作品名稱：熱循環電熱燉藥爐
學校名稱：北京理工大學珠海學院
參賽隊伍：沸沸
參賽學生：黃俊生 李姝儀 黎曉東
指導老師：尹沾松 曾亮華
本產品設計起源于某知名藥廠委托我方設計一款巨型、高效加熱的藥液燉爐，因目前市面上缺乏一款用于制藥用噸級的加熱設備和隔水燉設備，無法滿足大批量的生產需求，同時傳統的加熱設備所需要的加熱時間長、分批制作、多部操作等因素導致生產效率低下，不符合制藥廠高效生產的原則，而且目前市面上70%以上巨型加熱設備上仍使用燃料，不符合環保零排放的綠色理念；故我方在符合安全設計的前提下植入高效生產、精益生產的理念為委托方設計一款提高生產效率、降低人力成本和能耗的環保巨型電熱燉藥爐。
一、設計需求：
1、 尺寸：該藥廠生產車間對該設備最大可容納尺寸為：3m*3m*4m（長*寬*高）
2、 制藥量：單次制藥量不少于2000L，
3、 制藥品類：單次可同時生產多類藥品（>4類）；
4、 藥品及制藥要求： 藥品為液態非濃稠，流動性：正常；
制藥溫差<5℃；
最高溫度<100℃；
生產后有余料，固液分離（無需濾凈）；
5、 加熱需求：冷加熱<1小時，設備休眠前持續使用，外殼需要隔熱（<100℃），避免外環境過熱而導致生產車間室內溫度過高；
二、需求剖析：
1、 溫差：傳統的加熱設備是在底部或容器壁上通過電阻加熱-熱傳導或者渦流加熱這兩種方式對水進行加熱。通過溫度場的有限元分析發現，垂直水溫最高的地方在水的底部，越往上溫度越低；水平水溫最高的地方在水的中心，越往外溫度越低。雖然現在較科學的設計在容器壁增加了加熱單元而致使水平溫差降低，但當水平直徑直徑會導致效果變差，而且垂直溫差還是無法降低，在大體積的加熱需求時傳統的加熱方式遠遠無法滿足委托方的需求。
2、 制藥量：傳統的方式采用多個燉藥罐進行燉藥，一方面為了解決溫差，另一方面解決加熱速度的問題，但卻因為數量多導致操作復雜、效率低下，而且浪費相比于一次性制藥多，所以我們更偏向于在解決溫差和加熱速度的前提下進行一次性燉藥，而且采用多燉藥容器實現單次多品類制藥。
3、 固液分離：傳統的采用多個燉藥罐的方法不易做到固液分離，若采用戶后期過濾的方式則會降低生產效率，雖然可以將原料放置在一個濾包中，但會提高前期成本，因為我們需要設計成一款在不增加工序的前提下降低人工成本和操作難度的燉藥罐。
4、 隔熱：傳統的隔熱方式在設備外殼和熱源間進行真空處理或者添加隔熱材料，無論前者還是后者都增加了生產成本和后期維護保養的難度，前者更是對生產加工精度要求較高，所以應針對于實際使用要求實際、滿足即可的隔熱設計。
三、創新結構設計
1. 大容量：傳統的隔水燉蠱內膽容量約3L，遠遠不能大型藥廠的需求量。采用多個燉蠱的方式不僅操作復雜，增加人工的負擔，而且效率十分低下。也正是這個問題一直制約著該藥廠的發展規模。我們設計的熱循環隔水燉爐可以放置6個大容量內膽，每個內膽為容量約300L。總容量約1800L，是傳統燉蠱的600倍。6個內膽可以同時燉不同種類的藥。
2. 加熱結構：該燉爐的外膽按2/3的高度（一般隔水燉水線為2/3）計算，容積約5000L。對于這樣大體積燉爐的加熱需求，我們采用底部加容器壁同時加熱，加熱方式選用熱效率更高的電磁加熱。（圖示紅色部分為加熱區域）
