基于有限元分析的50 L液体发酵罐设计

2021-12-31周振王萌张梦雪许月盘赛昆朱强

食品工业 2021年12期

周振，王萌，张梦雪，许月，盘赛昆，朱强*

1. 江苏海洋大学食品科学与工程学院（连云港 222000）；2. 江苏海洋大学机械工程学院（连云港 222000）；3. 连云港和昌机械有限公司（连云港 222000）

发酵罐是发酵技术的核心设备，被广泛应用于食品、化工、制药等行业[1-2]。由于发酵需求，发酵罐操作压力较高，危险性较大[3]。因此，对发酵罐材料的确定、尺寸的选用、开孔的补强都有较高的要求[4]。有限元分析作为一种低成本、高效率的计算机辅助设计程序，以其在杆系结构设计、弹性薄板等方面的杰出表现，已被广泛应用在机械设计制造等方面[5]。董晓军等[6]、Wang等[7]、辛丹丹[8]、杨学元等[9]在研究压力容器时，均对其强度等采用了有限元方法分析应力等。

此次课题主要设计通用型50 L机械搅拌、气升式液体发酵罐。由于介质非易燃、易爆，腐蚀性可忽略，因此对强度和密封性能要求度一般。采用有限元分析方法，按照标准进行应力和强度分析[10]，以期设计一款主要用于中试生产、科学实验的50 L液体发酵罐。

1 工艺计算

1.1 发酵罐体设计

发酵罐的工作容积V0=50 L，取填充系数μ=0.75，总容积V=V0/μ=66.67 L。

考虑钢板厚度偏差，取罐体厚度和椭圆形封头厚度均为δ=δd=3 mm。

查表得，平板封头结构系数K取0.31，其材质与罐体相同。平板封头承载电机等设备的质量、厚度增加一倍，取σu=20 mm。

1.2 搅拌传动装置设计

搅拌器的功率Pj=f N=3.106 W。

传动轴功率P=Pj(0.4+0.6m)=6.833 W（m为搅拌层数）。

考虑机械的传动系数0.8，则Pg=5.281 W，故选择0.75 kW电机。

由于轴上开槽或开孔会引起轴截面局部消弱，轴径需增加4%～8%，机械功率消耗、机械摩擦、腐蚀裕度等因素也会有影响，轴径可适当增加2～4 mm，因此搅拌轴直径取20 mm[14]。

1.3 传热面积设计

取发酵热q=10 000 W/m2，则总热负荷Q=QV=0.05×10 000=500 W

2 结构设计

2.1 封头结构设计（图1）

图1 封头结构图

2.2 总结构图（图2）

图2 总结构图

2.3 3D视图（图3）

图3 3D视图

3 有限元分析

使用Ansys软件对发酵罐结构进行静力分析，验证其强度和刚度是否满足条件。在Solidworks建立发酵罐罐体模型，将其导入到Workbench中进行参数设置。发酵罐材料为stainless steel，结构性能参数为密度为7 750 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为200 GPa[15]。

发酵罐属于薄壁零件，采用四面体网格划分，网格数为145 170，发酵罐底部和罐体连接处设置fixed support约束，发酵罐在工作条件下的总质量为80 kg，在封头和筒体连接的部位施加800 N的重力载荷，容器的计算压力为0.422 MPa。因此，在容器所有承受内压的内表面施加0.422 MPa的压力，下封头受支撑部件支撑，在封头和筒体连接部位施加固定约束，在罐体施加一个竖直向下的重力加速度。经过计算，发酵罐的等效应力云图如图4所示。