CN102095305B

CN102095305B - 冷阱可自循环再生的冷冻干燥机

Info

Publication number: CN102095305B
Application number: CN2010105729999A
Authority: CN
Inventors: 张绍志; 徐梦洁; 周正; 陈光明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102095305A

Abstract

本发明公开了一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，包括制冷系统、真空冷冻干燥系统和氯化锂溶液再生系统。冷冻干燥箱内设有搁板，搁板内设有蒸发换热盘管和电加热丝；冷阱外设有冷却盘管，冷阱中放置氯化锂溶液；制冷系统采用单级压缩制冷系统；冷冻干燥箱抽真空口、真空隔膜阀、冷阱、电磁放气阀和真空泵顺次连接。冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器稀溶液通道、再生器、氯化锂溶液回热器浓溶液通道、节流阀和冷阱溶液入口顺次连接。本发明具有的有益效果是：冷阱中采用浓氯化锂溶液吸收水蒸气而不需过低的制冷温度，普通的单级压缩制冷循环即可达到；氯化锂溶液可连续的循环再生，可除去除霜或融冰步骤而提高生产效率。

Description

冷阱可自循环再生的冷冻干燥机

技术领域

本发明涉及冷冻干燥机，尤其涉及一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机。

背景技术

冷冻干燥(冻干)技术是指将物料在低温下冻结，然后通过抽真空和加热的方法使物料中的大部分水升华，从而使物料保持在干燥状态，达到长期室温保存的目的。冷冻干燥机基本的组成部分有制冷系统、真空系统、加热干燥系统和测量控制系统等。制冷系统的作用主要有两方面，一个是在冷冻过程中为搁板提供冷量，另一个是为冷阱提供冷量，干燥时将物料中升华的水蒸气凝结为冰。冷冻干燥机现在已广泛应用于各种生物样品的冻干保存中，包括有生物医学制品如药品、细菌、血液制品等，和食品如肉制品、牛奶、蔬果等。

现在工业上大规模使用的冷冻干燥机需要冷阱(水蒸气冷凝器)达到足够的低温(-60℃到-80℃)，以保证冷冻干燥箱的隔板和冷阱之间有足够的水蒸汽压力差作为驱动力，使大部分水蒸气在冷阱处凝结成冰；该低温大多是通过采用液氮或压缩制冷来实现的，也有小型的实验用冻干机采用半导体制冷，但难以应用于大规模的工业生产。通常的单级蒸汽压缩制冷循环，其低温蒸发温度在-30℃到-50℃时还可以维持较好的效率；而更低的蒸发温度则需要采用两级蒸汽压缩制冷或者自复叠制冷循环，大大增加了制冷系统的复杂程度。另外，无论是采用液氮或压缩制冷都将消耗大量的能源，制冷剂(如氟利昂等)可能的泄露也会对大气层的臭氧产生破坏作用，与近年来我国大力提倡的“节能与环保”主题不相符合。

同时，由于传统的冷冻干燥机采用冷阱把大部分的水蒸气凝结成冰，因此需要额外的停机步骤对冷阱进行除霜或融冰处理，导致生产过程不连续；如果采用增加冷阱个数和切换系统的办法保证冻干过程的连续性，也将大大的增加冷冻干燥机的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有冷冻干燥机的不足，提供一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，采用单级蒸汽压缩制冷或者氨水吸收式制冷系统为冷冻干燥箱和冷阱提供冷量，并且采用氯化锂盐溶液吸收水蒸气，氯化锂盐溶液可循环再生。

