本發(fā)明涉及制冷系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種系統(tǒng)安全性能好、冷凍干燥時(shí)間快、節(jié)能的冷凍干燥裝置及其冷凍干燥方法。

背景技術(shù)：

真空冷凍干燥或稱凍干就是：讓產(chǎn)品預(yù)先凍結(jié)，然后在一定的真空環(huán)境下提供合適的升華熱，使凍結(jié)產(chǎn)品中的水分或溶劑轉(zhuǎn)化成水蒸汽，達(dá)到產(chǎn)品脫水的目的。這樣可以大大延長產(chǎn)品的貯藏時(shí)間或者稱貨架周期。這種真空技術(shù)和冷凍技術(shù)的組合就是冷凍真空干燥機(jī)。

現(xiàn)有技術(shù)中的冷凍干燥機(jī)由兩大核心系統(tǒng)組成：

一個(gè)系統(tǒng)就是真空干燥系統(tǒng)，其提供一個(gè)利于被干燥產(chǎn)品的合適真空環(huán)境，如100Pa以下。

該系統(tǒng)由干燥箱01、擱板02、隔離閥一03、冷凝器04、冷凝盤管05、隔離閥二06、真空泵07等組成。

另一個(gè)系統(tǒng)就是制冷系統(tǒng)，提供一個(gè)產(chǎn)品凍結(jié)、或通過切換使干燥產(chǎn)品時(shí)所升華出來的水蒸汽，通過干燥箱和冷凝器內(nèi)的壓差被冷凝器的低溫冷凝盤管凝結(jié)成冰的能量。如：干燥箱擱板溫度為-40℃以下，冷凝器冷凝盤管為-50℃以下。

該制冷系統(tǒng)分成直接膨脹式循環(huán)系統(tǒng)和直膨式間接循環(huán)系統(tǒng)。直接膨脹式循環(huán)系統(tǒng)由制冷壓縮冷凝機(jī)組08、冷凝器電磁閥09、冷凝器節(jié)流閥010、冷凝盤管05等組成。直膨式間接循環(huán)系統(tǒng)通過切換，由干燥箱電磁閥011、干燥箱節(jié)流閥012、共用的制冷壓縮冷凝機(jī)組08、制冷的換熱器013等組成。換熱器013另一側(cè)由循環(huán)泵014、加熱器015、導(dǎo)熱油、擱板02等所構(gòu)成的可降溫或可升溫的循環(huán)系統(tǒng)。直接膨脹式循環(huán)系統(tǒng)和直膨式間接循環(huán)系統(tǒng)共用同一個(gè)制冷壓縮冷凝機(jī)組。

現(xiàn)有技術(shù)方案存在的不足之處：

1）承載被凍結(jié)和升華產(chǎn)品的擱板，必須承受一定壓力（或稱壓強(qiáng)），防止?jié)撛诘娘L(fēng)險(xiǎn)，但是如果直接膨脹式循環(huán)系統(tǒng)和直膨式間接循環(huán)系統(tǒng)通過切換來共用同一個(gè)制冷壓縮冷凝機(jī)組，當(dāng)遇到換熱器損壞使制冷劑泄漏的情況，必將導(dǎo)致擱板瞬時(shí)超過其本身的設(shè)計(jì)壓力，因此，考慮到強(qiáng)度，擱板必須使用一定數(shù)量的材料。

2）由于耗材多，使干燥箱擱板降溫至合適溫度、及持續(xù)這個(gè)溫度所需時(shí)間就會(huì)延長。如擱板達(dá)到-40℃并持續(xù)，由于有些產(chǎn)品難凍結(jié)等特性，就需要更長的時(shí)間。如沒放產(chǎn)品時(shí)壓縮機(jī)降溫所消耗的功率：32kw?2h＝64kw?h。按1m²裝載面積上放15kg產(chǎn)品，干燥箱的降溫時(shí)間為5h，所消耗功率則達(dá)到32kw?5h=160kw.h。

