中國報告大廳網(wǎng)訊，當(dāng)前，真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、材料科學(xué)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等多個領(lǐng)域應(yīng)用愈發(fā)廣泛。隨著行業(yè)發(fā)展，冷凍干燥機市場需求不斷提升，美國、英國、日本、德國等國家的凍干機已形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，擱板面積從不到一平方米覆蓋至幾十平方米，擁有十幾種規(guī)格。而我國此前在冷凍干燥機結(jié)構(gòu)設(shè)計上，多采用材料力學(xué)簡化計算與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方式，這種方式雖有一定可靠性，但存在設(shè)計周期長、結(jié)構(gòu)組件冗余、用材質(zhì)量大、成本高且效益低等問題，削弱了產(chǎn)品競爭力。在此背景下，將現(xiàn)代仿真技術(shù)引入真空冷凍干燥機設(shè)計，成為提升我國冷凍干燥機設(shè)計水平、增強產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵方向。以下是2025年冷凍干燥機行業(yè)技術(shù)分析。
目前，制備型真空冷凍干燥機主要由冷凍干燥箱、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)幾大部分構(gòu)成，這些部分的搭配與取舍可形成不同設(shè)計方案。其中，冷凍干燥箱是能制冷至 - 50℃左右、加熱到 + 70℃左右的高低溫密閉真空箱體，是冷凍干燥機的主要組成部件;擱板作為冷凍干燥箱內(nèi)的核心部件，負(fù)責(zé)對制品進行預(yù)冷、升溫與干燥。制品品質(zhì)與擱板的制冷溫度、加熱溫度、干燥時的真空度三個主要參數(shù)密切相關(guān)。在這三個參數(shù)中，加熱溫度因電加熱裝置功率穩(wěn)定可控、硅油作為傳熱介質(zhì)易實現(xiàn)熱量調(diào)節(jié)，真空度雖控制復(fù)雜但可精確控制，而制冷溫度較難理想控制，需通過擱板最低溫度、擱板降溫速率、擱板控溫精度綜合評價?；诖?，在冷凍干燥機設(shè)計中，需重點圍繞冷凍干燥箱和擱板展開，借助三維 CAD 技術(shù)完成三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等工作，同時利用 CAE 技術(shù)對冷凍干燥箱進行靜強度及模態(tài)分析，通過 FLUENT 軟件分析冷凍干燥箱氣體流場軌跡和擱板內(nèi)溫度場變化，以此發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題、縮短研發(fā)周期、提高經(jīng)濟效益。
在冷凍干燥箱設(shè)計中，首先使用 Pro/ENGINEER 進行造型設(shè)計，再通過其數(shù)據(jù)接口將模型傳遞至 ANSYS 環(huán)境開展有限元計算，以獲取冷凍干燥箱的機械性能。靜力學(xué)分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷條件下的響應(yīng)，涉及結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)。
按照設(shè)計要求，冷凍干燥機的冷凍干燥箱結(jié)構(gòu)采用從局部到整體的造型方法建模，該箱體由若干零部件焊接裝配而成，利用 CAD 軟件造型時，從標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件開始拼合相關(guān)結(jié)構(gòu)體即可得到整體結(jié)構(gòu)模型。進行有限元分析時，各結(jié)構(gòu)件按焊接成一個整體處理。設(shè)計初期結(jié)合經(jīng)驗設(shè)計與材料力學(xué)簡化算法確定設(shè)計參數(shù)初始值，再通過 Pro/ENGINEER 完成輔助實體造型，得到冷凍干燥箱體模型。
構(gòu)建的有限元模型中，有限元網(wǎng)格單元數(shù)為 155181，節(jié)點數(shù)為 56519。網(wǎng)格劃分完成后，根據(jù)冷凍干燥箱實際工作狀態(tài)添加載荷與邊界條件，例如對箱體上表面和側(cè)面施加大氣壓力，對底面附加擱板等內(nèi)部零部件重力，以此驗證冷凍干燥箱體強度的可靠性，并通過分析得到應(yīng)力分析云圖與位移分析云圖。