一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机包括压缩机、冷凝器、制冷剂回热器、第一膨胀阀、冷冻干燥箱、第二膨胀阀、冷阱、冷却盘管、氯化锂溶液、真空隔膜阀、电磁放气阀、真空泵、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器、再生器、节流阀、再生器热驱动管入口、再生器热驱动管出口、发生器、氨水冷凝器、吸收器、氨水溶液泵、氨水溶液热交换器、氨水节流阀、发生器热驱动管入口、发生器热驱动出口管、冷却塔和冷却水泵；冷冻干燥箱内设有搁板，搁板内设有蒸发换热盘管和电加热丝；压缩机出口、冷凝器、制冷剂回热器高压通道、第一膨胀阀、蒸发换热盘管、制冷剂回热器低压通道、压缩机入口顺次连接；冷阱外设有冷却盘管；制冷剂回热器高压通道出口、第二膨胀阀、冷却盘管、制冷剂回热器低压通道入口顺次连接；冷冻干燥箱抽真空出口、真空隔膜阀、冷阱、电磁放气阀和真空泵顺次连接；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器稀溶液通道和再生器入口顺次连接；再生器溶液出口、氯化锂溶液回热器浓溶液通道、节流阀和冷阱溶液入口顺次连接；再生器内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口，盘管出口为再生器热驱动管出口。所述的冷阱中放置氯化锂溶液。

另一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于包括第一膨胀阀、冷冻干燥箱、第二膨胀阀、冷阱、冷却盘管、氯化锂溶液、真空隔膜阀、电磁放气阀、真空泵、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器、再生器、节流阀、再生器热驱动管入口、再生器热驱动管出口、发生器、氨水冷凝器、吸收器、氨水溶液泵、氨水溶液热交换器、氨水节流阀、发生器热驱动管入口、发生器热驱动出口管、冷却塔和冷却水泵；冷冻干燥箱内设有搁板，搁板内设有蒸发换热盘管和电加热丝；吸收器出口、氨水溶液泵、氨水溶液热交换器浓溶液通道和发生器浓溶液入口顺次连接；发生器稀溶液出口、氨水溶液热交换器稀溶液通道、氨水节流阀和吸收器稀溶液入口顺次连接；发生器氨蒸汽出口、氨水冷凝器、第一膨胀阀、蒸发换热盘管和吸收器氨蒸汽入口顺次连接；冷阱外设有冷却盘管；氨水冷凝器出口、第二膨胀阀、冷却盘管和吸收器氨蒸汽入口顺次连接；冷却塔冷却水出口、冷却水泵、吸收器、氨水冷凝器和冷却塔冷却水入口顺次连接；冷冻干燥箱抽真空出口、真空隔膜阀、冷阱、电磁放气阀和真空泵顺次连接；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器稀溶液通道和再生器入口顺次连接；再生器溶液出口、氯化锂溶液回热器浓溶液通道、节流阀和冷阱溶液入口顺次连接；再生器内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口，盘管出口为再生器热驱动管出口；发生器内设有盘管，盘管入口为发生器热驱动管入口，盘管出口为发生器热驱动出口管。所述的发生器热驱动管入口、发生器热驱动出口管、再生器热驱动管入口20和再生器热驱动管出口顺次连接。

本发明具有的有益效果是采用低温的氯化锂溶液代替水蒸气冷凝器吸收干燥过程中样品升华的大部分水蒸气，所需制冷温度在-20℃到-30℃左右，即可保证冷冻干燥箱的隔板和冷阱之间有足够的水蒸汽压力差作为驱动力，该制冷温度采用通常的单级蒸汽压缩制冷或者氨水吸收式制冷系统即可达到，而无需采用复杂的两级蒸汽压缩制冷或者自复叠制冷循环，同时还极大的节省了能量的消耗。通过氯化锂溶液再生系统可以实现氯化锂溶液从稀溶液再生为浓溶液，去除了传统冷冻干燥机冷阱额外的停机步骤对冷阱进行除霜或融冰处理，该循环过程可以连续不断的进行，可以大大提高生产效率。

本发明的冷冻干燥机采用氨水吸收式制冷系统的另一个有益效果是可以利用低品位热源驱动氨水吸收式制冷系统，同时从氨水吸收式制冷系统排出更低的热源还可以为氯化锂溶液再生系统提供热量，从而充分实现低品位热源的梯级利用，达到节能和环保的目的

