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一种节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法

阅读:598发布:2020-05-11

专利汇可以提供一种节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种节能的 冷冻干燥 装置及其冷冻干燥方法,该冷冻干燥装置包括 真空 泵 、 冷凝器 和干燥箱;所述 真空泵 设于冷凝器的一侧,所述干燥箱设于冷凝器的另一侧,所述冷凝器与干燥箱之间设有隔离 阀 一,所述隔离阀一可实现冷凝器与干燥箱之间的连通与隔离;所述冷凝器内设有冷凝盘管,所述冷凝器下方设有与冷凝盘管相连的制 冷压 缩冷凝机组,在所述制冷压缩冷凝机组和冷凝盘管之间依次设有冷凝器 电磁阀 和冷凝器 节流阀 ;所述干燥箱内设有 搁板 ,所述干燥箱下方设有依次连接的加热器、换热器和 循环泵 ,且所述加热器和循环泵分别连接在搁板两侧。本发明利用 水 随环境压 力 降低其沸点也降低的原理来快速降低产品 温度 ,实现降低真空冷冻干燥产品所需的 能量 。,下面是一种节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法专利的具体信息内容。

1.一种节能的冷冻干燥装置,其特征在于:其包括真空冷凝器和干燥箱;所述真空泵设于冷凝器的一侧,所述干燥箱设于冷凝器的另一侧,所述冷凝器与干燥箱之间设有隔离一,所述隔离阀一可实现冷凝器与干燥箱之间的连通与隔离;所述冷凝器内设有冷凝盘管,所述冷凝器下方设有与冷凝盘管相连的制冷压缩冷凝机组,在所述制冷压缩冷凝机组和冷凝盘管之间依次设有冷凝器电磁阀和冷凝器节流阀;所述干燥箱内设有搁板,所述干燥箱下方设有依次连接的加热器、换热器和循环泵,且所述加热器和循环泵分别连接在搁板两侧。
2.根据权利要求1所述的一种节能的冷冻干燥装置,其特征在于,所述真空泵的抽气口端穿设于冷凝器内的上部,且真空泵的抽气口和冷凝器之间设有隔离阀二。
3.一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其包括以下步骤:
S1、预冷冷凝器;
S2、装载产品:打开干燥箱,装载产品,装载完后,关闭干燥箱门;
S3、系统预抽真空:启动真空泵运行,打开隔离阀二,对冷凝器抽真空;
S4、系统抽真空;当冷凝器内的真空度达到半个大气压以下时,隔离阀一打开,对干燥箱抽真空;
S5、一次干燥;
S6、二次干燥;
S7、冻干结束:依次关闭隔离阀一、隔离阀二,分别把干燥箱和冷凝器上的放气阀打开,使干燥箱和冷凝器内恢复至一个大气压;
S8、卸载产品:打开干燥箱门,取出产品;
S9、冷凝器除霜。
4.根据权利要求3所述的一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其特征在于,步骤S1所述预冷冷凝器的步骤为:关闭隔离阀一,启动压缩冷凝机组,接通冷凝器电磁阀,冷凝器节流阀向冷凝盘管供液。
5.根据权利要求3所述的一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其特征在于,步骤S5所述一次干燥的步骤为:当系统达到工艺要求并持续一段时间后,启动循环泵,启动加热器,对系统导热油加热升温;系统导热油升温并到达工艺温度设定值后,持续工艺温度设定值一段时间。
6.根据权利要求3所述的一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其特征在于,步骤S6所述二次干燥的步骤为:当产品温度到达0℃温度以上并持续一段时间后,按工艺温度设定值要求接通冷却,通过换热器一侧进行热量交换,并由循环泵输入干燥箱的搁板内;当搁板内导热油温度降到工艺温度设定值时,继续保持一段时间;当产品温度与搁板温度差值接近5℃时,持续一段时间。
7.根据权利要求5所述的一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其特征在于,所述步骤S5的工艺温度设定值由产品特性或试验所得数据进行设置。
8.根据权利要求6所述的一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其特征在于,所述步骤S6的工艺温度设定值由产品特性或试验所得数据进行设置。

说明书全文

一种节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法

技术领域

[0001] 本发明涉及制冷系统技术领域,具体涉及一种系统安全性能好、冷冻干燥时间快、节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法。

