真空冷凍干燥技術(shù)具有許多*的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于食品、醫(yī)療、醫(yī)藥和材料等行業(yè)中,但因其設(shè)備精密、復(fù)雜和能耗高等缺點(diǎn),使得推廣應(yīng)用受到極大限制。研究[1 ] 發(fā)現(xiàn)流化床冷凍干燥技術(shù)具有簡單、節(jié)能等特點(diǎn),而且凍干產(chǎn)品品質(zhì)與真空冷凍干燥接近。
    物料進(jìn)行冷凍干燥必需的基本條件是使干燥器中的水蒸氣壓力始終保持低于水的三相點(diǎn)壓力,在真空冷凍干燥中,這一條件是借助真空泵的抽吸作用, 降低物料周圍介質(zhì)的總壓力實(shí)現(xiàn)的。在吸附式流化床中, 吸附劑起著傳熱介質(zhì)、水汽吸收載體以及熱源等多重作用,可直接由吸附劑吸收介質(zhì)中的水蒸氣來降低蒸汽分壓力, 而不需降低總壓力, 所以不需要真空設(shè)備[1 ,2 ] 。同時因不需用“冷阱"來捕捉水蒸氣, 制冷設(shè)備的蒸發(fā)溫度也可提高,只要保證在干燥過程中不超過物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度即可[3 ] ,這些都有利于降低電耗。流化床冷凍干燥制冷系統(tǒng)可使流化床處于較低的溫度下,以保證物料升華冷凍干燥,同時可通過調(diào)節(jié)冷量,使流化床在不同溫度下進(jìn)行工作。
    本文分析了用于流化床冷凍干燥裝置上的空氣制冷循環(huán),提出了一種復(fù)疊式制冷系統(tǒng),并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析,得出了適合于流化床冷凍干燥的工況。
1 　基本循環(huán)
    基本循環(huán)如圖1 所示,其中粗箭頭表示空氣循環(huán)的方向。具體流程是:常溫常壓空氣經(jīng)壓氣機(jī)1壓縮,通過冷卻器2 冷卻至環(huán)境溫度,在膨脹機(jī)3中進(jìn)行絕熱膨脹,壓力下降,且溫度下降到低溫工況,低溫空氣進(jìn)入吸附式流化床4 ,為吸附式流化
床冷凍干燥過程提供冷量。經(jīng)過流化床后,空氣進(jìn)入熱交換器5 ,回收冷量后,空氣再進(jìn)入壓氣機(jī)1 。

細(xì)箭頭表示制冷劑循環(huán)的方向,該循環(huán)為一個附屬的制冷系統(tǒng):膨脹機(jī)3 的回收功,可以作為附屬制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)1f 的輸入功,在熱交換器5 中,從流化床流出的冷空氣對附屬制冷系統(tǒng)的高溫高壓的制冷劑進(jìn)行冷卻;2f 為一節(jié)流閥;該附屬制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)盤管直接纏繞在流化床的壁層上(其外包上保溫層) 。
    物料的質(zhì)量通過電子天平A 進(jìn)行秤量,冷卻夾套B 由蒸發(fā)盤管和保溫層構(gòu)成,C 為溫度探頭,可以對物料以及流化床的溫度進(jìn)行測控,D 為布風(fēng)板,E 為吸附劑。吸附劑在流化床中,在低溫、常壓的條件下吸收水分,使得物料干燥。在這個過程中
吸附劑放出了熱量,同時,吸附劑需要有一個脫附的過程[2 ] 。

整個循環(huán)的特點(diǎn):
    1) 直接制得用于流化床的冷風(fēng),無需用冷媒二次換熱;
    2) 用附屬制冷系統(tǒng)供冷,通過夾套來控制整個流化床的溫度,達(dá)到保持低溫環(huán)境的目的;
    3) 用于流化床的空氣,可以通過適當(dāng)?shù)目刂拼胧?變工況流動。
2 　系統(tǒng)性能計算分析
    在進(jìn)行模擬計算時,作了如下4 點(diǎn)假設(shè):
    1) 空氣制冷系統(tǒng)的制冷工質(zhì)為空氣,且空氣視為理想氣體,質(zhì)量流量為1 kg/ s ,初始溫度為30 ℃,初始壓力為100 kPa ;
    2) 附屬制冷系統(tǒng)的低壓為200 kPa ,壓比為5 ,壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)為飽和氣體;
    3) 壓縮過程近似等熵,膨脹過程近似等熵,且膨脹機(jī)的輸出功W3 等于附屬制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的輸入功W1f ;
    4) 不計管路及換熱器中的壓力損失,即在換熱器中流體等壓換熱。
    COP 表征系統(tǒng)的能耗高低, 而膨脹機(jī)出口的空氣比體積v 的大小,直接影響系統(tǒng)的尺寸。

