RU2821115C1 - Sublimation dryer - Google Patents

Sublimation dryer Download PDF

Info

Publication number
RU2821115C1
RU2821115C1 RU2023132758A RU2023132758A RU2821115C1 RU 2821115 C1 RU2821115 C1 RU 2821115C1 RU 2023132758 A RU2023132758 A RU 2023132758A RU 2023132758 A RU2023132758 A RU 2023132758A RU 2821115 C1 RU2821115 C1 RU 2821115C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
drying
pressure
steam
water
stage
Prior art date
Application number
RU2023132758A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Андреевич Финников
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2821115C1 publication Critical patent/RU2821115C1/en

Links

Abstract

FIELD: sublimation drying.
SUBSTANCE: invention relates to devices for sublimation drying. Sublimation of thermolabile material is carried out using a device comprising a drying chamber and a condensation chamber, between which there is a multistage (two-stage) turbocompressor equipped with an intermediate steam cooler between the stages. Device is also equipped with a control unit, pressure and temperature sensors, valves and pumps. At the same time in the drying chamber conditions are provided below the water triple point, and the condensation chamber is provided with conditions above the water triple point.
EFFECT: increasing energy efficiency and accelerating the drying process.
5 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к сушильной технике, а именно к установкам для сублимационной сушки.The invention relates to drying equipment, namely to installations for sublimation drying.

Устройства для сублимационной сушки (или лиофильная сушка – англ. freeze dryer) обеспечивают удаление растворителя из замороженных растворов, гелей, суспензий и биологических объектов. Процесс сублимационной сушки основан на сублимации затвердевшего растворителя (льда) без образования макроколичеств жидкой фазы. Сублимационная сушка позволяет хранить продукты значительное время без потери полезных свойств.Devices for freeze drying (or freeze dryer) ensure the removal of solvent from frozen solutions, gels, suspensions and biological objects. The freeze-drying process is based on the sublimation of a solidified solvent (ice) without the formation of macroquantities of the liquid phase. Freeze drying allows you to store products for a significant period of time without losing their beneficial properties.

В настоящее время известно много способов и устройств для сублимационной сушки различных продуктов и материалов. Устройства для сублимационной сушки могут быть емкостные, ленточные, барабанного типа, конвейерно-циклические и т.д., а исходный продукт для сублимационной сушки может быть в различных агрегатных состояниях (жидкость, лед, суспензия, паста, гранулы и т.д.). Признаками подавляющего большинства способов и устройств для сублимационной сушки являются следующие: Currently, many methods and devices are known for freeze-drying various products and materials. Devices for freeze-drying can be capacitive, belt, drum-type, conveyor-cyclic, etc., and the initial product for freeze-drying can be in various states of aggregation (liquid, ice, suspension, paste, granules, etc.) . The characteristics of the vast majority of methods and devices for freeze drying are the following:

1. Давление в камере сушки ниже давления тройной точки воды.1. The pressure in the drying chamber is below the pressure of the triple point of water.

2. Влага в высушиваемом материале содержится в твердой фазе.2. The moisture in the material being dried is contained in the solid phase.

3. Высушиваемый материал получает тепло от нагревателей различных типов (радиационный, микроволновой и другие), благодаря чему нагревается до температур выше температуры равновесия между газообразной и твердой фазой воды, и влага в материале претерпевает процесс сублимации.3. The dried material receives heat from various types of heaters (radiation, microwave and others), due to which it is heated to temperatures above the equilibrium temperature between the gaseous and solid phases of water, and the moisture in the material undergoes a process of sublimation.

4. В камере сушки или в объеме, непосредственно связанным с камерой сушки, располагаются поверхности, охлаждаемые до температур ниже температуры равновесия между газообразной и твердой фазой воды, и на этих поверхностях пар конденсируется с образованием твердой фазы воды.4. In the drying chamber or in a volume directly connected to the drying chamber, there are surfaces cooled to temperatures below the equilibrium temperature between the gaseous and solid phases of water, and on these surfaces the steam condenses to form the solid phase of water.

5. Газовая среда устройства образована водяным паром с примесями других газов, доля которых мала. Данное условие обеспечивается при помощи вакуумных насосов, производящих первичное откачивание объема до начала сублимации и продолжающих удалять из объема неконденсирующиеся газы в ходе процесса сублимации.5. The gaseous environment of the device is formed by water vapor with impurities of other gases, the proportion of which is small. This condition is ensured with the help of vacuum pumps that perform initial pumping of the volume before sublimation begins and continue to remove non-condensable gases from the volume during the sublimation process.