附图说明

图1是冷阱可自循环再生的冷冻干燥机结构示意图。

图2是另一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机的结构示意图。

图3是单级氨水吸收式制冷系统的理想蒸发温度对应的最低发生器温度。

图中：压缩机1、冷凝器2、制冷剂回热器3、第一膨胀阀4、冷冻干燥箱5、搁板6、蒸发换热盘管7、电加热丝8、第二膨胀阀9、冷阱10、冷却盘管11、氯化锂溶液12、真空隔膜阀13、电磁放气阀14、真空泵15、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17、再生器18、节流阀19、再生器热驱动管入口20、再生器热驱动管出口21、发生器22、氨水冷凝器23、吸收器24、氨水溶液泵25、氨水溶液热交换器26、氨水节流阀27、发生器热驱动管入口28、发生器热驱动出口管29、冷却塔30、冷却水泵31。

具体实施方式

如附图1所示，冷阱可自循环再生的冷冻干燥机包括压缩机1、冷凝器2、制冷剂回热器3、第一膨胀阀4、冷冻干燥箱5、第二膨胀阀9、冷阱10、冷却盘管11、氯化锂溶液12、真空隔膜阀13、电磁放气阀14、真空泵15、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17、再生器18、节流阀19、再生器热驱动管入口20、再生器热驱动管出口21、发生器22、氨水冷凝器23、吸收器24、氨水溶液泵25、氨水溶液热交换器26、氨水节流阀27、发生器热驱动管入口28、发生器热驱动出口管29、冷却塔30和冷却水泵31；冷冻干燥箱5内设有搁板6，搁板6内设有蒸发换热盘管7和电加热丝8；压缩机1出口、冷凝器2、制冷剂回热器3高压通道、第一膨胀阀4、蒸发换热盘管7、制冷剂回热器3低压通道、压缩机1入口顺次连接；冷阱10外设有冷却盘管11；制冷剂回热器3高压通道出口、第二膨胀阀9、冷却盘管11、制冷剂回热器3低压通道入口顺次连接；冷冻干燥箱5抽真空出口、真空隔膜阀13、冷阱10、电磁放气阀14和真空泵15顺次连接；冷阱10溶液出口、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17稀溶液通道和再生器18入口顺次连接；再生器18溶液出口、氯化锂溶液回热器17浓溶液通道、节流阀19和冷阱10溶液入口顺次连接；再生器18内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口20，盘管出口为再生器热驱动管出口21。所述的冷阱10中放置氯化锂溶液12。

如附图2所示，另一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于包括第一膨胀阀4、冷冻干燥箱5、第二膨胀阀9、冷阱10、冷却盘管11、氯化锂溶液12、真空隔膜阀13、电磁放气阀14、真空泵15、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17、再生器18、节流阀19、再生器热驱动管入口20、再生器热驱动管出口21、发生器22、氨水冷凝器23、吸收器24、氨水溶液泵25、氨水溶液热交换器26、氨水节流阀27、发生器热驱动管入口28、发生器热驱动出口管29、冷却塔30和冷却水泵31；冷冻干燥箱5内设有搁板6，搁板6内设有蒸发换热盘管7和电加热丝8；吸收器24出口、氨水溶液泵25、氨水溶液热交换器26浓溶液通道和发生器22浓溶液入口顺次连接；发生器22稀溶液出口、氨水溶液热交换器26稀溶液通道、氨水节流阀27和吸收器24稀溶液入口顺次连接；发生器22氨蒸汽出口、氨水冷凝器23、第一膨胀阀4、蒸发换热盘管7和吸收器24氨蒸汽入口顺次连接；冷阱10外设有冷却盘管11；氨水冷凝器23出口、第二膨胀阀9、冷却盘管11和吸收器24氨蒸汽入口顺次连接；冷却塔30冷却水出口、冷却水泵31、吸收器24、氨水冷凝器23和冷却塔30冷却水入口顺次连接；冷冻干燥箱5抽真空出口、真空隔膜阀13、冷阱10、电磁放气阀14和真空泵15顺次连接；冷阱10溶液出口、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17稀溶液通道和再生器18入口顺次连接；再生器18溶液出口、氯化锂溶液回热器17浓溶液通道、节流阀19和冷阱10溶液入口顺次连接；再生器18内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口20，盘管出口为再生器热驱动管出口21；发生器22内设有盘管，盘管入口为发生器热驱动管入口28，盘管出口为发生器热驱动出口管29。所述的发生器热驱动管入口28、发生器热驱动出口管29、再生器热驱动管入口20和再生器热驱动管出口21顺次连接。

