工业制冷

工业制冷

工业制冷是指运用专业的降温设备(湿帘冷风机、水温空调、风机盘管)等达到车间降温的目的的技术,可以通过环境仿真设备实现。

环境仿真设备中制冷压缩机是核心,制冷压缩机的作用是:

  • 1)从蒸发器中吸取制冷剂蒸气,以保证蒸发器内一定的蒸发压力。
  • 2)提高压力,将低压低温的制冷剂蒸气压缩成为高压高温的过热蒸气,以创造在较高温度下冷凝的条件。
  • 3)输送并推动制冷剂在系统内流动,完成制冷循环。

一、冷冻

冷冻,指降低温度,使物体凝固、冻结。也叫“制冷”,是应用热力学原理,用人工制造低温的方法,冰箱和空调都是采用制冷的原理。从化工的角度,一般都是采用一种临界点高的气体,加压液化,然后再使它汽化吸热,反复进行这个过程,液化时在其他地方放热,汽化时对需要的范围吸热。

二、制冷机

制冷机(refrigerating machine) 将具有较低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷量的机器。从较低温度物体转移的热量习惯上称为冷量。制冷机内参与热力过程变化(能量转换和热量转移)的工质称为制冷剂。制冷的温度范围通常在120K以上,120K以下属深低温技术范围。制冷机广泛应用于工农业生产和日常生活中。

2.1 发展史

1834年,英国的雅可比·珀金斯试制成功人力转动的用乙醚为工质的可以连续工作的制冷机。1844年,美国的J.戈里试制了用空气为工质的制冷机,用在医院中制冰和冷却空气。1872~1874年,D.贝尔和C.von林德分别在美国和德国发明了氨压缩机,并制成了氨蒸气压缩式制冷机,这是现代压缩式制冷机的发端。19世纪50年代,法国的卡雷兄弟先后研制成功以硫酸和水为工质的吸收式制冷机和氨水吸收式制冷机。1910年出现了蒸汽喷射式制冷机。1930年出现了氟利昂制冷剂,促进了压缩式制冷机的迅速发展。1945年,美国研制成功溴化银吸收式制冷机。

2.2 制冷原理
  • ①压缩式制冷机。依靠压缩机的作用提高制冷剂的压力以实现制冷循环,按制冷剂种类又可分为蒸气压缩式制冷机(以液压蒸发制冷为基础,制冷剂要发生周期性的气-液相变)和气体压缩式制冷机(以高压气体膨胀制冷为基础,制冷剂始终处于气体状态)两种,现代制冷机以蒸气压缩式制冷机应用最广。
  • ②吸收式制冷机。依靠吸收器-发生器组(热化学压缩器)的作用完成制冷循环,又可分为氨水吸收式、溴化锂吸收式和吸收扩散式3种。
  • ③蒸汽喷射式制冷机。依靠蒸汽喷射器(喷射式压缩器)的作用完成制冷循环。
  • ④半导体制冷器。利用半导体的热-电效应制取冷量。

制冷机的主要性能指标有工作温度(对蒸气压缩式制冷机为蒸发温度和冷凝温度,对气体压缩式制冷机和半导体制冷器为被冷物体的温度和冷却介质的温度),制冷量(制冷机单位时间内从被冷却物体移去的热量)、功率或耗热量、制冷系数(衡量压缩式制冷机经济性的指标,指消耗单位功所能得到的冷量)以及热力系数(衡量吸收式和蒸汽喷射式制冷机经济性的指标,指消耗单位热量所能得到的冷量)等。

2.3 制冷机种类

制冷机可分为:压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸汽喷射式制冷机,半导体制冷。其中蒸汽压缩式制冷机(活塞式、回转式、螺杆式、离心式)、吸收式制冷机和蒸汽喷射式制冷机应用较为广泛。我国除少数大冷量和特殊用途的制冷机外,一般用途的活塞式、离心式、螺杆式、涡旋式 、溴化锂吸收式、蒸汽喷射式制冷机,以及冷冻、冷藏、低温试验等设备都能自己制造。

各种类型制冷机主要特点如下:

1.压缩制冷

  • 1)螺杆式制冷机:结构简单、易损件少、使用寿命长、单级压缩比高,在大中型制冷量范围内有取代活塞式的趋势。
  • 2)活塞式制冷机:技术发展比较成熟,效率高,使用温度范围广,可制成大中小型各种规格产品,是各种制冷机中应用最广的机种。
  • 3)离心式制冷机:利用高速旋转的叶轮使制冷剂气体获得动能,然后通过扩压器提高其压力并冷却液化,节流而制冷。具有结构紧凑,单机制冷量大,可进行能量调节等特点。用于空调的机器多采用R11、R12制冷剂。