背景技术

[0002] 真空冷冻干燥或称冻干就是:让产品预先冻结,然后在一定的真空环境下提供合适的升华热,使冻结产品中的分或溶剂化成蒸汽,达到产品脱水的目的。这样可以大大延长产品的贮藏时间或者称货架周期。这种真空技术和冷冻技术的组合就是冷冻真空干燥机。
[0003] 现有技术中的冷冻干燥机由两大核心系统组成:一个系统就是真空干燥系统,其提供一个利于被干燥产品的合适真空环境,如100Pa以下。
[0004] 该系统由干燥箱01、搁板02、隔离一03、冷凝器04、冷凝盘管05、隔离阀二06、真空07等组成。
[0005] 另一个系统就是制冷系统,提供一个产品冻结、或通过切换使干燥产品时所升华出来的水蒸汽,通过干燥箱和冷凝器内的压差被冷凝器的低温冷凝盘管凝结能量。如:干燥箱搁板温度为-40℃以下,冷凝器冷凝盘管为-50℃以下。
[0006] 该制冷系统分成直接膨胀式循环系统和直膨式间接循环系统。直接膨胀式循环系统由制冷压缩冷凝机组08、冷凝器电磁阀09、冷凝器节流阀010、冷凝盘管05等组成。直膨式间接循环系统通过切换,由干燥箱电磁阀011、干燥箱节流阀012、共用的制冷压缩冷凝机组08、制冷的换热器013等组成。换热器013另一侧由循环泵014、加热器015、导热油、搁板02等所构成的可降温或可升温的循环系统。直接膨胀式循环系统和直膨式间接循环系统共用同一个制冷压缩冷凝机组。
[0007] 现有技术方案存在的不足之处:1)承载被冻结和升华产品的搁板,必须承受一定压(或称压强),防止潜在的险,但是如果直接膨胀式循环系统和直膨式间接循环系统通过切换来共用同一个制冷压缩冷凝机组,当遇到换热器损坏使制冷剂泄漏的情况,必将导致搁板瞬时超过其本身的设计压力,因此,考虑到强度,搁板必须使用一定数量的材料。
[0008] 2)由于耗材多,使干燥箱搁板降温至合适温度、及持续这个温度所需时间就会延长。如搁板达到-40℃并持续,由于有些产品难冻结等特性,就需要更长的时间。如没放产2
品时压缩机降温所消耗的功率:32kw•2h=64kw•h。按1m装载面积上放15kg产品,干燥箱的降温时间为5h,所消耗功率则达到32kw•5h=160kw.h。
[0009] 3)产品的降温是由托盘、或者围框的西林瓶放置在搁板上。由于搁板、托盘都有一定平整度误差,允其是多次使用后托盘变形,及围框内的西林瓶与搁板为线接触。因此,通过面与面的传导方式来传递热量变得很小,热量的传递大量通过空气与产品的对流换热方式来实现。静态的对流换热使搁板上的产品的温度均匀性需要更长时间来达到平衡。
[0010] 综上所述,现有技术中,制冷系统采用同一个制冷压缩冷凝机组,直接膨胀式循环系统和直膨式间接循环系统通过切换来使用,必将导致搁板所需材料多、成本大,对产品的冷冻干燥所消耗功率大,且其采用静态的对流,使搁板上的产品的温度均匀性需要更长时间来达到平衡。