本发明冷冻干燥机的氨水吸收式制冷系统所需提供的低品位热源温度大致估算如下：根据附图3(洪大良，唐黎明，陈光明，一个高效的两级吸收式制冷循环，太阳能学报，2010(9))所示，当环境温度即冷凝器温度和吸收器温度为32℃时，获得-30℃的蒸发制冷温度所需的最低发生器温度约为130℃左右，为了提供冷冻干燥箱和冷阱所需的冷量，热源温度一般要求达到140-150℃，此时氨水吸收式制冷系统的效率大概为0.35；当所需的蒸发温度为-20℃时，在相同环境温度下所需热源温度120℃左右，制冷效率可达到0.45以上。因此一般的工业生产中排放的废热水或热蒸汽完全可以达到此温度要求。

本发明的氯化锂溶液再生系统所需的热源温度大致估算如下：根据文献(Manuel R.Conde，Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides：formulations for use in airconditioning equipment design，International Journal ofThermal Sciences，2004(3))中给出的氯化锂溶液的物性：-30℃时，氯化锂的质量分数在16％-33％范围内为溶液状态，如果选取30％氯化锂溶液作为水蒸气吸收剂，在该温度下纯水和氯化锂溶液的饱和蒸汽压分别为50.91Pa和18.71Pa；-20℃时，氯化锂溶液的质量分数范围是13％-37％，如果选取35％氯化锂溶液为冷阱的吸收剂，纯水和氯化锂溶液的饱和蒸汽压分别为125.24Pa和30.10Pa。由上述数据可见纯水和氯化锂盐溶液的饱和蒸汽压存在足够大的压力差作为一次干燥时水蒸气升华的驱动力。真空泵对冷冻干燥箱和冷阱抽真空，其真空要求最佳为10Pa以下。氯化锂溶液再生系统需要提供热量，使吸收了水蒸气的稀氯化锂溶液发生为浓溶液(浓溶液的质量分数根据制冷温度的不同大概为30-35％范围内)。一般温度为30-40℃、相对湿度为50％的环境空气，其水蒸气分压力为2000-3600Pa左右；因此当再生器提供的热源温度达到80℃左右时，质量分数为30-35％的氯化锂溶液其水蒸气分压力可达到22450-16635Pa，足够使稀氯化锂溶液发生成为浓溶液。

根据对氨水吸收式制冷系统和氯化锂溶液再生系统所需热源温度的估算可知，可以利用工厂排出的废热水或热蒸汽(120-150℃)作为低品位热源，驱动氨水吸收式制冷系统，提供冷冻干燥机的冷冻干燥箱和冷阱所需要的冷量；同时，从氨水吸收式制冷系统排出的热水或热蒸汽(80℃左右)可以再为氯化锂溶液再生系统提供热量，在再生器中生成浓氯化锂溶液。从而充分实现了废弃低品位热源的梯级利用，达到节能和环保的目的。通过本发明的冷冻干燥机，可以利用低品位热源实现生物材料，特别是食品等冷冻温度和一次干燥温度比较高的生物材料的大规模冷冻干燥，具有生产效率高、节能和环保等优点。

