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塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計
目 錄
1.緒論 1
2. 干燥設(shè)備在國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析 1
2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 1
2.2 干燥技術(shù)在食品糧食等方面的應(yīng)用 1
3.干燥技術(shù)概論 2
3.1干燥的定義 2
3.2干燥技術(shù)的特點 2
3.3干燥介質(zhì) 2
3.3.1空氣的性質(zhì) 2
3.3.2空氣的濕度 3
4.設(shè)計目的和主要內(nèi)容 3
5.干燥機的選擇 3
5.1干燥機選擇的原則 3
5.2干燥烘箱簡介 5
5.3主要參數(shù) 5
5.4干燥器的選擇 5
5.5干燥器生產(chǎn)能力的計算 6
5.6干燥時間的計算 6
5.7物料平衡 6
5.8空氣消耗量的計算 7
5.9干燥器的熱消耗量 8
6.熱風(fēng)循環(huán)烘箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
6.1烘箱熱風(fēng)流動方式 8
6.2箱體設(shè)計 9
6.3 加熱器設(shè)計 9
6.3.1加熱方式選擇 9
6.3.2電加熱器原理 9
6.3.3電加熱器功率計算 9
6.3.4電加熱器的選擇 10
6.4通風(fēng)機的選擇 10
6.5 調(diào)風(fēng)板設(shè)計 11
6.6均風(fēng)板設(shè)計 11
6.7控制系統(tǒng) 12
7.附屬設(shè)備設(shè)計 12
7.1烘盤設(shè)計 12
7.2烘車設(shè)計 13
7.3 烘車導(dǎo)軌設(shè)計 15
7.4 烘車導(dǎo)臺設(shè)計 15
8.結(jié)論 16
參考文獻 17
致 謝 18
1.緒論
從上世紀70年代起，在全球能源危機的推動下，研究及應(yīng)用的主要熱點轉(zhuǎn)向了能源效率的問題上。而研究熱點主要集中在了干燥動力學(xué)、干燥器操作機理、能源利用率等方向。
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，國民消費水平的提高，研究熱點開始轉(zhuǎn)向提高產(chǎn)品品質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量降解動力學(xué)方向，應(yīng)用領(lǐng)域主要為食品及農(nóng)產(chǎn)品。
馬鈴薯鮮薯可供燒煮作糧食或蔬菜。世界各國十分注意生產(chǎn)馬鈴薯的加工食品，如法式凍炸條、炸片、速溶全粉、淀粉以及花樣繁多的糕點 、蛋卷等，為數(shù)達100多種。但鮮薯塊莖體積大，含水量高，運輸和長期貯藏有困難。為此，根據(jù)我國現(xiàn)今干燥設(shè)備的發(fā)展前景考慮, 對馬鈴薯片干燥機的設(shè)計，可以滿足馬鈴薯的儲存要求，以及為馬鈴薯的深加工提供有利條件。對產(chǎn)品的生產(chǎn)率提高也能起到?jīng)Q定性作用。 馬鈴薯片干燥機的設(shè)計干燥機要求整機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、操作和使用安全方便。采用電加熱方式對馬鈴薯片進行干燥,最終滿足馬鈴薯片的干燥要求。
2. 干燥設(shè)備在國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析
2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀
從第一屆全國干燥會議于1975年6月23日至30日在南京召開，至今已經(jīng)三十多年了。30多年來，我國干燥技術(shù)研究隊伍不斷壯大。目前我國從事干燥技術(shù)研究的大專院校、科研院所、研究單位大約右有50多家，領(lǐng)域涉及食品、糧食、化工、醫(yī)藥、染料、輕工、林業(yè)、造紙、硅酸鹽、水產(chǎn)業(yè)、漁業(yè)等行業(yè)，全國共有設(shè)備制造廠600多家，已形成了一支強有力的干燥科研開發(fā)隊伍，廣泛開展干燥技術(shù)的基礎(chǔ)研究、工藝研究及工業(yè)化研究，使我國干燥技術(shù)研究正向世界水平邁進，某些技術(shù)領(lǐng)域達到了國際先進水平。