模態(tài)分析是了解結(jié)構(gòu)振動特性的重要手段，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動力特性修改、優(yōu)化設(shè)計、故障診斷、狀態(tài)檢測等領(lǐng)域，能將機械結(jié)構(gòu)設(shè)計從經(jīng)驗、類比和靜態(tài)設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、優(yōu)化設(shè)計方法，且與計算機輔助設(shè)計(CAD)結(jié)合后，可為產(chǎn)品改進提供可靠理論依據(jù)。
真空冷凍干燥機在使用過程中動力學(xué)特征明顯，設(shè)計時需充分考慮振動和噪音問題，避免實際工況中因振動引發(fā)共振或疲勞，破壞結(jié)構(gòu)氣密性。由于冷凍干燥箱剛性較差，易在壓縮機及循環(huán)泵運行時產(chǎn)生共振，因此將其作為分析對象。在分析過程中，先定義分析類型和分析選項，再進行固有頻率的有限元計算，分析所用材料參數(shù)為彈性模量 210GPa，泊松比 0.3，密度7800 kg/m3。經(jīng)計算，得到冷凍干燥箱 1、2、3 階振動頻率分別為 114.55Hz、228.62Hz、318.41Hz，并獲取了對應(yīng)的 1 階、2 階、3 階振動云圖。通過仿真分析可發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不合理之處，如部分部位應(yīng)力水平較高，即便排除未考慮焊縫引發(fā)的應(yīng)力集中因素，應(yīng)力分布不均仍會導(dǎo)致各部分疲勞壽命差異及材料使用不合理，因此需調(diào)整筋板布置方式，在應(yīng)力過高處適當(dāng)增加加強筋板，同時調(diào)整布局以降低振動頻率。
計算流體力學(xué)(CFD)是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，具有成本低、能模擬復(fù)雜或理想過程等優(yōu)勢，近 20 年發(fā)展迅速，涉及流體力學(xué)、偏微分方程數(shù)學(xué)理論、計算幾何、數(shù)值分析、計算機科學(xué)等學(xué)科，其水平最終體現(xiàn)在解決實際問題的能力上，如今已成為流體力學(xué)研究的重要手段。
在冷凍干燥機設(shè)計中，加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵在于節(jié)省能源、提高熱效率。由于真空狀態(tài)下傳熱主要依靠輻射和傳導(dǎo)，傳熱效率低，近來出現(xiàn)調(diào)壓升華法，其中充入干燥無菌氣體的方式既能提高冷凍干燥箱壓強，又不會增加冷凝器負(fù)荷，是較為理想的調(diào)壓方式。借助 CFD 仿真技術(shù)，可預(yù)測冷凍干燥箱內(nèi)不同配氣口充入干燥無菌氣體的氣流分布情況，為設(shè)計提供指導(dǎo)。具體而言，構(gòu)建了冷凍干燥箱底部進氣和側(cè)壁四點均布進氣兩種氣流形式的三維分析模型，建立內(nèi)部氣體流場分布計算模型，隨后進行網(wǎng)格劃分與邊界條件確定，得到底部進氣分析有限元模型和側(cè)壁進氣分析有限元模型。
FLUENT 軟件能較準(zhǔn)確地呈現(xiàn)流體流動細(xì)節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，不僅可預(yù)測流體產(chǎn)品整體性能，還能從對流暢分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，基于此提出的改進方案只需計算一次即可判斷效果，因此利用 FLUENT 求解器進行設(shè)置與求解，得到底部進氣流場云圖和側(cè)壁進氣流場云圖。
擱板設(shè)計水平直接決定冷凍干燥機整機性能，合理的擱板換熱流路布局、用材及較小的熱慣性，可大幅降低控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等的功耗負(fù)荷和故障率，實現(xiàn)最優(yōu)冷卻速率，提升細(xì)胞存活率、產(chǎn)品物理形狀及溶解速度。為保證擱板熱均勻性好、熱慣性小，在設(shè)計中采用 CFD 技術(shù)構(gòu)建熱傳導(dǎo)模型，在 Pro/ENGINEER 中建立均布內(nèi)流路擱板三維模型，進而構(gòu)建流路有限元模型。
使用 FLUENT 對溫度流場進行數(shù)值模擬時，需設(shè)置流體性質(zhì)，如溫度、密度、傳熱系數(shù)等，分析選用 k-Epsilon 流體方程模型，工作環(huán)境為室溫條件，給定的流場邊界條件為入口速度 0.5m/s、溫度 323K，出口壓強設(shè)為相對大氣壓強，其他為固定無滑移壁面(wall)，導(dǎo)流系數(shù)為13.9w/m2?°C。通過 FLUENT 生成速度場和溫度場圖形并分析，得到流路溫度場分布云圖。
