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冻干机制冷系统效率与节能问题浅析
发布时间:2017-06-09 点击次数:2563

  冻干机的干燥箱和冷阱是需要专门提供制冷的组件,尤其是冷阱在升华过程中时需要的使用温度在-50℃以下,所以要求冷源蒸发温度更低在-60℃以下。

 

  在冻干机干燥箱中,根据不同物料的情况,一般需要冻结到-25~-45℃以下,要求搁板温度能达到-30~-50℃以下,冷源蒸发温度则需要在-35~-55℃以下。就是说冷源蒸发温度和实际使用所能达到的温度有10℃左右温差。这是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,也是造成较大的传热热温差原因。

 

  冷阱是专门用于捕集水蒸气的低温装置,由于不同物料的冻结温度在-25~-45℃以下,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在-45~-65℃以下,冷源蒸发温度则需要在-50~-70℃以下。就是说冷阱冷源蒸发温度和物料的冻结温度须有30℃以下的温差。其原因一,干燥箱和冷阱间水蒸气流动需要压力差作动力,压力差是来自两者间的温度差,温度差越大压力差越大,水蒸气流动也越快,干燥箱和冷阱间间的温度差宜在20℃左右,过大将受到技术和造价方面的限制。过小水蒸气流动缓慢将影响干燥速度。第二,随着冷阱捕集器表面结霜不断增厚,传热阻力增加,大约在5~10℃以上,捕集器结霜表面温度不断升高,水蒸气流动压力差减小,至干燥中后期,干燥速度大大降低。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带来的传热阻力。

 

  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。冻干机冷阱如采用单级压缩制冷循环系统,干燥时间将较长并增加能源消耗,干燥质量难以保证。

 

  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~-50℃,蒸发温度-40~-55℃。在较低的蒸发温度和吸气压力工况下,制冷工质经一次压缩排气后须再经一次压缩排气才可达到冷凝压力,实现蒸发制冷。这样两次压缩的压缩比均在允许范围内。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,气体质量也越小(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),通常压缩机的吸排气量不会改变,如满足一定的制冷量要求,必须有足够的气体质量流量,因此须成倍加大压缩机的容积才能满足制冷量要求,同时压缩机功率也需相应增加。在效率方面,压缩机吸气阀本身具有一定弹性,气体需克服吸气阀弹性进入压缩机,如气体压力过低,吸气效率大大降低,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条件下使用存在吸入空气的危险,不利于设备长期安全运行。

 

  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机循环系统中运行,一级压缩循环蒸发温度-25℃左右,使用制冷工质F22,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0.23Mpa),用于干燥箱和冷阱制冷,这样两套压缩循环系统的压缩比均在*范围内。复叠压缩制冷循环系统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技术难度稍大。

 

  由上述得出结论,冻干机冷阱的使用温度在-55℃以下,制冷蒸发温度在-65℃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,能源利用率低的问题,复叠压缩制冷循环系统在此种工况下有一定节能优势。

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