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真空冷凍干燥設(shè)備能耗的概況及主要耗能系統(tǒng)
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摘要：主要介紹了真空冷凍干燥設(shè)備能耗的概況及主要耗能系統(tǒng)，探討了在設(shè)備能耗上可改進(jìn)的領(lǐng)域和方法。
真空冷凍干燥設(shè)備 英文名稱：vacuum freeze-drying equipment 定義是：在較高真空度下，使產(chǎn)品內(nèi)已凍結(jié)的水分直接升華為氣體排出從而達(dá)到干燥目的的設(shè)備。 廣泛應(yīng)用與水產(chǎn)業(yè)，漁業(yè)船舶及漁業(yè)機(jī)械
前言
大量統(tǒng)計(jì)資料顯示，雖然我國近年來采取了各種節(jié)能措施，但是截止到2008年底，我國單位GDP能耗依然是日本的7倍，是美國的3.5倍。去年以來，全國上下加強(qiáng)了節(jié)能減排的工作，國務(wù)院還制定了一系列促進(jìn)節(jié)能減排的政策措施，我國的節(jié)能工作仍是任重而道遠(yuǎn)。
在真空冷凍干燥機(jī)領(lǐng)域中，能耗是一個(gè)長期存在的問題，醫(yī)用真空冷凍干燥設(shè)備一個(gè)運(yùn)行周期至少要十幾個(gè)小時(shí)，多的長達(dá)一星期以上，能耗較大。如小型的實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)(0.5m2左右)，配置功率一般在5KW左右，中型生產(chǎn)型凍干機(jī)(1-10m2)配置功率一般在7.5-5OKW之間。大型生產(chǎn)型凍干機(jī)(15-50m2)配置功率一般在75-220KW之間，因此，目前如何在保證凍干效果的前提下對凍干設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)越來越成為凍干設(shè)備生產(chǎn)和使用廠家關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
真空冷凍干燥能耗主要與兩大因素有關(guān)，一是凍干設(shè)備的能耗大小，另一個(gè)是真空冷凍工藝的優(yōu)劣，本文主要討論的是凍干設(shè)備的節(jié)能問題，本文以一個(gè)20m2真空冷凍干燥機(jī)為例，探討節(jié)能的主要方向和方法。
2 2Om2真空冷凍干燥機(jī)能耗概況
真空冷凍干燥機(jī)一般由液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、升華系統(tǒng)(電加熱)、蒸汽滅菌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成、各系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間(假設(shè)一個(gè)凍干機(jī)周期為30小時(shí))。
從圖1可以看出，液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、升華(電加熱)系統(tǒng)是較大功率耗能系統(tǒng)，下面我們討論上述系統(tǒng)的具體配置功率(見表1)，從而得出節(jié)能的主要方向和方法。其中蒸汽滅菌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)由于是小功率耗能系統(tǒng)，在凍干機(jī)耗能中僅占很小比例，表1中不作討論。
從圖1，表1可以大概計(jì)算出20m2真空冷凍干燥機(jī)中較大功率系統(tǒng)耗電占總耗能的百分比。詳見表2(其中液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)在工作時(shí)段內(nèi)為全時(shí)段工作，升華(電加熱)系統(tǒng)，在工作時(shí)段內(nèi)基本上是一半時(shí)段工作)。