2.吸收制冷

利用吸收剂对制冷剂的吸附作用使制冷剂蒸发而制冷。常用的有氨——水吸收式制冷机和溴化锂——水吸收式制冷机,用热源作为动力,消耗电力少,运转平稳,易损件少,能量调节范围大,是一种新发展起来的制冷机品种。

2.4 容量变化

制冷机容量应该与库房的热负荷相匹配。这点可以通过合理的配机和利用能量调节装置等方法达到。当然,最主要是要有比较好的冷库安装节能措施。如果库房的热负荷不变,而压缩机的容量大时,就会使系统蒸发温度降低,或使压缩机倒霉,这是很不好调整的制冷系统,制冷装置稳定性也差。反之,如果制冷机容量减小时,由于机器未能及时吸回蒸发器内形成的制冷剂气体,又会使蒸发器温度升高、库房降温困难。

当库房热负荷及制冷机容量不变时,如蒸发器蒸发管内表面有油膜或管外表面有霜层,也会影响冷却效果,库房降温困难。蒸发温度较设计要求过高或过低都是不正确的,过高不能满足食品加工工艺要求,过低使制冷机的能量指标与运转经济性变坏。具体表现如下:

  • ①蒸发温度降低,使制冷机制冷量减少,这是由于蒸发器内的气体比容增大,单位容积制冷量减少,因而,制冷机每小时循环的制冷剂质量液减少;
  • ②蒸发温度降低,压缩每公斤气体所消耗的功能增加。
2.5 节能方法
  • 1.制冷机节能原则:提高蒸发温度,降低冷凝温度。在满足设备安全和生产需求的前提下,尽量提高蒸发温度和降低冷凝温度。为此加大了冷却塔的改造,以保证冷却水效能。
  • 2.防止和减少管道结垢以提高冷凝器和蒸发器的换热效率补充水如果水处理做的不好,碳酸氢钙和碳酸氢镁受热产生的碳酸钙和碳酸镁会沉积在管道上。使导热性能下降,影响冷凝器和蒸发器的换热效率,并使设备运行电费大幅度上升。此时除了采用水处理技术外,还可以利用管道定期自动清洗设备进行管道清洗。
  • 3.调整制冷机设备合理的运行负载:在保证设备安全运行的情况下,制冷主机运行在70%-80%负载比运行在100%负载时,单位冷量的功耗更小。运用此方式开机要结合水泵、冷却塔的运行情况综合考虑。
  • 4.采用制冷机变频装置:调节离心制冷机压缩机的转速低压的冷媒经过离心机后,压力升高。离心机的转速越大,压力升得越高。在实际运行中,设备大多是在非满负荷运行。固定转速的离心机在设备小负荷运行时,造成能源浪费。而变频离心制冷机可以依据负荷的变化,自动调节压缩机转速,节能空间比较大。
2.6 日常维护
2.6.1 加油
  • 1)当油位低于视镜1/4时,应及时补充润滑油
  • 2)将加油管一端连接压缩机进气端的加油阀,微开加油阀,利用系统中的压力将加油管内的空气排出,另一端插入油桶内
  • 3)适当关小系统制冷剂供液阀,并调整吸气低压报警设置,以免因压力过低而停车
  • 4)当吸气压力低于大气压时,打开加油阀,油会自动进入压缩机内
  • 5)当油位超过视镜5/6时,应停止加油操作:先关加油阀,再打开系统供液阀,恢复正常
2.6.2 补充制冷剂
  • 1)当判断系统缺液时,应及时给系统加氟
  • 2)将加氟管一端与系统加氟口相连,另一端与氟瓶相连,通过加氟软管赶出管内的空气
  • 3)先打开氟瓶的阀门,确认无泄漏后再开加氟口处的阀门
  • 4)R23系统应将瓶口朝上,而R404A系统应将瓶口朝下,以保证迅速加氟
  • 5)加氟结束时,应先关闭氟瓶的阀门,再关加氟口的阀门
  • 6)制冷剂添加一次不可过多,以免排气压力过高。如一次添加不足,可重复进行
  • 7)判断系统液位正常的依据是,R23系统为停车均压后的压力值在6~8bar之间,R404A系统运行中冷凝器的液位在视镜的1/5~2/5处
2.6.3 放空气
  • 1)当系统压力明显高于相应温度下的饱和压力时,应考虑放空气
  • 2)由于空气只集中在高压部分,所以应通过冷凝器的排空阀操作
  • 3)高温系统应在停车时进行,低温系统最好在运行时进行
  • 4)具体操作要精心,丝堵不要开启过大,也不要远离现场
  • 5)空气操作应分几次进行,不可一次放气太多,以免放出过量的制冷剂
2.7 腐蚀保护

