關於全新工質實驗型真空冷凍乾燥機的研發

  1國內目前實驗型真空冷凍乾燥機的概況
改革開放以來，真空冷凍乾燥機（以下簡稱凍干機）的研發在我國已得到長足的發展。國內所需凍干機大致經歷了3個階段：20世紀80年代前基本依靠進口，20世紀90年代則是部分進口、部分國產，20世紀末、21世紀初國內產品部分替代進口並開始出口。
近幾年來，國內所生產的凍干機已經批量出口至俄羅斯、越南、阿根廷等國，少量出口至日本等發達國家。國內生產的凍干機在性能、質量水平上和歐美生產的已相差不遠，因其相對低廉的價格，所以有較強的競爭力。目前，國產的凍干機所需的關鍵運動部件都是國際採購的。例如，製冷壓縮機一般採用德國、義大利的品牌；真空泵一般採用英國、日本的品牌；控制系統一般採用日本或德國等國的品牌。凍干機所需的乾燥箱、捕水器等部件均是採用國內企業生產的產品。這樣，就使得凍干機既有高可靠性和高性能，又有較好的性價比，從而具備了良好的競爭力。
上述醫藥凍干機，從擱板有效面積1～50m2已基本形成系列。習慣上，將1～10m2的凍干機稱之為中型（生產型）凍干機，10～50m2凍干機稱之為大型（生產型）凍干機，而1m2以下（如0.4m2或0.6m2）凍干機稱之為實驗型凍干機。
對實驗型凍干機而言，其最大的難點是：通過國際採購得到的性能良好的雙級低溫型製冷壓縮機（凍干機需此類壓縮機）最小功率為5P。5P製冷壓縮機所適應的最小凍干機為1m2凍干機。如果此種機組應用到1m2以下的凍干機上，除了冷量太大、耗能太大之外，還會帶來一系列的故障。所以，生產1m2以下實驗型凍干機目前存在購買不到相應機組的問題。至2005年底，國內冷凍乾燥機生產廠家很少生產實驗型凍干機。如少量生產的一般也採用國產制冷機組，其存在製冷工質面臨淘汰、匹配不良、性能穩定性較差等問題。
2新一代採用全新工質實驗型真空冷凍乾燥機的研發簡介
鑒於以上情況，上海遠東製藥機械總廠在2008年成功開發了新一代採用全新工質實驗型凍干機，以改變上述情況，滿足用戶需要。
在實驗型凍干機6大系統中，機械系統、液壓系統、換熱系統、真空系統與生產型凍干機基本相同，區別僅在於大小而已。其他2個系統（控制系統、製冷系統）則需作較大改進。
2.1製冷系統
製冷系統採用覆疊式製冷系統，製冷工質捨棄過去採用的R22/R13，而採用全新的R404A/R23（製冷系統工質替代在下文詳述）。製冷壓縮機採用2台進口單級壓縮機，組成覆疊式製冷方式，其系統如圖1所示。

 
2.2控制系統
控制系統採用目前國內較先進的嵌入式控制系統。此系統放棄了以觸摸屏控制為主、PC機為輔的單機控制模式，而採用先進的嵌入式系統控制屏加上位機（PC機）進行許可權控制，並可通過遠程計算機進行監控及設備的維護升級。其組成如下：系統的控制系統由嵌入式系統控制器、可編程序控制器、溫度調節模塊、本地PC計算機、遠程PC計算機、印表機、外圍繼電器、感測器等設備組成。示意如圖2所示。

3新型工質的選擇
由於採購不到適應0.4～0.6m2使用的高性能、高可靠性雙級低溫製冷壓縮機。經反覆研究，採用了覆疊式低溫製冷系統。覆疊式製冷系統高溫級過去一般採用R22製冷劑，低溫級過去一般採用R13製冷劑，此二類製冷劑對大氣層臭氧層具有破壞作用，其中R22為HCFC類（過渡類）製冷劑，R13為CFC類（淘汰類）製冷劑，R22、R13製冷劑性質如表1所示。
表1R22、R13製冷劑性質表

由於R22製冷劑屬過渡工質，發達國家最遲2020年就要淘汰，發展中國家最遲2040年就要淘汰（我國可能於2030年前淘汰）。R13製冷劑屬淘汰工質，發達國家已於1995年淘汰，發展中國家最遲2010年淘汰。因此，採用合適的替代工質成為目前實驗型凍干機開發的關鍵問題。它不但關係到凍干機的使用壽命，還關係到產品出口的大問題。
3.1工質篩選
我們進行了一系列的工質篩選，最終選定覆疊製冷高溫級以R404A替代R22，覆疊製冷低溫級以R23替代R13。現將二組工質性質分別進行比較，如表2、表3所示。
表2R22和R404A性質比較（高溫級製冷劑）

