CN110081675B - 一种新型冷冻干燥机冷热一体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，该系统包括：介式制冷循环，温升水循环和干燥室；其中介式制冷循环由三台压缩机、三台冷凝器、四台板翅式换热器、一台膨胀机、两个节流阀、两个控制阀门、一个分流器和一个混合器组成，温升水循环由一个水箱、两个分流器、一个混合器、一台水泵和六个阀门组成，干燥室由温升室、速冻室和载物板、干燥仓组成；当干燥室进行速冻时，系统开启介式制冷循环进行速冻，当干燥室进行干燥时，开启温升水循环进行水分升华干燥。本发明中的冷冻干燥机冷热一体系统流程简单、能耗低、启动快、维护及安装方便，适用温域广，推广应用价值高。

Description

一种新型冷冻干燥机冷热一体系统
技术领域
本发明属于化工与低温工程技术领域，具体涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统。
背景技术
冷冻干燥技术是将含水物料冷冻成固体，在低温低压条件下利用水的升华性能，使物料低温脱水而达到干燥目的的一种干燥方法。冻干技术作为一种高新技术应用在食品工业中，有效的保持了物料原有的色、香、味及营养物质等。对食品工业的发展具有推动作用，提高食品加工业的技术含量，使食品工业发生质的飞跃，但是，如今冷冻干燥机结构流程复杂，能耗较高，效率较低，采用的制冷剂依旧是氟利昂，受到国家限制，不仅造成经济损失，而且带来较大的环境污染。
现有的冷冻干燥系统制冷和加热是采用不同的方式，分为两个系统，结构繁琐，能耗损失大，比较缺乏有针对性冷热一体的综合系统。致使原来系统被逐步淘汰。
发明内容
针对以上所述问题，本发明提供了一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，该系统具有流程简单、能耗低、启动快、适用温域大、维护及安装方便等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述系统包括：介式制冷循环，温升水循环和干燥室；其中介式制冷循环由第一级制冷剂压缩机（1）、第二级制冷剂压缩机（5）、第三级制冷剂压缩机（9）、第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10）、综合换热器（4）、第二三级交叉换热器（8）、第三级低温换热器（12）、第三级中温换热器（14）、第一级制冷剂膨胀机（3）、第二级制冷剂节流阀（7）、第三级制冷剂节流阀（11）、中温制冷剂分流器（13）、中低温制冷剂混合器（15）、中温制冷剂控制阀（31）、低温制冷剂控制阀（32）组成，介式制冷循环中每级所使用制冷剂均为有机工质；温升水循环包括温升控制阀（20）、水箱（21）、高温水流调节阀（22）、水流量总控制阀（23）、冷却水分流器（24）、第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）、冷却水混合器（28）、高温水泵（29）、高温水分流器（30）；干燥室包括速冻室（16）、载物板（17）、温升室（18）、干燥仓（19）。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述系统中，当干燥室进行速冻时，系统开启介式制冷循环，使干燥仓（19）维持低温，通过速冻室（16）进行速冻，当干燥室进行干燥时，开启温升水循环，通过温升室（18）升温，进而水分升华干燥。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述介式制冷循环中，由介式制冷循环第一级制冷循环、介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环经综合换热器（4）连接而成。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述介式制冷循环中第一级制冷循环，第一级制冷剂压缩机（1）、第一级制冷剂冷凝器（2）、第一级制冷剂膨胀机（3）、综合换热器（4）的进出口依次相连，所述第一级制冷剂压缩机（1）和第一级制冷剂膨胀机（3）同轴联动，实现第一级制冷剂膨胀机（3）的膨胀功直接输入第一级制冷剂压缩机（1），节省功耗，所述综合换热器（4）为三股流，一股冷流体，两种热流体，其中冷流体的入口为第一级制冷剂膨胀机（3）的出口，实现第一级制冷循环为第二级制冷循环和第三级制冷循环的制冷剂预冷。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述介式制冷循环中第二级制冷循环，第二级制冷剂压缩机（5）、第二级制冷剂冷凝器（6）、综合换热器（4）、第二级制冷剂节流阀（7）、第二三级交叉换热器（8）、第三级中温换热器（14）的进出口依次相连，所述第二三级交叉换热器（8）为两股流，其中冷流体入口为第二级制冷剂节流阀（7）的出口，实现第二级制冷循环向第三级制冷循环的冷量传递。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述介式制冷循环中第三级制冷循环，第三级制冷剂压缩机（9）、第三级制冷剂冷凝器（10）、综合换热器（4）、第二三级交叉换热器（8）、第三级制冷剂节流阀（11）、第三级低温换热器（12）、第三级中温换热器（14）、进出口依次相连，所述第三级低温换热器（12）为两股流，其中冷流体入口为第三级制冷剂节流阀（11）的出口，实现第三级制冷循环低温冷量向速冻室（16）的传递。