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        超低溫制冷系統在凍干機中的應用
          

          凍干機干燥箱和冷阱是需要專門提供制冷的場合,在干燥箱場合,不同物料的凍結溫度需要在-20~-40℃之間,在冷阱場合,冷阱捕集器表面溫度須低于物料凍結溫度20℃以下,所以需要捕集器表面溫度在-40~-60℃之間,由于實際使用溫度和制冷機提供的實際蒸發溫度之間存在傳熱溫差,所以制冷機提供的實際蒸發溫度應比實際使用溫度更低。使用超低溫制冷系統在凍干機應用實踐中普遍得到令人滿意的效果,即節能環保,又縮短干燥時間,又增加了制冷系統運行的穩定性,可實現無人工值守,其優點遠大于普通低溫制冷系統。

          首先在干燥倉場合,由于制冷劑在制冷蒸發器中的蒸發溫度需要通過蒸發器管道壁傳熱給導熱介質,然后通過循環泵將導熱介質導入干燥箱擱板,再通過擱板金屬板層和料盤傳給被冷凍物料,在這一過程中存在著復雜的管道流體摩擦和循環泵葉片摩擦造成的熱損失和流體與管道壁間的傳熱阻力,此外在干燥箱中的真空條件下傳熱比較困難,也是造成傳熱熱溫差較大的原因。一般在5~15之間,所以要求制冷機提供的實際蒸發溫度在-30~-50℃之間。

          在冷阱場合,冷阱是專門用于捕集水蒸氣的低溫裝置,為有效捕集來自干燥箱物料升華出的水蒸氣,冷阱捕集器表面溫度須低于物料凍結溫度,這是因為干燥箱和冷阱間水蒸氣流動需要壓力差作動力,冷阱捕集器表面溫度越低,壓力差越大,水蒸氣流動速度越快。反之,溫度越高甚至接近物料的凍結溫度,水蒸氣流動速度越慢甚至停止。因此冷阱器表面溫度須低于物料凍結溫度15℃以下,需要在-40~-60℃之間。由于實際使用溫度和制冷機提供的實際蒸發溫度之間存在傳熱溫差,除捕集器管道壁及油膜產生的傳熱阻力外,隨著捕集器表面結霜的不斷增厚,霜層傳熱阻力也不斷增大,所以傳熱溫差平均在10℃左右,要求制冷機提供的實際蒸發溫度在-50 ~-70℃之間,尤其是冷阱捕集器表面在結霜過程中后期,實際需要的蒸發溫度應更低。

          總之,作為通用型凍干機,應能適應各種物料的凍干工藝參數要求,具有能將物料凍結到-40℃左右的能力,冷阱應能在-60℃溫度以下長時間正常運轉。

          常用制冷設備多使用單級壓縮制冷循環系統,既一種制冷工質通過在壓縮機循環系統中排出高壓氣體并吸入制冷蒸發后的低壓氣體進行一次循環制冷。常用單一制冷劑冷凝溫度(30℃)和蒸發溫度(-40℃)是在一個大氣壓以上工作的,這是由制冷劑性質決定。如蒸發溫度低于-40℃時,對應吸入蒸發氣體壓力則低于一個大氣壓。蒸發溫度越低,吸入氣體密度、吸氣壓力及吸氣效率越低,制冷量大幅度下降(如制冷工質F22在-25℃時的密度為9Kg/m3,吸氣壓力為0.2Mpa,在-55℃時密度僅為2Kg/m3,吸氣壓力僅為0.05Mpa,制冷量是-25℃時的五分之一)。由于壓縮機吸氣壓力過低,吸入制冷劑不順暢,導致制冷劑攜帶潤滑油的能力下降,經長時間運轉,壓縮機壽命大大降低,導致提前報廢。由于制冷系統處于負壓狀態運行,還伴隨著系統吸入外界空氣等一系列問題。常見的制冷系統壓縮機不回油、冰堵、溫度突然升高、完全靠人工值守和不斷調整維護等現象均系運行溫度過低造成。

          采用雙級壓縮制冷循環系統也是使用同一種制冷工質,并未改變單一制冷劑的性質,不同的是制冷工質在系統中進行二次壓縮循環,強行在-50℃以下蒸發溫度運行。因此雙級壓縮制冷系統無論是采用活塞式或螺桿式壓縮機仍未解決壓縮機吸入氣體密度和吸氣壓力過低,回油困難,制冷量大幅度下降,系統負壓狀態運行等問題。

          采用兩種以上制冷工質運行的制冷循環系統可有效地解決上述問題。兩種以上制冷工質由于各工質的性質不同,工作溫度范圍不同,如R22冷凝溫度和蒸發溫度在30℃~-40℃范圍內,R13(或R23)在-10℃~-80℃范圍內,R14在-60℃~-130℃范圍內,可以組成各自獨立的運行系統,并取各工質氣體密度及吸氣效率最高的工況段運行,如一級壓縮循環蒸發溫度-15℃左右,吸氣壓力0.29Mpa,二級壓縮循環蒸發溫度-65℃左右,吸氣壓力為0.22Mpa,三級壓縮循環蒸發溫度-115℃左右,吸氣壓力為0.25Mpa,各系統吸氣壓力均在一個大氣壓(0.1Mpa)以上,從根本上避免了壓縮機因吸氣壓力過低而導致的回油困難、吸入氣體密度和運行效率過低、制冷量低下、溫度突然升高、負壓狀態運行、系統吸入空氣等諸多問題的產生。用較小功率的壓縮機就能滿足制冷量要求,能源利用率大大提高。由于壓縮機在正常工況下運行,回油正常,所以無需靠人工值守,經常維護和調整,更有利于延長壓縮機的使用壽命。

          由此可以得出結論,凍干機制冷系統在蒸發溫度-55℃以下使用時,多工質壓縮制冷循環系統較單一工質制冷循環系統無論是單級或是雙級壓縮制冷循環系統有明顯優勢。強行采用單一制冷工質在-55℃以下蒸發溫度運行要以增加能源消耗、人力成本和縮短壓縮機使用壽命為代價。

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