平板式光生物反应器结构设计

龙源期刊网平板式光生物反应器结构设计作者：桑俊宝朱振旗白雪梅李静来源：《科学与财富》2016年第10期摘要：低成本光生物反应器开发是微藻生物柴油制备领域的关键技术之一，利用三维造型软件Pro/e和有限元软件ANSYS对平板式光生物反应器进行结构设计、优化，可以大大缩短开发周期，同时能够更加方便的找出反应器结构的改进方向，提高反应器设计的效率和质量。关键词：微藻；光生物反应器；平板式；ANSYS；结构设计中图分类号：TH114文献标识码：A1引言利用微藻生产生物柴油，产量可超过传统的油料作物30倍以上。利用工业化海藻生产装置，获得大规模生产生物柴油所需要的海藻原料，是各国科学家解决能源替代问题的重要方案。但微藻生产装置-光生物反应器成本一直高居不下，成为制约微藻规模化生产的主要瓶颈之一。本研究根据微藻光生物反应器规模化生产的要求，设计了单元化易放大的平板式反应器主体框架，并利用有限元软件ANSYS对结构体进行了应力应变分析，结合分析结果对反应器主体进行了优化改进，并通过实验验证，最终小批量应用于某示范工程。2光生物反应器结构设计2.1设计原则光生物反应器设计主要遵循原则：1）满足微藻生长的基本需求：反应器内壁透光，内腔贯通性强，内腔尽量光滑无死角。2）满足结构属性要求：可靠性强，强度刚度满足要求；耐候性、抗腐蚀性能良好；3）满足成本属性要求：零部件原材料通用性强，加工工艺简便；结构体单元化，便于规模放大；维护方便。2.2设计方案遵循以上原则，初步设计反应器形式如下：反应器主要由主体框架、内衬膜袋、曝气及采收配套系统组成。其中作为本篇研究对象的主体框架主要由以下几部分组成：支撑立柱、横梁、支撑网片及紧固件。初始方案如图1所示，反应器长X米，高Y米，主体宽度0.05～0.4米。龙源期刊网立柱的有限元分析及对比方案一：矩形钢管，材质Q235，截面尺寸40*20*1.5mm，外表面热镀锌。方案二：矩形钢管，材质Q235，截面尺寸40*20*2mm，外表面热镀锌。方案三：热镀锌冷轧槽形钢，侧面形状为梯形。立柱底部尺寸为50*20*2mm，顶部为尺寸为20*20*2mm。方案一应力应变分析云图如图2、图3所示，立柱最大应变6.755mm，发生在立柱中部；立柱内部应力整体较均匀，下端圆孔处产生应力集中，应力最大值达到1990MPa，其余部分较大应力主要分布在立柱中部和下部，应力值约332.8MPa，大于许用应力值（235MPa）。方案二、三分析工况与方案一相同，其应力应变与方案一对比如表1所示。方案一与方案二均存在立柱上部应力较小，材料应力承受能力未得到充分利用的问题，但二者均为标准型材，在制造成本方面具有成本优势；方案三应力相对过大，此型材属于异型非标类，制造成本相对偏高。综合应力应变分布情况及零件材料用量和加工制作成本因素，选定立柱方案一为基础方案，在此基础上去除立柱下端装配孔并焊接独立的加强连接槽。3.2网片的有限元分析及对比方案一：网片丝径4mm，Q235材质，冷拔处理，表面浸塑，网孔尺寸70.5*70.5mm。方案二：网片丝径4mm，Q235材质，冷拔处理，表面浸塑，网孔尺寸自下而上分为70.5*70.5mm，70.5*100mm，70.5*125mm三种。由于主体框架中网片被立柱均匀分割为7个相同的单元，且每个单元中网片成左右对称结构，因此分析模型采用1/14网片进行仿真分析。有限元应力应变分析云图如图4、图5所示，最大应变发生在网片中部，距底端1/8高度处，约1.73mm，变形较小；最大应力发生在网片端部，距底端3/16高度处，约93.1MPa，远低于许用应力。方案二分析工况与方案一相同，其应力应变与方案一对比如表2所示。综合两种方案，最终两种方案相结合形式，网片下部5/8方孔尺寸70.5*70.5mm，上部3/8方孔尺寸70.5*141mm，丝径4mm。4实验验证按设计形式加工制作完成3组主体框架样品，并整体连接后加装一体贯通式透明膜袋形式如图6所示，注水高度0.95Y米，反应器主体变形情况良好，立柱中下部最大弯曲变形8mm左右。样品水压试验72小时卸载后，立柱和网片变形恢复至初始状态，符合预期要求。最终反应器批量应用于某示范工程项目，场景如图7所示。龙源期刊网结束语光生物反应器是微藻生产的必要载体，其成本因素一直是制约微藻生物柴油产业发展的主要瓶颈之一。借助有限元分析软件ANSYS及三维设计软件Pro/e进行设计分析与优化改进，可以大大缩短反应器开发时间，随着研究手段的不断丰富和研究力度的不断加大，必然会在低成本反应器开发上有所突破，进而加快微藻生物柴油产业化的进程。参考文献[1]刘小澄.刘永平.封闭式光生物反应器工业设计选型思考可再生能源第28卷2010年4月.[2]张姗姗.张琴.生物燃料的工具一光生物反应器发酵科技通讯第40卷第3期2011年7月.[3]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M]北京：机械工业出版社，2003.[4]胡仁喜.王庆五等，ANSYS8.2机械设计高级应用实例[M]北京：机械工业出版社，2005.作者简介：桑俊宝（1981-）：男（汉族），河北廊坊人，西北工业大学硕士毕业，机械工程师。于新奥科技发展有限公司从事光生物反应器及相关生物设备设的研究开发工作。龙源期刊网