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述介式制冷循环中第三级中温换热器（14）为三股流，两股冷流体和一股热流体，其中两股冷流体的入口分别为第二级制冷剂节流阀（7）节流后流经第二三级交叉换热器（8）的出口和第三级制冷剂节流阀（11）节流后流经第三级低温换热器（12）的出口，热流经第三级中温换热器（14）降温后经中温制冷剂分流器（13）分为两股，一股经中温制冷剂控制阀（31）进入干燥仓（19）维持低温，另一股流经第三级低温换热器（12），通过低温制冷剂控制阀（32）进入速冻室（16）进行速冻，而后两种流体经中低温制冷剂混合器（15）混合实现干燥室冷量的循环。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述温升水循环中，水箱（21）、水流量总控制阀（23）、冷却水分流器（24）的进出口依次相连，所述冷却水分流器（24）将水分流后分别经第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）依次进入第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10），三股流体在冷却水混合器（28）中混合后经高温水泵（29）进入高温水分流器（30），所述高温水分流器（30），分流后，一股经高温水流调节阀（22）直接进入水箱（21），另一股进入温升室（18），而后经温升控制阀（20）进入水箱（21），从而实现温升水循环。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述干燥室，由速冻室（16）、载物板（17）、温升室（18）、干燥仓（19）组合而成。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，所述速冻室（16）速冻温度在-70℃以下，所述温升室（18）流体温度在10℃以上。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，介式制冷循环中，所述制冷剂均为有机工质。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，有效地将介式制冷循环和温升水循环工艺结合在一起，大大降低到了系统能耗。
本发明涉及一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，利用油气行业通用性很强的HYSYS软件进行模拟计算，利用该新型产品进行实验验证。
附图说明
附图1为新型冷冻干燥机冷热一体系统工艺流程图。
其中：1-第一级制冷剂压缩机，2-第一级制冷剂冷凝器，3-第一级制冷剂膨胀机，4-综合换热器，5-第二级制冷剂压缩机，6-第二级制冷剂冷凝器，7-第二级制冷剂节流阀，8-第二三级交叉换热器，9-第三级制冷剂压缩机，10-第三级制冷剂冷凝器，11-第三级制冷剂节流阀，12-第三级低温换热器，13-中温制冷剂分流器，14-第三级中温换热器，15-中低温制冷剂混合器，16- 速冻室，17- 载物板，18- 温升室，19-干燥仓，20- 温升控制阀，21-水箱，22- 高温水流调节阀，23- 水流量总控制阀，24- 冷却水分流器，25- 第一级冷却水控制阀，26-第二级冷却水控制阀，27- 第三级冷却水控制阀，28- 冷却水混合器，29- 高温水泵，30- 高温水分流器，31-中温制冷剂控制阀，32-低温制冷剂控制阀。
具体实施方式
下面结合附图1与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，如附图1所示，该系统包括介式制冷循环，温升水循环和干燥室。
本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，当干燥室进行速冻时，系统开启介式制冷循环进行速冻，当干燥室进行干燥时，开启温升水循环进行水分升华干燥。
本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其中介式制冷循环由介式制冷循环第一级制冷循环、介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环经综合换热器（4）连接而成。