COP —系統(tǒng)總的性能系數(shù);Qa —空氣制冷系統(tǒng)的制冷量,kW;Qb —附屬制冷系統(tǒng)的制冷量,kW;
W1 —壓氣機(jī)1 的耗功,kW。由W1f = W3 ,可以推得:

W1f —壓縮機(jī)1f 的耗功,kW;W3 —膨脹機(jī)3 的膨脹功,kW;mf —附屬制冷系統(tǒng)的制冷劑流量,kg/ s ;
Δh —壓縮機(jī)1f 出口與進(jìn)口的比焓差,kJ/ kg。而常壓流化床, P4 = 100 kPa。
2. 1 　空氣制冷系統(tǒng)壓比對系統(tǒng)性能的影響
    空氣制冷系統(tǒng)的空氣,進(jìn)入熱交換器5 的溫度為- 20 ℃。附屬制冷系統(tǒng)使用R22 作為制冷工質(zhì)。

  隨著壓比的變大,整個系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP 變小, 剛開始壓比為2～10 時,變化急劇, 后面變化趨緩。COP 變小影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。但是,隨著壓比的變大,膨脹機(jī)出口的空氣比體積也減小, 這將有利于減小設(shè)備尺寸。但是,如果壓比過大,高壓過高,必然對設(shè)備承壓能力提出了更高的要求, 也增加了系統(tǒng)設(shè)備的初投資。因而,當(dāng)取一個中間值壓比為10 作為空氣制冷系統(tǒng)的壓比時,適合于流化床冷凍干燥系統(tǒng)。
2. 2 　流化床出口溫度t4 對系統(tǒng)性能的影響
    根據(jù)2. 1 ,取空氣制冷系統(tǒng)的壓比為10 。附屬制冷系統(tǒng)工質(zhì)為R22 ,由式(3) ,可以計算得到mf= 3. 63 kg/ s。
　 流化床出口溫度越低, COP的值越低。但是,變化的幅度不大,在流化床冷凍干燥過程中,得保證流化床內(nèi)溫度不高于物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,比如,甘露醇的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在- 27 ℃[3 ,5 ] ,我們?nèi)? 30 ℃,因此設(shè)定流化床的出口溫度為- 30 ℃。
2. 3 　附屬制冷系統(tǒng)不同制冷劑的選取對系統(tǒng)性能的影響
    根據(jù)2. 1 ,取空氣制冷系統(tǒng)的壓比為10 ,根據(jù)2. 2 ,取流化床出口溫度為- 30 ℃。附屬制冷系統(tǒng)采用不同制冷劑。

  在附屬制冷系統(tǒng)4 種工質(zhì)中,采用氨作為工質(zhì)的系統(tǒng)制冷量Q ( Qa + Qb) 以及COP zui大,而R12 是一個低谷,系統(tǒng)制冷量以及COP zui小。因而在研究附屬制冷系統(tǒng)時應(yīng)考慮制冷劑的影響。但同時可以看出,制冷劑對系統(tǒng)制冷量Q 的影響不是很大。
3 　結(jié)　語
    從上述分析可以得出以下結(jié)論:
    1) 隨著壓比的變大, 整個系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP 變小,在壓比為2～10 時, 變化急劇; 壓比變大,膨脹機(jī)出口比體積將減小, 這有利于減小設(shè)備尺寸,但是,如果壓比過大,高壓過高,對設(shè)備承壓能力提出了更高的要求, 因而本文建議取壓比為10 作為空氣制冷系統(tǒng)的壓比。
    　2) 流化床出口溫度越低, COP 的值越低,但是,變化的幅度不大。在空氣制冷循環(huán)流化床冷凍干燥過程中,為保證流化床內(nèi)溫度不高于物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,建議流化床的出口溫度取- 30 ℃為宜。
    3) 在附屬制冷系統(tǒng)4 種工質(zhì)中,氨的制冷量以及COP zui大,而R12 的制冷量以及COP zui小。因而,附屬制冷系統(tǒng)應(yīng)該考慮制冷劑的影響。