Недостатком способов и устройств, отвечающих указанным признакам, является то, что образующийся на охлаждаемой поверхности слой льда требует периодического удаления, что усложняет устройство и технологический процесс. Кроме того, слой льда на поверхности теплообменника создает термическое сопротивление передаче тепла конденсации, что ужесточает требования к системе отвода тепла от охлаждаемой поверхности.The disadvantage of methods and devices that meet these characteristics is that the layer of ice formed on the cooled surface requires periodic removal, which complicates the device and the technological process. In addition, a layer of ice on the surface of the heat exchanger creates thermal resistance to the heat transfer of condensation, which tightens the requirements for the heat removal system from the cooled surface.

Известно устройство сублимационной сушки (компания EnWave, Канада) US 2020/02003751A “Dehydration below the triple point of water” где представлен способ сублимационной сушки с применением нагрева органического материала микроволновым излучением, причем устройство также содержит промежуточный вакуумный насос (booster pump - eng) с возможностью повышения давления до 10-кратного уровня от давления в камере сублимации, благодаря чему давление в камере конденсации может превышать давление тройной точки. Данное устройство непрактично по причине высокого энергопотребления промежуточными вакуумными насосами, используемыми в данной отрасли. Эти насосы относятся к объемному типу и затрачивают существенную мощность на механическое трение. При этом пар в устройствах сублимации имеет низкое давление (десятки Па), поэтому доля работы, затрачиваемой насосом на сжатие пара, будет намного меньше доли работы, расходуемой на преодоление трения. Вакуумные насосы применяются в сублимационных установках для отведения лишь незначительной части водяного пара в смеси с неконденсирующимися газами. A freeze-drying device is known (EnWave, Canada) US 2020/02003751A “Dehydration below the triple point of water”, which presents a method of freeze-drying using microwave heating of organic material, and the device also contains an intermediate vacuum pump (booster pump - eng) with the ability to increase the pressure to 10 times the pressure in the sublimation chamber, due to which the pressure in the condensation chamber can exceed the triple point pressure. This device is impractical due to the high energy consumption of intermediate vacuum pumps used in the industry. These pumps are of the positive displacement type and expend significant power on mechanical friction. At the same time, the steam in sublimation devices has low pressure (tens of Pa), so the share of work spent by the pump on compressing the steam will be much less than the share of work spent on overcoming friction. Vacuum pumps are used in sublimation installations to remove only a small part of water vapor mixed with non-condensable gases.

В предложенном устройстве для лиофильной сушки используют компрессоры динамического типа – осевые или центробежные турбокомпрессоры с достаточно большой объемной производительностью на входе. В качестве примера укажем, что установка лиофильной сушки производительностью 1 кг сырья в час при 50% влажности сырья, при давлении в сушильной камере 100 Па должна быть обеспечена турбокомпрессором производительностью около 1000 м3/час. Потребная степень сжатия составляет около 10. При сжатии в одну стадию, согласно уравнению адиабатического процесса In the proposed device for freeze drying, dynamic type compressors are used - axial or centrifugal turbocompressors with a sufficiently large volumetric capacity at the inlet. As an example, we point out that a freeze drying installation with a capacity of 1 kg of raw materials per hour at 50% moisture content of the raw materials, with a pressure in the drying chamber of 100 Pa, should be provided with a turbocompressor with a capacity of about 1000 m 3 / hour. The required compression ratio is about 10. When compressed in one stage, according to the equation of the adiabatic process

где – показатель адиабаты, и с учетом неидеальности процесса сжатия, температура пара в турбокомпрессоре достигает не менее 500-600 К, что существенно усложняет устройство турбокомпресора. Поэтому сжатие необходимо проводить не менее чем в 2 стадии с промежуточным охлаждением. Операция может быть проведена, например, двумя компрессорами KTurboTCL-100 (Корея), включенными последовательно, через один промежуточный охладитель пара.Where – adiabatic index, and taking into account the imperfection of the compression process, the temperature of the steam in the turbocharger reaches at least 500-600 K, which significantly complicates the design of the turbocharger. Therefore, compression must be carried out in at least 2 stages with intermediate cooling. The operation can be carried out, for example, by two KTurboTCL-100 compressors (Korea), connected in series, through one steam intercooler.

