CN100545564C - 一种冻干机捕水系统 - Google Patents

Abstract

一种冻干机捕水系统，其特征在于：将干燥仓(1)远离仓门(18)一端的延长段或下部或两侧由隔板(2)隔开作为各捕水器的冷阱仓体(3)；在隔板(2)上设有通气窗(16)；或设置独立的冷阱仓体(3)与干燥仓(1)连通；在冷阱仓体(3)内具有多台捕水器；将最小表面积的捕水器(7)设置在冷阱仓体(3)内的靠近干燥仓(1)的一侧，最大表面积的捕水器(8)设置在冷阱仓体(3)的另一侧；将各中等表面积的捕水器依次排列在最小表面积的捕水器(7)与最大表面积的捕水器(8)之间；在冷阱仓体(3)或干燥仓(1)后封头(19)的上部具有真空阀门(6)与真空系统相通。本发明能提高冻干机的生产效率，提高产品质量，降低能源消耗，简化设备的结构。

Description

一种冻干机捕水系统

技术领域

本发明涉及一种本发明涉及一种真空冷冻干燥机(简称冻干机)，特别是一种冻干机捕水系统。

背景技术

真空冷冻干燥(也称冻干)是先将含水物料冻结到共晶点温度以下，使其中的游离水变成冰，然后，在适当的温度和真空度下，使冰升华(吸附水蒸发)为水蒸气从物料中逸出，利用捕水器将水汽凝华，从而获得干燥制品的技术。冻干机工作时，干燥仓内的真空由真空系统获得，真空系统主要由真空机组及捕水器组成。在干燥过程中，大量的水蒸气单靠真空机组是无法全部排出仓外的，真空机组只用于抽出不可凝结气体，必须依靠冷阱将水蒸气在其表面凝华成冰或霜，才能维持相应的真空度。

冻干的干燥过程分升华干燥和解吸干燥两个过程，升华干燥是以升华方式将已冻结的游离水全部脱去，在升华干燥过程中，干燥仓内的真空压力应低于物料共晶点温度对应水的饱和蒸气压，否则物料中的冰晶就会融化，也就不是升华干燥，由于升华干燥过程是物料中的冰升华成水蒸气，水蒸气再在捕水器表面凝华成冰的过程，有多少升华量就有多少凝华量，升华与凝华潜热相同，因此，只有捕水器实际用于凝华的冷量等于用于升华的加热量时，才能维持所需要的稳定的真空压力。也就是说，捕水器除了应具有足够的表面积，还要能提供出最大凝华时(也是最大升华时)所需要的冷量。在一定条件下，捕水器的供冷能力决定着升华量和升华速度。解吸干燥是将物料毛细管壁和极性基因上吸附的未冻结的那部分水分(称吸附水)去除，以保证冻干制品的良好品质。由于吸附水的吸附能量较高，必须使物料内外形成较大的蒸气压差，才能使分水逸出，所以，应尽可能降低干燥仓内的真空压力，即应尽可能降低捕水器的表面温度。解吸干燥阶段，捕水器上凝华面(霜层外表面)温度越低，干燥仓内真空压力(严格地讲是水蒸气的分压)也越低，解吸干燥速度越快，冻干品的残余含水量越低，品质越好。

在升华干燥过程中，放置在加热板之间托盘上的物料，上表面受热条件最好，下表面次之，中心部位最差。随着加热的进行，物料已干层(脱去游离水层)由上、下表面逐渐向中心部位推进，已干的部分其温度会逐渐升高，且上升趋势加大。当物料已干的上表面温度快要接近其最高允许温度，势必要降低加热板温度，否则物料上表面将超过其最高允许温度，使之成分破坏或变性。由于已干层导热性能差，在已干层不断增厚的情况下只有逐步降低加热板温度才能保证已干层物料不超过其最高允许温度。当物料中心温度超过0℃时，表明物料中的冰晶已升华完毕，既进入解吸干燥阶段，加热板温度(降)和物料温度(升)逐渐接近物料的最高允许温度，二者温差越来越小，供热越来越少，蒸发的水汽量也会越来越少。

由于存在加热的不均匀以及托盘装料的不均匀，还必须在小供热量的情况下，持续较长一段时间才能结束干燥，以保证较高的产品合格率。

由此可见，捕水器在最大凝华过后所要提供的冷量和要捕集的水量也是递减的。捕水器既要能满足最大凝华量需要，又要在干燥后期较长的时间内，处于较低温度、较小捕水量工况下工作。捕水系统的性能直接影响冻干机的生产效率、生产能耗和产品品质。

