一种双蒸发器制冷系统调节性能的研究

　　1 序言

　　真空冷冻干燥一般包括冻结、一次干燥和二次干燥等过程。在物料的冻结过程中，一般采用隔板冷却。而一次干燥过程中，需设置“冷阱”，冷阱换热器表面的温度低于已冻结物料表面的温度，也低于隔板表面的温度。冷阱换热器表面的饱和蒸汽压低于冻结物料表面的饱和蒸汽压，在真空环境中，在压差驱动下，水分以升华的方式迁移到冷阱的表面。当冷阱表面积霜到一定厚度，则启动电加热丝进行除霜，通过接水盘排水。此时，为了控制物料的温度，使其不超过玻璃化转变温度[1]，隔板蒸发器中的制冷剂也需同时进行蒸发制冷。

　　因此，冻干机制冷系统需同时满足冷阱和隔板对冷量的要求。如果分别为冷阱和隔板配置制冷系统，这样，虽然操作控制方便，但增加了设备的造价，并且不利于节能。现在常采用一种具有双蒸发器结构的制冷系统[2-3]。制冷系统采用一台蒸气压缩系统带双蒸发器，一个蒸发器作为冷阱，另一蒸发器作为冷冻隔板(见图1) 。在一机多蒸发温度的制冷系统中，只有控制蒸发器的温度，才有可能实现一台压缩机制冷系统的多蒸发温度运行。蒸发温度控制是通过调节蒸发压力为预定值而实现的。调节蒸发压力的方法是: 在蒸发器出口管上安装蒸发压力调节阀，根据蒸发压力的变化自动调节阀门的开度，即调节从蒸发器引出的制冷剂蒸气流量[5]。本文通过实验，对双蒸发器系统温度调节性能进行了研究。

　　2 冻干装置中的双蒸发器制冷系统

　　该装置中的制冷系统主要有两个作用: 一是为样品冻结提供冷量。二是为捕捉升华出来的水蒸气提供冷量。该系统采用一种新型的混合工质自动复叠制冷循环 ( Auto Cascade RefrigerationCycle) ，由中高背压压缩机、风冷冷凝器、精馏装置、热交换器、低温节流阀、冷阱蒸发器、搁板蒸发器、控制阀等部件组成。制冷系统的工作流程如图1 中所示: 一定配比的非共沸混合工质如R14、R23 和R600a 进入压缩机，压缩后产生的高温高压蒸汽进入风冷式冷凝器; 在冷凝器中，一部分R600a 被冷凝下来; 冷凝后的汽液两相混合物进入精馏装置的釜底，低沸点气相工质在精馏柱内由下向上流动，与由上向下流动的高沸点液相工质在精馏柱内进行充分的热质交换，从精馏装置釜顶流出，进入热交换器EX2 和EX1 进行充分预冷，同时绝大部 R600a、少量的 R23 和润滑油的液态混合物进入釜底; 低沸点混和工质在出热交换器EX1后分成两路进入两个低温节流阀节流制冷，节流后的冷流体分别给搁板和冷阱提供冷量;从蒸发器流回的流体，其温度仍然很低，继续预冷热交换器EX1和EX2 中的高压热流体，然后经精馏装置釜顶热交换器EX2 冷凝精馏装置内上升的气流，最后回到压缩机。精馏装置顶部的一部分冷凝液作为精馏柱的回流液，把绝大部分R600a 和润滑油冷凝为液体; 另一部分冷凝液则被引出，经过节流阀 J2 减压膨胀后，与从热交换器EX1 中出来的低温气液两相混合工质混合，进入热交换器EX2 冷却精馏柱出口的气体混合物。从釜底引出的液态混合物，经节流阀J1 减压膨胀后，与从热交换器EX2 出来的制冷工质混合后进入釜顶热交换器[4]。系统部件规格如表1 所示。