Цель изобретения – устройство сублимационной (лиофильной) сушки, которое обеспечивает практичный и энергетически выгодный способ сушки, включающего сжатие водяного пара и его конденсацию с образованием жидкой фазы. Устройство позволяет ускорить процесс лиофильной сушки за счет непрерывного отвода конденсата в виде жидкой воды.The purpose of the invention is a freeze-drying device, which provides a practical and energy-efficient drying method, including compression of water vapor and its condensation to form a liquid phase. The device allows you to speed up the freeze drying process due to the continuous removal of condensate in the form of liquid water.

Цель изобретения достигается с помощью устройства включающего камеру сушки и камеру конденсации, между которыми установлен многоступенчатый турбокомпрессор, оборудованный промежуточным охладителем пара между ступенями. При этом в камере сушки обеспечивают условия ниже тройной точки воды, а камере конденсации (конденсатор) обеспечивают условия выше тройной точки воды.The purpose of the invention is achieved using a device comprising a drying chamber and a condensation chamber, between which a multi-stage turbocharger is installed, equipped with a steam intercooler between the stages. At the same time, conditions are provided in the drying chamber below the triple point of water, and in the condensation chamber (condenser) conditions are provided above the triple point of water.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображена схема устройства для сублимационной сушки.In fig. 1 shows a diagram of a device for freeze drying.

На фиг. 2 изображена фазовая P-T диаграмма вблизи тройной точки воды и пример поведения пара в описанной установке для сублимационной сушки.In fig. Figure 2 shows the P-T phase diagram near the triple point of water and an example of the behavior of steam in the described freeze-drying installation.

Устройство сублимационной сушки содержит следующее компоненты, которые показаны на фиг.1. Устройство содержит камеру сушки (сублимации) 1, в которой располагается высушиваемый материал 2, теплоизолированные паропроводы 3, многоступенчатый турбокомпрессор с, по меньшей мере, двумя ступенями сжатия пара (на рис. 1 показаны две ступени 4 и 12), конденсатор 5, промежуточные охладители пара между ступенями турбокомпрессора (на рис. 1 показан один охладитель 6 между двумя ступенями). Внутри конденсатора и промежуточных охладителей располагаются теплообменники 7, в которые поступает охлаждающий теплоноситель из холодильной машины (внешний компонент, не показан). К камере конденсации 5 подсоединена труба для слива конденсата 8, ведущая к насосу 9, повышающему давление конденсата до атмосферного, и труба 10 для отвода смеси пара с неконденсирующимися газами с помощью вакуумного насоса 11. Устройство также включает не обозначенные на рисунке устройство для нагрева высушиваемого материала, датчики температуры и давления (установленные на камере сушки, промежуточных охладителях и конденсаторе), вентили для напуска внешней атмосферы, и блок управления, соединенный с устройством нагрева материала, датчиками, турбокомпрессором, насосами и запорными вентилями (не обозначены).The freeze-drying device contains the following components, which are shown in Fig.1. The device contains a drying (sublimation) chamber 1, in which the dried material 2 is located, thermally insulated steam lines 3, a multi-stage turbocompressor with at least two stages of vapor compression (Fig. 1 shows two stages 4 and 12), a condenser 5, intercoolers steam between the stages of the turbocharger (Fig. 1 shows one cooler 6 between two stages). Inside the condenser and intercoolers there are heat exchangers 7, which receive cooling fluid from the refrigeration machine (external component, not shown). Connected to the condensation chamber 5 is a pipe for draining condensate 8, leading to a pump 9, which increases the pressure of the condensate to atmospheric, and a pipe 10 for removing a mixture of steam and non-condensable gases using a vacuum pump 11. The device also includes a device for heating the material being dried, not indicated in the figure. , temperature and pressure sensors (installed on the drying chamber, intercoolers and condenser), valves for admitting external atmosphere, and a control unit connected to the material heating device, sensors, turbocharger, pumps and shut-off valves (not marked).

При этом устройство сублимационной сушки оборудовано многоступенчатым турбокомпрессором (число ступеней не менее двух), и между каждой парой ступеней размещены промежуточные охладители пара. Без ограничения общности изобретения, в данном документе приведено, в качестве примера, устройство для сублимационной сушки с двухступенчатым турбокомпрессором и одним промежуточным охладителем пара.In this case, the freeze-drying device is equipped with a multi-stage turbocompressor (the number of stages is at least two), and steam intercoolers are located between each pair of stages. Without limiting the generality of the invention, this document provides, as an example, a freeze drying apparatus with a two-stage turbocharger and one steam intercooler.

