真空冷凍干燥技術具有許多*的優點,應用于食品、醫療、醫藥和材料等行業中,但因其設備精密、復雜和能耗高等缺點,使得推廣應用受到極大限制。研究[1 ] 發現流化床冷凍干燥技術具有簡單、節能等特點,而且凍干產品品質與真空冷凍干燥接近。
    物料進行冷凍干燥必需的基本條件是使干燥器中的水蒸氣壓力始終保持低于水的三相點壓力,在真空冷凍干燥中,這一條件是借助真空泵的抽吸作用, 降低物料周圍介質的總壓力實現的。在吸附式流化床中, 吸附劑起著傳熱介質、水汽吸收載體以及熱源等多重作用,可直接由吸附劑吸收介質中的水蒸氣來降低蒸汽分壓力, 而不需降低總壓力, 所以不需要真空設備[1 ,2 ] 。同時因不需用“冷阱"來捕捉水蒸氣, 制冷設備的蒸發溫度也可提高,只要保證在干燥過程中不超過物料的玻璃化轉變溫度即可[3 ] ,這些都有利于降低電耗。流化床冷凍干燥制冷系統可使流化床處于較低的溫度下,以保證物料升華冷凍干燥,同時可通過調節冷量,使流化床在不同溫度下進行工作。
    本文分析了用于流化床冷凍干燥裝置上的空氣制冷循環,提出了一種復疊式制冷系統,并對系統的性能進行了分析,得出了適合于流化床冷凍干燥的工況。
1 　基本循環
    基本循環如圖1 所示,其中粗箭頭表示空氣循環的方向。具體流程是:常溫常壓空氣經壓氣機1壓縮,通過冷卻器2 冷卻至環境溫度,在膨脹機3中進行絕熱膨脹,壓力下降,且溫度下降到低溫工況,低溫空氣進入吸附式流化床4 ,為吸附式流化
床冷凍干燥過程提供冷量。經過流化床后,空氣進入熱交換器5 ,回收冷量后,空氣再進入壓氣機1 。

細箭頭表示制冷劑循環的方向,該循環為一個附屬的制冷系統:膨脹機3 的回收功,可以作為附屬制冷系統壓縮機1f 的輸入功,在熱交換器5 中,從流化床流出的冷空氣對附屬制冷系統的高溫高壓的制冷劑進行冷卻;2f 為一節流閥;該附屬制冷系統的蒸發盤管直接纏繞在流化床的壁層上(其外包上保溫層) 。
    物料的質量通過電子天平A 進行秤量,冷卻夾套B 由蒸發盤管和保溫層構成,C 為溫度探頭,可以對物料以及流化床的溫度進行測控,D 為布風板,E 為吸附劑。吸附劑在流化床中,在低溫、常壓的條件下吸收水分,使得物料干燥。在這個過程中
吸附劑放出了熱量,同時,吸附劑需要有一個脫附的過程[2 ] 。

整個循環的特點:
    1) 直接制得用于流化床的冷風,無需用冷媒二次換熱;
    2) 用附屬制冷系統供冷,通過夾套來控制整個流化床的溫度,達到保持低溫環境的目的;
    3) 用于流化床的空氣,可以通過適當的控制措施,變工況流動。
2 　系統性能計算分析
    在進行模擬計算時,作了如下4 點假設:
    1) 空氣制冷系統的制冷工質為空氣,且空氣視為理想氣體,質量流量為1 kg/ s ,初始溫度為30 ℃,初始壓力為100 kPa ;
    2) 附屬制冷系統的低壓為200 kPa ,壓比為5 ,壓縮機進口工質為飽和氣體;
    3) 壓縮過程近似等熵,膨脹過程近似等熵,且膨脹機的輸出功W3 等于附屬制冷系統壓縮機的輸入功W1f ;
    4) 不計管路及換熱器中的壓力損失,即在換熱器中流體等壓換熱。
    COP 表征系統的能耗高低, 而膨脹機出口的空氣比體積v 的大小,直接影響系統的尺寸。

COP —系統總的性能系數;Qa —空氣制冷系統的制冷量,kW;Qb —附屬制冷系統的制冷量,kW;
W1 —壓氣機1 的耗功,kW。由W1f = W3 ,可以推得:

W1f —壓縮機1f 的耗功,kW;W3 —膨脹機3 的膨脹功,kW;mf —附屬制冷系統的制冷劑流量,kg/ s ;
Δh —壓縮機1f 出口與進口的比焓差,kJ/ kg。而常壓流化床, P4 = 100 kPa。
2. 1 　空氣制冷系統壓比對系統性能的影響
    空氣制冷系統的空氣,進入熱交換器5 的溫度為- 20 ℃。附屬制冷系統使用R22 作為制冷工質。

  隨著壓比的變大,整個系統的制冷系數COP 變小, 剛開始壓比為2～10 時,變化急劇, 后面變化趨緩。COP 變小影響系統的經濟性。但是,隨著壓比的變大,膨脹機出口的空氣比體積也減小, 這將有利于減小設備尺寸。但是,如果壓比過大,高壓過高,必然對設備承壓能力提出了更高的要求, 也增加了系統設備的初投資。因而,當取一個中間值壓比為10 作為空氣制冷系統的壓比時,適合于流化床冷凍干燥系統。
2. 2 　流化床出口溫度t4 對系統性能的影響
    根據2. 1 ,取空氣制冷系統的壓比為10 。附屬制冷系統工質為R22 ,由式(3) ,可以計算得到mf= 3. 63 kg/ s。
　 流化床出口溫度越低, COP的值越低。但是,變化的幅度不大,在流化床冷凍干燥過程中,得保證流化床內溫度不高于物料的玻璃化轉變溫度,比如,甘露醇的玻璃化轉變溫度在- 27 ℃[3 ,5 ] ,我們取- 30 ℃,因此設定流化床的出口溫度為- 30 ℃。
2. 3 　附屬制冷系統不同制冷劑的選取對系統性能的影響
    根據2. 1 ,取空氣制冷系統的壓比為10 ,根據2. 2 ,取流化床出口溫度為- 30 ℃。附屬制冷系統采用不同制冷劑。

  在附屬制冷系統4 種工質中,采用氨作為工質的系統制冷量Q ( Qa + Qb) 以及COP zui大,而R12 是一個低谷,系統制冷量以及COP zui小。因而在研究附屬制冷系統時應考慮制冷劑的影響。但同時可以看出,制冷劑對系統制冷量Q 的影響不是很大。
3 　結　語
    從上述分析可以得出以下結論:
    1) 隨著壓比的變大, 整個系統的制冷系數COP 變小,在壓比為2～10 時, 變化急劇; 壓比變大,膨脹機出口比體積將減小, 這有利于減小設備尺寸,但是,如果壓比過大,高壓過高,對設備承壓能力提出了更高的要求, 因而本文建議取壓比為10 作為空氣制冷系統的壓比。
    　2) 流化床出口溫度越低, COP 的值越低,但是,變化的幅度不大。在空氣制冷循環流化床冷凍干燥過程中,為保證流化床內溫度不高于物料的玻璃化轉變溫度,建議流化床的出口溫度取- 30 ℃為宜。
    3) 在附屬制冷系統4 種工質中,氨的制冷量以及COP zui大,而R12 的制冷量以及COP zui小。因而,附屬制冷系統應該考慮制冷劑的影響。