30年來，中國對許多干燥技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化。主要有蒸汽回轉(zhuǎn)干燥，噴霧干燥，流態(tài)化干燥(普通流化床，振動流化床，內(nèi)加熱流化床、流化床噴霧造粒干燥)，氣流干燥，回轉(zhuǎn)圓筒干燥，旋轉(zhuǎn)快速干燥，圓盤干燥，帶式干燥，雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥，槳葉式干燥，冷凍干燥，微波及遠紅外干燥，糧食干燥等等[1]，常規(guī)干燥設(shè)備基本可以滿足生產(chǎn)的需要，并有部分機型達到國際當代水平并出口到國外。
干燥單元的重要性不僅在于它對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的效率和總能耗有較大的影響，還在于它往往是生產(chǎn)過程的最后工序，操作的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，從而影響市場競爭能力和經(jīng)濟效益。我國有許多產(chǎn)品，就純度而言已經(jīng)達到甚至超過國外產(chǎn)品;然而就是由于干燥技術(shù)不如國外技術(shù)，堆積密度、粒度、色澤等物性指標上不去.在國際市場競爭中處于劣勢，有的甚至售價僅為國外同種產(chǎn)品的三分之一。目前我國某些大型石化干燥裝備還依賴進口。椐粗略估計，我國生產(chǎn)的干燥設(shè)備種類僅為國外30—40%。因此進行干燥技術(shù)研究的任務(wù)迫切。
2.2 干燥技術(shù)在食品糧食等方面的應(yīng)用
由于該設(shè)計機械作業(yè)對象為馬鈴薯片，馬鈴薯既屬于蔬菜類，也屬于糧食類，所以以下只對果蔬干燥技術(shù)和糧食干燥技術(shù)作介紹。
(1)果蔬干燥技術(shù)
果蔬干燥技術(shù)是一個非?；钴S的研究方向。果蔬通過脫水干燥，可降低含水率，提高原料可溶性物質(zhì)的濃度，阻礙微生物繁殖，抑制蔬菜中所含的酶的活性，從而使脫水后的蔬菜能夠在常溫下較久保存，且便于運輸和攜帶。
果蔬干燥技術(shù)：常壓熱風(fēng)干燥技術(shù)(如網(wǎng)帶式干燥機)、真空冷凍干燥技術(shù)、微波干燥技術(shù)、遠紅外干燥技術(shù)、滲透干燥技術(shù)、過熱蒸汽干燥技術(shù)。近年來新開發(fā)的干燥設(shè)備有噴射泵式真空凍干設(shè)備、真空油炸果蔬脆片設(shè)備、氮氣干燥器、太陽能成套干燥設(shè)備、微波真空干燥機、振動流化床干燥機等。
果蔬行業(yè)干燥存在的主要問題是,我國目前生產(chǎn)的主流干燥產(chǎn)品普遍存在干燥速度慢、脫水時間長、能耗大、成本高、復(fù)水性能差、品質(zhì)保存率低等缺陷，由此出現(xiàn)了在國際市場上價格滑坡、國內(nèi)市場打不開銷路的嚴峻局面。果蔬干燥研究存在的問題是：一是各種脫水果蔬的復(fù)水性能缺乏研究，尤其不了解一些改善某些干制品的復(fù)原性常用手段;二是選擇合適干制手段的能力較弱。近年來有過分夸大某種干燥方式的優(yōu)點,而忽略其缺點的趨勢。如一味強調(diào)凍干產(chǎn)品品質(zhì)好的優(yōu)點,而忽略其易吸潮、易碎、設(shè)備投資和操作費用高等缺點。
果蔬干燥研究方向：在保證品質(zhì)方面,開發(fā)選用不同干制技術(shù)以適應(yīng)不同果蔬的干制特性，從而保障干制品的品質(zhì)。如真空冷凍干燥、過熱蒸汽干燥分別適用于熱敏性和過敏性物料的干燥;微波加熱均勻，可以避免一般加熱干燥過程由于內(nèi)外加熱不勻而引起的品質(zhì)下降，充分保持了新鮮蔬菜內(nèi)原有的營養(yǎng)成分，并具有反應(yīng)靈敏、便于控制、熱效率高、無余熱、無污染等顯著特點;遠紅外干燥可以使干燥效率和干燥質(zhì)量得到極大的提高;連續(xù)冷凍干燥是發(fā)展趨勢。 在高效節(jié)能方面，微波干燥、遠紅外干燥和聲波干燥是國際上應(yīng)用較為普及的三種高效節(jié)能新技術(shù)。目前國際上的趨勢是將微波或遠紅外與真空低溫技術(shù)結(jié)合，避免內(nèi)部升溫失控。熱泵和太陽能干燥是近年來才應(yīng)用到果蔬干燥中的節(jié)能新技術(shù)，但干制溫度較低，干燥時間較長。
(2)糧食干燥技術(shù)
國外現(xiàn)在使用的糧食干燥機按其結(jié)構(gòu)及干燥原理來分主要有順流式、橫流式、混流式、逆流式和內(nèi)循環(huán)移動式干燥機。
我國現(xiàn)在使用的干燥機按其結(jié)構(gòu)及干燥原理[2]來分主要有：
1)塔式干燥機 塔體采用磚鋼混合結(jié)構(gòu)，處理量大，一次降水不低于10%，主要用于玉米、小麥的烘干。
2)滾筒式干燥機 干燥段的筒體為鋼筒，緩蘇、冷卻段為磚混結(jié)構(gòu)，主要用于水稻、小麥的烘干。
3)流化床干燥機 結(jié)構(gòu)簡單，主要用于水稻、小麥和油菜籽的烘干。