3. 水循環結構：采用底部加容器壁同時加熱雖然可以保證加熱速度，但由于體積巨大，仍存在加熱不均勻而導致的溫差問題，為了解決溫差問題并進一步加快加熱速度和效率。我們設計了水循環結構。
圖中藍色部分環形管道和中空圓形管道表面上有密集排列的小孔，中空管上的抽水泵把水從環形管道和中空管的小孔吸到中空外殼內部，在外殼里進行加熱后從下面噴嘴噴出。以此達到一個水循環流動的效果，從而保證水的溫差≤3℃，同時加快加熱速度和效率。
另外水在外殼內部循環也可以起到一個隔熱效果，防止熱量的散失，熱效率下降和車間的溫度上升。同時我們在會在此外殼外部加裝一個真空隔熱層，達到雙重隔熱的效果。
4. 抽水泵結構：抽水泵結構根據市面上現有的抽水泵形狀設計，直接從市面上選購抽水泵安裝即可。抽水泵結構外部通過硬質水管與外殼固定，內部設有三個方向的彈簧以減少抽水泵產生的震動。
5. 固液分離結構:每個內膽的容量是300L，加上內膽本身重量接近400KG，這么重的藥罐要用人工取出是不可能的，用機器取出則需要另外的成本。
對此，我們設計了固液分離結構，燉藥內膽底部設有可開關出液口，燉好的藥液體部分從底部流出，固體部分則用類似茶杯里的網狀結構從上面提出即可。在方便藥品取出的同時也省去了后期固液分離的工序，大大地減少了人工的成本。
四、對比優勢
1. 大批量生產：該藥廠目前使用的多個燉藥蠱同時燉藥的生產方式，效率十分低，操作繁瑣，需要的人工成本十分高，并且燉藥的量十分有限，一直制約著該藥廠的規模發展。我們設計的熱循環隔水燉藥爐，一次的燉藥量相當于600個傳統燉藥蠱，適合大批量藥品生產，契合該藥廠迫切需要進行的規模升級。
2. 降低人力成本：使用多個燉藥蠱燉藥，要把原料按比例分成多份，一個個燉藥蠱分開放料，加熱，觀察，取料，分離等操作，需要大量的人工成本。而大批量的統一生產可以省去許多的人工操作，甚至是實現自動化生產。另外固液分離結構也省去了一部分人工取料和后期固液分離的步驟。
3. 加熱方式：傳統的燉爐或者是大型加熱器具，都是采用電阻式加熱方式甚至是使用燃料，我們采用的目前已經很成熟的高頻電磁加熱技術相比于電阻式有著幾大優點：
① 壽命長：電磁加熱因線圈本身基本不會產生熱量，壽命長，無需檢修，無維護更換成本；加熱部分采用環形電纜結構，電纜本身不會產生熱量，并可承受500℃以上高溫，使用壽命高達10年。不需維護，后期基本無維護費用。
② 安全可靠：料筒外壁經高頻電磁作用發熱，熱量利用充分，基本無散失。熱量聚集于加熱體內部，電磁線圈表面溫度略高于室溫，可以安全觸摸，無需高溫防護，安全可靠。
③ 高效節能：采用內熱加熱方式，加熱體內部分子直接感應磁能而生熱，熱啟動非常快，平均預熱時間比電阻圈加熱方式縮短60%以上，同時熱效率高達90%以上，在同等條件下，比電阻圈加熱節電30—70%，大大提高了生產效率，降低了電費成本。
④ 準確控溫線：圈本身不發熱，熱阻滯小、熱慣性低，料筒內外壁溫度一致，溫度控制實時準確，明顯改善藥品質量，生產效率高。
⑤ 改善工作環境等優點：經過電磁加熱設備改造的注塑機，其采用的內熱方式，熱量聚集于加熱體內部，外部熱量耗散幾乎沒有。設備表面溫度可改善至人體可觸摸，環境溫度從原來電阻圈加熱時的100℃以上降低至常溫，大大改善了生產現場的工作環境，有力提高生產工人積極性，降低夏季廠區通風降溫費用。本著“以人為本”的理念，給工廠和一線生產人員創造一個環保、安全、舒適的生產環境。
