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采用全新工质实验型真空冷冻干燥烘干机的研发
发布时间：2013-09-05 07:49 来源：未知
1、国内目前实验型真空冷冻干燥烘干机的概况
改革开放以来，真空冷冻干燥烘干机（以下简称冻干机）的研发在我国已得到长足的发展。国内所需冻干机大致经历了3个阶段：20世纪80年代前基本依靠进口，20世纪90年代则是部分进口、部分国产，20世纪末、21世纪初国内产品部分替代进口并开始出口。
近几年来，国内所生产的冻干机已经批量出口至俄罗斯、越南、阿根廷等国，少量出口至日本等发达国家。国内生产的冻干机在性能、质量水平上和欧美生产的已相差不远，因其相对低廉的价格，所以有较强的竞争力。目前，国产的冻干机所需的关键运动部件都是国际采购的。例如，制冷压缩机一般采用德国、意大利的品牌：真空泵一般采用英国、日本的品牌；控制系统一般采用日本或德国等国的品牌。冻干机所需的干燥箱、捕水器等部件均是采用国内企业生产的产品。这样，就使得冻干机既有高可靠性和高性能，又有较好的性价比，从而具备了良好的竞争力。
上述医药冻干机，从搁板有效面积1～50m2已基本形成系列。习惯上，将1—10m2的冻干机称之为中型（生产型）冻干机，10—50m2冻干机称之为大型（生产型）冻干机，而1m2以下(如0.4m2成0.62m2)冻干机称之为实验型冻干机，富通新能源生产销售木屑颗�；�、木屑烘干等生物质燃料成型、木屑烘干等机械设备。
对实验型冻干机而言，其最大的难点是：通过国际采购得到的性能良好的双级低温型制冷压缩机（冻干机需此类压缩机）最小功率为SP。5P制冷压缩机所适应的最小冻干机为1m2冻干机。如果此种机组应用到1m2以下的冻干机上，除了冷量太大、耗能太大之外，还会带来一系列的故障。所以，生产1m2以下实验型冻干机目前存在购买不到相应机组的问题。至2005年底，国内冷冻干燥烘干机生产厂家很少生产实验型冻干机。如少量生产的一股也采用国产制冷机组，其存在制冷工质面临淘汰、匹配不良、性能稳定性较差等问题。
2、新一代采用全新工质实验型真空冷冻干燥烘干机的研发简介
鉴于以上情况，上海远东制药机械总厂在2008年成功开发了新一代采用全新工质实验型冻干机，以改变上述情况，满足用户需要。
在实验型冻干机6大系统中，机械系统、液压系统、换热系统、真空系统与生产型冻干机基本相同，区别仅在于大小而已。其他2个系统（控制系统、制冷系统）则需作较大改进。
2.1制冷系统
制冷系统采用覆叠式制冷系统，制冷工质舍弃过去采用的R22/R13，而采用全新的R404A/R23（制冷系统工质替代在下文详述）。制冷压缩机采用2台进口单级压缩机，组成覆叠式制冷方式，其系统如图l所示。
2.2控制系统
控制系统采用目前国内较先进的嵌入式控制系统。此系统放弃了以触摸屏控制为主、PC机为辅的单机控制模式，而采用先进的嵌入式系统控制屏加上位机(PC机)进行权限控制，并可通过远程计算机进行监控及设备的维护升级。其组成如下；系统的控制系统由嵌入式系统控制器、可编程序控制器、温度调节�？�、本地PC计算机、远程PC计算机、打印机、外围继电器、传感器等设备组成。示意如图2所示。
3、新型工质的选择
由于采购不到适应0.4—0.6 rn2使用的高性能、高可靠性双级低温制冷压缩机。经反复研究，采用了覆叠式低温制冷系统。覆叠式制冷系统高温级过去一般采用R22制冷剂，低温级过去一般采用R13制冷剂，此2类制冷剂对大气层臭氧层具有破坏作用，其中R22为HCFC类（过渡类）制冷剂，R13为CFC类（淘汰类）制冷剂。R22、R13制冷剂性质如表1所示。
由于R22制冷剂属过渡工质，发达国家最迟2020年就要淘汰，发展中国家最迟2040年就要淘汰（我国可能于2030年前淘汰）。R13制冷剂属淘汰工质，发达国家已于1995年淘汰，发展中国家最迟2010年淘汰。因此，采用合适的替代工质成为目前实验型冻干机开发的关键问题。它不但关系到冻干机的使用寿命，还关系到产品出口这一大问题。