3）產(chǎn)品的降溫是由托盤、或者圍框的西林瓶放置在擱板上。由于擱板、托盤都有一定平整度誤差，允其是多次使用后托盤變形，及圍框內(nèi)的西林瓶與擱板為線接觸。因此，通過面與面的傳導(dǎo)方式來傳遞熱量變得很小，熱量的傳遞大量通過空氣與產(chǎn)品的對(duì)流換熱方式來實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)的對(duì)流換熱使擱板上的產(chǎn)品的溫度均勻性需要更長時(shí)間來達(dá)到平衡。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，制冷系統(tǒng)采用同一個(gè)制冷壓縮冷凝機(jī)組，直接膨脹式循環(huán)系統(tǒng)和直膨式間接循環(huán)系統(tǒng)通過切換來使用，必將導(dǎo)致擱板所需材料多、成本大，對(duì)產(chǎn)品的冷凍干燥所消耗功率大，且其采用靜態(tài)的對(duì)流，使擱板上的產(chǎn)品的溫度均勻性需要更長時(shí)間來達(dá)到平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全性能好、成本低、節(jié)能的冷凍干燥裝置及其冷凍干燥方法，其能大大降低真空冷凍干燥所消耗的能量。

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，采用的具體技術(shù)方案是：

一種節(jié)能的冷凍干燥裝置包括真空泵、冷凝器和干燥箱；所述真空泵設(shè)于冷凝器的一側(cè)，所述干燥箱設(shè)于冷凝器的另一側(cè)，所述冷凝器與干燥箱之間設(shè)有隔離閥一，所述隔離閥一可實(shí)現(xiàn)冷凝器與干燥箱之間的連通與隔離；所述冷凝器內(nèi)設(shè)有冷凝盤管，所述冷凝器下方設(shè)有與冷凝盤管相連的制冷壓縮冷凝機(jī)組，在所述制冷壓縮冷凝機(jī)組和冷凝盤管之間依次設(shè)有冷凝器電磁閥和冷凝器節(jié)流閥；所述干燥箱內(nèi)設(shè)有擱板，所述干燥箱下方設(shè)有依次連接的加熱器、換熱器和循環(huán)泵，且所述加熱器和循環(huán)泵分別連接在擱板兩側(cè)。

所述真空泵的抽氣口端穿設(shè)于冷凝器內(nèi)的上部，且真空泵的抽氣口和冷凝器之間設(shè)有隔離閥二。

本發(fā)明還公開了一種節(jié)能的冷凍干燥裝置的冷凍干燥方法，其包括以下步驟：

S1、預(yù)冷冷凝器；

S2、裝載產(chǎn)品：打開干燥箱門，裝載產(chǎn)品，裝載完后，關(guān)閉干燥箱門；

S3、系統(tǒng)預(yù)抽真空：啟動(dòng)真空泵運(yùn)行,打開隔離閥二，對(duì)冷凝器抽真空；

S4、系統(tǒng)抽真空；當(dāng)冷凝器內(nèi)的真空度達(dá)到半個(gè)大氣壓以下時(shí)，隔離閥一打開,對(duì)干燥箱抽真空；

S5、一次干燥；

S6、二次干燥；

S7、凍干結(jié)束：依次關(guān)閉隔離閥一、隔離閥二，分別把干燥箱和冷凝器上的放氣閥打開，使干燥箱和冷凝器內(nèi)恢復(fù)至一個(gè)大氣壓；

S8、卸載產(chǎn)品：打開干燥箱門，取出產(chǎn)品；

S9、冷凝器除霜。

優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S1所述預(yù)冷冷凝器的步驟為：關(guān)閉隔離閥一,啟動(dòng)壓縮冷凝機(jī)組,接通冷凝器電磁閥，冷凝器節(jié)流閥向冷凝盤管供液。

優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S5所述一次干燥的步驟為：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到工藝要求并持續(xù)一段時(shí)間后，啟動(dòng)循環(huán)泵，啟動(dòng)加熱器，對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)熱油加熱升溫；系統(tǒng)導(dǎo)熱油升溫并到達(dá)工藝溫度設(shè)定值后，持續(xù)工藝溫度設(shè)定值一段時(shí)間。

優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S6所述二次干燥的步驟為：當(dāng)產(chǎn)品溫度到達(dá)0℃溫度以上并持續(xù)一段時(shí)間后,按工藝溫度設(shè)定值要求接通冷卻水,通過換熱器一側(cè)進(jìn)行熱量交換，并由循環(huán)泵輸入干燥箱的擱板內(nèi)；當(dāng)擱板內(nèi)導(dǎo)熱油溫度降到工藝溫度設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)保持一段時(shí)間；當(dāng)產(chǎn)品溫度與擱板溫度差值接近5℃時(shí)，持續(xù)一段時(shí)間。