Устройство для сушки работает следующим образом. В камеру сушки 1 помещают высушиваемый материал 2. Предпочтительно, в камеру сушки помещают предварительно замороженный материал. Охлаждающий теплоноситель из холодильной установки охлаждает промежуточный теплообменник 7 и окончательный теплообменник 13. Включают вакуумный насос 11 для удаления воздуха из системы. При незапущенном турбокомпрессоре воздух свободно проходит из камеры сушки 1 через паропроводы 3 и ступени турбокомпрессора 4 и 12, затем попадает в камеру конденсации 5 и отсасывается наружу с помощью вакуумного насоса 11. The drying device operates as follows. The material to be dried is placed into the drying chamber 1. Preferably, previously frozen material is placed into the drying chamber. The cooling fluid from the refrigeration unit cools the intermediate heat exchanger 7 and the final heat exchanger 13. The vacuum pump 11 is turned on to remove air from the system. When the turbocompressor is not running, air freely passes from the drying chamber 1 through the steam lines 3 and turbocharger stages 4 and 12, then enters the condensation chamber 5 and is sucked out using the vacuum pump 11.

Двухступенчатый осевой турбокомпрессор (первая ступень 4 и вторая ступень 12), рассчитанный на низкую величину входного давления, запускается блоком управления после того, как давление в системе достигнет верхней границы его рабочего диапазона. В условиях низкого давления в камере сушки 1, обеспеченного работой вакуумного насоса 11 и многоступенчатого турбокомпрессора (ступени 4 и 12), начинается переход влаги от материала 2 в состояние пара. Когда давление в камере сушки 1 становится ниже тройной точки воды (Ptr = 611,7 Па), то влага в и сходном материале 2 находится в твердом состоянии (лед) – независимо от того, были ли материал 2 предварительно заморожен. После того, как давление в камере сушки 1 достигнет величины согласно техническими условиями сушки, включают устройство нагрева материала. Водяной пар в камере сушки 1 имеет температуру и давление ниже температуры и давления тройной точки воды (<611.7 Па). Пар по паропроводам 3 поступает последовательно в первую ступень 4 турбокомпрессора, промежуточный охладитель пара 6, затем во вторую ступень 12 турбокомпрессора. При прохождении ступеней многоступенчатого турбокомпрессора (ступени 4 и 12) водяной пар повышает свою температуру и давление в процессе, близком к изоэнтропическому. При прохождении промежуточного охладителя 6 пар при постоянном давлении снижает свою температуру, но остается выше точки конденсации воды. Пар после прохождения второй ступени 12 турбокомпрессора поступает в камеру конденсатора 5 (давление здесь превышает давление тройной точки воды), где конденсируется на теплообменнике 7 с образованием жидкой воды. При этом условия для пара в конденсаторе выше тройной точки воды, что определяют с помощью датчика температуры и давления в камере конденсатора 5. Нужная температура в теплообменнике 7 поддерживается выше нуля путем регулирования скорости подачи хладагента.A two-stage axial turbocharger (first stage 4 and second stage 12), designed for low inlet pressure, is started by the control unit after the system pressure reaches the upper limit of its operating range. Under conditions of low pressure in the drying chamber 1, provided by the operation of the vacuum pump 11 and a multi-stage turbocompressor (stages 4 and 12), the transition of moisture from material 2 to the state of steam begins. When the pressure in drying chamber 1 falls below the triple point of water (P tr = 611.7 Pa), then the moisture in material 2 is in a solid state (ice) - regardless of whether material 2 was previously frozen. After the pressure in the drying chamber 1 reaches a value according to the technical conditions of drying, the material heating device is turned on. The water vapor in the drying chamber 1 has a temperature and pressure below the temperature and pressure of the triple point of water (<611.7 Pa). Steam through steam lines 3 enters sequentially into the first stage 4 of the turbocompressor, the steam intercooler 6, then into the second stage 12 of the turbocompressor. As the water vapor passes through the stages of a multi-stage turbocharger (stages 4 and 12), it increases its temperature and pressure in a process that is close to isentropic. As steam passes through the intercooler 6 at constant pressure, it reduces its temperature, but remains above the water condensation point. The steam, after passing through the second stage 12 of the turbocompressor, enters the condenser chamber 5 (the pressure here exceeds the pressure of the triple point of water), where it condenses on the heat exchanger 7 to form liquid water. In this case, the conditions for steam in the condenser are above the triple point of water, which is determined using a temperature and pressure sensor in the condenser chamber 5. The desired temperature in the heat exchanger 7 is maintained above zero by regulating the refrigerant supply rate.