4)網(wǎng)柱式干燥機 糧食在雙層網(wǎng)狀板間流動，形成的糧柱與干燥介質(zhì)成錯流運動，主要用于玉米、水稻、小麥的烘干。
5)順逆流干燥機 糧食與熱風(fēng)同方向運動，干燥均勻，熱效率較高，冷風(fēng)與糧食反方向運動，干燥后糧食品質(zhì)好。
6)蒸汽干燥機 利用一定壓力的蒸汽，通過換熱器間接烘干糧食。
7)順流式干燥機 它可以使用較高的風(fēng)溫而不降低糧食品質(zhì)。
8)循環(huán)式干燥機 屬批式干燥機，濕糧喂入干燥機后，在機內(nèi)循環(huán)同時受熱風(fēng)的作用使水分蒸發(fā)，達到要求的終水分后，停機卸糧。
9)順混流式干燥機 綜合了順逆干燥適合濕糧的特點和混流干燥均勻及干后水分低的特點。一次干燥流程即達到安全水分。
在干燥機理、應(yīng)用基礎(chǔ)研究放方面中國農(nóng)大、東北農(nóng)大、華南農(nóng)大、江蘇理工大學(xué)作了大量的研究工作，分別建立了谷物熱特性、水分擴散特性、干燥速率等實驗測定裝置。中國農(nóng)大率先開展了谷物干燥計算機模擬的研究，使國內(nèi)的干燥技術(shù)研究接近和達到國際先進水平。
3.干燥技術(shù)概論
3.1干燥的定義
在人類的生產(chǎn)和生活中經(jīng)常遇到需要把某一種物體除去濕分的情況。這種物體可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)或者氣態(tài)。在大多數(shù)的情況下物體所含的濕分是水分，有時卻是其他的成分，例如無機酸、有機溶劑等。這一出去物體中濕分的過程被稱為“去濕”。人們將去濕的方法一句工作原理不同分為若干類，干燥是其中的一種。
通常，人們把采用熱物理方法去濕的過程稱為“干燥”。其特征是采用加熱、降溫、減壓或其他能量傳遞的方式使物料中的濕分產(chǎn)生揮發(fā)、冷凝、升華等相變過程與物體分離以達到去濕目的。不具備這一特征的去濕方法通常不列入干燥技術(shù)的范疇。
3.2干燥技術(shù)的特點
干燥技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。面對眾多的產(chǎn)業(yè)、理化性質(zhì)各不相同的物料、產(chǎn)品質(zhì)量以及其他千差萬別的要求，干燥技術(shù)稱為一門跨行業(yè)、跨學(xué)科，具有實驗科學(xué)性質(zhì)的技術(shù)。
通常，在干燥技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用中需要具備三個方面的知識和技術(shù)。第一需要了解被干燥物料的理化性質(zhì)和產(chǎn)品的使用特點；第二是要熟悉傳遞工程的原理，即物質(zhì)、傳熱、流體力學(xué)和空氣動力學(xué)等能量傳遞的原理；第三要有實施的手段，即能夠進行干燥流程、主要設(shè)備等方面的設(shè)計。顯然，這三個方面的知識和技術(shù)不屬于一個學(xué)科領(lǐng)域。而在實踐中，這三個方面的知識和技術(shù)又缺一不可。
3.3干燥介質(zhì)
3.3.1空氣的性質(zhì)
在對流干燥操作中，最常用的干燥介質(zhì)是空氣。從濕物料中除去的濕分通常是水分，熱空氣既是載熱體，又是載濕體，在自然界中，水會氣化，所以空氣中總含有一些水蒸氣，因其含量較少，所含的量變化也不大，故通常不予特殊的注意。但在干燥過程中，空氣中所含有的水蒸氣的量對于干燥速率、空氣用量都有直接影響，所以有必要對濕空氣的性質(zhì)進行介紹。
不含有水蒸氣的空氣稱為干空氣，含有一定水分的空氣則稱為濕空氣。自然界中的空氣都會含有少量的水蒸氣，是干空氣和水蒸氣的二元混合體。干燥操作所用的熱空氣通常取自自然界中的大氣，因此，干燥介質(zhì)實際上是含有少量水蒸氣的濕空氣。通常大氣中水蒸氣的分壓總是很小的，一般只有200到300mpa.s。大都處于過熱狀態(tài)，所以它的比體積很大，分子間的距離足夠遠，可以作為理想氣體處理，并服從理想氣體定律，按工程設(shè)計的要求這樣處理仍然足夠精確。稱其為“干燥介質(zhì)”，是因為它在干燥過程中承擔(dān)著載熱，載濕的作用。濕空氣將熱量傳遞給濕物料，為其提供干燥能量；同時，又把濕物料中的濕分（通常是水分）攜帶出干燥設(shè)備，從而達到干燥的目的。
在干燥過程中，濕空氣的溫度，水蒸氣含量和焓等性質(zhì)都會發(fā)生變化，所以，必須了解濕空氣的各種在物理性質(zhì)和狀態(tài)參數(shù)。
3.3.2空氣的濕度
濕度表明濕空氣中水蒸氣含量的多少，又稱絕對濕度，其為空氣中單位質(zhì)量絕干空氣所含有的水蒸氣的質(zhì)量，或水蒸氣質(zhì)量與絕干空氣質(zhì)量的比值，用符號表示，其單位為，簡寫為，含濕量表示濕空氣中水蒸氣等絕干空氣的相對質(zhì)量組成和質(zhì)量比[3]。設(shè)計內(nèi)容中新鮮空氣的初始溫度取室溫，初始濕度。
