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超低温制冷系统在冻干机中的应用
  

  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,所以需要捕集器表面温度在-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。使用超低温制冷系统在冻干机应用实践中普遍得到令人满意的效果,即节能环保,又缩短干燥时间,又增加了制冷系统运行的稳定性,可实现无人工值守,其优点远大于普通低温制冷系统。

  首先在干燥仓场合,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,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,水蒸气流动速度越快。反之,温度越高甚至接近物料的冻结温度,水蒸气流动速度越慢甚至停止。因此冷阱器表面温度须低于物料冻结温度15℃以下,需要在-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,除捕集器管道壁及油膜产生的传热阻力外,随着捕集器表面结霜的不断增厚,霜层传热阻力也不断增大,所以传热温差平均在10℃左右,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在结霜过程中后期,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-60℃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循环制冷。常用单一制冷剂冷凝温度(30℃)和蒸发温度(-40℃)是在一个大气压以上工作的,这是由制冷剂性质决定。如蒸发温度低于-40℃时,对应吸入蒸发气体压力则低于一个大气压。蒸发温度越低,吸入气体密度、吸气压力及吸气效率越低,制冷量大幅度下降(如制冷工质F22在-25℃时的密度为9Kg/m3,吸气压力为0.2Mpa,在-55℃时密度仅为2Kg/m3,吸气压力仅为0.05Mpa,制冷量是-25℃时的五分之一)。由于压缩机吸气压力过低,吸入制冷剂不顺畅,导致制冷剂携带润滑油的能力下降,经长时间运转,压缩机寿命大大降低,导致提前报废。由于制冷系统处于负压状态运行,还伴随着系统吸入外界空气等一系列问题。常见的制冷系统压缩机不回油、冰堵、温度突然升高、完全靠人工值守和不断调整维护等现象均系运行温度过低造成。

  采用双级压缩制冷循环系统也是使用同一种制冷工质,并未改变单一制冷剂的性质,不同的是制冷工质在系统中进行二次压缩循环,强行在-50℃以下蒸发温度运行。因此双级压缩制冷系统无论是采用活塞式或螺杆式压缩机仍未解决压缩机吸入气体密度和吸气压力过低,回油困难,制冷量大幅度下降,系统负压状态运行等问题。

  采用两种以上制冷工质运行的制冷循环系统可有效地解决上述问题。两种以上制冷工质由于各工质的性质不同,工作温度范围不同,如R22冷凝温度和蒸发温度在30℃~-40℃范围内,R13(或R23)在-10℃~-80℃范围内,R14在-60℃~-130℃范围内,可以组成各自独立的运行系统,并取各工质气体密度及吸气效率最高的工况段运行,如一级压缩循环蒸发温度-15℃左右,吸气压力0.29Mpa,二级压缩循环蒸发温度-65℃左右,吸气压力为0.22Mpa,三级压缩循环蒸发温度-115℃左右,吸气压力为0.25Mpa,各系统吸气压力均在一个大气压(0.1Mpa)以上,从根本上避免了压缩机因吸气压力过低而导致的回油困难、吸入气体密度和运行效率过低、制冷量低下、温度突然升高、负压状态运行、系统吸入空气等诸多问题的产生。用较小功率的压缩机就能满足制冷量要求,能源利用率大大提高。由于压缩机在正常工况下运行,回油正常,所以无需靠人工值守,经常维护和调整,更有利于延长压缩机的使用寿命。

  由此可以得出结论,冻干机制冷系统在蒸发温度-55℃以下使用时,多工质压缩制冷循环系统较单一工质制冷循环系统无论是单级或是双级压缩制冷循环系统有明显优势。强行采用单一制冷工质在-55℃以下蒸发温度运行要以增加能源消耗、人力成本和缩短压缩机使用寿命为代价。