В процессе работы установки вода откачивается из камеры конденсации 5 жидкостным насосом 9, который повышает ее давление до атмосферного и далее вода выводится для последующего использования (или слива). Режим работы вакуумного насоса 11 регулируется таким образом, чтобы поддерживать содержание неконденсирующихся газов в конденсаторе 5 на допустимом уровне; превышение этого уровня может быть выявлено, например, по превышению разности между температурой поверхности теплообменника в конденсаторе 5 и температурой насыщенного пара при давлении, равном давлению в конденсаторе 5, величины 10 К. During operation of the installation, water is pumped out from the condensation chamber 5 by a liquid pump 9, which increases its pressure to atmospheric pressure and then the water is removed for subsequent use (or drainage). The operating mode of the vacuum pump 11 is adjusted in such a way as to maintain the content of non-condensable gases in the condenser 5 at an acceptable level; an excess of this level can be detected, for example, by the excess of the difference between the surface temperature of the heat exchanger in condenser 5 and the temperature of saturated steam at a pressure equal to the pressure in condenser 5 by 10 K.

При завершении процесса сублимационной сушки (мониторинг по показаниям датчиков температуры материала 2 и давления в камере сушки 1) производят остановку турбокомпрессора (ступени 4 и 12) и вакуумного насоса 11, далее производят напуск атмосферного воздуха в камеру сушки 1, в промежуточный охладитель пара 6, в камеру конденсации 5, и в камеру сушки 1, что позволяет извлечь высушенный (сублимированный) материал 2. Upon completion of the freeze-drying process (monitoring according to the readings of material temperature sensors 2 and pressure in the drying chamber 1), the turbocompressor (stages 4 and 12) and the vacuum pump 11 are stopped, then atmospheric air is injected into the drying chamber 1, into the steam intercooler 6, into the condensation chamber 5, and into the drying chamber 1, which allows you to extract the dried (sublimated) material 2.

Преимуществами данного устройства перед устройствами сублимационной сушки, в которых давление в камере сублимации и в камере конденсации близки, являются следующие.The advantages of this device over freeze-drying devices, in which the pressure in the sublimation chamber and in the condensation chamber are close, are the following.

1. Конденсация в конденсаторе происходит без образования льда и с выходом жидкой воды, которая не накапливается на поверхности конденсации, а удаляется из камеры водным насосом в процессе сушки. Это ускоряет в целом процесс сушки.1. Condensation in the condenser occurs without the formation of ice and with the release of liquid water, which does not accumulate on the condensation surface, but is removed from the chamber by a water pump during the drying process. This speeds up the overall drying process.

2. Температура охлаждающего теплоносителя в камере конденсации более высока, что снижает энергозатраты холодильной машины на охлаждение теплоносителя либо, в зависимости от степени сжатия пара компрессором, позволяет использовать в качестве охлаждающего теплоносителя оборотную воду. 2. The temperature of the cooling coolant in the condensation chamber is higher, which reduces the energy consumption of the refrigeration machine for cooling the coolant or, depending on the degree of vapor compression by the compressor, allows the use of recycled water as a cooling coolant.

Пример реализации изобретения.An example of the invention.

На фигуре 2 представлена P-T-диаграмма воды, на которую нанесены (для сравнения) линии P-T-процессов, происходящих с паром в устройстве без сжатия пара (в качестве сравнения) и в раскрытом устройстве с двухступенчатым турбокомпрессором. Процессы рассчитаны для следующих условий: начальное давление 50 Па и температура водяного пара –10°С, охлаждающий теплоноситель обеспечивает охлаждение пара в промежуточном охладителе до +5°С и конденсацию в конденсаторе при этой же температуре, турбокомпрессор имеет две ступени, адиабатический КПД каждой ступени компрессора равен 80%.Figure 2 shows a P-T diagram of water, on which are plotted (for comparison) the lines of P-T processes occurring with steam in a device without steam compression (for comparison) and in an open device with a two-stage turbocharger. The processes are calculated for the following conditions: an initial pressure of 50 Pa and a water vapor temperature of –10°C, the cooling coolant ensures cooling of the steam in the intercooler to +5°C and condensation in the condenser at the same temperature, the turbocharger has two stages, the adiabatic efficiency of each stage compressor is 80%.