優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟S5的工藝溫度設(shè)定值由產(chǎn)品特性或試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟S6的工藝溫度設(shè)定值由產(chǎn)品特性或試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的一種節(jié)能的冷凍干燥裝置及其冷凍干燥方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其技術(shù)效果在于：本發(fā)明采用獨(dú)立制冷降溫的冷凝器和可循環(huán)加熱或降溫的真空冷凍干燥系統(tǒng)，利用水隨著環(huán)境壓力的降低，其沸點(diǎn)也降低的物理現(xiàn)象，即降低干燥系統(tǒng)的壓力或稱增加其真空度，使干燥箱內(nèi)擱板上的產(chǎn)品達(dá)到產(chǎn)品本身的溫度以下時(shí)產(chǎn)生蒸發(fā)而快速降溫。采用動(dòng)態(tài)的對(duì)流方式，使擱板上的產(chǎn)品溫度均勻性好，使產(chǎn)品預(yù)凍的能量消耗大大降低，實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥產(chǎn)品。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)冷凍干燥裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種節(jié)能的冷凍干燥裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為水的三相圖中在不同壓力和溫度下的三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

如圖2所示，

一種節(jié)能的冷凍干燥裝置包括真空泵5、冷凝器6和干燥箱3；所述真空泵5設(shè)于冷凝器6的一側(cè)，所述干燥箱3設(shè)于冷凝器6的另一側(cè)，所述冷凝器6與干燥箱3之間設(shè)有隔離閥一9，所述隔離閥一9可實(shí)現(xiàn)冷凝器6與干燥箱3之間的連通與隔離；所述冷凝器6內(nèi)設(shè)有冷凝盤管11，所述冷凝器6下方設(shè)有與冷凝盤管11相連的制冷壓縮冷凝機(jī)組12，在所述制冷壓縮冷凝機(jī)組12和冷凝盤管11之間依次設(shè)有冷凝器電磁閥13和冷凝器節(jié)流閥14；所述干燥箱3內(nèi)設(shè)有擱板4，所述干燥箱3下方設(shè)有依次連接的加熱器16、換熱器17和循環(huán)泵18，且所述加熱器16和循環(huán)泵16分別連接在擱板4兩側(cè)。

所述真空泵5的抽氣口端穿設(shè)于冷凝器6內(nèi)的上部，且真空泵5的抽氣口和冷凝器6之間設(shè)有隔離閥二10。

以下根據(jù)圖3對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行原理上的描述：

水在1個(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)是100℃。冰點(diǎn)是0℃。水在低于一個(gè)大氣壓下，其沸點(diǎn)會(huì)下降。隨著時(shí)間推移，沸點(diǎn)與冰點(diǎn)重合，此時(shí)三相水的壓力為611Pa。也就是水逐步轉(zhuǎn)化為冰。當(dāng)干燥體內(nèi)壓力降低到13Pa以下時(shí)，冰的溫度已經(jīng)是-40℃。

水在低于一個(gè)大氣壓下會(huì)轉(zhuǎn)化為水蒸汽，此時(shí)水汽化需要吸收自身熱量，平均約590kcal/kg熱量。冰點(diǎn)以下升華為水蒸汽，需要吸收自身的熱量，平均約670kcal/kg。沒有外界熱量的提供，這樣水的溫度就會(huì)降下來。

這個(gè)過程必須持續(xù)不斷地提供這個(gè)較高的真空度。即其對(duì)應(yīng)的干燥箱內(nèi)的壓力或真空度必須低于產(chǎn)品被凍結(jié)的溫度所對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓。

由于是動(dòng)態(tài)下的真空環(huán)境，干燥箱內(nèi)的壓力均一性較好，水在一定溫度下蒸發(fā),表面的蒸發(fā)速度基本一致。

真空冷卻降溫過程中的平均自身熱量：

0.6kg/m2.hr×590kcal/kg=354kcal/m2.hr=0.41kw，

則產(chǎn)生自耗0.41kw×5hr=2.05kw.hr。

如按20℃時(shí)蒸發(fā)量2.3kg/m2.hr，

其自身的熱量：2.3kg/m2.hr×590kcal/kg÷860=1.58kw。

這些自身能量的產(chǎn)生，源于真空泵抽真空的作用，且真空泵性能可能達(dá)到產(chǎn)品的低溫要求。開始預(yù)抽真空時(shí)，產(chǎn)品并沒有降溫，直至真空度到達(dá)產(chǎn)品的初始溫度以下所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，才會(huì)發(fā)生降溫。如產(chǎn)品溫度20℃，其對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓2340Pa。再如產(chǎn)品要達(dá)到-40℃，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓12.8Pa。