從表2可以看出，真空冷凍干燥機(jī)中，耗能較大的是制冷系統(tǒng)和升華(電加熱)系統(tǒng)，由于升華(電加熱)系統(tǒng)主要功能是提供凍干制品升華的能量，系統(tǒng)非常簡單，僅為數(shù)個(gè)電加熱器，能效比為1，節(jié)能空間小。
而制冷系統(tǒng)比較復(fù)雜，在不同的工況、不同的時(shí)段、不同的部件，其能效比上下會有一個(gè)很大的波動(dòng)，在節(jié)能上就有較大的空間，因此，從表2我們可以看出真空冷凍干燥設(shè)備節(jié)能的主要方向應(yīng)該是制冷系統(tǒng)。
3 制冷系統(tǒng)能耗上可改進(jìn)的領(lǐng)域
真空冷凍干燥設(shè)備制冷系統(tǒng)主要是雙級壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，其原理圖如圖2。
制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)，換熱器(冷凝器，蒸發(fā)器，中冷器)節(jié)流閥以及泵和風(fēng)機(jī)組成。
下面探討一下節(jié)能上可以進(jìn)行的幾個(gè)主要工作：
(1)提高壓縮機(jī)效率，采用變?nèi)萁饓嚎s機(jī)。
目前凍干機(jī)一般采用活塞式制冷壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)主機(jī)，其效率與逆卡諾循環(huán)相比，一般為50%以下，如采用渦旋式、螺桿式壓縮機(jī)作為主機(jī)，其效率會提高10%左右，這樣就提高了能效比，取得節(jié)能效果。
可以考慮在小型實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)上采用渦旋式壓縮機(jī)替代活塞式壓縮機(jī)，而在中大型凍干機(jī)上采用螺桿式壓縮機(jī)替代活寒式壓縮機(jī)。螺桿式制冷壓縮機(jī)一般可在15-100%范圍內(nèi)進(jìn)行制冷量無級調(diào)節(jié)，適應(yīng)凍干機(jī)對制冷量的變化需要，從而從壓縮機(jī)與凍干機(jī)之間有一個(gè)很好的能量匹配，達(dá)到節(jié)能的目的。
(2)采用新型的高效熱交換器
凍干機(jī)中制冷系統(tǒng)換熱器一般有三種：一是風(fēng)冷式翅片式換熱器，二是水冷式殼管式換熱器，三是板式換熱器。
對于風(fēng)冷式翅片式換熱器，我們可以采用更小的6-7mm的管路，從而在相同體積下包容更多的熱交換面積(微通道)，從而使傳熱溫差降低，提高換熱效果。
對于殼管式水冷凝器，目前己普通使用高效傳熱管替代原來的光管，傳熱效率已提高數(shù)倍，進(jìn)一步工作是減少進(jìn)出水壓降，提高換熱效率。對于板式換熱器，我們可以采用更高效的蘇瑞普板式換熱器替代目前大t使用的阿法拉法板式換熱器。因?yàn)榘⒎ɡò迨綋Q熱器一般適用于制冷的高中溫工況(-4O℃以上)熱交換溫差2℃左右，如要達(dá)到較低的凍干溫度(-70℃或以下)則蘇瑞普板式換熱器更理想，該換熱器低阻力，低積油，保證換熱介質(zhì)處于紊流換熱狀態(tài)，換熱溫差小，在1℃左右，反應(yīng)迅速，有更好的換熱效果，達(dá)到節(jié)育七目的。
(3)采用新型的泵和風(fēng)機(jī)
凍干設(shè)備現(xiàn)一般采用兩種制冷方式，一是采用雙級壓縮低溫制冷系統(tǒng)，另一種是采用復(fù)疊壓縮低溫制冷系統(tǒng)，前者主要用于中大型生產(chǎn)型凍干設(shè)備，一般為水冷式;后者主要用于小型實(shí)驗(yàn)型凍干設(shè)備，一般為風(fēng)冷式。
水冷式系統(tǒng)中需要有一個(gè)水冷卻塔，冷卻塔上一般有一個(gè)風(fēng)機(jī)。和一個(gè)水泵。風(fēng)冷式系統(tǒng)中需要有一個(gè)風(fēng)機(jī)。
這里可對上述泵和風(fēng)機(jī)作一個(gè)改進(jìn)，我們可以用變頻水泵和變頻風(fēng)機(jī)替代定頻水泵和定頻風(fēng)機(jī)。
變頻風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風(fēng)量。
在較低環(huán)境溫度下，變?yōu)榈退�，減少風(fēng)扇耗能。