В устройстве без компрессора (пунктирная линия) пар совершает процесс, близкий к изобарическому охлаждению, в итоге попадая на линию раздела твердой и газообразной фазы. In a device without a compressor (dashed line), the steam undergoes a process close to isobaric cooling, eventually reaching the solid-gas phase interface.

В раскрытом устройстве пар совершает процессы, отображенные штриховой линией: вначале близкий к изоэнтропическому сжатию (первая ступень 4 турбокомпрессора), далее – процесс, близкий к изобарическому охлаждению (осуществляется в промежуточном охладителе 6), далее – второй процесс, близкий к изоэнтропическому сжатию (работает вторая ступень 12 турбокомпрессора), и второй процесс, близкий к изобарическому охлаждению (конденсатор), приводящий на линию раздела жидкой и газообразной фазы. В сушильном устройстве, предложенном в заявке US 2020/02003751A “Dehydration below the triple point of water”(см. уровень техники) в данных условиях пар после сжатия насосом будет иметь температуру 319°С, тогда как в раскрытом устройстве максимальная температура пара в системе составляет 145°С, что дает преимущество в практической реализации.In the open device, the steam undergoes processes shown by the dashed line: first, close to isentropic compression (first stage 4 of the turbocharger), then a process close to isobaric cooling (carried out in the intercooler 6), then a second process close to isentropic compression (works second stage 12 of the turbocharger), and a second process close to isobaric cooling (condenser), leading to the line of separation of the liquid and gaseous phases. In the drying device proposed in the application US 2020/02003751A “Dehydration below the triple point of water” (see prior art), under these conditions the steam after compression by the pump will have a temperature of 319 ° C, while in the open device the maximum temperature of the steam in the system is 145°C, which gives an advantage in practical implementation.

На фиг. 2 изображена P-T диаграмма воды в рабочем диапазоне температуры и давления (давление отложено в логарифмической шкале). In fig. Figure 2 shows a P-T diagram of water in the operating range of temperature and pressure (pressure is plotted on a logarithmic scale).

Штриховая линия отображает процессы изменения состояния водяного пара в описанном устройстве. Маркер «•» – это тройная точка воды (граница фаз лед-вода-пар). Тройная точка для воды имеет место при температуре Ttr = 0°С и давлении Ptr = 611,7 Па. Маркер «о» показывает исходное состояние пара в камере сублимации. Сплошные линии на диаграмме – линии раздела фаз (твердая, жидкая, пар – обозначены на диаграмме). Пунктирная линия – это процесс охлаждения и конденсации пара в традиционном устройстве сублимационной сушки с вакуумным насосом. Штриховая линия показывает процесс в устройстве сублимационной сушки, использующий сжатие пара на двух ступенях компрессора: первая стадия сжатия пара, первая стадия охлаждения, вторая стадия сжатия, вторая стадия охлаждения, конденсация воды.The dashed line displays the processes of changing the state of water vapor in the described device. Marker “•” is the triple point of water (ice-water-steam phase boundary). The triple point for water occurs at temperature T tr = 0°C and pressure P tr = 611.7 Pa. The “o” marker shows the initial state of the steam in the sublimation chamber. The solid lines in the diagram are the lines of phase separation (solid, liquid, vapor - indicated on the diagram). The dotted line is the cooling and condensation process of steam in a traditional vacuum pump freeze drying device. The dashed line shows the process in the freeze drying device using vapor compression in two compressor stages: first vapor compression stage, first cooling stage, second compression stage, second cooling stage, water condensation.

Параметры цикла примерного устройства для сублимационной сушки в вышеприведенных условиях приведены в таблице 1. The cycle parameters of an exemplary freeze-drying device under the above conditions are shown in Table 1.