如按1m²凍干機(jī)裝載15kg，厚度15mm的純水，其降至-40℃時(shí)所需的熱量：

15kg×｛〔20-0〕+80+［0-（-40)］｝＝2100kcal

由于真空泵作用抽真空作用，降溫時(shí)間：

2100kcal÷(354kcal/m2.hr)＝6hr，這里僅考慮了平均汽化（或升華）的熱量，實(shí)際時(shí)間會(huì)更短。

按1m²凍干機(jī)所配置的真空泵功率0.75kw，其能耗0.75kw×6hr=4.5kw.hr

相比原有技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)方案其冷凍降溫能耗降低很多，幾乎近36倍。

本發(fā)明還公開了一種節(jié)能的冷凍干燥裝置的冷凍干燥方法，以下根據(jù)圖2進(jìn)行本發(fā)明的技術(shù)方案操作過程進(jìn)行描述：

1、預(yù)冷冷凝器6（可與裝載產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行）

關(guān)閉隔離閥一9。接通冷卻水系統(tǒng)，啟動(dòng)壓縮冷凝機(jī)組7。稍等接通冷凝器電磁閥13，冷凝器節(jié)流閥14向冷凝盤管11供液（制冷劑），冷凝器6內(nèi)的冷凝盤管11冷卻降溫至-40℃以下。

2、裝載產(chǎn)品

打開干燥箱3的門，裝載產(chǎn)品（托盤或有圍框的西林瓶），裝載完后，關(guān)閉干燥箱門。

3、系統(tǒng)預(yù)抽真空

啟動(dòng)真空泵5運(yùn)行。稍等，打開隔離閥二10，對(duì)冷凝器6抽真空。

4、系統(tǒng)抽真空

當(dāng)冷凝器6內(nèi)的真空度達(dá)到半個(gè)大氣壓如50KPa以下時(shí)，隔離閥一9打開。對(duì)干燥箱3抽真空。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于抽真空狀態(tài)下。

5、一次干燥過程

⑴當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)工藝要求的真空度如10Pa以下時(shí)，并持續(xù)一段時(shí)間后，啟動(dòng)循環(huán)泵18，啟動(dòng)加熱器16，對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)熱油準(zhǔn)備加熱升溫。

⑵當(dāng)系統(tǒng)導(dǎo)熱油升溫并到達(dá)工藝設(shè)定值如50℃，并持續(xù)恒定溫度設(shè)定值一段時(shí)間。

這個(gè)過程中的工藝溫度設(shè)定值可以由產(chǎn)品特性或試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多段的升溫保溫時(shí)間設(shè)置。

6、二次干燥過程

⑴當(dāng)產(chǎn)品溫度到達(dá)0℃溫度以上時(shí)，并持續(xù)一段時(shí)間。

⑵按工藝溫度設(shè)定值要求如40℃，接通冷卻水。通過換熱器17一側(cè)，進(jìn)行熱量交換過程，使導(dǎo)熱油溫度降下來，并由循環(huán)泵18輸入干燥箱3的擱板4內(nèi)。通過擱板4內(nèi)導(dǎo)熱油傳遞熱量給產(chǎn)品，使產(chǎn)品溫度降下來。

⑶當(dāng)擱板4內(nèi)導(dǎo)熱油溫度降到設(shè)定值時(shí)，并持續(xù)恒定一段時(shí)間。

⑷當(dāng)產(chǎn)品溫度與擱板4溫度接近時(shí)（差值5℃左右），并持續(xù)恒定一段時(shí)間。

這個(gè)過程中的工藝溫度設(shè)定值同樣可以由產(chǎn)品特性或試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多段的降溫保溫時(shí)間設(shè)置。

7、凍干結(jié)束

⑴依次關(guān)閉隔離閥一9、隔離閥二10；

⑵分別把干燥箱3和冷凝器6上的放氣閥20打開，使干燥箱3和冷凝器6內(nèi)恢復(fù)至一個(gè)大氣壓。

8、卸載產(chǎn)品

打開干燥箱門，取出產(chǎn)品。

9、冷凝器6除霜。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。