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真空冷凍干燥設備能耗的概況及主要耗能系統(tǒng)
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摘要：主要介紹了真空冷凍干燥設備能耗的概況及主要耗能系統(tǒng)，探討了在設備能耗上可改進的領域和方法。
真空冷凍干燥設備 英文名稱：vacuum freeze-drying equipment 定義是：在較高真空度下，使產(chǎn)品內(nèi)已凍結的水分直接升華為氣體排出從而達到干燥目的的設備。 廣泛應用與水產(chǎn)業(yè)，漁業(yè)船舶及漁業(yè)機械
前言
大量統(tǒng)計資料顯示，雖然我國近年來采取了各種節(jié)能措施，但是截止到2008年底，我國單位GDP能耗依然是日本的7倍，是美國的3.5倍。去年以來，全國上下加強了節(jié)能減排的工作，國務院還制定了一系列促進節(jié)能減排的政策措施，我國的節(jié)能工作仍是任重而道遠。
在真空冷凍干燥機領域中，能耗是一個長期存在的問題，醫(yī)用真空冷凍干燥設備一個運行周期至少要十幾個小時，多的長達一星期以上，能耗較大。如小型的實驗型凍干機(0.5m2左右)，配置功率一般在5KW左右，中型生產(chǎn)型凍干機(1-10m2)配置功率一般在7.5-5OKW之間。大型生產(chǎn)型凍干機(15-50m2)配置功率一般在75-220KW之間，因此，目前如何在保證凍干效果的前提下對凍干設備進行節(jié)能改進越來越成為凍干設備生產(chǎn)和使用廠家關注的熱點問題。
真空冷凍干燥能耗主要與兩大因素有關，一是凍干設備的能耗大小，另一個是真空冷凍工藝的優(yōu)劣，本文主要討論的是凍干設備的節(jié)能問題，本文以一個20m2真空冷凍干燥機為例，探討節(jié)能的主要方向和方法。
2 2Om2真空冷凍干燥機能耗概況
真空冷凍干燥機一般由液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、升華系統(tǒng)(電加熱)、蒸汽滅菌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成、各系統(tǒng)運行時間(假設一個凍干機周期為30小時)。
從圖1可以看出，液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、升華(電加熱)系統(tǒng)是較大功率耗能系統(tǒng)，下面我們討論上述系統(tǒng)的具體配置功率(見表1)，從而得出節(jié)能的主要方向和方法。其中蒸汽滅菌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)由于是小功率耗能系統(tǒng)，在凍干機耗能中僅占很小比例，表1中不作討論。
從圖1，表1可以大概計算出20m2真空冷凍干燥機中較大功率系統(tǒng)耗電占總耗能的百分比。詳見表2(其中液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)在工作時段內(nèi)為全時段工作，升華(電加熱)系統(tǒng)，在工作時段內(nèi)基本上是一半時段工作)。
從表2可以看出，真空冷凍干燥機中，耗能較大的是制冷系統(tǒng)和升華(電加熱)系統(tǒng)，由于升華(電加熱)系統(tǒng)主要功能是提供凍干制品升華的能量，系統(tǒng)非常簡單，僅為數(shù)個電加熱器，能效比為1，節(jié)能空間小。
而制冷系統(tǒng)比較復雜，在不同的工況、不同的時段、不同的部件，其能效比上下會有一個很大的波動，在節(jié)能上就有較大的空間，因此，從表2我們可以看出真空冷凍干燥設備節(jié)能的主要方向應該是制冷系統(tǒng)。
3 制冷系統(tǒng)能耗上可改進的領域
真空冷凍干燥設備制冷系統(tǒng)主要是雙級壓縮機制冷系統(tǒng)，其原理圖如圖2。
制冷系統(tǒng)主要由壓縮機，換熱器(冷凝器，蒸發(fā)器，中冷器)節(jié)流閥以及泵和風機組成。
下面探討一下節(jié)能上可以進行的幾個主要工作：
(1)提高壓縮機效率，采用變?nèi)萁饓嚎s機。
目前凍干機一般采用活塞式制冷壓縮機作為制冷系統(tǒng)主機，其效率與逆卡諾循環(huán)相比，一般為50%以下，如采用渦旋式、螺桿式壓縮機作為主機，其效率會提高10%左右，這樣就提高了能效比，取得節(jié)能效果。
可以考慮在小型實驗型凍干機上采用渦旋式壓縮機替代活塞式壓縮機，而在中大型凍干機上采用螺桿式壓縮機替代活寒式壓縮機。螺桿式制冷壓縮機一般可在15-100%范圍內(nèi)進行制冷量無級調(diào)節(jié)，適應凍干機對制冷量的變化需要，從而從壓縮機與凍干機之間有一個很好的能量匹配，達到節(jié)能的目的。
(2)采用新型的高效熱交換器
凍干機中制冷系統(tǒng)換熱器一般有三種：一是風冷式翅片式換熱器，二是水冷式殼管式換熱器，三是板式換熱器。