现有冻干机干燥仓有单、双捕水器两种捕水系统配置。

单捕水器配置即一台干燥仓配一台捕水器(包括外置式、后置式及下置式)，在整个干燥周期内捕水器不进行除霜，捕水器冷管(或板)外表面上的冰或霜(以下统称为霜)层，随冻干过程的进行会越结越厚，霜是热的不良导体，霜层的增厚，使传热阻力增加，捕水器冷管壁外表面与凝华面(霜层外表面)之间的温差加大，要提供相同凝华面温度和冷量，势必要降低捕水器冷管壁内制冷工质的蒸发温度或冷媒温度，同时加大制冷能力，而制冷压缩机是蒸发温度越低，能效比越低，由此可见，由于霜层的增厚，增加了制冷压缩机的能耗。另一方面，在解吸干燥阶段，霜层已结很厚，凝华面的温度很难降得很低，不利于物料中吸附水的逸出，解吸干燥速度会非常缓慢，且影响冻干制品品质。为了克服霜层太厚所产生的不良影响，这类冻干机通常都将捕水器的冷管面积做得很大。由于捕水器大，造成冷管温度不均匀性加大，制冷工质或冷媒的流动阻力加大，能耗增加，制造成本增高。再者，捕水器只能在冻干结束，物料出仓后进行除霜(包括排水和再降温)，使冻干机长时间待机，生产周期加长。因此这类冻干机能耗较高，生产效率较低。

双捕水器配置，即一台干燥仓配二台捕水器，这类冻干机按捕水器安装位置分为两种，其中一种是下置式，即两台捕水器设在干燥仓内加热板组下面，两台捕水器仓与干燥仓连通处共用一套移动板式阀门，这种冻干机虽然是有两台捕水器，能够实现交替捕水，交替除霜，克服了单捕水器配置因霜层厚带来的不足，但大都两台捕水器不能同时工作。在干燥前期，水蒸气升华量很大，不能双捕水器投入使用，势必造成有效捕水面积不足，结霜层厚时最大凝华量受到限制，因此，只能依靠反复交替除霜才能满足大量捕水要求。若大的捕水器反复从-30℃以下升到0℃以上，又从0℃以上降到-30℃以下，能耗必然加大。更主要的是下置式捕水器与加热板共处一个仓段，一冷一热温度场相互干涉，能量损失较大，由于冷、热能量的抵消，靠近捕水器的物料受热强度降低，物料干燥速度不一致，使整仓的干燥时间加长。另一方面，冻干物料位于捕水器上方，在冻干结束解除真空时，因冻干物料非常轻，极易飘落到捕水器内和上表面，由于空间小，阀门连杆机构复杂，非常不容易清洗，很难满足卫生要求高的冻干制品生产要求。

另外还有一种外置式双捕水器的捕水系统，即双捕水器设在干燥仓外，两捕水器仓与干燥仓采用管道和阀门连通。这种冻干机，虽然能够实现两台捕水器在干燥前期同时捕水，冻干后期也能单台捕水器单独捕水及交替除霜，克服了单捕水器配置因霜层厚带来的不足，无冷热能量抵消所造成的能量损失，干燥仓易于清洗和消毒，但由于捕水器仓与干燥仓之间的管道长，管径小，弯道多，变径大，大大增加了水蒸气从干燥仓到捕水器仓的流动阻力，为了达到相同的捕水效果，势必需求捕水器的温度更低，制冷压缩机功率更大，制冷系统耗能更高。同时受结构的影响，外置式双捕水器的冻干机占用空间更大，制造成本高。

现有双捕水器冻干机在干燥过程中，都因多次除霜而额外大量耗能(除霜需用热蒸气，捕水器升温后还需降温而耗冷)，捕水器真空阀门大，结构复杂，增加了制造成本。

现有单捕水器、双捕水器冻干机都是采用能满足最大凝华量的同一套大的捕水器和制冷系统，在用于干燥后期水量小、温度低的工况时，一方面，按最大凝华配置的制冷系统很难达到相应的能量、温度调节和较高的能效比，另一方面，用同一套偌大的捕水器及制冷系统(包括压缩机、辅机等)来长时间满足很小捕水量要求，相当于大马拉小车，势必造成能量的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冻干机捕水系统以解决上述捕水系统的不足，本发明能提高冻干机的生产效率，提高产品质量，降低能源消耗，简化设备的结构。

