吸附式流化床冷冻干燥装置制冷系统研究

第２Ｏ卷第４期　２００６年１２月　上海工程技术大学学报　Ｖ０１．２Ｏ　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２００６　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡｌ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＣＩＥＮＣＥ　文章编号：１００９—４４４Ｘ（２００６）０４—０３３２—０３　吸附式流化床冷冻干燥装置制冷系统研究　夏鹏，王鹏英，蔡颖玲　（上海工程技术大学机械工程学院，上海２０１６２０）　摘要：吸附式流化床冷冻干燥设备简单、节能，而且冻干产品品质与真空冷冻干燥接近。对应用　在流化床冷冻干燥装置上的空气制冷循环进行分析，提出了一种复叠式制冷系统，并对系统的性　能进行计算，得出适合流化床冷冻干燥的工况。　关键词：流化床；冷冻干燥；空气制冷；复叠式制冷系统　中图分类号：ＴＢ　６１　４　文献标志码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ａｄｓｏｒｂｅｎｔ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ—ｂｅｄ　Ｆｒｅｅｚｅ　Ｄｒｙｅｒ　ＸＩＡ　Ｐｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｐｅｎｇｙｉｎｇ，ＣＡＩ　Ｙｉｎｇｌｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｂｅｎｔ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ—ｂｅｄ　ｆｒｅｅｚｅ　ｄｒｙｅｒ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａｎｄ　ｉｓ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄ—　ｕｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ——ｂｅｄ　ｆｒｅｅｚｅ——ｄｒｙｅｒ　ａｒｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｌｙｏｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ、Ｔｈｅ　ａｉｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｃｙｃｌｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｄｓｏｒｂｅｎｔ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｆｒｅｅｚｅ　ｄｒｙｅｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｃａｓｃａｄｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ｇｏｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ—ｂｅｄ；ｆｒｅｅｚｅ　ｄｒｙｅｒ；ａｉｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ；ｃａｓｃａｄｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　真空冷冻干燥技术具有许多独特的优点，应用　于食品、医疗、医药和材料等行业中，但因其设备精　密、复杂和能耗高等缺点，使得推广应用受到极大　附式流化床中，吸附剂起着传热介质、水汽吸收载　体以及热源等多重作用，可直接由吸附剂吸收介质　中的水蒸气来降低蒸汽分压力，而不需降低总压　力，所以不需要真空设备　１ｌ２　Ｊ。同时因不需用“冷　阱”来捕捉水蒸气，制冷设备的蒸发温度也可提　高，只要保证在干燥过程中不超过物料的玻璃化转　限制。研究　１　Ｊ发现流化床冷冻干燥技术具有简　单、节能等特点，而且冻干产品品质与真空冷冻干　燥接近。　物料进行冷冻干燥必需的基本条件是使干燥　器中的水蒸气压力始终保持低于水的三相点压力，　变温度即可［３ｌ，这些都有利于降低电耗。流化床　冷冻干燥制冷系统可使流化床处于较低的温度下，　以保证物料升华冷冻干燥，同时可通过调节冷量，　在真空冷冻干燥中，这一条件是借助真空泵的抽吸　作用，降低物料周围介质的总压力实现的。在吸　使流化床在不同温度下进行工作。　收稿日期：２００６—０９—１Ｏ　作者简介：夏鹏（１９７９一），男，江苏杨州人，硕士，研究方向为制冷装置自动化、冷冻干燥等　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　夏鹏，等：吸附式流化床冷冻干燥装置制冷系统研究　．３３３　本文分析了用于流化床冷冻干燥装置上的空　气制冷循环，提出了一种复叠式制冷系统，并对系　统的性能进行了分析，得出了适合于流化床冷冻干　燥的工况。　Ｄ　（ａ）卜　图　（ｂ）Ｐ—ｖ图　１　基本循环　基本循环如图１所示，其中粗箭头表示空气循　环的方向。具体流程是：常温常压空气经压气机１　图２压缩空气制冷循环图　Ｆｉｇ．