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冻干机中制冷系统节能解决办法

   冻干机干燥箱和冷阱是需要专门提供制冷的场合,在干燥箱场合,不同物料的冻结温度需要在-20~-40℃之间,在冷阱场合,冷阱捕集器表面温度须低于物料冻结温度20℃以下,所以需要使用温度范围在-40~-60℃之间,由于实际使用温度和制冷机提供的实际蒸发温度之间存在传热温差,所以制冷机提供的实际蒸发温度应比实际使用温度更低。

   在干燥箱场合,由于制冷剂在制冷蒸发器中的蒸发温度需要通过蒸发器管道壁传热给导热介质,然后通过循环泵将导热介质导入干燥箱搁板,再通过搁板金属板层和料盘传给被冷冻物料,在这一过程中存在着复杂的管道流体摩擦和循环泵叶片摩擦造成的热损失和流体与管道壁间的传热阻力,此外在干燥箱中的真空条件下传热比较困难,也是造成传热热温差较大的原因。一般在5~15之间,所以要求制冷机提供的实际蒸发温度在-30~-50℃之间。

   在冷阱场合,冷阱是专门用于捕集水蒸气的低温装置,为有效捕集来自干燥箱物料升华出的水蒸气,冷阱捕集器表面温度须低于物料冻结温度20℃以下。这是因为干燥箱和冷阱间水蒸气流动需要压力差作动力,冷阱捕集器表面温度越低压力差越大,温度过高甚至接近物料的冻结温度,水蒸气流动缓慢甚至停止,但温度过低(-70℃以下)压力差变化不大反而造成浪费,因此温度应控制在一定范围内。另外,除制冷剂在捕集器中蒸发受管道壁传热阻力影响外,随着冷阱捕集器表面结霜的进程,不断增厚的结霜层将增加传热阻力,导致捕集器结霜表面温度升高,水蒸气流动压力差减小,至干燥中后期,干燥速度逐渐降低。因此,要维持水蒸气流动一定的压力差,就需要捕集器有更低的蒸发温度以克服结霜层增厚带来的传热阻力影响。一般物料需要冻结温度在-20 ~-40℃之间,冷阱捕集器表面温度应在-40 ~-60℃之间,要求制冷机提供的实际蒸发温度在-50 ~-70℃之间,尤其是冷阱捕集器表面结霜过程中后期,实际需要的蒸发温度应更低。

   总之,作为通用型冻干机,应能适应各种物料的冻干工艺参数要求,具有能将物料冻结到-40℃左右的能力,冷阱应能在-50℃温度以下长时间正常运转。

   常用制冷设备多使用单级压缩制冷循环系统,既一种制冷工质通过在压缩机循环系统中排出高压气体并吸入制冷蒸发后的低压气体进行一次压缩循环制冷,使用温度在0~-35℃,蒸发温度-5~-40℃。过低蒸发温度(如-41℃以下)会使低压气体压力过低(0.1Mpa以下,低于一个大气压),制冷系统压缩比(排气压力和吸气压力之比)过大,导致压缩机吸入气体困难,排气温度过高,制冷量大幅度下降,蒸发温度迅速上升。若一定维持-40℃以下蒸发温度则须以加大压缩机和能源消耗为代价。冻干机制冷系统多采用双级压缩或复叠压缩制冷循环系统。双级压缩制冷系统是使用同一种制冷工质在压缩机循环系统中进行二次压缩循环制冷,使用温度在-35~-45℃,蒸发温度-45~-55℃。在较低的蒸发温度和吸气压力工况下,制冷工质须经两次吸排气压缩后才可实现低温低压蒸发制冷。双级压缩制冷系统的缺点是,蒸发温度和压力越低,制冷工质的气体密度越小(如制冷工质F22在-25℃时的密度为9Kg/m3,压力为0.2Mpa,在-55℃时密度仅为2.4Kg/m3,压力为0.05Mpa,F717数据与此接近),通常压缩机的吸排气量不会改变,低密度气体的吸排气循环使压缩机制冷量成倍降低,如需维持蒸发温度为-25℃时同样的制冷量需要,在蒸发温度为-55℃时压缩机容积即吸排气量须加大近4倍,同时压缩机功率也需成倍增加。在效率方面,压缩机吸气阀本身具有一定弹性,如吸入气体压力过低,将难以克服吸气阀弹性进入压缩机,效率大大降,不足50%,导致压缩机功率的浪费。此外压缩机吸气压力长时间在低于一个大气压(0.1Mpa)条件下运行存在吸入空气的危险,造成制冷系统带空气循环,更加耗费压缩机功率,也不利于设备长期安全运行。

   用复叠压缩制冷循环系统取代双级压缩制冷系统比较有效的解决了上述问题,也是通行的办法。复叠压缩制冷循环系统是使用两种制冷工质在两套相互独立的压缩循环系统中运行,一级压缩循环蒸发温度-25℃左右,使用制冷工质F22或R717,用于辅助二级压缩循环制冷;二级压缩循环蒸发温度-65℃左右,使用制冷工质F13(气体密度为14Kg/m3,压力为0.2Mpa),用于干燥箱和冷阱制冷,这样两套压缩循环系统的蒸发压力均在一个大气压以上,制冷工质的气体密度远大于双级压缩,气体质量流量较大,因此用较小的压缩机容积就能满足制冷量要求,压缩机功率也相应减小。在效率上,较高的吸气压力使吸气效率大大提高,可达90%以上,有利于发挥压缩机的功率。此外压缩机吸气压力在高于一个大气压条件下使用不存在吸入空气的危险。复叠压缩制冷循环系统吸排气压力适中,有利于设备长期安全运行。

    由上述得出结论,冻干机冷阱的使用温度在-50℃以下,制冷蒸发温度在-60℃以下时,单级制冷循环系统难以实现,使用双级制冷循环系统存在效率低,能源利用率低,有吸入空气的风险等问题,复叠压缩制冷循环系统在此种工况下有明显优势。