吸附式流化床冷冻干燥装置制冷系

  真空冷冻干燥技术具有许多独特的优点,应用于食品、医疗、医药和材料等行业中,但因其设备精密、复杂和能耗高等缺点,使得推广应用受到极大限制。研究[1 ] 发现流化床冷冻干燥技术具有简单、节能等特点,而且冻干产品品质与真空冷冻干燥接近。
    物料进行冷冻干燥必需的基本条件是使干燥器中的水蒸气压力始终保持低于水的三相点压力,在真空冷冻干燥中,这一条件是借助真空泵的抽吸作用, 降低物料周围介质的总压力实现的。在吸附式流化床中, 吸附剂起着传热介质、水汽吸收载体以及热源等多重作用,可直接由吸附剂吸收介质中的水蒸气来降低蒸汽分压力, 而不需降低总压力, 所以不需要真空设备[1 ,2 ] 。同时因不需用“冷阱”来捕捉水蒸气, 制冷设备的蒸发温度也可提高,只要保证在干燥过程中不超过物料的玻璃化转变温度即可[3 ] ,这些都有利于降低电耗。流化床冷冻干燥制冷系统可使流化床处于较低的温度下,以保证物料升华冷冻干燥,同时可通过调节冷量,使流化床在不同温度下进行工作。
    本文分析了用于流化床冷冻干燥装置上的空气制冷循环,提出了一种复叠式制冷系统,并对系统的性能进行了分析,得出了适合于流化床冷冻干燥的工况。
1 　基本循环
    基本循环如图1 所示,其中粗箭头表示空气循环的方向。具体流程是:常温常压空气经压气机1压缩,通过冷却器2 冷却至环境温度,在膨胀机3中进行绝热膨胀,压力下降,且温度下降到低温工况,低温空气进入吸附式流化床4 ,为吸附式流化
床冷冻干燥过程提供冷量。经过流化床后,空气进入热交换器5 ,回收冷量后,空气再进入压气机1 。

细箭头表示制冷剂循环的方向,该循环为一个附属的制冷系统:膨胀机3 的回收功,可以作为附属制冷系统压缩机1f 的输入功,在热交换器5 中,从流化床流出的冷空气对附属制冷系统的高温高压的制冷剂进行冷却;2f 为一节流阀;该附属制冷系统的蒸发盘管直接缠绕在流化床的壁层上(其外包上保温层) 。
    物料的质量通过电子天平A 进行秤量,冷却夹套B 由蒸发盘管和保温层构成,C 为温度探头,可以对物料以及流化床的温度进行测控,D 为布风板,E 为吸附剂。吸附剂在流化床中,在低温、常压的条件下吸收水分,使得物料干燥。在这个过程中
吸附剂放出了热量,同时,吸附剂需要有一个脱附的过程[2 ] 。

整个循环的特点:
    1) 直接制得用于流化床的冷风,无需用冷媒二次换热;
    2) 用附属制冷系统供冷,通过夹套来控制整个流化床的温度,达到保持低温环境的目的;
    3) 用于流化床的空气,可以通过适当的控制措施,变工况流动。
2 　系统性能计算分析
    在进行模拟计算时,作了如下4 点假设:
    1) 空气制冷系统的制冷工质为空气,且空气视为理想气体,质量流量为1 kg/ s ,初始温度为30 ℃,初始压力为100 kPa ;
    2) 附属制冷系统的低压为200 kPa ,压比为5 ,压缩机进口工质为饱和气体;
    3) 压缩过程近似等熵,膨胀过程近似等熵,且膨胀机的输出功W3 等于附属制冷系统压缩机的输入功W1f ;
    4) 不计管路及换热器中的压力损失,即在换热器中流体等压换热。
    COP 表征系统的能耗高低, 而膨胀机出口的空气比体积v 的大小,直接影响系统的尺寸。

COP —系统总的性能系数;Qa —空气制冷系统的制冷量,kW;Qb —附属制冷系统的制冷量,kW;
W1 —压气机1 的耗功,kW。由W1f = W3 ,可以推得:

W1f —压缩机1f 的耗功,kW;W3 —膨胀机3 的膨胀功,kW;mf —附属制冷系统的制冷剂流量,kg/ s ;
Δh —压缩机1f 出口与进口的比焓差,kJ/ kg。而常压流化床, P4 = 100 kPa。
2. 1 　空气制冷系统压比对系统性能的影响
    空气制冷系统的空气,进入热交换器5 的温度为- 20 ℃。附属制冷系统使用R22 作为制冷工质。

  随着压比的变大,整个系统的制冷系数COP 变小, 刚开始压比为2～10 时,变化急剧, 后面变化趋缓。COP 变小影响系统的经济性。但是,随着压比的变大,膨胀机出口的空气比体积也减小, 这将有利于减小设备尺寸。但是,如果压比过大,高压过高,必然对设备承压能力提出了更高的要求, 也增加了系统设备的初投资。因而,当取一个中间值压比为10 作为空气制冷系统的压比时,适合于流化床冷冻干燥系统。
2. 2 　流化床出口温度t4 对系统性能的影响
    根据2. 1 ,取空气制冷系统的压比为10 。附属制冷系统工质为R22 ,由式(3) ,可以计算得到mf= 3. 63 kg/ s。
　 流化床出口温度越低, COP的值越低。但是,变化的幅度不大,在流化床冷冻干燥过程中,得保证流化床内温度不高于物料的玻璃化转变温度,比如,甘露醇的玻璃化转变温度在- 27 ℃[3 ,5 ] ,我们取- 30 ℃,因此设定流化床的出口温度为- 30 ℃。
2. 3 　附属制冷系统不同制冷剂的选取对系统性能的影响
    根据2. 1 ,取空气制冷系统的压比为10 ,根据2. 2 ,取流化床出口温度为- 30 ℃。附属制冷系统采用不同制冷剂。

  在附属制冷系统4 种工质中,采用氨作为工质的系统制冷量Q ( Qa + Qb) 以及COP 最大,而R12 是一个低谷,系统制冷量以及COP 最小。因而在研究附属制冷系统时应考虑制冷剂的影响。但同时可以看出,制冷剂对系统制冷量Q 的影响不是很大。
3 　结　语
    从上述分析可以得出以下结论:
    1) 随着压比的变大, 整个系统的制冷系数COP 变小,在压比为2～10 时, 变化急剧; 压比变大,膨胀机出口比体积将减小, 这有利于减小设备尺寸,但是,如果压比过大,高压过高,对设备承压能力提出了更高的要求, 因而本文建议取压比为10 作为空气制冷系统的压比。
    　2) 流化床出口温度越低, COP 的值越低,但是,变化的幅度不大。在空气制冷循环流化床冷冻干燥过程中,为保证流化床内温度不高于物料的玻璃化转变温度,建议流化床的出口温度取- 30 ℃为宜。
    3) 在附属制冷系统4 种工质中,氨的制冷量以及COP 最大,而R12 的制冷量以及COP 最小。因而,附属制冷系统应该考虑制冷剂的影响。