２　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ａｉｒ　由于空气可以看作理想气体，具有理想气体的　压缩，通过冷却器２冷却至环境温度，在膨胀机３　中进行绝热膨胀，压力下降，且温度下降到低温工　况，低温空气进入吸附式流化床４，为吸附式流化　床冷冻干燥过程提供冷量。经过流化床后，空气进　入热交换器５，回收冷量后，空气再进入压气机１。　图１流化床冷冻干燥系统图　Ｆｉｇ．１　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ——ｂｅｄ　ｆｒｅｅｚｅ　ｄｒｙｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　细箭头表示制冷剂循环的方向，该循环为一个　附属的制冷系统：膨胀机３的回收功，可以作为附　属制冷系统压缩机１ｆ的输入功，在热交换器５中，　从流化床流出的冷空气对附属制冷系统的高温高　压的制冷剂进行冷却；２ｆ为一节流阀；该附属制冷　系统的蒸发盘管直接缠绕在流化床的壁层上（其外　包上保温层）。　物料的质量通过电子天平Ａ进行秤量，冷却　夹套Ｂ由蒸发盘管和保温层构成，Ｃ为温度探头，　可以对物料以及流化床的温度进行测控，Ｄ为布风　板，Ｅ为吸附剂。吸附剂在流化床中，在低温、常压　的条件下吸收水分，使得物料干燥。在这个过程中　吸附剂放出了热量，同时，吸附剂需要有一个脱附　的过程　ｊ。　空气制冷系统循环包括等熵压缩、等压冷却、　等熵膨胀、等压吸热等４个过程¨４　Ｊ，在Ｔ一５图和　图上表示上述空气循环，如图２所示。　性质，其压力和温度在等熵过程的关系式为　Ｔ２Ｔ　＝　【　Ｊ　（１）　整个循环的特点：　１）直接制得用于流化床的冷风，无需用冷媒　二次换热；　２）用附属制冷系统供冷，通过夹套来控制整　个流化床的温度，达到保持低温环境的目的；　３）用于流化床的空气，可以通过适当的控制　措施，变工况流动。　２　系统性能计算分析　在进行模拟计算时，作了如下４点假设：　１）空气制冷系统的制冷工质为空气，且空气　视为理想气体，质量流量为１　ｋｇ／ｓ，初始温度为　３０℃，初始压力为１００　ｋＰａ；　２）附属制冷系统的低压为２００　ｋＰａ，压比为５，　压缩机进口工质为饱和气体；　３）压缩过程近似等熵，膨胀过程近似等熵，且　膨胀机的输出功ｗ　等于附属制冷系统压缩机的　输入功Ｗｌｆ；　４）不计管路及换热器中的压力损失，即在换　热器中流体等压换热。　ＣＯＰ表征系统的能耗高低，而膨胀机出口的　空气比体积　的大小，直接影响系统的尺寸。　ｃＯＰ：　些Ｗ　ｌ　　（２）　式中：Ｃ０Ｐ一系统总的性能系数；　Ｑ　一空气制冷系统的制冷量，ｋｗ；　Ｑ　一附属制冷系统的制冷量，ｋｗ；　ｗ．一压气机１的耗功，ｋＷ。　由Ｗｌｆ＝Ｗ３，可以推得：　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３３４・　上海工程技术大学学报　第２０卷　优ｆ＝Ｗ３／△ｈ　（３）　式中：Ｗ】ｆ一压缩机１ｆ的耗功，ｋＷ；　Ｗ　一膨胀机３的膨胀功，ｋＷ；　ｍ，一附属制冷系统的制冷剂流量，ｋｇ／ｓ；　△　一压缩机１ｆ出口与进口的比焓差，ｋＪ／ｋｇ。　而常压流化床，Ｐ　＝１００　ｋＰａ。　２．１　空气制冷系统压比对系统性能的影响　空气制冷系统的空气，进入热交换器５的温度　为一２０℃。附属制冷系统使用Ｒ２２作为制冷工　质。　图３　空气制冷系统压比对系统性能的影响　Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｉｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　从图３，可以看出，随着压比的变大，整个系统　的制冷系数ＣＯＰ变小，刚开始压比为２～１０时，　变化急剧，后面变化趋缓。ｃ０Ｐ变小影响系统的　经济性。但是，随着压比的变大，膨胀机出口的空　气比体积也减小，这将有利于减小设备尺寸。但　是，如果压比过大，高压过高，必然对设备承压能力　提出了更高的要求，也增加了系统设备的初投资。　因而，当取一个中间值压比为１０作为空气制冷系　统的压比时，适合于流化床冷冻干燥系统。　２．２流化床出口温度ｔ　对系统性能的影响　根据２．１，取空气制冷系统的压比为１０。附属　制冷系统工质为Ｒ２２，由式（３），可以计算得到优　＝３．６３　ｋｇ／ｓ。　从图４可以看出，流化床出口温度越低，ＣＯＰ　的值越低。但是，变化的幅度不大，在流化床冷冻　干燥过程中，得保证流化床内温度不高于物料的玻　璃化转变温度，比如，甘露醇的玻璃化转变温度在　一２７℃Ｅ３　Ｊ，我们取一３０℃，因此设定流化床的出　口温度为一３０℃。　２．３　附属制冷系统不同制冷剂的选取对系统性能　的影响　根据２．１，取空气制冷系统的压比为１０，根据　２．２，取流化床出口温度为一３０℃。附属制冷系统　采用不同制冷剂。　图４流化床出口温度ｔ　对系统性能的影响　Ｆｉｇ．４　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｕｔｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔ４　ｏｆ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ—ｂｅｄ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　１一Ｒ２２；２－－Ｒｌ３４ａ；３一Ｒｌ２；４－－氨　图５　附属制冷系统不同制冷剂的选取　对系统性能的影响　Ｆｉｇ．