冻干机制冷系统浅析

真空冷冻干燥机之双奇篇

制冷系统是冻干机的最重要的组成部分，被称为“冻干机的心脏”。理论上制冷系统由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀所构成，主要是为干燥箱内制品前期预冻供给冷量；以及为后期冷阱盘管捕集升华水汽供给冷量。

在冻干机设计时，考虑到冻干机对制冷的要求特殊性，其制冷系统主要由以下部件组成：压缩机、制冷剂、油分离器、水冷凝器、干燥过滤器、中间冷却器、视液镜、电磁阀、手阀（顶盖阀）、膨胀阀、蒸发器（板式交换器，后箱冷凝盘管）、汽液分离器、回气过滤器、压力表、压力控制继电器、CPCE （能量调节器）、安全阀、制冷管道等。

制冷系统原理图

1、压缩机：压缩机是制冷系统的核心，压缩机主要是对气态氟里昂进行压缩，从吸气口吸入低温低压的气态氟里昂，经过活塞或螺杆压缩后，变成高温高压的气态氟里昂，通过排气管排出去。

压缩机按照压缩的形式，可以分为活塞式压缩机和螺杆式压缩机。

活塞式压缩机又可以分为开启式、半封闭式、全封闭式三种形式。

根据压缩的级别，压缩机又可分为单级压缩机、双级压缩机和复叠式压缩机。

现在选用的大都是活塞式半封闭双级压缩机。（5HP30HP），品牌为BITZER 和COPELAND两种。

小型冻干机选用活塞式半封闭单级压缩机（3HP）COPELAND或活塞式全封闭单级压缩机（3HP）美国泰康牌。

活塞式压缩机的结构

活塞式压缩机主要由电机、汽阀、汽缸套、输汽量调节、曲轴、连杆组件、活塞组件、轴封、机体组件、润滑系统等组成。

其中汽阀主要由阀座、阀片、汽阀弹簧和升程限制器组成。

螺杆式制冷压缩机与传统的往复式制冷压缩机相比，具有非常大的优势。

①、工作效率高。不需要将旋转运动转化为往复运动，减少了由此带来的机械损失；不会出现没有余隙容积中剩余气体的再膨胀过程，无滑动摩擦，不需要设置吸、排气阀片，指示效率和机械效率都比效高。

②、良好的能量调节方式。往复式压缩机相对调节能力较差，而螺杆式压缩机在此方面表现突出，其制冷量可在15%～100%之间无级调节，当冷量在60%～100%之间调节时，其耗功率与制冷量以相同比例变化。

③、运行性能好。由于螺杆式制冷压缩机的结构简单，零件数仅为活塞式的1/10，压缩机运行可靠、安全、振幅小、适应性强，在高、低浊制冷范围内的应用中均有良好性能。

螺杆式制冷机制冷量与活塞式比较

螺杆式(神户制钢) S H22F(20KW) R22 50HZ

活塞式(比泽尔) S66J-32.2(24KW) R22 50HZ

ET SH22F S66J-32.2

-30℃35,800(21.3) 29,290(22.1)

-40 24,400(19.2) 17,990(17.7)

-50 15,800(17.5) 9,400(12.2)

-60 11,500(16.0) - ( - )

注)数值为制冷量Kcal/h( )内为动力Kw

2、制冷剂：一种物质能从一种物质（或物体）吸收热量，然后传递给另一种物质（物体），在传递热量的过程中只发生物理变化，这种物质称为制冷剂。不同类型的制冷机使用不同种类的制冷剂。

几种常用的制冷剂：

①、氨制冷剂（R717），为中温制冷剂，有毒，在一定条件下有易燃性和可爆性，生产方便，价格便宜。

②、氟里昂11（R11），分子式为CCl3F,高温制冷剂，没有腐蚀性、不燃烧、毒性小。

③、氟里昂12（R12），分子式为CCl2F2，中温制冷剂。

④、氟里昂13（R13），分子式为CClF3，低温制冷剂。

⑤、氟里昂22（R22），分子式为CHClF2，中温制冷剂。运用广泛。最低蒸发温度为-50℃，最高蒸发温度为-20℃。

⑥、混合制冷剂，共沸混合制冷剂R502。非共沸混合制冷剂R404A、R507最低蒸发温度为-70℃，最高蒸发温度为-30℃。

氟里昂经过压缩机压缩后变成高温高压的气体，进入到油分离器中。冷冻机油也会随高温高压的气体进入到油分离器，油分离器的目的就是使冷冻机油能不断的回到压缩机曲轴箱，以确保压缩机油箱里有足够的冷冻油，保证润滑效果。