擱板分析中，流路溫度變化對擱板熱均布的影響涉及兩種以上物理場的交叉作用與相互影響，屬于流 - 固耦合分析問題。流路溫度場分布通過 FLUENT 計算得出，但 FLUENT 無法實現(xiàn)擱板溫度分析，需將 FLUENT 計算結(jié)果作為載荷加載到 ANSYS 的固體有限元模型中，實現(xiàn)流 - 固耦合分析。構(gòu)建擱板有限元模型并導(dǎo)入分析流路，計算后得到均布內(nèi)流路擱板溫度分布云圖。借助 CFD 方法模擬冷凍干燥箱和擱板內(nèi)流體流動、傳熱等現(xiàn)象，可提升冷凍干燥機概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和改進設(shè)計的效能，在工程應(yīng)用中，通過 CFD 分析能明確問題產(chǎn)生機理，指導(dǎo)設(shè)計工作，節(jié)省人力、物力和時間，助力總結(jié)規(guī)律。
《2025-2030年全球及中國冷凍干燥機行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》將 CAD、CAE 等先進計算機仿真設(shè)計手段應(yīng)用于真空冷凍干燥機研發(fā)，能夠有效縮短設(shè)計周期、保證設(shè)計質(zhì)量、提高整體設(shè)計水平，減少開發(fā)成本。CAE 技術(shù)可在設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)問題，基于有限元的優(yōu)化分析能為設(shè)計提供改進方向，通過數(shù)值仿真分析獲取應(yīng)力應(yīng)變分布情況，調(diào)整關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，減小應(yīng)力應(yīng)變，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
基于 ANSYS Fluent 軟件的模擬計算，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內(nèi)的流動情況，為設(shè)計適宜的進配氣結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考。通過該軟件對真空冷凍干燥箱內(nèi)氣流工況進行數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁四點均布進氣口設(shè)計方案有利于凍干箱內(nèi)注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現(xiàn)無氧環(huán)境下的壓蓋封裝，其進氣方式優(yōu)于底部單進氣口設(shè)計方式，這一結(jié)論對深入研究真空冷凍干燥技術(shù)機理及設(shè)計新型進配氣裝置具有重要指導(dǎo)意義。同時，利用 ANSYS Fluent 軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行數(shù)值仿真，為擱板換熱流路設(shè)計提供依據(jù)，也為動力循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的整體性能設(shè)計工作提供參考。
CFD 技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)方法中系統(tǒng)當(dāng)量模型簡化及原始物理參數(shù)無法精確化的問題，且能得到直觀結(jié)果，直接指導(dǎo)設(shè)計，推動冷凍干燥機設(shè)計從單純經(jīng)驗設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撚嬎阒笇?dǎo)與經(jīng)驗相結(jié)合的方法。借助 CFD 的仿真分析，可有效分析流體運動過程中的運動特性和規(guī)律，將設(shè)計工程師從復(fù)雜的理論計算中解放出來，使其能將更多精力投入到優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計上。
盡管CFD技術(shù)本身存在一定局限性，如對物理模型、經(jīng)驗技巧有一定依賴，但作為以流體為研究對象的數(shù)值模擬技術(shù)，相較于實驗流體動力學(xué)，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等顯著優(yōu)勢，在冷凍干燥機行業(yè)設(shè)計及眾多領(lǐng)域中，必將發(fā)揮越來越重要的作用，持續(xù)推動冷凍干燥機行業(yè)技術(shù)不斷進步。
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