大型冻干设备水汽凝结器供液方式的比较.doc

大型冻干设备水汽凝结器供液方式的比较张耀平上海市真空学会冻干燥与保鲜专委会 【摘 要】 大型药用冷冻干燥设备中水汽凝结器供液方式及特点进行了阐述。【关键词】 水汽凝结器、直膨式、载冷剂循环、液泵循环。一、 概述 水汽凝结器(或称冷凝器、冷阱等)是冷冻干燥设备中不可替代的部件，其安装在干燥箱和真空泵之间，依靠干燥箱和水汽凝结器之间的饱和蒸汽温度差所对应的饱和蒸汽压差作为推动力，来完成干燥箱冻结制品内部升华水蒸汽的迁移过程。在干燥期间，水汽凝结器表面温度至少比干燥箱板层温度低10。升华水蒸汽的凝结过程实质上是水蒸汽放出冷凝热（670kcal/kg）的过程。因此，水汽凝结器又可称为低温冷凝真空泵。水汽凝结器性能、或者效率决定冻干周期的长短和单位产品成本。二、 直接膨胀式系统对于大型冻干设备（3040m2以上）的水汽凝结器目前所见到的大多选用氟利昂制冷剂直接膨胀供液方式，即利用制冷系统中高压部份的压力大于蒸发压力，使制冷剂液体通过自动节流膨胀后，直接进入蒸发器供液制冷。图a为直接膨胀系统图a 直接膨胀式系统凝结器系统特点：系统设计简化、维护比较方便。直接膨胀阀法氟利昂蒸发效率高，无负荷时降温速率快。一次干燥期间其应对水蒸汽负荷能力较差见图b，即压缩机系统膨胀阀供液量迟后于冻结制品所产生的水蒸汽负荷。要么加大制冷机的容量。过分加大又使系统压缩机处于轻负荷或零负荷时产生不必要的能量损耗。图b 直膨式制冷系统负载运行曲线二次干燥期间来自干燥箱的冻结制品升华水蒸汽负荷慢慢地减少、直至最后压缩机处于零负荷状态。如果系统回气管路、且近压缩机吸气端未安装气液分离器或气液分离器设计容积富裕量不足，水汽凝结器内未蒸发的6570低温氟利昂液体（汽液混合物）较容易进入压缩机形成湿压缩而造成液击敲缸现象。如果系统配有多套压缩机系统，可停止其中一台或以上压缩机工作，但由于冷凝器的温度回升导致其对应的饱和蒸汽压升高，致使冻干系统（干燥箱内）的真空度有一定的波动，反而不利于干燥制品内的残余水份的快速逸出。二次干燥未期，由于系统回汽量的减少，水汽凝结器冷凝管内的由多次油循环累计的润滑油在低温状态下粘度增加，使润滑油回流困难。又Pk/Po压缩比增大，压缩机排气温度升高（排气阀片处温度约110120），压缩机内润滑油容易变性甚至碳化，造成压缩机曲轴箱内部油路堵塞，曲轴与活塞连杆轴承咬住、及中压支管回汽量的减少而引发压缩机电机发热甚至烧损。由于蒸发管内处于汽液两相状态，管内流阻增大，同一回路的进、出口处温度差较大（10以上）。因此，蒸发管长度方向冷凝水蒸汽的能力并不一致，造成水汽凝结器内冰霜不均匀可能性增大。这种直接膨胀式供冷方式适用于冻干系统水汽负荷变动不大的场合，如中、小型药用小瓶冻干。对于盘装液体如化学品、中间体、保健品等冻干，由于：冻结原料升华面积等同于搁板面积，一次干燥期间水蒸汽升华速率比小瓶冻干快得多，即最大升华量达1.7kg/m2h；单位时间产量高。所以直接膨胀式供液方式已不太适应盘装液体冻干的要求。三、 载冷剂循环系统在设计开发40m2冻干机时，大部分结构参照现有的药用冻干设计方案，制品的升华热来源于热传导和对流换热。对水汽凝结器的供液方式设计成载冷剂泵压循环系统。即水汽凝结器的制冷采用低粘度的导冷液而不是氟利昂制冷剂，导冷液的降温由水汽凝结器外的冷交换器（或称干式蒸发器、板式换热器），并经氟利昂直接膨胀冷却，然后用低温循环泵将导冷液送入水汽凝结器内。图c为载冷剂泵压循环系统。图C 液泵供液系统凝结器系统的特性如下：水汽凝结器内蒸发管进出口温度1.5，导冷液充满冷凝管内表面，冷凝管外表面温度均匀性使冰霜基本一致，水汽凝结器冷凝面积100%有效。载冷剂的热容量c.m为直接膨胀式的3倍以上，能适应一次干燥期水蒸汽负荷的急聚变动（见图d）。二次干燥期间，由于来自干燥箱内产生的水蒸汽负荷的慢慢地减少，可以按需开或停其中任何一台压缩机，而不影响冻干系统（干燥箱内）的真空度。压缩机不会在极限工况高压缩比以外运行，可借助于干燥箱的热源来缓解、或停止其中一台压缩机，但冷凝器冷凝面积不变。即使供电系统发生突然停电或压缩机故障，只要冷凝器冰表面温度所对应饱和蒸汽压是制品升华温度所对应的饱和蒸汽压的1/2以下，冻干系统的维持时间可达到20min以上。即耐停电性能比直接膨胀式供液方式来得佳。制冷系统比直膨式稍为复杂些。由于增加了一台循环泵，消耗了少量的制冷量，但并不影响冻干系统工作。可采用干燥箱的热源（导热液）进行水汽凝结器的融霜。图d液泵或载冷剂负载运行曲线四、 氟/氨泵循环系统对于固体小颗粒类冻干如大葱、水果、蔬菜等，和保健品、化学中间体、汤料、茶晶等，采用热辐射+对流换热方式即小车一次插入式全部托盘、且位于上下二个搁板之间。由于：固体小颗粒冻干升华面积大于搁板面积的34倍以上。一次干燥期间，搁板温度100120持续8h以上（此时制品仍在低温状态下），特别是初期23h内，水分的升华率达到未冻干时物料含水量的5060% 即最大升华量可达2.5kg/m2h；每批物料冻干时间为1015h。所以同样直膨式供液方式也不适应食品冻干的要求。图e 氟/氨泵供液系统凝结器在设计开发50m2冻干时，选择了氨泵供液循环系统。即借助于液体输送泵的机械力，完成向蒸发器输送低温制冷剂液体的制冷系统。图e为液泵供液系统。针对一次、二次干燥期间水蒸汽负荷曲线制订相应的自动能量调节装置，压缩机能耗随负荷变动而对应。系统的特性：水汽凝结器采用下进上出供液方式，即蒸发管内含有5060%的制冷剂且敷于管内壁上，水汽凝结器面积100%有效，表面结霜基本一致。热交换率高，制冷剂循环量为直接膨胀式的56倍。能适应一次干燥初期的冻结制品急聚升华的水蒸汽负荷的变化（见图d）。冻干结束后利用压缩机高压高温蒸汽对水汽凝结器进行除霜。由于采用氨泵强制液体循环使水汽凝结器冷凝管内的压缩机润滑油的回油问题得到解决。制冷系统比载冷（热）循环泵的系统要复杂得多，需要专业技术人员管理和操作。多套压缩机系统的初期投资费用较大，但设备的运行费用较低。如系统处于二次干燥期间根据负荷大小可自动不断地减少压缩机运行台数。五、 结束语实践证