制冷机等换热器在制作时,管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊,焊缝形状存在不同程度的缺陷,如凹陷、气孔、夹渣等,焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触,而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀。这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明,工业水无论是淡水还是海水,都会有各种离子和溶解的氧气,其中氯离子和氧的浓度变化,对金属的腐蚀形状起重要作用。另外,金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此,管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看,管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物,分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时,还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀,换热器管板接触各种各样的化学介质,就会受到化学介质的腐蚀。另外,换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。一些管板还长期处于腐蚀介质的冲蚀中。尤其是固定管板换热器, 还有温差应力, 管板与换热管联接处极易泄漏,导致换热器失效。

综上所述,影响制冷机腐蚀的主要因素有:

  • (1)介质成分和浓度:浓度的影响不一,例如在盐酸中,一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重,而当浓度增加到60%以上时,腐蚀反而急剧下降;
  • (2)杂质:有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等,这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀;
  • (3)温度:腐蚀是一种化学反应,温度每提升 10℃,腐蚀速度约增加1~3倍,但也有例外;
  • (4)ph值:一般ph值越小,金属的腐蚀越大;
  • (5)流速:多数情况下流速越大,腐蚀也越大。

可采用高分子复合材料对制冷机管板进行防腐保护,其中应有比较成熟的有美嘉华技术产品,其具有优异的粘着性能及抗温、抗化学腐蚀性能,材料为100%固体,没有可挥发性物质,在封闭的环境里可以安全使用而不会收缩,特别是材料良好的隔离双金属腐蚀和出色的耐冲刷性能,优异的防腐性能,从根本上杜绝了修复部位的腐蚀渗漏,可以为部件提供一个长久的保护涂层。

操作工艺:

  • 1、工具及设备:喷砂设备、保护用的帆布或塑料布、软木塞、酒精或丙酮、刮刀、螺旋器、垃圾袋、手电钻、工作电源、橡胶手套、安全帽、防护眼镜、擦布、毛刷。
  • 2、步骤
  • 第一步:打开制冷机冷凝器端盖
  • 用吹风机和鼓风机吹干管子表面和里面的水,然后用软木塞塞住管口并遮挡住翻边,以确保喷砂处理时不损伤管口。
  • 第二步:喷砂处理:在喷砂处理时用帆布和其它等遮挡一下,以免喷出的砂粒弄脏其它设备。喷砂时使用石英砂或金刚砂,它可以产生4密耳的表面而不会产生更多的灰尘,要一直打出基材金属本色。喷砂完毕后将软木塞取出。
  • 第三步:溶液清洗:用丙酮把金属表面的杂质及油污清洗干净。
  • 第四步:涂抹材料:先用美嘉华高分子修复材料金属修复材料把冷凝器管板内壁有坑的部位进行填平,以免在工作时水产生涡流,直至达到要求平面为准。然后把高分子流体保护材料均匀涂至整个被修复面。尤其注意面板与管子的接合处,以达到密封、堵漏的目的。
  • 第五步:固化:按照材料的固化要求进行固化,固化完毕后即可投入生产运行

三、工业制冷机

工业制冷机也称为工业冷冻机,工业制冷机是冷冻机的其中一种。按冷冻机本身的冷却方式分类。分为风冷式制冷机和水冷式制冷机。

3.1 市场背景

我国加入WTO消耗制造业进入了一个黄金时期,同时市场竞争激烈对产品质量的要求亦有较大程度的提高。其实,在提高产品的过程中,厂家往往无视了一个细微而主要的因素。在消耗过程中,由于机械、模具及工业反应始终发作热量,当温度逾越物料之遭遇程度产品质量就不稳定,以塑料产品和电镀消耗为例。塑料产品消耗中冷却时间占全周期80%以上,冷却时间增加之主要性由此可见,冷冻水能及时吸收热量,使模腔温度快速降落,加速产品定型,延伸开面。电镀消耗中冷冻水能将电镀溶液温度降落并将温度恒定在某一范围内,使金属分子随着稳定电流快速附向镀件外表,使产品平滑和密度增加。