表3R13和R23性質比較（低溫級製冷劑）

3.2工質的泄漏問題
從表2、表3可以看出，R13的替代工質是R23，是單一成分的工質不需要考慮工質的泄漏問題，而R22的替代工質R404A是三元混合工質，替代中要考慮工質的泄漏問題。
應用混合工質，特別是非共沸混合工質時，泄漏是一個需要特別注意的問題。因為在實際的製冷系統中，混合工質在不同的部件中處於不同的狀態區。例如，混合工質在冷凝器的前段其狀態處於過熱區，而在冷凝器中段處於兩相區，在冷凝器末段處於過冷區。當混合工質處於單相區時，與純工質一樣，其在系統中發生泄漏后，只是系統的充灌量發生了變化，而工質中各組分成分並未發生變化；但當混合工質進入兩相區時，與純質不同，在發生泄漏時不但會引起系統充灌量的變化，而且會引起工質中各組份的成分變化。由於泄漏問題使得混合工質的組成發生變化，這些變化都會影響系統的整機性能。
R404A是近共沸製冷劑，其組分HFC-125、HFC-143a、HFC-134a的沸點分別為-48.45℃、-47.75℃和-26.4℃。其配比中HFC-125和HFC-143a分別佔44%和52%。組分HFC-125和HFC-143a的沸點低，優先蒸發，當系統發生泄漏時，R404A的質量組分比發生變化。由於HFC-125和HFC-143a兩組分共佔R404A配比總重的96%，所以系統發生少量泄漏時，製冷劑的組分不會變化太多。向系統中補充製冷劑時，可以直接充注新的R404A，而無需抽空系統中剩餘的製冷劑。
3.3理論計算分析
以上對覆疊系統高、低溫級的替代工質與原工質分別進行了比較，為了更為全面地了解替代工質與原工質組成的覆疊系統熱力性能。
對R22/R13和R404A/R23製冷劑在固定高溫級冷凝溫度40℃，蒸發溫度分別為-50℃，-55℃，-60℃，-65℃，過冷度5℃，高溫級吸氣過熱度15℃，低溫級吸氣過熱度30℃，壓縮機的余隙容積為4%，等熵壓縮指數0.7時理論性能進行計算，結果如下：
（1）R404A壓比比R22小，泄漏小，容積效率高。R23壓比則明顯高於R13，而壓比過高容易引起壓縮機排氣溫度上升、效率降低、功耗增大，甚至造成系統內製冷劑和潤滑劑的分解，惡化壓縮機運轉條件，對整個製冷系統不利。
（2）R404A、R23覆疊系統能效比COP在低溫蒸發溫度為-50℃以上，略高於R22、R13系統，但在蒸發溫度為-55～-65℃區間內反而比R22、R13系統低10%左右。這表明R404A、R23系統更適合稍高蒸發溫度的系統，但從綜合情況考慮，R404A、R23仍可以作為系統的理想替代工質。
（3）R404A排氣溫度明顯低於R22，這點對壓縮機的可靠性非常有利，主要歸因於R404A較小的絕熱壓縮指數。而R23排氣溫度則較R13高40%左右，因此在系統設計時可通過對壓縮機缸體通冷卻水或在壓縮機頂部加裝散熱風扇等有效措施來降低壓縮機的排氣溫度，以提高系統的可靠性。
（4）R22單位製冷量比R404A高20%左右，而R23單位製冷量比R13高30%左右，較高的單位製冷量也意味著系統製冷劑沖注量的減少，也相應的可減少系統製冷劑的泄漏量。同樣，雖然R23單位壓縮功比R13高40%左右，但由於其製冷劑沖注量較少，也並不會產生過多的冷凝熱，這樣可以保證蒸發冷凝器不會有太大的差異。
（5）R404A蒸發器的傳熱性能優於R22，主要源於兩方面因素：一方面，R404A質量流量較大，約比R22增大50%，進而使蒸發器傳熱能力有所增強；另一方面，R404A液體表面張力較小。R404A飽和液體的表面張力約是R22的2/3,故相比較而言，R404A更容易產生氣泡，汽化率更高，相應的傳熱係數也更大。
3結語
上海遠東製藥機械總廠在實驗型凍干機的開發上取得了很好的進展，與原國產的實驗型凍干機相比，它不僅有上述兩大改進，而且性能更穩定，更先進，從而獲得了國內外用戶的肯定。   

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