在較高環(huán)境溫度下，變?yōu)楦咚�，增加熱交換量。
變頻水泵優(yōu)點(diǎn)是：根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)水量，同樣可以達(dá)到改善熱交換目的。
這樣就可以達(dá)到改善熱交換目的，從而節(jié)約能耗。
(4)采用更好的制冷節(jié)流閥(流量調(diào)節(jié)閥)
目前國內(nèi)外凍干機(jī)一般采用熱力膨脹閥作為制冷節(jié)流元件，設(shè)想今后可以采用電子膨脹閥替代熱力膨脹閥。
電子膨脹閥有如下卓越優(yōu)點(diǎn)：
能提供非常精確的溫度控制;
適用所有制冷劑;
充分性線的流量變化(與熱負(fù)荷匹配)，反應(yīng)速度快;
有關(guān)閉功能，可省去電磁閥，避免了液擊故障。
由于目前國內(nèi)外膨脹閥制造商僅能提供-40℃以上的制冷溫度的電子膨脹閥，而凍干機(jī)一般需要-40℃~80℃的溫度控制，目前凍干機(jī)還不用應(yīng)用電子膨脹閥，設(shè)想在不久的將來，將有-40℃以下的電子膨脹閥能夠生產(chǎn)和應(yīng)用，從而為節(jié)能做出貢獻(xiàn)。
小結(jié)
綜上所述關(guān)于真空冷凍干燥設(shè)備 ，提高真空冷凍干燥設(shè)備能效比，主要領(lǐng)域是提高制冷系統(tǒng)的能效比，提高制冷系統(tǒng)能效比關(guān)鍵工作是各主要部件效率的提高，隨著各部件效率的提高，隨著傳熱溫差的減少，制冷量與負(fù)荷的匹配，循環(huán)損失減少，使得制冷實(shí)際循環(huán)向理想循環(huán)靠攏，從而使能效比大大提高，達(dá)到節(jié)能的較終目的。干燥按其熱量供給濕物料的方式，可分為傳導(dǎo)干燥、對流干燥、輻射干燥和介電加熱干燥。干燥按操作壓強(qiáng)可分為常壓干燥和減壓干燥；按操作方式可分為間歇式干燥與連續(xù)式干燥�！ 崃抗┙o濕物料的方式分類干燥設(shè)備： 傳導(dǎo)干燥：空心槳葉干燥機(jī)、滾筒刮板干燥機(jī)、真空耙式干燥機(jī)、帶式干燥機(jī)、雙錐形回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī) 熱風(fēng)循環(huán)烘箱機(jī)設(shè)計(jì)有均勻流動(dòng)的熱空氣在整個(gè)托盤中循環(huán)利用蒸汽或電（紅外熱）作為熱源或使用鍋爐蒸汽加熱，軸流式鼓風(fēng)機(jī)通過加熱空氣將熱量交換到熱交換器，通過托盤的熱空氣層進(jìn)行材料。 新鮮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入烘箱進(jìn)行補(bǔ)充，然后排出孔以排出水 粉末流化床干燥機(jī)是根據(jù)GMP標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，以其增強(qiáng)的干燥能力和衛(wèi)生操作條件而聞名，該設(shè)計(jì)主要用于干燥食品，制藥和化工行業(yè)具有良好流動(dòng)性的小顆粒和粉末材料。 在加熱和過濾后，新鮮的熱空氣吹入機(jī)器底部的空氣分配器，并穿過裝有濕物料的多孔的熱風(fēng)循環(huán)烘箱有手動(dòng)臺車烘箱、輪滑臺車烘箱、軌道臺車烘箱、電動(dòng)臺車烘箱等等。適用電機(jī)線圈、變壓器線器等大型重型零部件行業(yè)等各種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中需工進(jìn)行的烘干、干燥、固化、老化的烘干設(shè)備。 閃蒸干燥機(jī)的上市可以說是一個(gè)全新和良好的貢獻(xiàn)，因?yàn)樵撛O(shè)備可以做到粉碎和篩分等一些細(xì)節(jié)工序，還可以避免物料在底部高溫區(qū)所產(chǎn)生的變質(zhì)。另外由于設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的完善，已經(jīng)有效的延長了閃蒸干燥機(jī)的使用壽命，因此該設(shè)備是非常優(yōu)越的。
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