工业制冷机广泛应用于多种工业消耗 --

  • 1、化工(学)工业
  • 2、塑料制品、塑料容器、制膜 、塑钢型材、管材、电线、电缆护套、轮胎行业
  • 3、电镀及机床切削液冷却行业
  • 4、制药行业
  • 5、电子行业
  • 6、五金工业
  • 7、食品及饮料行业
  • 8、制鞋行业
  • 9、实验室
  • 10、医疗设备
  • 11、光学仪器等
3.2 产品分类

很容易理解,风冷就表示要用风扇来对冷冻机的散热部分进行冷却,如右图,冷冻机上部有风机向上排风,这类冷冻机噪声比较大而且需要比较好的通风情况,一般放置在室外;水冷就表示有循环水对制冷机进行冷却如下图,此类冷冻机体积相对小噪声也比较小,放置在室内易于操作和维护,但是必须搭配冷却塔和循环水泵来使用。

制冷机设备机型的分类,市面上各式各样的称谓看似复杂,所以下面归类整理一些常见到的冷冻机设备:

  • 1、按冷凝器冷却方式分类:风冷式、水冷式
  • 2、按压缩机结构型式分类:螺杆式、活塞式、涡旋式、离心式
  • 3、按机型构造分类:箱体式、台架式
  • 4、按冷冻水出水温度分类:标准空调型(0℃以上)、低温深冷型(0℃以下)
  • 5、按被冷却介质(载冷剂)分类:盐水、乙二醇、耐腐蚀

另有,按制冷原理分类:压缩式、吸收式;按蒸发器结构型式分类:满液式

3.3 产品特性
3.3.1 主要特性
  • 1 采用欧美出口高品质,全新设计压缩机及名厂意大利水泵,特别宁静,省电。
  • 2 设备精致电子温度控制器,正确度±1℃,控制范围+3℃至+50℃内。
  • 3 控制线路连锁之控制。
  • 4 装有相序保护,电源短路保护,电流过载保护,高低压控制,结冰保护,水流制,电子时间延迟等安全装置。
  • 5 当本机自动侦测到异常时,状况指示灯显示异常状况并报警。
3.3.2 安全装置
  • 1 主电源安全开关设计异常状况下能紧急切断电源。
  • 2 控制线路联锁之控制。
  • 3 装有相序保护、电源短路保护、电流过载保护、高低压控制、结冰保护、水流制、电子时间延犀等安全装置。
  • 4 当本机自动侦测到异常时,状况指示灯亮显示异常状况并报警。
3.4 应用范围
3.4.1 化工行业

主要用于化工反应釜(化工换热器)的降温冷却,及时带走因化学反应而发作的平凡热量从而抵达降温(冷却)的宗旨,用以提高产品质量。

3.4.2 塑料产品、塑料容器、食品包装膜、医用包装膜等的制造行业

塑料产品(电视机、计算机、洗衣机、手机、冰箱、空调、塑料玩具、汽车塑料配件等等)的注塑工艺中,能否及时有效地冷却(降温),将直接影响产品的外表光明度及外形合格率,从而影响消耗效率,影响消耗成本及企业利润。

塑料容器(吹瓶)及包装膜的消耗,则更离不开制冷机(冰水机)。塑料容器在消耗过程中如不能及时冷却定型消耗出来的容器将不饱满壁厚不均,色泽不明亮,甚至无法成型造成产品品质较低。包装膜的消耗中如没有冷水(风)的冷却成型则无法消耗出合格地产品。如应用制冷机(冰水机)提供的冷水(风)来冷却,不但能大大提高产品质量,而且还能提高消耗效率。

3.4.3 电镀液、液压油及机床切削刀具冷却液的冷却

电镀消耗中,电镀液在电镀反应中不段地发作热量,从而使电镀溶液温度逐渐降落,当电镀溶液温度高出工艺的要求时,抵消耗出的电镀制品外表镀层的稳定度、均匀度、平整度及外表光明度有着较大影响。而选择用制冷机(冰水机)提供的冻在电子组件的消耗过程中需使组件在特定温度下保持或冷却,电子组件的性能参数才能控制在设计的状态。水来冷却并保持电镀溶液的恒温,将对电镀消耗工艺及消耗效率有较大提高。

机床切削刀具冷却液的冷却,刀具刃部温度的控制将直接影响刀具的应用寿命及产品质量。

3.4.4 制药行业

制药行业主要用于消耗车间温度、湿度的控制及消耗原料药过程中反应热的带出

3.4.5 电子行业

在电子组件的消耗过程中需使组件在特定温度下保持或冷却,电子组件的性能参数才能控制在设计的状态。

3.4.6 食品行业

冷冻是指用低温的方法将鱼、肉等食品中的液态水分冻结成固态的过程。这是一种安全、健康的保存方式,可以有效地抑制食品中微生物的生长和繁殖,防止食品变质,同时还容易恢复原状。但是,冷冻的方法不适用于鸡蛋、生菜、罐头和一些酱制品等。同时,需要注意的是并非所有的有害微生物都会在冷冻过程中死亡,有可能是亚死亡。

