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真空冷冻干燥设备能耗的概况及主要耗能系统
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摘要：主要介绍了真空冷冻干燥设备能耗的概况及主要耗能系统，探讨了在设备能耗上可改进的领域和方法。
真空冷冻干燥设备 英文名称：vacuum freeze-drying equipment 定义是：在较高真空度下，使产品内已冻结的水分直接升华为气体排出从而达到干燥目的的设备。 广泛应用与水产业，渔业船舶及渔业机械
前言
大量统计资料显示，虽然我国近年来采取了各种节能措施，但是截止到2008年底，我国单位GDP能耗依然是日本的7倍，是美国的3.5倍。去年以来，全国上下加强了节能减排的工作，国务院还制定了一系列促进节能减排的政策措施，我国的节能工作仍是任重而道远。
在真空冷冻干燥机领域中，能耗是一个长期存在的问题，医用真空冷冻干燥设备一个运行周期至少要十几个小时，多的长达一星期以上，能耗较大。如小型的实验型冻干机(0.5m2左右)，配置功率一般在5KW左右，中型生产型冻干机(1-10m2)配置功率一般在7.5-5OKW之间。大型生产型冻干机(15-50m2)配置功率一般在75-220KW之间，因此，目前如何在保证冻干效果的前提下对冻干设备进行节能改进越来越成为冻干设备生产和使用厂家关注的热点问题。
真空冷冻干燥能耗主要与两大因素有关，一是冻干设备的能耗大小，另一个是真空冷冻工艺的优劣，本文主要讨论的是冻干设备的节能问题，本文以一个20m2真空冷冻干燥机为例，探讨节能的主要方向和方法。
2 2Om2真空冷冻干燥机能耗概况
真空冷冻干燥机一般由液压系统、制冷系统、真空系统、循环系统、升华系统(电加热)、蒸汽灭菌系统、控制系统组成、各系统运行时间(假设一个冻干机周期为30小时)。
从图1可以看出，液压系统、制冷系统、循环系统、真空系统、升华(电加热)系统是较大功率耗能系统，下面我们讨论上述系统的具体配置功率(见表1)，从而得出节能的主要方向和方法。其中蒸汽灭菌系统、控制系统由于是小功率耗能系统，在冻干机耗能中仅占很小比例，表1中不作讨论。
从图1，表1可以大概计算出20m2真空冷冻干燥机中较大功率系统耗电占总耗能的百分比。详见表2(其中液压系统、制冷系统、循环系统、真空系统在工作时段内为全时段工作，升华(电加热)系统，在工作时段内基本上是一半时段工作)。
从表2可以看出，真空冷冻干燥机中，耗能较大的是制冷系统和升华(电加热)系统，由于升华(电加热)系统主要功能是提供冻干制品升华的能量，系统非常简单，仅为数个电加热器，能效比为1，节能空间小。
而制冷系统比较复杂，在不同的工况、不同的时段、不同的部件，其能效比上下会有一个很大的波动，在节能上就有较大的空间，因此，从表2我们可以看出真空冷冻干燥设备节能的主要方向应该是制冷系统。
3 制冷系统能耗上可改进的领域
真空冷冻干燥设备制冷系统主要是双级压缩机制冷系统，其原理图如图2。
制冷系统主要由压缩机，换热器(冷凝器，蒸发器，中冷器)节流阀以及泵和风机组成。
下面探讨一下节能上可以进行的几个主要工作：
(1)提高压缩机效率，采用变容金压缩机。
目前冻干机一般采用活塞式制冷压缩机作为制冷系统主机，其效率与逆卡诺循环相比，一般为50%以下，如采用涡旋式、螺杆式压缩机作为主机，其效率会提高10%左右，这样就提高了能效比，取得节能效果。
可以考虑在小型实验型冻干机上采用涡旋式压缩机替代活塞式压缩机，而在中大型冻干机上采用螺杆式压缩机替代活寒式压缩机。螺杆式制冷压缩机一般可在15-100%范围内进行制冷量无级调节，适应冻干机对制冷量的变化需要，从而从压缩机与冻干机之间有一个很好的能量匹配，达到节能的目的。
(2)采用新型的高效热交换器
冻干机中制冷系统换热器一般有三种：一是风冷式翅片式换热器，二是水冷式壳管式换热器，三是板式换热器。
对于风冷式翅片式换热器，我们可以采用更小的6-7mm的管路，从而在相同体积下包容更多的热交换面积(微通道)，从而使传热温差降低，提高换热效果。
对于壳管式水冷凝器，目前己普通使用高效传热管替代原来的光管，传热效率已提高数倍，进一步工作是减少进出水压降，提高换热效率。对于板式换热器，我们可以采用更高效的苏瑞普板式换热器替代目前大t使用的阿法拉法板式换热器。因为阿法拉法板式换热器一般适用于制冷的高中温工况(-4O℃以上)热交换温差2℃左右，如要达到较低的冻干温度(-70℃或以下)则苏瑞普板式换热器更理想，该换热器低阻力，低积油，保证换热介质处于紊流换热状态，换热温差小，在1℃左右，反应迅速，有更好的换热效果，达到节育七目的。
(3)采用新型的泵和风机
冻干设备现一般采用两种制冷方式，一是采用双级压缩低温制冷系统，另一种是采用复叠压缩低温制冷系统，前者主要用于中大型生产型冻干设备，一般为水冷式;后者主要用于小型实验型冻干设备，一般为风冷式。
水冷式系统中需要有一个水冷却塔，冷却塔上一般有一个风机。和一个水泵。风冷式系统中需要有一个风机。
这里可对上述泵和风机作一个改进，我们可以用变频水泵和变频风机替代定频水泵和定频风机。
变频风机优点是：根据热负荷调节转速，从而调节风量。
在较低环境温度下，变为低速，减少风扇耗能。
在较高环境温度下，变为高速，增加热交换量。
变频水泵优点是：根据热负荷调节转速从而调节水量，同样可以达到改善热交换目的。
这样就可以达到改善热交换目的，从而节约能耗。
(4)采用更好的制冷节流阀(流量调节阀)
目前国内外冻干机一般采用热力膨胀阀作为制冷节流元件，设想今后可以采用电子膨胀阀替代热力膨胀阀。
电子膨胀阀有如下卓越优点：
能提供非常精确的温度控制;
适用所有制冷剂;
充分性线的流量变化(与热负荷匹配)，反应速度快;
有关闭功能，可省去电磁阀，避免了液击故障。
由于目前国内外膨胀阀制造商仅能提供-40℃以上的制冷温度的电子膨胀阀，而冻干机一般需要-40℃~80℃的温度控制，目前冻干机还不用应用电子膨胀阀，设想在不久的将来，将有-40℃以下的电子膨胀阀能够生产和应用，从而为节能做出贡献。
小结
综上所述关于真空冷冻干燥设备 ，提高真空冷冻干燥设备能效比，主要领域是提高制冷系统的能效比，提高制冷系统能效比关键工作是各主要部件效率的提高，随着各部件效率的提高，随着传热温差的减少，制冷量与负荷的匹配，循环损失减少，使得制冷实际循环向理想循环靠拢，从而使能效比大大提高，达到节能的较终目的。 不锈钢的分类知识
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