Давление после первой ступени сжатия выбрано таким, чтобы температуры пара на выходе из первой и второй ступени турбокомпрессора были одинаковыми. Для сопоставления энергетических характеристик раскрытого устройства с устройством без компрессора в строке 12 таблицы приведены затраты работы холодильной машины на конденсацию 1 кг пара в устройстве без компрессора. Как можно видеть, использование сжатия пара с помощью двух ступеней турбокомпрессора требует затрат работы на привод компрессора, однако существенно снижает затраты работы холодильной машиной, в результате чего общие затраты работы снижаются в 1912/1336 ≈1,4 раза. The pressure after the first compression stage is chosen such that the steam temperatures at the outlet of the first and second stages of the turbocharger are the same. To compare the energy characteristics of the disclosed device with a device without a compressor, line 12 of the table shows the operating costs of a refrigeration machine for condensing 1 kg of steam in a device without a compressor. As can be seen, the use of vapor compression using two stages of a turbocharger requires work costs to drive the compressor, but significantly reduces the work costs of the refrigeration machine, resulting in the total work costs being reduced by 1912/1336 ≈1.4 times.

Таблица 1Table 1

No. ПараметрParameter ЗначениеMeaning 11 Температура в камере сушкиTemperature in the drying chamber –10°С–10°С 22 Давление в камере сушкиPressure in the drying chamber 50 Па50 Pa 33 Температура на выходе из первой ступени турбокомпрессора (на входе в промежуточный охладитель)Temperature at the outlet of the first stage of the turbocharger (at the inlet to the intercooler) 145°С145°С 44 Давление в промежуточном охладителеIntercooler pressure 229 Па229 Pa 55 Температура на выходе из промежуточного охладителяIntercooler outlet temperature +5°С+5°С 66 Температура на выходе из второй ступени турбокомпрессора (на входе в конденсатор)Temperature at the outlet of the second stage of the turbocharger (at the inlet to the condenser) 145°С145°C 77 Давление в конденсатореCondenser pressure 863,5 Па863.5 Pa 88 Температура конденсацииCondensation temperature +5°С+5°С 99 Работа, потребляемая компрессоромWork consumed by the compressor 545 кДж/кг545 kJ/kg 1010 Работа, потребляемая холодильной машиной (холодильный коэффициент при температуре охлаждаемого теплоносителя -5°С равен 3,8)Work consumed by the refrigeration machine (refrigeration coefficient at a coolant temperature of -5°C is 3.8) 791 кДж/кг791 kJ/kg 11eleven Работа, потребляемая на удаление пара из камеры сушки (совместно компрессором и холодильной машиной) – согласно изобретениюWork consumed to remove steam from the drying chamber (jointly by the compressor and refrigeration machine) - according to the invention 1336 кДж/кг1336 kJ/kg 1212 Работа, потребляемая холодильной машиной в установке сублимации без сжатия пара (холодильный коэффициент при температуре охлаждающего теплоносителя –40°С равен 1,48)Work consumed by a refrigeration machine in a sublimation unit without vapor compression (refrigeration coefficient at a coolant temperature of –40°C is 1.48) 1912 кДж/кг1912 kJ/kg

Приведенные параметры и режим работы устройства выбраны для рассмотрения конкретного примера и не выражают ограничений на принцип работы устройства или ограничений по признакам изобретения.The given parameters and mode of operation of the device are selected to consider a specific example and do not express restrictions on the principle of operation of the device or restrictions on the features of the invention.

Claims (5)

1. Устройство для сублимационной сушки, включающее блок управления, камеру сушки, паропроводы, конденсатор с теплообменником, холодильную установку для хладагента, датчики давления и температуры, вакуумный насос, насос для жидкости, охладители пара с теплообменниками, многоступенчатый турбокомпрессор, отличающееся тем, что многоступенчатый турбокомпрессор соединяет камеру сушки и конденсатор и оборудован промежуточными охладителями пара между последовательными ступенями турбокомпрессора.1. A device for freeze drying, including a control unit, a drying chamber, steam lines, a condenser with a heat exchanger, a refrigeration unit for refrigerant, pressure and temperature sensors, a vacuum pump, a liquid pump, steam coolers with heat exchangers, a multi-stage turbocharger, characterized in that the The turbocharger connects the drying chamber and the condenser and is equipped with steam intercoolers between successive stages of the turbocharger. 2. Устройство для сублимационной сушки по п. 1, отличающееся тем, что многоступенчатый турбокомпрессор является двухступенчатым турбокомпрессором.2. A device for freeze-drying according to claim 1, characterized in that the multi-stage turbocompressor is a two-stage turbocompressor. 3. Устройство для сублимационной сушки по п. 1, отличающееся тем, что в камере сушки обеспечивают давление ниже давления тройной точки воды. 3. A device for freeze drying according to claim 1, characterized in that a pressure is provided in the drying chamber below the pressure of the triple point of water. 4. Устройство для сублимационной сушки по п. 1, отличающееся тем, что в конденсаторе обеспечивают давление выше давления тройной точки воды. 4. A device for freeze drying according to claim 1, characterized in that the condenser is provided with a pressure higher than the pressure of the triple point of water. 5. Устройство для сублимационной сушки по п. 1, отличающееся тем, температура пара на выходе промежуточного охладителя пара выше температуры конденсации водяного пара.5. A device for freeze drying according to claim 1, characterized in that the steam temperature at the outlet of the steam intercooler is higher than the condensation temperature of water vapor.
RU2023132758A 2023-12-12 Sublimation dryer RU2821115C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2821115C1 true RU2821115C1 (en) 2024-06-17