四、冻干机

冻干机(lyophilizer或freeze dryer)起源于19世纪20年代的真空冷冻干燥技术,进入21世纪,真空冻干技术除了在医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质领域之外的领域得到广泛应用。

冷冻干燥的基本原理是基于水的三态变化。水有固态、液态和气态,三种状态既可以相互转换又可以共存。 当水在三相点(温度为0.01℃,水蒸气压为610.5Pa)时,水、冰、水蒸气三者可共存且相互平衡。在高真空状态下,利用升华原理,使预先冻结的物料中的水分,不经过冰的融化,直接以冰态升华为水蒸汽被除去,从而达到冷冻干燥的目的。  冻干制品呈海绵状、无干缩、复水性极好、含水分极少,相应包装后可在常温下长时间保存和运输。 由于真空冷冻干燥具有其它干燥方法无可比拟的优点,因此该技术问世以来越来越 受到人们的青睐,在医药、生物制品和食品方面的应用已日益广泛。血清、菌种、中西医药等生物制品多为一些生物活性物质,真空冷冻干燥技术也为保存生物活性提供了良好的解决途径。

4.1 冻干原理

冷冻干燥是利用升华的原理进行干燥的一种技术,是将被干燥的物质在低温下快速冻结,然后在适当的真空环境,使冻结的水分子直接升华成为水蒸气逸出的过程。 冷冻干燥得到的产物称作冻干物(lyophilizer),该过程称作冻干(lyophilization)。物质在干燥前始终处于低温(冻结状态),同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫、氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状,体积基本不变,极易溶于水而恢复原状。在最大程度上防止干燥物质的理化和生物学方面的变性。 冷冻干燥机系由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。它的工作原理是将被干燥的物品先冻结到三相点温度以下,然后在真空条件下使物品中的固态水份(冰)直接升华成水蒸气,从物品中排除,使物品干燥。物料经前处理后,被送入速冻仓冻结,再送入干燥仓升华脱水,之后在后处理车间包装。真空系统为升华干燥仓建立低气压条件,加热系统向物料提供升华潜热,制冷系统向冷阱和干燥室提供所需的冷量。 本设备采用高效辐射加热,物料受热均匀;采用高效捕水冷阱,并可实现快速化霜;采用高效真空机组,并可实现油水分离;采用并联集中制冷系统,多路按需供冷,工况稳定,有利节能;采用人工智能控制,控制精度高,操作方便。欣谕仪器网 对冻干制品的质量要求是:生物活性不变、外观色泽均匀、形态饱满、结构牢固、溶解速度快,残余水分低。要获得高质量的制品,对冻干的理论和工艺应有一个比较全面的了解。冻干工艺包括预冻、升华和再冻干三个分阶段。合理而有效地缩短冻干的周期在工业生产上具有明显的经济价值。

4.1.1 制品的冻结

溶液速冻时(每分钟降温10~50℃),晶粒保持在显微镜下可见的大小;相反慢冻时(1℃/分),形成的结晶肉眼可见。粗晶在升华留下较大的空隙,可以提高冻干的效率,细晶在升华后留下的间隙较小,使下层升华受阻,速成冻的成品粒子细腻,外观均匀,比表面积大,多孔结构好,溶解速度快,便成品的引湿性相对也要强些。 药品在冻干机中预冻在两种方式:一种是制品与干燥箱同时降温;另一种是待干燥箱搁板降温至-40℃左右,再将制品放入。前者相当于慢冻,后者则介于速冻与慢冻之间,因而常被采用,以兼顾冻干效率与产品质量。此法的缺点是制品入箱时,空气中的水蒸气将迅速地凝结在搁板上,而在升华初期,若板升温较快,由于大面积的升华将有可能超越凝结器的正常负荷。此现象在夏季尤为显著。 制品的冻结处于静止状态。经验证明,过冷现象容易发生至使制品温度虽已达到共晶点。但溶质仍不结晶,为了克服过冷现象,制品冻结的温度应低于共晶点以下一个范围,并需保持一段时间,以待制品完全冻结。