介式制冷循环中第一级制冷循环中，第一级制冷剂压缩机（1）、第一级制冷剂冷凝器（2）、第一级制冷剂膨胀机（3）、综合换热器（4）的进出口依次相连，所述第一级制冷剂压缩机（1）和第一级制冷剂膨胀机（3）同轴联动，所述综合换热器（4）为三股流，一股冷流体，两种热流体，其中冷流体的入口为第一级制冷剂膨胀机（3）的出口；介式制冷循环中第二级制冷循环中，第二级制冷剂压缩机（5）、第二级制冷剂冷凝器（6）、综合换热器（4）、第二级制冷剂节流阀（7）、第二三级交叉换热器（8）、第三级中温换热器（14）的进出口依次相连，所述第二三级交叉换热器（8）为两股流，其中冷流体入口为第二级制冷剂节流阀（7）的出口；介式制冷循环中第三级制冷循环中，第三级制冷剂压缩机（9）、第三级制冷剂冷凝器（10）、综合换热器（4）、第二三级交叉换热器（8）、第三级制冷剂节流阀（11）、第三级低温换热器（12）、第三级中温换热器（14）、进出口依次相连，所述第三级低温换热器（12）为两股流，其中冷流体入口为第三级制冷剂节流阀（11）的出口，介式制冷循环中第三级中温换热器（14）为三股流，两股冷流体和一股热流体，其中两股冷流体的入口分别为第二级制冷剂节流阀（7）节流后流经第二三级交叉换热器（8）的出口和第三级制冷剂节流阀（11）节流后流经第三级低温换热器（12）的出口，热流经第三级中温换热器（14）降温后经中温制冷剂分流器（13）分为两股，一股经中温制冷剂控制阀（31）进入干燥仓（19）维持低温，另一股流经第三级低温换热器（12），通过低温制冷剂控制阀（32）进入速冻室（16）进行速冻，而后两种流体经中低温制冷剂混合器（15）混合后进行循环。介式制冷循环中每级所使用制冷剂均为有机工质。
本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其中温升水循环，水箱（21）、水流量总控制阀（23）、冷却水分流器（24）的进出口依次相连，所述冷却水分流器（24）分流后分别经第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）分别进入第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10），而后在冷却水混合器（28）中混合经高温水泵（29）进入高温水分流器（30），所述高温水分流器（30）分流后，一股经高温水流调节阀（22）直接进入水箱（21），另一股进入温升室（18），而后经温升控制阀（20）进入水箱（21）。
本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其中干燥室由速冻室（16）、载物板（17）、温升室（18）、干燥仓（19）组合而成。
应用本发明的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统的方法具体见以下实施例。
某冷冻干燥公司干燥室为100m³，要求干燥仓温度维持-35℃，速冻室速冻温度为-80℃，温升室流体温度40℃，新型冷冻干燥机冷热一体系统运行的具体步骤如下。
当冷冻干燥开始时，系统首先启动温升水循环，待温升水循环稳定后，再依次开启介式制冷循环中介式制冷循环第一级制冷循环、介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环。
1、系统启动温升水循环时，循环中温升控制阀（20）、高温水流调节阀（22）、水流量总控制阀（23）、第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）依次打开，然后开启高温水泵（29），从水箱流出经水流量总控制阀（23）的流体（5-1）经冷却水分流器（24）分流为（5-2）、（5-3）、（5-4），分别流经第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10）后在冷却水混合器（28）中混合经高温水泵（29）形成流体（5-8），流体（5-8）经高温水分流器（30）分流后，一股（5-10）经高温水流调节阀（22）直接进入水箱（21），另一股（5-9）进入温升室（18），而后经温升控制阀（20）进入水箱（21），从而实现温升水循环。
2、步骤1，待温升水循环稳定，依次开启介式制冷循环中介式制冷循环第一级制冷循环、介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环。
3、开启介式制冷循环第一级制冷循环时，首先开启第一级制冷剂压缩机（1），制冷剂（1-4）经压缩后流经第一级制冷剂冷凝器（2）被流体（5-2）冷却，再经过第一级制冷剂膨胀机（3）膨胀降温后形成流体（1-3），在综合换热器（4）中为介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环提供预冷，其中第一级制冷剂压缩机（1）和第一级制冷剂膨胀机（3）设计为同轴联动，降低能耗，过程中需调节第一级冷却水控制阀（25）将流体（1-3）温度控制在-35℃。
4、步骤3，介式制冷循环第一级制冷循环稳定后，开启介式制冷循环第二级制冷循环。开启介式制冷循环第二级制冷循环时，首先开启第二级制冷剂压缩机（5），制冷剂（2-6）经压缩后经第二级制冷剂冷凝器（6）被流体（5-3）冷却，（2-2）被综合换热器（4）再次冷却后，经第二级制冷剂节流阀（7）节流降温依次进入第二三级交叉换热器（8）和第三级中温换热器（14）为其提供冷量，过程中调节第二级冷却水控制阀（26）将制冷剂（2-5）温度控制在-60℃。
5、步骤4，介式制冷循环第二级制冷循环稳定后，开启介式制冷循环第三级制冷循环。开启介式制冷循环第三级制冷循环时，首先开启第三级制冷剂压缩机（9），被压缩后的制冷剂（3-1）依次经过综合换热器（4）和第二三级交叉换热器（8）降温后，经第三级制冷剂节流阀（11）节流降温为第三级低温换热器（12）和第三级中温换热器（14）提供冷量，过程中需综合调节，将制冷剂（3-5）温度控制在-125℃，制冷剂（3-6）温度控制在-90℃。