Claims

1.一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于包括压缩机(1)、冷凝器(2)、制冷剂回热器(3)、第一膨胀阀(4)、冷冻干燥箱(5)、第二膨胀阀(9)、冷阱(10)、冷却盘管(11)、氯化锂溶液(12)、真空隔膜阀(13)、电磁放气阀(14)、真空泵(15)、氯化锂溶液泵(16)、氯化锂溶液回热器(17)、再生器(18)、节流阀(19)、再生器热驱动管入口(20)、再生器热驱动管出口(21)；冷冻干燥箱(5)内设有搁板(6)，搁板(6)内设有蒸发换热盘管(7)和电加热丝(8)；压缩机(1)出口、冷凝器(2)、制冷剂回热器(3)高压通道、第一膨胀阀(4)、蒸发换热盘管(7)、制冷剂回热器(3)低压通道、压缩机(1)入口顺次连接；冷阱(10)外设有冷却盘管(11)；制冷剂回热器(3)高压通道出口、第二膨胀阀(9)、冷却盘管(11)、制冷剂回热器(3)低压通道入口顺次连接；冷冻干燥箱(5)抽真空出口、真空隔膜阀(13)、冷阱(10)、电磁放气阀(14)和真空泵(15)顺次连接；冷阱(10)溶液出口、氯化锂溶液泵(16)、氯化锂溶液回热器(17)稀溶液通道和再生器(18)入口顺次连接；再生器(18)溶液出口、氯化锂溶液回热器(17)浓溶液通道、节流阀(19)和冷阱(10)溶液入口顺次连接；再生器(18)内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口(20)，盘管出口为再生器热驱动管出口(21)。

2.根据权利要求1所述的一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于所述的冷阱(10)中放置氯化锂溶液(12)。

3.一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于包括第一膨胀阀(4)、冷冻干燥箱(5)、第二膨胀阀(9)、冷阱(10)、冷却盘管(11)、氯化锂溶液(12)、真空隔膜阀(13)、电磁放气阀(14)、真空泵(15)、氯化锂溶液泵(16)、氯化锂溶液回热器(17)、再生器(18)、节流阀(19)、再生器热驱动管入口(20)、再生器热驱动管出口(21)、发生器(22)、氨水冷凝器(23)、吸收器(24)、氨水溶液泵(25)、氨水溶液热交换器(26)、氨水节流阀(27)、发生器热驱动管入口(28)、发生器热驱动出口管(29)、冷却塔(30)和冷却水泵(31)；冷冻干燥箱(5)内设有搁板(6)，搁板(6)内设有蒸发换热盘管(7)和电加热丝(8)；吸收器(24)出口、氨水溶液泵(25)、氨水溶液热交换器(26)浓溶液通道和发生器(22)浓溶液入口顺次连接；发生器(22)稀溶液出口、氨水溶液热交换器(26)稀溶液通道、氨水节流阀(27)和吸收器(24)稀溶液入口顺次连接；发生器(22)氨蒸汽出口、氨水冷凝器(23)、第一膨胀阀(4)、蒸发换热盘管(7)和吸收器(24)氨蒸汽入口顺次连接；冷阱(10)外设有冷却盘管(11)；氨水冷凝器(23)出口、第二膨胀阀(9)、冷却盘管(11)和吸收器(24)氨蒸汽入口顺次连接；冷却塔(30)冷却水出口、冷却水泵(31)、吸收器(24)、氨水冷凝器(23)和冷却塔(30)冷却水入口顺次连接；冷冻干燥箱(5)抽真空出口、真空隔膜阀(13)、冷阱(10)、电磁放气阀(14)和真空泵(15)顺次连接；冷阱(10)溶液出口、氯化锂溶液泵(16)、氯化锂溶液回热器(17)稀溶液通道和再生器(18)入口顺次连接；再生器(18)溶液出口、氯化锂溶液回热器(17)浓溶液通道、节流阀(19)和冷阱(10)溶液入口顺次连接；再生器(18)内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口(20)，盘管出口为再生器热驱动管出口(21)；发生器(22)内设有盘管，盘管入口为发生器热驱动管入口(28)，盘管出口为发生器热驱动出口管(29)。

4.根据权利要求3所述的一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，其特征在于所述的发生器热驱动管入口(28)、发生器热驱动出口管(29)、再生器热驱动管入口(20)和再生器热驱动管出口(21)顺次连接。