本发明的目的是按如下的技术方案实现的。本发明为一种冻干机捕水系统，包括捕水器、除霜装置，其特征在于：将干燥仓远离仓门一端的延长段或下部或两侧用隔板隔开作为各捕水器的冷阱仓体；隔板上设有通气窗；或设置独立的冷阱仓体，用管道与干燥仓连通；仓体内具有多台捕水表面积大小不同的捕水器；

当捕水器为2台时，将小表面积的捕水器设置在捕水器仓体内的靠近干燥仓的一侧，大表面积的捕水器设置在仓体的另一侧；

当捕水器多于2台时，将最小表面积的捕水器设置在捕水器仓体内的靠近干燥仓的一侧，最大表面积的捕水器设置在仓体的另一侧；将各中等表面积的捕水器按捕水面积递增方式，依次排列在捕水器与捕水器之间。

在仓体的后封头的上部具有真空阀门与真空系统相通。

通气窗为向内下斜的百叶窗。

所述的除霜装置包括雾化喷淋嘴，雾化喷淋嘴位于仓体内的各捕水器的上方，经水阀门与带压水源相通；另一水阀门装在仓体的远离干燥仓一端的后封头下部。

在仓体外壁设有保温层。

各捕水器是管式或板式的、采用制冷工质蒸发直接供冷的蒸发器，或是管式或板式的、采用冷媒间接供冷的换热器。

所述的捕水器包括最大表面积的捕水器、中等表面积的捕水器、最小表面积的捕水器。

最大表面积的捕水器以及中等表面积的捕水器分别通过管道、阀门、以及另一管道、另一阀门与一套制冷系统相连接，以控制最大表面积的捕水器以及中等表面积的捕水器单独或同时供冷运行。

最小表面积的捕水器通过管道、阀门与另一套制冷系统相连接。

另一方案为所述的干燥仓为多台干燥仓，各冷阱仓体中的最小面积的捕水器共用一套制冷系统。

第三方案为所述的捕水器设在干燥仓内的下置式、侧置式或设在干燥仓外的外置式。

本发明冻干机捕水系统采用捕水面积不同的最大表面积的捕水器(以下简称大捕水器)、中等表面积的捕水器(以下简称中捕水器)、最小表面积的捕水器(以下简称小捕水器)，根据工艺过程的不同时段，使用不同的捕水器，大、中捕水器用于干燥前期最大凝华时段的捕水；从进入解吸干燥阶段到工作结束，由小捕水器进行捕水，实现了冻干过程的能量和温度的匹配，提高效率、降低能耗；采用通气窗代替可移动启闭的盖板，简化了结构；本捕水系统不需要在干燥过程中交替除霜，在干燥过程的不同时段，捕水器总以无霜的表面投入工作，热效率高；在干燥的中、后期的长时间内，霜层薄，热阻小，使得捕水系统更加符合冻干工艺要求。

综上所述，本发明能提高冻干机的生产效率，提高产品质量，降低能源消耗，简化设备的结构。

附图说明

图1为本发明冻干机捕水结构系统图；

图2为多台干燥仓并联的示意图；

图3为干燥仓内下置式的捕水系统示意图；

图4为干燥仓内侧置式的捕水系统示意图；

图5为干燥仓外置式的捕水系统示意图；

图中代号说明

1干燥仓  2隔板  2″管道  3冷阱仓体  4水阀门   5管道

6真空阀门  7小捕水器  8大捕水器  9中捕水器  10、11、12管道

13雾化喷淋嘴  14阀门  16通气窗  17保温层  18仓门

19封头  20、21/22、阀门

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

如图1为一种冻干机捕水结构系统图，为后置式的内捕水系统，包括捕水器、除霜装置，本实施例的捕水器为3台，包括大捕水器8、中捕水器9、小捕水器7。各捕水器的面积大小比例根据使用要求进行分配。将干燥仓1远离仓门18一端的延长段由隔板2隔开作为各捕水器的冷阱仓体3；隔板2上设有通气窗16，本实施例中，通气窗16选用向内下斜的百叶窗，百叶窗可使干燥仓1热温度场与捕水器冷温度场隔开，防止辐射传热而造成能量抵消，还可防止除霜过程中喷淋水溅入干燥仓1，有宜于制品卫生。冷阱仓体3内具有三台捕水面积大小不同的捕水器，将小捕水器7设置在冷阱仓体3内的靠近干燥仓1的一端，大捕水器8设置在冷阱仓体3的另一端；将中捕水器9放在小捕水器7与大捕水器8之间；

在冷阱仓体3的后封头19的上部具有真空阀门6，经管道5与真空系统相通。

所述的除霜装置包括雾化喷淋嘴13，雾化喷淋嘴13位于冷阱仓体3内的各捕水器7、8、9的上方，经水阀门14与带压水源15相通；另一水阀门4装在仓体3的远离干燥仓1一端的后封头19下部。

