密封

2．8 材料选择和加工制造

2．9 本章小结

第三章 螺旋搅拌轴的动力学仿真

3．1 临界转速的计算

3．1．1 临界转速计算方法

3．1．2 用有限元法计算搅拌轴的临界转速

3．1．3 计算结果

3．2 螺旋搅拌轴空载时的动力响应

3．2．1 转子平衡等级与不平衡力矩

3．2．2 有限元分析模型建立

3．2．3 螺旋搅拌轴在空载状态下的动力响应

3．3 螺旋搅拌轴工作状态下的动力响应

3．3．1 流体作用力的简化

3．3．2 扭矩的简化

3．3．3 流体阻力矩简化

3．3．4 仿真结果分析

3．3．5 甘蔗汁过滤机振幅估算公式

3．4 本章小结

第四章 搅拌过滤过程的CFD仿真

4．1 CFD仿真的前处理

4．1．1 有限元模型建立和边界条件的确定

4．1．2 两相流模型选择和液相、固相的属性定义

4．2 仿真结果分析

4．2．1 搅拌腔内流体的流速和流态分析

4．2．2 流场压力分析

4．2．3 固相颗粒浓度分析

4．3 本章小结

第五章 样机实验和结构改进

5．1 样机实验

5．2 实验中暴露出来的问题

5．3 结构改进

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况