對于風冷式翅片式換熱器，我們可以采用更小的6-7mm的管路，從而在相同體積下包容更多的熱交換面積(微通道)，從而使傳熱溫差降低，提高換熱效果。
對于殼管式水冷凝器，目前己普通使用高效傳熱管替代原來的光管，傳熱效率已提高數(shù)倍，進一步工作是減少進出水壓降，提高換熱效率。對于板式換熱器，我們可以采用更高效的蘇瑞普板式換熱器替代目前大t使用的阿法拉法板式換熱器。因為阿法拉法板式換熱器一般適用于制冷的高中溫工況(-4O℃以上)熱交換溫差2℃左右，如要達到較低的凍干溫度(-70℃或以下)則蘇瑞普板式換熱器更理想，該換熱器低阻力，低積油，保證換熱介質(zhì)處于紊流換熱狀態(tài)，換熱溫差小，在1℃左右，反應迅速，有更好的換熱效果，達到節(jié)育七目的。
(3)采用新型的泵和風機
凍干設備現(xiàn)一般采用兩種制冷方式，一是采用雙級壓縮低溫制冷系統(tǒng)，另一種是采用復疊壓縮低溫制冷系統(tǒng)，前者主要用于中大型生產(chǎn)型凍干設備，一般為水冷式;后者主要用于小型實驗型凍干設備，一般為風冷式。
水冷式系統(tǒng)中需要有一個水冷卻塔，冷卻塔上一般有一個風機。和一個水泵。風冷式系統(tǒng)中需要有一個風機。
這里可對上述泵和風機作一個改進，我們可以用變頻水泵和變頻風機替代定頻水泵和定頻風機。
變頻風機優(yōu)點是：根據(jù)熱負荷調(diào)節(jié)轉速，從而調(diào)節(jié)風量。
在較低環(huán)境溫度下，變?yōu)榈退伲瑴p少風扇耗能。
在較高環(huán)境溫度下，變?yōu)楦咚�，增加熱交換量。
變頻水泵優(yōu)點是：根據(jù)熱負荷調(diào)節(jié)轉速從而調(diào)節(jié)水量，同樣可以達到改善熱交換目的。
這樣就可以達到改善熱交換目的，從而節(jié)約能耗。
(4)采用更好的制冷節(jié)流閥(流量調(diào)節(jié)閥)
目前國內(nèi)外凍干機一般采用熱力膨脹閥作為制冷節(jié)流元件，設想今后可以采用電子膨脹閥替代熱力膨脹閥。
電子膨脹閥有如下卓越優(yōu)點：
能提供非常精確的溫度控制;
適用所有制冷劑;
充分性線的流量變化(與熱負荷匹配)，反應速度快;
有關閉功能，可省去電磁閥，避免了液擊故障。
由于目前國內(nèi)外膨脹閥制造商僅能提供-40℃以上的制冷溫度的電子膨脹閥，而凍干機一般需要-40℃~80℃的溫度控制，目前凍干機還不用應用電子膨脹閥，設想在不久的將來，將有-40℃以下的電子膨脹閥能夠生產(chǎn)和應用，從而為節(jié)能做出貢獻。
小結
綜上所述關于真空冷凍干燥設備 ，提高真空冷凍干燥設備能效比，主要領域是提高制冷系統(tǒng)的能效比，提高制冷系統(tǒng)能效比關鍵工作是各主要部件效率的提高，隨著各部件效率的提高，隨著傳熱溫差的減少，制冷量與負荷的匹配，循環(huán)損失減少，使得制冷實際循環(huán)向理想循環(huán)靠攏，從而使能效比大大提高，達到節(jié)能的較終目的。閃蒸干燥機主要控制干燥機操作的干燥的空氣流動,空氣進口和出口的溫度�！�1、氣體入口溫度,其他在正常情況下,氣體出口溫度高,慢慢的提高給料機速度提高進給速率,使氣體出口溫度的溫度下降到需要;另一方面,氣體的出口溫度低,影響與水分含量,并降低螺旋給料機的速度,減少進給速率,使氣體的出口溫度的溫度需要�！� 隨著時代發(fā)展， 干燥設備的技術水平越來越進步， 干燥設備的種類也已經(jīng)有了上百種，而每一種成功的干燥設備已經(jīng)都是必不可少的的了，因為每一種干燥設備都屬于自己的適用范圍，而且使用干燥設備的閃蒸干燥機是處理可分散濾餅和黏性膏狀物料的理想設備，^早應用在染料行業(yè)。經(jīng)過多年的應用實踐，開發(fā)出了多種機型，并形成了系列產(chǎn)品。根據(jù)不同物料采取與其它干燥設備串聯(lián)的方式，又增加了設備的應用范圍。目前，閃蒸干燥機已廣泛應用在染料、農(nóng)藥以及有機化工、無機化工等工業(yè)生產(chǎn)中。頂部分級段有一個分級環(huán)，根據(jù)產(chǎn)品塑料樹脂專用熱風循環(huán)烘箱產(chǎn)品介紹： 熱風循環(huán)烘箱配用低噪音耐高溫軸流風機和自動控溫系統(tǒng)，整個循環(huán)系統(tǒng)全封閉，使烘箱的熱效率從傳統(tǒng)的烘房3-7%提高到目前的35-45%，^高熱效率可達50%。CT-C型熱風循環(huán)烘箱的設計成功，使我國的熱風循環(huán)烘箱達到了國內(nèi)外^。為我國節(jié)約了大量能源，提高了企業(yè)的經(jīng)濟的沸騰床干燥機在振動輸送的同時，鼓風系統(tǒng)吹入冷風，使熱砂呈沸騰狀態(tài)，空氣與熱砂進行熱交換， 散發(fā)出的熱量經(jīng)頂部抽風機除塵器排出，冷卻的舊砂連續(xù)不斷的輸送至出砂口運走。沸騰床是我廠根據(jù)力學及傳動學原理，結合國內(nèi)外有關資料和多年實際使用經(jīng)驗，專門為消失模鑄造的砂處理設備而開發(fā)研制的，同時也是成套砂處理的
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