在冷阱仓体3外壁设有保温层17。

各捕水器7、8、9可以是管式或板式的、采用制冷工质蒸发直接供冷的蒸发器；或是管式或板式的、采用冷媒间接供冷的换热器。

大捕水器8通过管道10、中捕水器9通过管道11与一套能满足凝华要求的制冷系统(可为共用或独立冷源)相连接，如图1所示，通过阀门20、21的控制，捕水器8、捕水器9可单独或同时供冷运行；

捕水器7通过管道12与另一套适合低温运行的小功率制冷系统(如采用双级压缩的氟系统)相连接，捕水器7可单独供冷运行。

本发明可以采用大、中、小捕水器，也可以采用两台或者多台捕水器。捕水器可设在干燥仓内(包括后置式、下置式、侧置式)，也可设在干燥仓外，将冷阱仓独立，两仓之间用管道连接(外置式)，有多种连接方式；还可以采取部分捕水器设在干燥仓内，另一部分捕水器设在干燥仓外的型式。如图2所示为多台干燥仓的并联布置(此图为两台)，各干燥仓1的小捕水器7共用一套小功率低温制冷压缩机，用阀(22、22′)分别控制，其它与图1相同。

本发明也可作为设在干燥仓内的下置式的捕水系统，如图3，大中小捕水器7、8、9分别布置在仓体的下部，隔板2将仓体隔开上下两部分，上部为干燥仓1，下部为冷阱仓体3；雾化喷淋嘴13对应地近距离布置在大中小捕水器7、8、9的上方，其它与图1相同。

本发明还可作为设在干燥仓内的侧置式的捕水系统，如图4，大小捕水器7、8、分别布置在仓体的两侧，隔板2将仓体隔开左中右三部分，干燥仓1居中，冷阱仓体3分布两侧；雾化喷淋嘴13对应地近距离布置在大小捕水器7、8的上方，其它与图1相同。

本发明还可作为设在干燥仓外的捕水系统，如图5，大中小捕水器7、8、9分别布置在独立的冷阱仓体中，用管道2″将干燥仓1与冷阱仓体3连通，管道2″的连通位置可有多种形式，本图为侧连式，其它与图1相同。

本冻干机工作时，首先开启与大捕水器匹配的制冷系统，单独给大捕水器8供冷，待大捕水器8的表面降到适当温度时，物料进仓，并进行抽真空，仓内达到所要求的真空压力后，加热板迅速升温，物料达到最大升华；大捕水器8进行捕水，并满足此时最大凝华要求，当大捕水器8的捕水量达到冻干机的总捕水量约50％时，霜层已达一定厚度，热阻增加到一定值，可开启中捕水器9，并关停大捕水器8；此时由于物料已干层的增厚，加热板开始逐渐降温，升华量逐渐减少，中捕水器9以无霜的外表面投入工作，在相当长的一段捕水过程中，霜层薄，还可使配套的制冷压缩机处于能效相对较高的工况。在进入解吸干燥阶段时，大、中两捕水器8、9已捕集冻干机设计的总捕水量约80％～90％；这时，单位时间内的捕水量很小，捕水器温度要求更低，如果继续采用中捕水器9来完成后续捕水，压缩机的能效比会大为降低；另一方面，按较大冷量配置的压缩机很难大幅度调低功率，造成能耗的加大；还有，在多台冻干机共用一套制冷系统的情况下，多台冻干机捕水器工作在不同时段，对制冷系统的温度要求不同，势必都造成设备系统的复杂化。此时开启小捕水器7，停止中捕水器9(如只有大小冷阱，大冷阱一直工作到升华结束)，就解决了上述矛盾。由于小捕水器7单独配备了功率小，适合低温工况的制冷系统，既能满足工艺要求，又可节能。

大、中、小捕水器7、8、9先后独立开停会因已停的捕水器霜层温度高于正在运行的捕水器凝华面温度，而出现一定的反升华现象，但这并不会造成额外的能量消耗，由于冷阱仓体3外设有保温层17，通过冷阱仓体3向反升华提供的热量很少；在所有的捕水器及其上的霜层最终降到干燥结束时的温度的过程中，制冷系统要提供的负荷与不分大、中、小捕水器时是一样的，反升华只会增加小捕水器7的捕水量，适当考虑增加一定面积就是了。此时采用小捕水器7单独工作，从减少系统运行费用、提高能效等方面看都是划算的。当干燥结束、物料出仓后，对捕水器7、8、9进行除霜。除霜时，先打开排水阀4，再打开阀门14。温水经连管15通过雾化喷淋嘴13雾化后，均匀地喷淋在霜层上，使之融化，融化后的水经排水阀4排出。由于温水雾化后能充分与霜层接触，使除霜速度快。采用本发明的多台干燥仓冻干机，由于多台干燥仓1错开解吸干燥时间，可将多台干燥仓1(冷阱仓体3)内的各小捕水器7共用一套小功率、低温性能好的制冷系统，还可节省投资。