6、步骤5，介式制冷循环第三级制冷循环稳定后，调节中温制冷剂控制阀（31），将干燥仓（19）的温度控制在-35℃，调节低温制冷剂控制阀（32），将速冻室（16）速冻温度控制在-80℃。

Claims (8)

1.一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，该系统包括介式制冷循环，温升水循环和干燥室；其中介式制冷循环由第一级制冷剂压缩机（1）、第二级制冷剂压缩机（5）、第三级制冷剂压缩机（9）、第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10）、综合换热器（4）、第二三级交叉换热器（8）、第三级低温换热器（12）、第三级中温换热器（14）、第一级制冷剂膨胀机（3）、第二级制冷剂节流阀（7）、第三级制冷剂节流阀（11）、中温制冷剂分流器（13）、中低温制冷剂混合器（15）、中温制冷剂控制阀（31）、低温制冷剂控制阀（32）组成，介式制冷循环中每级所使用制冷剂均为有机工质；温升水循环由温升控制阀（20）、水箱（21）、高温水流调节阀（22）、水流量总控制阀（23）、冷却水分流器（24）、第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）、冷却水混合器（28）、高温水泵（29）、高温水分流器（30）组成；干燥室由速冻室（16）、载物板（17）、温升室（18）、干燥仓（19）组成；
所述介式制冷循环中，由介式制冷循环第一级制冷循环、介式制冷循环第二级制冷循环和介式制冷循环第三级制冷循环经综合换热器（4）连接而成；
所述介式制冷循环中第一级制冷循环，第一级制冷剂压缩机（1）、第一级制冷剂冷凝器（2）、第一级制冷剂膨胀机（3）、综合换热器（4）的进出口依次相连，所述第一级制冷剂压缩机（1）和第一级制冷剂膨胀机（3）同轴联动，所述综合换热器（4）为三股流，一股冷流体，两股热流体，其中冷流体的入口为第一级制冷剂膨胀机（3）的出口。
2.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，当干燥室进行速冻时，系统开启介式制冷循环进行速冻，当干燥室进行干燥时，开启温升水循环进行水分升华干燥。
3.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述介式制冷循环中第二级制冷循环，第二级制冷剂压缩机（5）、第二级制冷剂冷凝器（6）、综合换热器（4）、第二级制冷剂节流阀（7）、第二三级交叉换热器（8）、第三级中温换热器（14）的进出口依次相连，所述第二三级交叉换热器（8）为两股流，其中冷流体入口为第二级制冷剂节流阀（7）的出口。
4.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述介式制冷循环中第三级制冷循环，第三级制冷剂压缩机（9）、第三级制冷剂冷凝器（10）、综合换热器（4）、第二三级交叉换热器（8）、第三级制冷剂节流阀（11）、第三级低温换热器（12）、第三级中温换热器（14）、进出口依次相连，所述第三级低温换热器（12）为两股流，其中冷流体入口为第三级制冷剂节流阀（11）的出口。
5.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述介式制冷循环中第三级中温换热器（14）为三股流，两股冷流体和一股热流体，其中两股冷流体的入口分别为第二级制冷剂节流阀（7）节流后流经第二三级交叉换热器（8）的出口和第三级制冷剂节流阀（11）节流后流经第三级低温换热器（12）的出口，热流经第三级中温换热器（14）降温后经中温制冷剂分流器（13）分为两股，一股经中温制冷剂控制阀（31）进入干燥仓（19）维持低温，另一股流经第三级低温换热器（12），通过低温制冷剂控制阀（32）进入速冻室（16）进行速冻，而后两种流体经中低温制冷剂混合器（15）混合后进行循环。
6.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述温升水循环中，水箱（21）、水流量总控制阀（23）、冷却水分流器（24）的进出口依次相连，所述冷却水分流器（24）分流后分别经第一级冷却水控制阀（25）、第二级冷却水控制阀（26）、第三级冷却水控制阀（27）分别进入第一级制冷剂冷凝器（2）、第二级制冷剂冷凝器（6）、第三级制冷剂冷凝器（10），而后在冷却水混合器（28）中混合经高温水泵（29）进入高温水分流器（30），所述高温水分流器（30）分流后，一股经高温水流调节阀（22）直接进入水箱（21），另一股进入温升室（18），而后经温升控制阀（20）进入水箱（21）。
7.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述干燥室中，包括速冻室（16）、载物板（17）、温升室（18）、干燥仓（19）组合而成。
8.根据权利要求1所述的一种新型冷冻干燥机冷热一体系统，其特征在于，所述速冻室（16）速冻温度在-70℃以下，所述温升室（18）流体温度在10℃以上。
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