发明内容

[0011] 针对上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种结构简单、运行安全性能好、成本低、节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法,其能大大降低真空冷冻干燥所消耗的能量。
[0012] 为解决现有技术中存在的问题,采用的具体技术方案是:一种节能的冷冻干燥装置包括真空泵、冷凝器和干燥箱;所述真空泵设于冷凝器的一侧,所述干燥箱设于冷凝器的另一侧,所述冷凝器与干燥箱之间设有隔离阀一,所述隔离阀一可实现冷凝器与干燥箱之间的连通与隔离;所述冷凝器内设有冷凝盘管,所述冷凝器下方设有与冷凝盘管相连的制冷压缩冷凝机组,在所述制冷压缩冷凝机组和冷凝盘管之间依次设有冷凝器电磁阀和冷凝器节流阀;所述干燥箱内设有搁板,所述干燥箱下方设有依次连接的加热器、换热器和循环泵,且所述加热器和循环泵分别连接在搁板两侧。
[0013] 所述真空泵的抽气口端穿设于冷凝器内的上部,且真空泵的抽气口和冷凝器之间设有隔离阀二。
[0014] 本发明还公开了一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,其包括以下步骤:S1、预冷冷凝器;
S2、装载产品:打开干燥箱,装载产品,装载完后,关闭干燥箱门;
S3、系统预抽真空:启动真空泵运行,打开隔离阀二,对冷凝器抽真空;
S4、系统抽真空;当冷凝器内的真空度达到半个大气压以下时,隔离阀一打开,对干燥箱抽真空;
S5、一次干燥;
S6、二次干燥;
S7、冻干结束:依次关闭隔离阀一、隔离阀二,分别把干燥箱和冷凝器上的放气阀打开,使干燥箱和冷凝器内恢复至一个大气压;
S8、卸载产品:打开干燥箱门,取出产品;
S9、冷凝器除霜。
[0015] 优选的技术方案,步骤S1所述预冷冷凝器的步骤为:关闭隔离阀一,启动压缩冷凝机组,接通冷凝器电磁阀,冷凝器节流阀向冷凝盘管供液。
[0016] 优选的技术方案,步骤S5所述一次干燥的步骤为:当系统达到工艺要求并持续一段时间后,启动循环泵,启动加热器,对系统导热油加热升温;系统导热油升温并到达工艺温度设定值后,持续工艺温度设定值一段时间。
[0017] 优选的技术方案,步骤S6所述二次干燥的步骤为:当产品温度到达0℃温度以上并持续一段时间后,按工艺温度设定值要求接通冷却水,通过换热器一侧进行热量交换,并由循环泵输入干燥箱的搁板内;当搁板内导热油温度降到工艺温度设定值时,继续保持一段时间;当产品温度与搁板温度差值接近5℃时,持续一段时间。
[0018] 优选的技术方案,所述步骤S5的工艺温度设定值由产品特性或试验所得数据进行设置。
[0019] 优选的技术方案,所述步骤S6的工艺温度设定值由产品特性或试验所得数据进行设置。
[0020] 采用上述技术方案,本发明的一种节能的冷冻干燥装置及其冷冻干燥方法与现有技术相比,其技术效果在于:本发明采用独立制冷降温的冷凝器和可循环加热或降温的真空冷冻干燥系统,利用水随着环境压力的降低,其沸点也降低的物理现象,即降低干燥系统的压力或称增加其真空度,使干燥箱内搁板上的产品达到产品本身的温度以下时产生蒸发而快速降温。采用动态的对流方式,使搁板上的产品温度均匀性好,使产品预冻的能量消耗大大降低,实现真空冷冻干燥产品。附图说明
[0021] 图1为现有技术冷冻干燥装置的整体结构示意图;图2为本发明一种节能的冷冻干燥装置的整体结构示意图;
图3为水的三相图中在不同压力和温度下的三种状态的转换。