与现有技术相比，本捕水系统有以下优点：

由于采用了不少于两台不同捕水表面积的多台捕水器，并使其在干燥过程的不同时段工作。大捕水器用于干燥工艺前期捕水器温度较高时段的捕水，从进入解吸干燥阶段到结束的相当长时间内，由配有小功率、适合低温工况制冷的小捕水器进行捕水，实现了单捕水器难以实现的冻干过程的能量和温度调节。同时在干燥过程的不同时段，捕水器总以无霜的表面投入工作，后期相当长的时间内霜层薄，热阻小，使得捕水系统更加符合冻干工艺要求。干燥过程中不进行除霜，冻干机的能耗大大降低，干燥速度快，冻干质量好，机械结构简单。

Claims (10)

1、一种冻干机捕水系统，包括捕水器、除霜装置，其特征在于：将干燥仓(1)远离仓门(18)一端的延长段或下部或两侧用隔板(2)隔开作为各捕水器的冷阱仓体(3)；在所述的隔板(2)上设有通气窗(16)；或设置独立的冷阱仓体(3)，用管道(2″)与干燥仓(1)连通；在所述的冷阱仓体(3)内具有多台捕水表面积大小不同的捕水器；

当所述的捕水器为2台时，将小表面积的捕水器设置在冷阱仓体(3)内的靠近干燥仓(1)的一侧，大表面积的捕水器设置在冷阱仓体(3)的另一侧；

当捕水器多于2台时，将最小表面积的捕水器(7)设置在冷阱仓体(3)内的靠近干燥仓(1)的一侧，最大表面积的捕水器(8)设置在冷阱仓体(3)的另一侧；将各中等表面积的捕水器按捕水表面积递增方式，依次排列在最小表面积的捕水器(7)与最大表面积的捕水器(8)之间；

在所述的冷阱仓体(3)或干燥仓(1)的后封头(19)的上部具有真空阀门(6)与真空系统相通。

2、根据权利要求1所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的通气窗(16)为向内下斜的百叶窗。

3、根据权利要求1所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的除霜装置包括雾化喷淋嘴(13)，所述的雾化喷淋嘴(13)位于冷阱仓体(3)内靠近各捕水器的上方，经水阀门(14)与带压水源(15)相通；另一水阀门(4)装在冷阱仓体(3)的远离干燥仓(1)一端的后封头(19)下部。

4、根据权利要求1所述的冻干机捕水系统，其特征在于：在冷阱仓体(3)的外壁设有保温层(17)。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：各捕水器是管式或板式的、由制冷工质蒸发直接供冷的蒸发器；或各捕水器是管式或板式的、由冷媒间接供冷的换热器。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的捕水器包括最大表面积的捕水器(8)、中等表面积的捕水器(9)、最小表面积的捕水器(7)；

所述的最大表面积的捕水器(8)以及中等表面积的捕水器(9)分别通过管道(10)、阀门(20)、以及管道(11)、与一套制冷系统相连接，以控制捕水器(8)以及捕水器(9)单独或同时供冷运行；

所述的最小表面积的捕水器(7)通过管道(12)、阀门(22)与另一套制冷系统相连接。

7、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的干燥仓(1)为多台干燥仓并联，在所述的各冷阱仓体(3)中的最小面积的捕水器(7)共用一套制冷系统。

8、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的捕水器设在仓体的下方，隔板(2)将仓体隔开上下两部分，上部为干燥仓(1)，下部为冷阱仓体(3)。

9、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的捕水器设在仓体的两侧，隔板(2)将仓体隔开左中右三部分，干燥仓(1)居中，冷阱仓体(3)分布两侧。

10、根据权利要求1或2或3或4所述的冻干机捕水系统，其特征在于：所述的捕水器设在干燥仓(1)外部，最大表面积的捕水器、中等表面积的捕水器、最小表面积的捕水器布置在独立的冷阱仓体(3)中或分别布置在干燥仓(1)和冷阱仓体(3)中，用管道(2″)将干燥仓(1)与冷阱仓体(3)连通。

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