4.設(shè)計目的和主要內(nèi)容
本課題設(shè)計一個能對馬鈴薯片進行干燥的電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱，學(xué)習(xí)如何綜合應(yīng)用本專業(yè)的知識進行資料的查閱、方案的擬定和設(shè)備的具體設(shè)計，熟悉機械圖樣的測繪方法，熟練掌握計算機繪圖技能。通過此次設(shè)計，提高分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)熱真、踏實、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。
主要的設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一個電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱，完成風(fēng)機、電加熱部分裝置，排濕裝置，烘盤、烘車部分裝置，機箱及附屬設(shè)備的設(shè)計，繪圖。
5.干燥機的選擇
干燥過程中處理的物料種類極其繁多，物料特性千差萬別，為了適應(yīng)不同物料的干燥特性，干燥設(shè)備的類型就必然是多樣性的。由于干燥裝置組成單元的差別、供熱方法的差別、干燥機內(nèi)空氣與物料的運動狀態(tài)的差別等，又決定了干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此到目前為止，干燥機還沒有統(tǒng)一的分類方法。將干燥機進行公類的目的在于：（1）便于根據(jù)物料的特性選擇干燥機類型；（2）根據(jù)干燥機類型，便于進行干燥機的工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）從分類中還可以看到,干燥同一種物料，可用不同的幾種干燥機來完成，據(jù)此可以進行方案比較，選擇最佳的干燥形式。
5.1干燥機選擇的原則
對于干燥操作來說，干燥機的選擇是非常困難而又復(fù)雜的問題，因被干燥物料的特性、供熱的方法和物料-干燥介質(zhì)系統(tǒng)的流體動力學(xué)等必須全部考慮。由于被干燥物料種類繁多，要求各異，決定了不可能有一個萬能的干燥機，只能選用一個適宜的干燥方式和干燥機形式。
（1）選擇干燥機要考慮的因素
在選擇干燥機形式時，要考慮下列因素:
①被干燥物料的性質(zhì)
a．濕物料的物理特性；
b．干物料的物理特性；
c．腐蝕性；
d．毒性；
e．可燃性；
f．粒子大??；
②物料的干燥特性
a．初始和最終濕含量；
b．允許的最高干燥溫度；
（2）干燥機選擇的步驟
干燥機選擇的起始點是確定或測定被干燥物料的特性，確定干燥動力和傳遞特性，進行干燥成本核算，最后確定干燥機形式。概括上述步驟，可用方框圖表示如圖5-1所示：
一般數(shù)據(jù)：
生產(chǎn)能力
環(huán)境條件
干燥物料特性
干燥設(shè)備分類
物料的分類
干燥方法和干燥設(shè)備的選擇
方案的選擇
干燥成本
初步選擇干燥機
最終選擇干燥機
圖5-1 干燥機選擇步驟圖
下面列出各種干燥機適合干燥的物料形態(tài)，為干燥機的選擇提供依據(jù)，見表5-1所示：
表5-1 各種干燥機適宜物料形態(tài)[4]
干燥機類型
適合干燥的物料形態(tài)
攪拌式
液體 泥漿 糊狀 顆粒
流化床
預(yù)成型 顆粒 纖維狀
帶式
泥漿 糊狀
噴霧
液體 泥漿 糊狀
滾筒
液體 泥漿 糊狀 顆粒
箱式
片狀 纖維狀 預(yù)成型 顆粒 糊狀
干燥過程原理主要涉及濕物料和干燥介質(zhì)在熱力干燥過程中所表現(xiàn)的熱力學(xué)及物理學(xué)特性和其變化規(guī)律；濕物料內(nèi)部以及與干燥介質(zhì)間的熱量和質(zhì)量傳遞過程機理；干燥過程動力學(xué)原理；干燥過程的模型、模擬等內(nèi)容。
簡單地講，濕物料在熱力干燥時時常會先后經(jīng)歷以下兩個主要階段：
第一階段，能量（主要為熱量）從周圍環(huán)境傳遞至無聊表面使其表面濕分蒸發(fā)。液體以近似不變的速率從物料表面氣化，而物料溫度則持續(xù)在濕球溫度左右。此過程的干燥速率主要取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、流速、作用表面積以及壓力等外部條件。此過程稱外部條件控制過程，也稱恒速干燥過程。