3.1工质筛选
我们进行了一系列的工质筛选，最终选定覆叠制冷高温级以R404A替代R22，覆叠制冷低温级以R23替代R13。
现将二组工质性质分别进行比较，如表2、表3所示。
3.2工质的泄漏问题
从表2、表3可以看出，R13的替代工质是R23，是单一成分的工质不需要考虑工质的泄漏问题，而R22的替代工质R404A是三元混合工质，替代中要考虑工质的泄漏问题。
应用混合工质，特别是非共沸混合工质时，泄漏是一个需要特别注意的问题。因为在实际的制冷系统中，混合工质在不同的部件中处于不同的状态区。例如，混合工质在冷凝器的前段其状态处于过热区，而在冷凝器中段处于两相区，在冷凝器末段处于过冷区。当混合工质处于单相区时，与纯工质一样，其在系统中发生泄漏后，只是系统的充灌量发生了变化，而工质中各组分成分并未发生变化；但当混合工质进入两相区时，与纯质不同，在发生泄漏时不但会引起系统充灌量的变化，而且会引起工质中各组份的成分变化。由于泄漏问题使得混合工质的组成发生变化，这些变化都会影响系统的整机性能。
R404A是近共沸制冷剂，其组分HFC-125、HFC-143a、HFC-134a的沸点分别为-48.45℃、-47.75℃和-26.4℃。其配比中HFC-125和HFC-143a分别占44%和52%。组分HFC-125和HFC-143a的沸点低，优先蒸发，当系统发生泄漏时，R404A的质量组分比发生变化。由于HFC-125和HFC-143a两组分共占R404A配比总重的96%，所以系统发生少量泄漏时，制冷剂的组分不会变化太多。向系统中补充制冷剂时，可以直接充注新的R404A，而无需抽空系统中剩余的制冷剂。
3.3理论计算分析
以上对覆叠系统高、低温级的替代工质与原工质分别进行了比较，为了更为全面地了解替代工质与原工质组成的覆叠系统热力性能。
对R22/R13和R404A/R23制冷剂在固定高温级冷凝温度40℃，蒸发温度分-别为-s50℃，-55℃，-60℃，-65℃，过冷度5℃，高温级吸气过热度15℃，低温级吸气过热度30℃，压缩机的余隙容积为4%，等熵压缩指数0.7时理论性能进行计算，结果如下：
(1) R404A压比比R22小，泄漏小，容积效率高。R23压比则明显高于R13，而压比过高容易引起压缩机排气温度上升、效率降低、功耗增大，甚至造成系统内制冷剂和润滑剂的分解，恶化压缩机运转条件，对整个制冷系统不利。
(2) R404A、R23覆叠系统能效比COP在低温蒸发温度为-50℃以上，略高于R22、R13系统，但在蒸发温度为-55—-65℃区间内反而比R22、R13系统低10%左右。这表明R404A、R23系统更适合稍高蒸发温度的系统，但从综合情况考虑，R404A、R23仍可以作为系统的理想替代工质。
(3) R404A排气温度明显低于R22，这点对压缩机的可靠性非常有利，主要归因于R404A较小的绝热压缩指数。而R23捧气温度则较R13高40%左右，因此在系统设计时可通过对压缩机缸体通冷却水或在压缩机顶部加装散热风扇等有效措施来降低压缩机的捧气温度，以提高系统的可靠性。
(4) R22单位制冷量比R404A高20%左右，而R23单位制冷量比R13高30%左右，较高的单位制冷量也意味着系统制冷剂冲注量的减少，也相应的可减少系统制冷剂的泄漏量。同样，虽然R23单位压缩功比R13高40%左右，但由于其制冷剂冲注量较少，也并不会产生过多的冷凝热，这样可以保证蒸发冷凝器不会有太大的差异。
(5) R404A蒸发器的传热性能优于R22，主要源于两方面因素：1）R404A质量流量较大，约比R22增大50%，进而使蒸发器传热能力有所增强；2）R404A液体表面张力较小。R404A饱和液体的表面张力约是R22的2/3，故相比较而言，R404A更容易产生气泡，汽化率更高，相应的传热系数也更大。
4、结语
在实验型冻干机的开发上取得了很好的进展，与原国产的实验型冻干机相比，它不仅有上述两大改进，而且性能更稳定，更先进，从而获得了国内外用户的肯定。