具体实施方式

[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实例,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0023] 如图2所示,一种节能的冷冻干燥装置包括真空泵5、冷凝器6和干燥箱3;所述真空泵5设于冷凝器6的一侧,所述干燥箱3设于冷凝器6的另一侧,所述冷凝器6与干燥箱3之间设有隔离阀一9,所述隔离阀一9可实现冷凝器6与干燥箱3之间的连通与隔离;所述冷凝器6内设有冷凝盘管11,所述冷凝器6下方设有与冷凝盘管11相连的制冷压缩冷凝机组12,在所述制冷压缩冷凝机组12和冷凝盘管11之间依次设有冷凝器电磁阀13和冷凝器节流阀14;
所述干燥箱3内设有搁板4,所述干燥箱3下方设有依次连接的加热器16、换热器17和循环泵18,且所述加热器16和循环泵16分别连接在搁板4两侧。
[0024] 所述真空泵5的抽气口端穿设于冷凝器6内的上部,且真空泵5的抽气口和冷凝器6之间设有隔离阀二10。
[0025] 以下根据图3对本发明的技术方案进行原理上的描述:水在1个大气压下的沸点是100℃。冰点是0℃。水在低于一个大气压下,其沸点会下降。随着时间推移,沸点与冰点重合,此时三相水的压力为611Pa。也就是水逐步转化为冰。
当干燥体内压力降低到13Pa以下时,冰的温度已经是-40℃。
[0026] 水在低于一个大气压下会转化为水蒸汽,此时水汽化需要吸收自身热量,平均约590kcal/kg热量。冰点以下升华为水蒸汽,需要吸收自身的热量,平均约670kcal/kg。没有外界热量的提供,这样水的温度就会降下来。
[0027] 这个过程必须持续不断地提供这个较高的真空度。即其对应的干燥箱内的压力或真空度必须低于产品被冻结的温度所对应饱和蒸汽压。
[0028] 由于是动态下的真空环境,干燥箱内的压力均一性较好,水在一定温度下蒸发,表面的蒸发速度基本一致。
[0029] 真空冷却降温过程中的平均自身热量:0.6kg/m2.hr×590kcal/kg=354kcal/m2.hr=0.41kw,
则产生自耗0.41kw×5hr=2.05kw.hr。
[0030] 如按20℃时蒸发量2.3kg/m2.hr,其自身的热量:2.3kg/m2.hr×590kcal/kg÷860=1.58kw。
[0031] 这些自身能量的产生,源于真空泵抽真空的作用,且真空泵性能可能达到产品的低温要求。开始预抽真空时,产品并没有降温,直至真空度到达产品的初始温度以下所对应的饱和蒸汽压时,才会发生降温。如产品温度20℃,其对应饱和蒸汽压2340Pa。再如产品要达到-40℃,其对应的饱和蒸汽压12.8Pa。
[0032] 如按1m2冻干机装载15kg,厚度15mm的纯水,其降至-40℃时所需的热量:15kg×{〔20-0〕+80+[0-(-40)]}=2100kcal
由于真空泵作用抽真空作用,降温时间:
2100kcal÷(354kcal/m2.hr)=6hr,这里仅考虑了平均汽化(或升华)的热量,实际时间会更短。
[0033] 按1m2冻干机所配置的真空泵功率0.75kw,其能耗0.75kw×6hr=4.5kw.hr相比原有技术方案,本发明的技术方案其冷冻降温能耗降低很多,几乎近36倍。
[0034] 本发明还公开了一种节能的冷冻干燥装置的冷冻干燥方法,以下根据图2进行本发明的技术方案操作过程进行描述:1、预冷冷凝器6(可与装载产品同时进行)
关闭隔离阀一9。接通冷却水系统,启动压缩冷凝机组7。稍等接通冷凝器电磁阀13,冷凝器节流阀14向冷凝盘管11供液(制冷剂),冷凝器6内的冷凝盘管11冷却降温至-40℃以下。
[0035] 2、装载产品打开干燥箱3的门,装载产品(托盘或有围框的西林瓶),装载完后,关闭干燥箱门。
[0036] 3、系统预抽真空启动真空泵5运行。稍等,打开隔离阀二10,对冷凝器6抽真空。
[0037] 4、系统抽真空当冷凝器6内的真空度达到半个大气压如50KPa以下时,隔离阀一9打开。对干燥箱
3抽真空。此时整个系统处于抽真空状态下。
[0038] 5、一次干燥过程⑴当系统达到一个工艺要求的真空度如10Pa以下时,并持续一段时间后,启动循环泵
18,启动加热器16,对系统导热油准备加热升温。
[0039] ⑵当系统导热油升温并到达工艺设定值如50℃,并持续恒定温度设定值一段时间。
[0040] 这个过程中的工艺温度设定值可以由产品特性或试验所得数据进行多段的升温保温时间设置。
[0041] 6、二次干燥过程⑴当产品温度到达0℃温度以上时,并持续一段时间。
[0042] ⑵按工艺温度设定值要求如40℃,接通冷却水。通过换热器17一侧,进行热量交换过程,使导热油温度降下来,并由循环泵18输入干燥箱3的搁板4内。通过搁板4内导热油传递热量给产品,使产品温度降下来。
[0043] ⑶当搁板4内导热油温度降到设定值时,并持续恒定一段时间。
[0044] ⑷当产品温度与搁板4温度接近时(差值5℃左右),并持续恒定一段时间。
[0045] 这个过程中的工艺温度设定值同样可以由产品特性或试验所得数据进行多段的降温保温时间设置。
[0046] 7、冻干结束⑴依次关闭隔离阀一9、隔离阀二10;
⑵分别把干燥箱3和冷凝器6上的放气阀20打开,使干燥箱3和冷凝器6内恢复至一个大气压。
[0047] 8、卸载产品打开干燥箱门,取出产品。
[0048] 9、冷凝器6除霜。
[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、均包含在本发明的保护范围之内。
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