4.1.2 升华的条件与速度

冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即可开始升华;比制品温更低的凝结器对水蒸气的抽吸与捕获作用,则是维护升所必需的条件。 气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程,它与压力成反比。在常压下,其值很小,升华的水分子很容易与气体碰撞又返回到蒸汽源表面,因而升华速度很漫。随着压力降低13.3Pa以下,平均自由程增大105倍,使升华速度显著加快,飞离出来的水分子很少改变自己的方面,从而形成了定向的蒸汽流。 真空泵在冻干机中起着抽除永久气体的作用,以维护升华所必需的低压强。1g水蒸气在常压下为1.25L而在13.3Pa时却膨胀为10000升,普通的真空泵在单位时间内抽除如此大量的体积是不可能的。凝结器实际上形成了专门捕集水蒸气的真空泵。 制品与凝结的温度通常为-25℃与-50℃。冰在该温度下的饱和蒸汽压分别为63.3Pa与1.1Pa,因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的压力差,如果此时系统内的不凝性气体分压可以忽略不计,它将促使制品升华出来的水蒸气,以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。 冰的升华热约为2822J/克,如果升华过程不供给热量,那末制品只有降低内能来补偿升华热,直至其温度与凝结器温度平衡后,升华也就停止了。为了保持升华与冷凝来的温度差,必须对制品提供足够的热量。

4.1.3 升华过程

在升温的第一阶段(大量升华阶段),制品温度要低于其共晶点一个范围。因此搁板温要加以控制,若制品已经部分干燥,但温度却超过了其共晶点,此时将发生制品融化现象,而此时融化的液体,对冰饱和,对溶质却未饱和,因而干燥的溶质将迅速溶解进去,最后浓缩成一薄僵块,外观极为不良,溶解速度很差,若制品的融化发生在大量升华后期,则由于融化的液体数量较少,因而被干燥的孔性固体所吸收,造成冻干后块状物有所缺损,加水溶解时仍能发现溶解速度较慢。 在大量升华过程,虽然搁板和制品温度有很大悬殊,但由于板温、凝结器温度和真空温度基本不变,因而升华吸热比较稳定,制品温度相对恒定。随着制品自上而下层层干燥,冰层升华的阻力逐渐增大。制品温度相应也会小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此时90%以上的水分已除去。大量升华的过程至此已基本结束,为了确保整箱制品大量升华完毕,板温仍需保持一个阶段后再进行第二阶段的升温。剩余百分之几的水分称残余水分,它与自由状态的水在物理化学性质上有所不同,残余水分包括了化学结合之水与物理结合之水,诸如化合的结晶水结晶、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中吸附水等。由于残余水分受到某种引力的束缚,其饱和蒸汽压则是不同程度的降低,因而干燥速度明显下降。虽然提高制品温度促进残余水分的气化,但若超过某极限温度,生物活性也可能急剧下降。保证制品安全的最高干燥温度要由实验来确定。通常我们在第二阶段将板温+30℃左右,并保持恒定。在这一阶段初期,由于板温升高,残余水分少又不易气化,因此制品温度上升较快。但随着制品温度与板温逐渐靠拢,热传导变得更为缓慢,需要耐心等待相当长的一段时间,实践经验表明,残余水分干燥的时间与大量升华的时间几乎相等有时甚至还会超过。

4.1.4 冻干曲线

将搁板温度与制品温度随时间的变化记录下来,即可得到冻干曲线。比较典型的冻干曲线系将搁板升温分为两个阶段,在大量升华时搁板温度保持较低,根据实际情况,一般可控制在-10至+10之间。第二阶段则根据制品性质将搁板温度适当调高,此法适用于其熔点较低的制品。若对制品的性能尚不清楚,机器性能较差或其工作不够稳定时,用此法也比较稳妥。 如果制品共晶点较高,系统的真空度也能保持良好,凝结器的制冷能力充裕,则也可采用一定的升温速度,将搁板温度升高至允许的最高温度,直至冻干结束,但也需保证制品在大量升华时的温度不得超过共晶点。 若制品对热不稳定,则第二阶段板温不宜过高。为了提高第一阶段的升华速度,可将搁板温度一次升高至制品允许的最高温度以上;待大量升华阶段基本结束时,再将板温降至允许的最高温度,这后两种方式虽然使大量的升华速度有一些提高,但其抗干扰的能力相应降低,真空度和制冷能力的突然降低或停电都可能会使制品融化。合理而灵活地掌握第一种方式,仍是目前较常用的方式。