冷冻机油在油分离器里的油面达到一定位置时，依靠浮力的作用，浮球将回油阀顶开，由于油分离器里的压力比压缩机曲轴箱的压力大得多，油就通过回油管回到压缩机曲轴箱内。当油位下降后，浮球不足于将回油阀顶开，不回油。因此回油是间隙式的。通过这种方式，达到油和氟里昂分离的效果，确保压缩机里有足够的冷冻机油进行润滑。

4、水冷凝器：在制冷系统中，水冷凝器的作用是将“高温高压”的气态制冷剂的热量传给环境介质（冷却水或空气）并使之冷凝成液体。按冷却方式可分为：水冷式、蒸发式、空气冷却式（风冷式）；按结构型式可分为壳管式、套管式、盘管式。

现在选用较多的是壳管水冷式冷凝器。如果冷凝器的冷却效果不好，压缩机的高压较高，影响制冷效果。

选用的水冷凝器，还可以当作制冷剂的储液罐，收液时就是将氟里昂收到水冷凝器里，然后将水冷凝器进出液阀关住。

5、节流装置：节流装置是制冷系统的主要部件之一。热力膨胀阀是节流装置的一种。热力分为内平衡式、外平衡式两种。

热力膨胀阀主要由感温包、毛细管、阀座、阀针、弹簧、调节杆、阀体等组成，感温包里有制冷剂或其他介质的液体，其压力由感温包的温度决定。

对于蛇管管道较长或蒸发温度较低的蒸发器，由于管内阻力损失较大，采用外平衡式膨胀阀。膨胀阀膜片下方不与蒸发器进口处的制冷工质相通，而是用一外平衡管使之与蒸发器出口处的制冷工质相通。

感温包安装时最好水平放置，不能倒置，当其位置高于膜片上腔时，应注意将毛细管弯成U形，以免包内液体倒流到毛细管和膜片顶部，影响调节功能。

6、汽液分离器：汽液分离器安装在压缩机吸入口前面，以确保吸入进压缩机里的氟里昂都是汽态。如果液体氟里昂进到压缩机里，很容易造成液击，将压缩机阀片打坏，甚至打断，损坏压缩机。

7、制冷系统辅助装置制冷系统辅助装置主要由压力继电器、压力表、液面视镜、能量调节器（CPCE）、安全阀等组成。

压力继电器的主要作用是通过继电器的控制，起到保护压缩机的作用。压力继电器主要有水压力继电器、油压差继电器、高压压力继电器、自动收液继电器、板冷阀冷凝阀控制继电器。

水压力继电器：当冷却水压力小于水压力继电器设定的压力时，水压力报警，压缩机自动停机。

油压差继电器：当压缩机油压和中压压力差小于油压差设定的压力（0.65kgf/cm2)时,油压差报警，压缩机自动停机。

高压压力继电器：当压缩机高压压力大于高压压力继电器设定的压力时，高压报警，压缩机自动停机。

自动收液继电器：当压缩机低压压力大于自动收液继电器设定的压力时，即使压缩机处于停机的状态，在没有其他报警的情况下，压缩机自动启动，进行收液。

板冷阀（冷凝阀）控制继电器:当低压压力大于板冷阀（冷凝阀）控制继电器设定的压力时，压力控制继电器动作，自动将板冷阀（冷凝阀）关闭，当低压压力小于板冷阀（冷凝阀）控制继电器设定的压力时，自动将板冷阀（冷凝阀）打开。

选用的继电器为DANFOSS品牌，性能稳定可靠。

压力表用来显示压缩机的工作压力，有高压压力、低压压力、中压压力、油压压力显示，通过压力表显示的压力，可以较好的掌握压缩机的工况。

现选用REFCO和ARRON两种品牌。

液面视镜是用来观察氟里昂的液面的，可以知道管道是否满液,液面视镜里有干燥指示，绿色表示干燥，黄色表示不干燥。

能量调节器（CPCE）是在压缩机处于极限工况时，压缩机负载很小的情况下，