５　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｆｒｉｅｒａｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　从图５可以看出，在附属制冷系统４种工质　中，采用氨作为工质的系统制冷量Ｑ（Ｑ　＋Ｑ６）以　及ＣＯＰ最大，而Ｒ１２是一个低谷，系统制冷量以　及ＣＯＰ最小。因而在研究附属制冷系统时应考　虑制冷剂的影响。但同时可以看出，制冷剂对系统　制冷量Ｑ的影响不是很大。　３　结　语　从上述分析可以得出以下结论：　１）随着压比的变大，整个系统的制冷系数　ＣＯＰ变小，在压比为２～１０时，变化急剧；压比变　大，膨胀机出口比体积将减小，这有利于减小设备　尺寸，但是，如果压比过大，高压过高，对设备承压　能力提出了更高的要求，因而本文建议取压比为　１０作为空气制冷系统的压比。　（下转第３３９页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　王天波，等：不确定线性中立型时滞系统鲁棒镇定　・　３３９　・　ｒ一０．０１８　３　Ｙ＝ｊ一０．０２２　５　Ｌ　０　Ｉ０１９　４　．一０．００６　９　０．００６　２　０．００２　０　０．０１０　０］　一ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｒｏｂｕｓｔ　ｓｔａｂｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　Ｉ　—０．０１１　７　１　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｔａｔｅ　ｄｅｌａｙｅｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎ－　ｔｒｏｌ，１９９８，４３（１１）：１６０８—１６１２．　ＳＨＥＮ　Ｊｉｎｇｃｈｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｂｏｓｅｎ．Ｍｅｍｏｒｙｌｅｓｓ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　０．００９　４＿』　控制器的增益矩阵为　ｒ一０．６８７　７　　ｌ—０．１９６　９　０．１７７　５　０．０６１　４　０．５５４　２－１　０．６４１　８　Ｊ　０．５０３　１３　ｏｆ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｒｉｃｃａｔｉ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　Ｋ＝Ｊ一０．８４８　９　Ｌ　ｌ　０．７４０　６　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ，１　９９１，３６　（３）：６３８—６４０．　ＹＵ　Ｌｉ，ＣＨＵ　Ｊｉａｎ，ＳＨＵ　Ｈｏｎｇｙｅ．Ｒｏｂｕｓｔ　ｍｅｍｏｒｙｌｅｓｓ　Ｈ。。ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｌｉｎｅａｒ　ｔｉｍｅ—ｄｅｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　～—４　结　语　本文考虑了同时具有状态和输入时滞的中立　型不确定线性系统的鲁棒镇定问题，给出了状态反　馈控制律的设计方法。对于所有的不确定性，在该　控制器的作用下所得到的闭环系统都是渐近稳定　＿ｎ　１Ｊ　－＿１Ｊ、Ｊ　ｎｏｒｌＴｌ—ｂｏｕｎｄｅｄ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，１９９６，３２　（１２）：１７５９—１７６２．　吕亮，李钟慎．不确定时变时滞系统鲁棒Ｈ。。反馈控　制器的设计——ＬＭＩ方法［Ｊ］．计算技术与自动化，　２００６，２５（１）：４—７．　俞立．鲁棒控制——线性矩阵不等式处理方法［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，２００２．　的，而且所得到的条件具有ＬＭＩ形式，容易求解。　参考文献：　［１］ＣＡＯ　Ｙｏｎｇｙａｎ，ＳＵＮ　Ｙｏｕｘｉａｎ，ＣＨＥＮＧ　Ｃｂｕｗａｎｇ．Ｄｅｌａｙ　（上接第３３４页）　２）流化床出口温度越低，ＣＯＰ的值越低，但　是，变化的幅度不大。在空气制冷循环流化床冷冻　干燥过程中，为保证流化床内温度不高于物料的玻　璃化转变温度，建议流化床的出口温度取一３０℃　为宜。　的冷冻干燥实验［Ｊ］．太阳能学报，２００２，２３（２）：１７１　１７４．　［２］　冯洪庆，李惟毅，林林，等．常压吸附流化冷冻干燥影　响因素的实验研究［Ｊ］．天津大学学报，２００３，３６（３）：　３８７—３９０．　３）在附属制冷系统４种工质中，氨的制冷量　以及Ｃ０Ｐ最大，而Ｒ１２的制冷量以及Ｃ０Ｐ最小。　［３］　华泽钊．冷冻干燥新技术［Ｍ］．北京：科学出版社，　２００５．　［４］　刘云霞，赵远扬，王尚锦．列车空调用空气制冷系统的　方案设计［Ｊ］．流体机械，２００３，３１（６）：４８—５１．　［５］　夏鹏．药品冷冻干燥装置的优化及实验研究［Ｄ］．　因而，附属制冷系统应该考虑制冷剂的影响。　参考文献：　［１］齐锡龄，李惟毅，郑宗和．物料浸没在吸附剂流化床中　杭州：浙江大学机械与能源工程学院，２００５．