第二階段，隨著熱質(zhì)傳遞的進行，當物料表面不再有充足的水分供表面蒸發(fā)后，多余的熱量會通過熱傳導(dǎo)傳遞至濕物料內(nèi)部，使物料溫度上升，并在其內(nèi)部形成溫度梯度。而濕份則由內(nèi)部向表面轉(zhuǎn)移，至物料表面后被不飽和的干燥介質(zhì)帶走，顯然此時的干燥速率會低于恒速干燥階段。濕物料內(nèi)部熱量和質(zhì)量的傳遞速率主要取決于物料性質(zhì)以及其自身的溫度和含濕量等因素。此過程稱內(nèi)部條件控制過程，也稱降速干燥過程。干燥過程的物料衡算和熱量衡算主要包括水分蒸發(fā)量的計算、所用空氣量的計算以及干燥過程中熱源提供給干燥介質(zhì)的熱量計算。如圖所示，新鮮空氣（其狀態(tài)為環(huán)境溫度，濕度，熱焓，干空氣量）進入電加熱器，加熱后（其狀態(tài)為，，，）進入干燥器，在干燥器中物料被干燥，由含水率降至，物料溫度由升至后排出干燥器；而干燥空氣溫度下降，濕度增加后排除干燥器（其狀態(tài)為，，，）。
新鮮空氣
電加熱器
干燥空氣
進口狀態(tài)
濕物料
干燥器
干物料
W
排出空氣
出口狀態(tài)
圖5-2 干燥原理圖
5.2干燥烘箱簡介
干燥烘箱屬于間歇干燥設(shè)備，根據(jù)物料的需要可制造成各種形式。干燥烘箱結(jié)構(gòu)簡單，在干燥中使用較為廣泛。依據(jù)被干燥物料的性質(zhì)，可使用不銹鋼或普通碳鋼制成。在一般的使用中，常用不銹鋼作殼體，干燥烘箱的外層為保溫絕濕層。無論室內(nèi)或者室外放置均可要求有良好的保溫效果，力求減少熱量損失，提高熱效率。
如圖5-3為一熱風(fēng)循環(huán)干燥箱，干燥箱內(nèi)放置盛有濕物料的烘盤，這些烘盤可置于箱內(nèi)預(yù)先焊制好的烘盤小車上，也就是烘車。每個烘車可盛放數(shù)十個烘盤，連同小車一同推入干燥箱內(nèi)，烘盤可由不銹鋼板壓制成型，以對流和傳導(dǎo)熱方式為主。新鮮空氣由風(fēng)機送入，經(jīng)加熱器預(yù)熱后均勻地在物料上方掠過而起干燥作用，部分尾氣經(jīng)排出管排出，余下的循環(huán)使用，以提高利用率。
圖5-3 電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱示意圖
1.調(diào)風(fēng)板 2.保溫層 3.烘車 4.風(fēng)機電動機 5.均風(fēng)板 6.排氣管 7.電加熱管 8.烘車門
5.3主要參數(shù)
物料含水率：
產(chǎn)品含水率：
5.4干燥器的選擇
物料最初的狀態(tài)：片狀
除去的液體：水分
物料所能經(jīng)受的最高溫度：≤100℃
產(chǎn)量：次
5.5干燥器生產(chǎn)能力的計算
該物料料厚：h=20mm
臨界含水率：
平衡含水率：
加熱干燥時間：T=3h
假設(shè)裝料時間為1.75h，卸料時間為0.5h
則每一次干燥的總時間為：（3+1.75+0.5）h=5.25h
每天能操作次數(shù)為24/5.25=4.57次
若按全天工作，則一天能干燥物料4.57×120kg=548.57kg
5.6干燥時間的計算
換算成干基含水率，如式（5-1）所示：
（5-1）
物料含水率，即相當于：
臨界含水率，即：
產(chǎn)品含水率，即：
平衡含水率，即：
已知加熱干燥時間為3h，
（5-2）
求得：=8.77
求得了以后，再求恒速干燥階段的干燥時間：
（5-3）
則：
降速干燥階段的干燥時間為：
5.7物料平衡
在每一次干燥中所要出去的水分為：
其中恒速階段應(yīng)出去的水分為：
因第一階段需要2.62h，故在此階段內(nèi)所蒸發(fā)的水分為
降速階段所需出去的水分為：
第二階段的干燥時間為0.38h，因此，在此階段內(nèi)每小時蒸發(fā)的水分為
5.8空氣消耗量的計算
計算空氣的消耗量，需要知道空氣在不同溫度、濕度狀態(tài)下的焓。以1kg干空氣為基準，其（焓-濕）圖如5-4所示：
圖5-4 空氣圖[5]
為方便計算，將需要用于計算的值列于表5-2：
表5-2 部分空氣表
30
60
/℃
(kJ/kg)
(kg/kg)
(kJ/kg)
(kg/kg)
20
31
0.0042
43
0.00891
65
199
0.05108
357
0.115
設(shè)新鮮空氣為，，則。空氣離開干燥室時尾氣狀態(tài)為：，，則。在操作中采用中間加熱及尾氣循環(huán)的流程，并設(shè)空氣經(jīng)加熱器后的溫度為。今將所有狀態(tài)變化標于圖上。由過程終點（，）引一平行于等焓線的直線一直與等溫線相交，所求得的一點為濕空氣離開干燥器第二區(qū)域的狀態(tài)。依次坐下去直到點。此點狀態(tài)為 ，，如圖5-5所示。但必須注意，此種作圖僅適合于理論操作，即操作進行時沒有熱量損失，并且不計物料帶出的熱量。于是混合氣體的濕度，而新鮮空氣的濕度為；尾氣的濕度為。
圖5-5 溫濕圖
故其循環(huán)氣體的份數(shù)值為：
即每千克的新鮮空氣應(yīng)該加入4.44kg的尾氣。算出循環(huán)的混合氣體的性質(zhì)以后，就可以計算空氣的消耗量為：
式中34.35為第一階段內(nèi)每小時應(yīng)出去的水分，或者蒸發(fā)1kg水分的空氣消耗量為：
5.9干燥器的熱消耗量
利用圖查出，；?；旌衔锏臒犰蕿椋?
