基于fluent的隧道灭菌烘箱结构优化设计

王炳刚 过星 于颖

（1.中国药科大学，江苏南京 210009；2.常州四药制药有限公司，江苏常州 213004）

1 前言

热风循环型隧道灭菌烘箱已广泛用于西林瓶、安瓿的干燥灭菌，成为药厂无菌注射剂、粉针剂生产的关键设备。然而目前国内隧道灭菌烘箱生产厂家在机械加工精度、设备监控水平和设计研发、能耗等方面与世界知名厂商相比还存在一定的差距，很多方面都有待进一步改进。德国Bosch 公司，德国B+S 公司，意大利IMA 公司，ROMACO 公司生产的热风循环型隧道灭菌烘箱技术性能先进，自动化程度高，温度控制运行稳定可靠，有许多值得我们借鉴的地方[1]。热风循环型隧道灭菌烘箱主要分为三段：预热段、灭菌段、冷却段。预热段主要用于西林瓶的预热，以防升温过快导致的破瓶。灭菌段主要用于西林瓶的灭菌去热源，是烘箱的关键部分。冷却段主要用于将高温西林瓶冷却到适宜温度以进入下一步灌装工序[2]。灭菌段的结构如下图1 所示[3]，其热风均匀性一直是评价隧道灭菌烘箱的关键指标，热风均匀即说明烘箱热风循环结构设计合理，以实现更好的节能。本文即针对隧道灭菌烘箱的灭菌段热风均匀进行一系列的结构设计模拟，以期做一些有价值的研究。

2 风罩及回风道的模拟

传统的机械设计大多依靠仿制和经验。而Fluent软件具有强大的流体模拟功能，Fluent 软件对于流体的模拟已经很成熟[4]，将其用于烘箱的热风循环模拟，能够完整的模拟预测空气在不同状态及结构下的流速，流向及分布。从而为结构设计提供有力依据，成为隧道烘箱设计的一种有力工具。

图1 灭菌段

数学模型建立：

要模拟热风在不同风罩及回风道结构中的气流分布情况，必须要建立合理的数学模型。其主要数学模型如下：

质量守恒方程：

式中：

符号Su、Sv和Sw是动量守恒方程的广义源项。

选择标准k-ε 模型，与之相对应的输运方程为：

式6 和7 中，Gb表示由于浮力引起的湍动能k 的产生项，YM表示可压湍流中脉动扩张的贡献，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，C1ε、C2ε和C3ε为经验常数，σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε 对应的Prandtl 数，Sk和Sε是用户定义的源项[5]。

湍动耗散率：

湍动粘度：

3 风罩的设计

隧道灭菌烘箱灭菌段的风罩结构是确保热风出风均匀的关键结构，也是烘箱设计时所要考虑的重点[6]。目前普遍使用的是梯形风罩，并且在其下部配有均流板以确保出风均匀。

3.1 现有梯形风罩与均流板的模拟

根据现有风罩的梯形结构，建立模型并通过fluent模拟后得到如图2 所示的速度分布图。在图2 中可以明显的看到中间部位的风速快，受到的冲击力大。这种情况下即使经过高效过滤器后出风比较均匀也是不可取的。因为中部高效过虑器受得冲击力大，必然会导致高效过滤器使用寿命缩短，加大泄露风险，高效过滤器的损坏意味着灭菌失败[7]。

3.2 散流风罩模拟

基于目前梯形风罩与均流板存在中部冲击大的缺陷，设计出了散流板结构式的风罩以期改善出风效果。在风罩内加入一定数目的散流板[8]。并进行模拟，得到的模拟效果如图3 所示。加入散流板后整个出风效果有了明显的改善。中部所受的冲击力明显减小，可以初步认定散流风罩的设计优于之前的结构。

图2 速度分布图

4 回风道的设计

合理的回风道设计不仅能影响西林瓶受热均匀性，同时也能影响回风的及时与合理。所以，回风道的设计对隧道灭菌烘箱的热风循环非常关键。

4.1 大均孔控流板

在网带的下方安装一块大孔均流板以确保及时合理的回风。建立简化二维模型并进行计算模拟得到如图4 所示结果[9]。从图4 中可以明显看到靠近回风侧的大孔处风速大，远离回风侧的风速小，即会出现图5所示的温差趋势，远离回风侧的西林瓶温度低，靠近回风侧的西林瓶温度高，从而出现温度不均匀，存在温差。烘箱的温度分布均匀是设备设计时必须要考虑的重点，温度分布不均匀难以确保药品的生产合格[10]。