4.2 冻干机的结构

真空冷冻干燥机由干燥箱、制冷系统真空系统、媒体换热循环系统、自动控制系统、气动系统及在位清洗和消毒系统组成。

4.2.1 干燥箱

干燥箱是真空密闭低压容器,材料全部采用不锈钢,能承受正负压,符合蒸汽灭菌的要求,密封采用耐高温、耐低温的硅橡胶,保温层采用闭泡弹性绝热保温材料。

  • 1)箱体:采用空间利用率高的矩形箱体,底部设置排水口,侧面开一观察窗,箱体上还装有压力计、测温电阻、放气阀、渗气阀、安全阀、喷淋进口接头。
  • 2)搁板:食品的降温与开温所需的能量都是通过换热媒体传导给搁板,再到食品。搁板采用特殊空心夹板,强度高,密封性好。搁板组件通过支架安装在冻干燥箱内,最上层要设置一块板层作为热量辐射补偿板,确保箱内食品的空间都处在相同的温度环境下国,另外,搁板两侧和后面都设置挡轨,以避免食品盘或食品脱离搁板。
  • 3)箱门:采用气缸自动锁紧装置。确保箱体内部压过程中所需要的真空度。真空泵工作时打开千箱蝶间,真空干燥室内的空气及水蒸汽经过捕水器捕提水分后进入真空泵,由真空泵排气口排出系统,在真空泵的排气口装有油雾捕集器,以防止排出气体中的烟雾污染室内环境。为了防止水蒸气进入泵内,系统配置了气镇阀,干燥过程中打开气镇阀。
4.2.2 媒体换热循环系统

食品的降温与升温所需的能量都是由循环泵驱动通过换热媒体传导给搁板,再到食品。食品降温的冷源由制冷系统提供,食品升温的热源由加热罐提供,降温与升温的切换通过控制冷源和热源的电磁阀门开关来完成。升温时蒸汽进人加热罐加热媒体,用气动三通调节阀调节来自加热罐的热媒和搁板回流热媒的混合比,并控制板式换热器冷却水电做阀的开闭来控制搁板的温度。系统有热媒加热罐板式换热器,气动调节阀、冷却水电磁阀、循环泵、管路、电磁阀、温度传感器等。

4.2.3 自动控制系统

具有冻干曲线设定,真空泵测试与控制,媒体温度、食品温度捕水器温度控制,干燥状态检测,除路,在位清洗灭菌,自动保护和报警等功能。

4.2.4 气动系统

控制气动阀门

4.2.5 在位清洗和消毒系统

用于干箱捕水器的清洗和蒸汽消毒

4.3 性能验证
4.3.1 冻干机抽真空速率测试
  • (1)启动冻干机。根据冻干产品工艺需求设置冻干机真空度为25Pa,并进行抽真空测试,需3次重复测试。
  • (2)合格标准。真空度达到25 Pa以下,所需时间≤40 min(参考药用真空冷冻干燥机行业标准JB/T20032- 2012, 同时结合产品工艺要求)。
4.3.2 冻干机在线清洗CIP覆盖率
  • (1)在整个冻干腔体的内表面喷洒层维生素B2水溶液,浓度为15 mg/L,特别注意难以清洗部位(如管口,箱体顶部和板层下方)要喷酒完全。开启注射用水,启动CIP循环,完成CIP后,用荧光灯照射检查腔体内表面,寻找是否残留有维生素B,荧光物部位,进行3次重复的测试。
  • (2)合格标准。CIP清洗后的腔体内部表面无可见荧光物,清洗覆盖率100%(参考药用真空冷冻干燥机行业标准JB/T20032-2012)。
4.3.3 呼吸器性能测试
  • (1)呼吸器完整性检测。使用IntegtestTM V4.0型便携式完整性测试仪,在2500 mbar的测试压力下,使用水浸入法检测呼吸器的完整性。
  • (2)呼吸器在线灭菌效果。在呼吸器内放置1支灭菌生物指示剂,运行冻干机在线灭菌SIP程序,与在线灭菌SIP测试同时进行。灭菌结束后取出指示剂进行培养,进行3次重复测试。
  • (3)合格标准。最大流量<4.5 ml/min,灭菌后的生物指示剂应无菌生长(参考滤芯生产厂家-美国亚美滤膜有限公司出厂标准)。
4.3.4 在线灭菌SIP测试
  • (1)前校准方法。验证前将验证用温度探头和标准温度探头同时放入温度干井,进行前校准;设置温度为100℃、132℃及121℃,进行3点校准,校准读取偏差应<0.5℃。
  • (2)将校准后的温度探头通过验证口接入冻干机内,放置24支度探头,数字1~5为冻干机各板层,6为冻干机底面。运行冻干机的SIP程序,灭菌温度121℃,灭菌时间20 min。进行3次重复测试。验证测试完成后将使用温度探头进行后校验,校验点设置为121℃,后校验读取偏差应<0.5℃。
  • (3)冻干机灭菌生物指示剂挑战测试。在每一个温度探头附近各放置1支生物指示剂(1~24#),探头编号与指示剂编号一致,冻干机的SIP程序结束后取出指示剂进行培养。
  • (4)合格标准。依据国家标准GB -8599 -2008 “大型蒸汽灭菌器技术要求自动控制型”,灭菌阶段同时刻温度最热点与最冷点的温度偏差≤2℃,温度最小值≥121.0℃;依据卫生部令第79号“药品生产质量管理规范(2010年修订)”,同时结合产品工艺要求,各温度点F0 ≥15 min,灭菌生物指示剂在线灭菌后应无菌生长。
4.3.5 冻干机板层温度均匀性测试
  • (1)前校准。验证前将验证用温度探头和标准温度探头同时放入温度干井,进行前校准,设置温度为-50℃、-40℃、0℃、40℃及50℃的5个点,进行5点校准,校准读取偏差应<0.5℃。
  • (2)将校准后的温度探头通过验证口接入冻干机内,放置1-23#温度探头,数字1-5表示为冻干机产品板层,T1- 3#为温度探头放置在第3板层的硅油进出口及中心位置,其他温度探头均放置在每个板层的4个角及中心位置。启动冻干机,将导热油温度分别设置为40℃、0℃以及40℃的3个点,导热油进出口温度在每个设置温度点达到平衡后,运行30 min,分别考察保持在-40℃、0℃及40℃时,板层温度的均匀性。进行3次重复测试。验证测试完成后将使用温度探头进行后校验,校验点设置为-40℃、0℃及40℃的3个点,后校验读取偏差应<0.5℃。
  • (3)合格标准。依据国家制药机械行业标准JB T20032- -2012“药用真空冷冻干燥机”,同时结合产品工艺要求,保持在40℃、0℃及40℃时,各板层的所有测试点在同一时刻温度最大值与最小值温差应≤2℃,板层均匀性合格。
4.4 冻干机应用