所以，理論熱消耗量為：
或者：
設(shè)電加熱器的機械效率為95%，則損失熱消耗量為：
或為：
這部分熱量損失由兩個加熱器負擔(dān)，故每個加熱器的熱損失為。
因此，在干燥器內(nèi)實際消耗的熱量，包括熱量損失在內(nèi)為：
6.熱風(fēng)循環(huán)烘箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.1烘箱熱風(fēng)流動方式
（1）上下通風(fēng)方式 上下通風(fēng)方式適合于被干燥物料間有一定間隙，或比較疏松的大件產(chǎn)品干燥。這種干燥方式是熱風(fēng)從兩側(cè)到干燥箱底，再逐漸向上部干燥。在這種通風(fēng)方式中，烘盤底應(yīng)采用網(wǎng)狀的。不然，產(chǎn)品有可能局部未干燥或者干燥時間需要增加。
（2）左右通風(fēng)方式 左右通風(fēng)方式是箱內(nèi)兩側(cè)面上噴出熱風(fēng)，再由頂部中央吸入循環(huán)通風(fēng)方式。在干燥箱內(nèi)的兩側(cè)面上沖制了許多直徑為20mm左右的通風(fēng)孔，熱風(fēng)均勻地從通風(fēng)孔噴出于干燥產(chǎn)品表面。這種通風(fēng)方式的設(shè)計關(guān)鍵在于兩側(cè)面上孔的相互間距，從而達到上下出風(fēng)量的一致，減少干燥箱內(nèi)的上下溫差。干燥烘車烘盤底可用網(wǎng)狀形、孔狀形，也可用不開孔的盤形這種通風(fēng)方式可以以制成水平氣流和穿流復(fù)合形式。
（3）水平通風(fēng)方式 水平通風(fēng)方式是指熱風(fēng)從箱內(nèi)一側(cè)出風(fēng)，經(jīng)過產(chǎn)品表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)后，從另一側(cè)面吸入的循環(huán)通風(fēng)方式。它主要特點是層與層干燥時相對獨立，尤其適合干燥時產(chǎn)品某部位上有液體流淌下來，而下層產(chǎn)品某些部位又不能沾到該液體的產(chǎn)品干燥，也較適合片狀、粉狀的干燥。此時烘盤底不能用網(wǎng)狀的。此類通風(fēng)中還可以設(shè)中間加熱器，目前這類箱式干燥器用途較為廣泛。這種干燥器的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵是上下盤之間的間距，一般上下盤之間的通風(fēng)高度是40～60mm。這種對流傳熱方式有利于熱能的再利用，因為物料層中氣流呈湍流狀態(tài)，可以較大程度彌補因空氣濕度增加而減少傳質(zhì)推動力的損失，盡可能使較高溫度的熱空氣繼續(xù)吸收水分節(jié)約能量。
綜合上述，本次設(shè)計選用水平通風(fēng)方式。
6.2箱體設(shè)計
箱體一般由角鋼和槽鋼構(gòu)成框架，內(nèi)外層用金屬板密封，中間填充絕熱材料保溫。保溫層材料應(yīng)均勻，無孔隙，以免熱量散失。如果箱內(nèi)干燥氣體對鋼板有腐蝕，則所有箱內(nèi)與氣體接觸的材料都應(yīng)用不銹鋼板或鍍鋅板制成[6]。箱頂上部需設(shè)置一至兩只尾氣排出管，在管內(nèi)還應(yīng)有調(diào)節(jié)閥門。干燥箱門需要平直，通常用折板機折四邊，以增加門的剛度。中間填充保溫材料，保溫材料主要是硅酸鋁巖棉，需要注意的是根據(jù)烘箱的大小，保溫層的厚度需要選擇適宜，以保證良好的保溫性和隔熱性本次設(shè)計采用100mm硅酸鋁巖棉保溫層。再用金屬板封內(nèi)層。在門四周的壓邊上應(yīng)加密封條，通常采用彈性好且耐200℃一下溫度的硅橡膠條；另一種采用柔性較好的氈條。因為有彈性的密封條能防止更多的冷風(fēng)從門四周進入干燥箱。
6.3 加熱器設(shè)計
6.3.1加熱方式選擇
熱風(fēng)循環(huán)烘箱的加熱器主要有蒸汽加熱器和電加熱器兩種。蒸汽加熱器一般安裝在進風(fēng)口的氣體加熱腔內(nèi)，有若干根翹片焊接在兩端分別設(shè)有蒸汽分配室和集液管上，冷凝水通過疏水器排出。
電加熱器盡可能用不銹鋼管制作，為了進一步提高加熱器的使用壽命和熱效率，應(yīng)在電加熱器表面纏繞不銹鋼散熱片。電加熱器的電熱棒可根據(jù)位置和空間設(shè)計成不同形狀：U形、W形、I形等。電加熱棒兩端的的發(fā)熱管長度和干燥箱保溫層厚度應(yīng)相等。電加熱棒兩端的電源接線柱應(yīng)盡量在箱體外，這樣能大大提高電熱棒的使用壽命。
采用純銅翹片繞帶式電加熱器，可以使傳熱效果較好，且體積較小，適應(yīng)在沒有加熱蒸汽的場合。對于一般物料加熱時間在5小時以內(nèi)，較難干燥的無聊也只需10小時左右，使用方便。
氣流調(diào)節(jié)閥設(shè)置在風(fēng)機進風(fēng)口、排風(fēng)口及烘箱進風(fēng)口三處，可以在需要的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)物料層中氣流的風(fēng)速和風(fēng)機吸排氣量。
本設(shè)計加熱器選擇電加熱方式。
6.3.2電加熱器原理
電加熱器是電能轉(zhuǎn)換成熱能，與空氣進行輻射和對流傳熱的加熱設(shè)備，用于加熱空氣的電加熱器是多根管狀電加熱元件組成結(jié)構(gòu)如圖。管狀電加熱元件是在金屬管中放入電阻絲，并在空隙部分緊密填充有良好耐熱性、導(dǎo)熱性和絕緣性的結(jié)晶氧化鎂粉，再經(jīng)其他工藝處理而制成。具有結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高、熱效率高、安全可靠、安裝方便、易實現(xiàn)溫控自動化等特點。用于加熱相對濕度不大于95%、無爆炸性、無腐蝕性氣體。
6.3.3電加熱器功率計算
電加熱器已有定型產(chǎn)品，應(yīng)按下式確定所需要的功率如式（6-1）所示：
（6-1）
式中——電加熱器總功率（）；
——水蒸氣的比熱容；