4.2 孔径递增控流板

为了优化以上均孔板出现的回风不均匀，尝试采用孔径递增的控流板以期改善回风效果。孔径从回风侧向远离回风侧逐渐增大，建立该模型并进行数值模拟得到如图6 所示结果。远离回风侧仍然存在风速较小区域，从图6 中速度分布可知较图4 而言回风效果已有所改善[11]。

4.3 孔径递增控流板与导流板结合

为了实现更好的回风效果，尝试在孔径递增控流板的基础上添加导流板为此重新建立模型并经过数值模拟得到如图7、图8 所示，分别可见在添加一块导流板及两块导流板时回风道不同的速度分布图[12]。

通过以上模拟效果可知添加一块或两块导流板，并且调节它们之间的位置及距离可获得较为理想的回风效果。并且添加两块导流板的回风在穿过网带时更为均匀，效果更好。

图4 大均孔控流板

图5 温差趋势

图6 孔径递增控流板

图7 一导流板时速度分布

图8 二导流板时速度分布

5 风罩与回风道组合

以上分别模拟了不同风罩及回风道对热风均匀的影响，为了更好的说明问题，在此考虑将二者结合起来以期更加充分的说明设计改进的可行性。

5.1 均流板风罩与均孔控流板回风道

建立均流板风罩与均孔控流板回风道组合1 的模型并进行数值模拟得到图9 所示结果。

由图9 可知均流板风罩与均孔控流板回风道的结构必然会导致风罩出风时中间速度大，冲击力大，势必会影响高效过滤器的使用寿命[13]。与此同时，下部回风道的回风也是偏置的，肯定会出现热风不均匀的现象。所以这种结构不可取。

5.2 均流板风罩与递增孔板回风道

建立均流板风罩与递增孔板回风道组合2 的模型并进行数值模拟得到图10 所示结果[14]。

由图10 可知，对于风罩出风而言，仍然是中部受冲击力太大。回风道改为递增孔板后，回风分布有所改变，大孔处回风量大，风速小。小孔处回风量小，风速大。

5.3 均流板风罩与导流板回风道

建立均流板风罩与导流板回风道组合3 的模型并进行数值模拟得到图11 所示结果。

由图11 可知，均流板风罩在风速过大时在两侧会出现漩涡，这表明此时中部所受冲击力更大。虽然回风道改为导流板设计后回风变得明显均匀，只有合理的回风道设计才能够确保空气的均匀[15]。

5.4 散流板风罩与递增孔板回风道

建立散流板风罩与递增孔板回风道组合4 的模型并进行数值模拟得到图12 所示结果。

图9 组合1 速度分布图

图10 组合2 速度分布图

由图12 可知，在风罩处添加散流板后，出风不均匀的现象得到明显改善，中部所受压力得到缓解。但是回风道处递增孔板的设计并没有显著改善回风效果。大孔出风风速小，小孔出风风速大。

5.5 散流板风罩与导流板回风道

建立散流板风罩与导流板回风道组合5 的模型并进行数值模拟得到图13 所示结果。

由图13 可知散流板风罩能够使上部出风均匀，延长高效过滤器的使用寿命。与此同时，下部导流板回风道设计能够时回风均匀，确保在孔板以上热风分布均匀。综上所述，散流板风罩与导流板回风道的结构是模拟设计中最理想效果。不仅使得上部出风均匀，而且也使得下部回风均匀。合理的速度和压力的分布均匀才能表明结构的设计合理[16]。

图11 组合3 速度分布图

图12 组合4 速度分布图

图13 组合5 速度分布图

6 总结与展望

本文旨在对fluent 模拟软件用于烘箱结构设计做出尝试。通过对目前存在的风罩及回风道结构进行模拟，并在此基础上进行结构改进，得到较理想的改进设计结构。虽然没有实物作为直接证据，但仍不失为一次有意义的尝试。可以预见在不远的将来计算机辅助制药设备结构设计必须成为非常重要的手段。

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