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2189551C1 (en) * 2001-04-16 2002-09-20 Воронежская государственная технологическая академия Method for automatic control of continuous process of vacuum-sublimation drying of liquid products on inert carriers with inlet device
RU2350861C1 (en) * 2007-12-11 2009-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА) Foamed products vacuum-freeze dryer and technique of automatic control over its operation
WO2010028488A1 (en) * 2008-09-12 2010-03-18 Enwave Corporation Apparatus and method for dehydrating biological materials with freezing and microwaving
RU2416918C1 (en) * 2010-01-11 2011-04-27 Сергей Анатольевич Ермаков Method for vacuum sublimation drying with convective input of thermal energy and vacuum sublimation drying installation
WO2018209419A1 (en) * 2017-05-16 2018-11-22 Enwave Corporation Dehydration below the triple point of water
RU210990U1 (en) * 2021-11-29 2022-05-16 Общество с ограниченной ответственностью "КОНЦЕРН "СДА" Freeze drying device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2189551C1 (en) * 2001-04-16 2002-09-20 Воронежская государственная технологическая академия Method for automatic control of continuous process of vacuum-sublimation drying of liquid products on inert carriers with inlet device
RU2350861C1 (en) * 2007-12-11 2009-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА) Foamed products vacuum-freeze dryer and technique of automatic control over its operation
WO2010028488A1 (en) * 2008-09-12 2010-03-18 Enwave Corporation Apparatus and method for dehydrating biological materials with freezing and microwaving
RU2416918C1 (en) * 2010-01-11 2011-04-27 Сергей Анатольевич Ермаков Method for vacuum sublimation drying with convective input of thermal energy and vacuum sublimation drying installation
WO2018209419A1 (en) * 2017-05-16 2018-11-22 Enwave Corporation Dehydration below the triple point of water
RU210990U1 (en) * 2021-11-29 2022-05-16 Общество с ограниченной ответственностью "КОНЦЕРН "СДА" Freeze drying device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3027651A (en) Process and system for removing condensable vapors
CN105817123A (en) Compressed air deep-drying device and method capable of adjusting pressure dew point
CN108870878A (en) Direct heat pump integrates transformation drying system and method
RU2821115C1 (en) Sublimation dryer
CN115003975B (en) Vacuum dryer without vacuum pump
US2564475A (en) Dehydration of frozen foods
US5948144A (en) Lyophilizer system
CN102600704B (en) Mechanical vapour-recompression low-temperature air drier and method thereof
US3252291A (en) Cryo-pumps
CN204880839U (en) Refrigerating system of vacuum freezing desiccator
CN206540269U (en) Mechanical Flash Type air-conditioning refrigeration system
CN112197517B (en) Multi-level cold and hot common vacuum freeze-drying system
RU2375654C1 (en) Vacuum sublimation drying unit
CN213454546U (en) Multi-layer cold-hot shared vacuum freeze-drying system
CN111811156B (en) System and method for preparing low-temperature water through micropore flash evaporation
CN101046350A (en) Vacuum freeze drier
RU2783577C1 (en) Freeze drying system
CN104930819B (en) The vacuum freeze and method regenerated based on enclosed hygroscopic solution
RU2805404C1 (en) System for product dehydration and methods of its use
CN204678733U (en) A kind of refrigeration system of vacuum freeze drier
CN221055373U (en) Freezing dryer
CN115289707B (en) Air refrigerating system and application thereof
CN218821075U (en) Air refrigerating system and vacuum freeze dryer
CN221444636U (en) Frozen fruit drying equipment
RU2776402C1 (en) Vacuum freeze drying unit