——空氣質(zhì)量流量；
——熱功當量，；
——空氣環(huán)境濕度；
——空氣環(huán)境溫度；
——熱空氣溫度；
——絕干空氣比熱容；
——電加熱器熱效率，取
其中：=；=；；；；；；
根據(jù)已知條件，求得：
選用兩個加熱器， 則每個電加熱器所承載的功率為；
6.3.4電加熱器的選擇
電加熱器的形狀如圖6-1所示：
圖6-1 SRK2型電加熱器外形圖
電加熱器的主要技術(shù)參數(shù)、尺寸外形尺寸圖如表6-1所示：
表6-1 SRK2型電加熱器外形尺寸表[7]
型號
外形尺寸/mm
風(fēng)道尺寸/mm
法蘭尺寸/mm
地腳尺寸/mm
總功率/kW
A
B
C
M
N
E
F
G
D
SRK2-4
652
240
396
260
346
284
370
160
400
4.20
SRK2-8
652
270
536
400
346
424
370
190
400
7.92
SRK2-10
680
270
716
580
346
604
370
190
400
10.56
SRK2-15
708
359
786
650
346
674
370
220
400
15.00
6.4通風(fēng)機的選擇
用于電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱的風(fēng)機一般采用軸流風(fēng)機，其主要外形形狀如圖6-2所示：
圖6-2 軸流風(fēng)機外形形狀圖
根據(jù)前期計算，得氣體消耗量為=
軸流通風(fēng)機性能表6-2所示：
表6-2 部分軸流風(fēng)機性能表[8]
機號
轉(zhuǎn)速
/(r/min)
葉片角度/(°)
風(fēng)量
/(m3/h)
需要功率
/kW
配用電動機
型號
功率/kW
2.8
2900
15
1224
0.068
YSF-4522
0.12
20
1742
0.1
YSF-5632
0.18
25
2260
0.147
YSF-5632
0.18
30
2495
0.168
YSF-6322
0.35
35
2778
0.224
YSF-6332
0.37
根據(jù)據(jù)算，選用T35-2.8型軸流風(fēng)機，配用電動機型號為YSF-5632。
6.5 調(diào)風(fēng)板設(shè)計
軸流風(fēng)機送入烘箱內(nèi)部的空氣需要經(jīng)過調(diào)風(fēng)板的作用，氣流才能更好的進入電加熱器進行加熱，制作調(diào)風(fēng)板的材料主要采用3042B不銹鋼制作，焊接于箱體內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-3所示：
圖6-3 調(diào)風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖
6.6均風(fēng)板設(shè)計
均風(fēng)板通常用不銹鋼板制成，也可用鍍鋅鋼板制成。通風(fēng)板有兩種形式：一種為沖制了直徑為20mm的孔板，另一種則不開孔。不開孔的為第一種通風(fēng)方式所用，開孔為第二和第三種通風(fēng)方式所用。空的排列應(yīng)由上向下逐漸加密。因在干燥過程中，自葉輪出口向下運送熱風(fēng)，通過側(cè)面板出風(fēng)以干燥烘盤上的物料，然后到達葉輪吸風(fēng)口。因熱風(fēng)從側(cè)面板上部出風(fēng)到風(fēng)機吸口的距離最短，如板上部孔數(shù)量與下部相等，會造成大量熱風(fēng)不能到達下部，而直接從上部進入風(fēng)機吸口而短路，從而降低了產(chǎn)品的干燥效果，延長了干燥周期。設(shè)計中均風(fēng)板材料采用3042B不銹鋼板沖孔壓制而成，其結(jié)構(gòu)如圖6-4所示：
圖6-4 均風(fēng)板
均風(fēng)板與烘箱內(nèi)壁的連接需要安裝腳板，安裝腳板可通過熱軋等邊角鋼（GB/T9787-1988）鉆孔制成，鉆孔位置需要與均風(fēng)板安裝孔同位置。所以，設(shè)計的安裝腳板采用20×20×3mm的熱軋等邊角鋼制作，其示意圖如6-5所示：
圖6-5 均分板安裝腳板
6.7控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要包括溫控系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，控制方式分自控和手控。在一般狀態(tài)使用時，均采用溫度自動控制，即PID自適應(yīng)控制模式[9]。箱內(nèi)干燥溫度從常溫到200℃之間的熱河溫度都能控制，且控制溫差在±2℃之間。測溫器通常設(shè)置一對（分左右布置），安裝位置要與加熱器保持一定的距離。另外，還需設(shè)置自動超溫報警裝置。超溫范圍一般認為比正常干燥溫度高5～10℃，超過此值，主電源應(yīng)自動切斷或報警?？刂葡到y(tǒng)選用的控制單元主要有：WRP2-120鉑熱電阻，3TB4137交流接觸器，3TH82-44中間繼電器和3UA591.6A-2.5A熱繼電器。安裝在控制柜中。
7.附屬設(shè)備設(shè)計
為滿足整個干燥過程的順利進行，附屬設(shè)備在整個干燥系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，附屬設(shè)備主要包括烘盤，烘車，烘車導(dǎo)軌和烘車導(dǎo)臺。
7.1烘盤設(shè)計
烘盤作用用于干燥過程中物料的盛放，使得物料有較好的干燥條件，保證物料不受污染，保證產(chǎn)品質(zhì)量。其在干燥過程中靜置于烘車上。烘盤要求表面光滑，對馬鈴薯片無損傷，在干燥過程中，烘盤處于溫度較高的環(huán)境中，同時有物料帶入的水分和新鮮空氣帶入的水蒸氣，這也使得烘盤需要有較高的抗氧化性和耐腐蝕性，烘盤形式的區(qū)別主要是烘盤底盤是否開孔，而它又與通風(fēng)方式有關(guān)。所以，用作烘盤的材料選擇3042B不銹鋼，打孔沖壓成型，其外形尺寸按照RXH-14-C行業(yè)標準制作[10]，即640×460×45mm，厚度=2mm。其外形尺寸圖如圖7-1所示：
圖7-1 烘盤
7.2烘車設(shè)計
干燥物料烘車的車體用角鋼或方剛焊制，下部安裝2只萬向輪和2只定向輪。車上堆放產(chǎn)品的烘盤上下層距離由左均風(fēng)板的開孔位置決定，以保證物料能順利干燥，電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱的左均風(fēng)板開孔的上下間距80～50mm，所以，烘車的上下層距離保持一致。用作烘車機架的材料選用結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼（GB/T 6728-1986），其外形尺寸如圖7-2所示。
圖7-2 冷彎方形空心型鋼[11]
烘車板用3042B不銹鋼制成，厚度mm，下部安裝的萬向輪（GB/T 14688-1993），結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，定向輪（GB/T 14687-1993），其結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。
圖7-3 萬向輪
圖7-4 定向輪[12]
烘車托盤架上下層間距取50mm，左右間距與烘盤寬度保持一致，取460mm，前后間距與烘盤長度保持一致，取640mm。已知馬鈴薯片的密度為1150kg/m3，則一個烘盤所盛物料質(zhì)量，烘車所需要的托盤架層數(shù)層，取8層。烘車的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-5所示：
圖7-5 烘車結(jié)構(gòu)示意圖
則烘車左右總尺寸為25×4+460=560mm，烘車前后總尺寸為25×2+640=690mm，烘車高度為50×7+25×8+125+100=775mm，其中100mm為設(shè)計烘車上部與下部可調(diào)空間值。
7.3 烘車導(dǎo)軌設(shè)計
烘車導(dǎo)軌的主要作用在于使得烘車平順進入烘箱內(nèi)，且起到定位的作用。導(dǎo)軌的寬度和深度需要滿足不阻礙烘車車輪滾動。根據(jù)前期設(shè)計綜合考慮，采用50×20×15×3mm的冷彎外卷邊槽鋼打孔制作成導(dǎo)軌條件適宜。既滿足導(dǎo)軌的順利導(dǎo)向作用，且適應(yīng)烘箱內(nèi)部空間。打孔作用在于導(dǎo)軌的安裝定位。其結(jié)構(gòu)圖如圖7-6 所示。
圖 7-6 烘車導(dǎo)軌
7.4 烘車導(dǎo)臺設(shè)計
考慮到烘箱保溫層的厚度，底面與烘箱內(nèi)壁底部有一定高度，需要一個傾斜式的導(dǎo)臺，方可使烘車方便進入烘箱內(nèi)部，以減少勞動力，縮短干燥周期。烘車導(dǎo)臺高度與烘箱保溫層厚度相等，即高度應(yīng)為100mm，寬度應(yīng)略寬于烘車寬度，即寬度應(yīng)略大于560mm，取600mm。設(shè)計導(dǎo)臺斜面角度為30°，使得人更容易講烘車推入烘箱，即導(dǎo)臺斜面長度應(yīng)為mm，導(dǎo)臺底面長度應(yīng)為=173.2mm。導(dǎo)臺上需要設(shè)有與烘箱導(dǎo)向槽對應(yīng)的導(dǎo)軌，則導(dǎo)向槽深度取20mm，寬度取60mm，為保證導(dǎo)臺的固定性，選用Q235鑄造制成。其外形尺寸圖如圖7-6所示：
圖 7-7 烘車導(dǎo)臺
8.結(jié)論
設(shè)計的電加熱型熱風(fēng)循環(huán)烘箱在保證能對馬鈴薯片進行干燥的條件下，箱體內(nèi)部布置更為緊湊，外形尺寸為1500×1200×1400mm，比較傳統(tǒng)的烘箱，體積得到了縮減，便于搬運，減少了占地空間。同時，此干燥機不僅僅能對馬鈴薯片進行干燥，還能適應(yīng)于其他的片狀物料和條狀物料。具備成本低廉，便于維修等特點，適用于小批量多品種干燥生產(chǎn)。
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[12]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:26～30.
致 謝
本次設(shè)計能順利完成，首先要感謝安靜老師的悉心指導(dǎo)，從選題到設(shè)計的完成的整個過程中，遇到了很多問題，安靜老師都能及時給予細心及準確的指導(dǎo)，在設(shè)計思路出現(xiàn)混淆或錯誤時，用淺顯易懂的知識深度剖析，使我的設(shè)計思路清晰明朗，以免在設(shè)計過程中迷失方向，出現(xiàn)大的偏差。在整個設(shè)計過程中，老師都能一如既往的表現(xiàn)出高度負責(zé)的工作態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)，這些都是我所應(yīng)該學(xué)習(xí)的。在此，對安靜老師表示誠摯的感謝！
感謝母校為我提供了學(xué)習(xí)機會，使我的知識水平和認知能力得以提高，同時為我們提供了良好的學(xué)習(xí)條件，在設(shè)計過程中難免會遇到課程中沒有學(xué)習(xí)到的知識點，這時，到塔里木大學(xué)圖書館便能找到想要的資料。
感謝老師四年來對我的精心栽培，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和老師們給予的幫助與關(guān)懷，感謝與我共同學(xué)習(xí)和生活了多年的同學(xué)們對我的關(guān)心與支持！
大學(xué)四年已接近尾聲，大學(xué)生活中的每一個細節(jié)都使我終生難忘，以“艱苦奮斗、自強不息”這八個字我將銘記于心，在以后的人生道路中將躬身踐行。
最后，祝愿母校日益昌盛，祝愿老師們、同學(xué)們身體健康、事事順利！
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