真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。  药品冷冻干燥包括西药和中药两部分。西药冷冻干燥在国内已经得到了一定的发展,很多较大型的制药厂都有冷冻干燥设备。在针剂方面,冷冻干燥工艺采用的比较多,提高了药品质量和贮存期限,给医患双方都带来了利益。但目前冻干药品的品种不多,产品价格高,干燥工艺不先进。在中药方面,目前还只局限在人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量中药材的冻干,大量的中成药还没有采用冻干工艺,与国外差距较大。日本几年前就开展了“汉药西制”,改变了中药的熬制方法,解决了中药不能制成针剂或片剂的传统,也解决了中药不治急病的难题,因此我国中药冻干工艺及产品的研究很有潜力可挖。  在生物技术产品领域,冻干技术主要用于血清、血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等药品的生产;生物化学的检查药品、免疫学及细菌学的检查药品;血液、细菌、动脉、骨骼、皮肤、角膜、神经组织及各种器官长期保存等。

4.5 冻干机的种类
4.5.1 间歇式冻干设备

间歇式冻干设备适合多品种小批量生产,特别是在食品领域适用于季节性强的食品生产。采用单机操作,如果一台设备发生故障,不会影响其它设备的正常运行。间歇式冻干设备便于控制物料干燥时不同阶段的加热温度和真空度的要求。设备的加工制造和维修保养易于进行。但由于装料、卸料、起动等操作占用时间较多,因此设备利用率低,生产效率也不高。

4.5.2 连续式冻干设备

近年来,国内外开始探索和使用连续式真空冷冻干燥设备。连续式设备的特点是适于品种单一而产量庞大、原料充足的产品生产,特别适合浆状和颗粒状制品的生产。连续式设备容易实现自动化控制,简化了人工操作和管理,其主要缺点是成本高。

4.6 现状与展望

随着GMP认证的结束,国产的优秀医药用冻干设备全面进入了现代化阶段,功能齐全、工作可靠、性能稳定,可实现在线清洗(CIP)或蒸汽消毒灭菌(SIP),各项技术指标都能满足生物制品和药品冻干生产的需要。相比之下,国外冻干设备的品种规格比国内多,配套设备齐全,节能型结构比较精致,连续式冻干设备生产量大。为保证冻干产品的质量和节能,常采用冻干设备与其它干燥设备组合在一起的组合冻干设备,例如喷雾冻干设备。  在未来,如何在保证产品质量的前提下,提高冷冻干燥效率,缩短干燥时间,节约能源将是广大冻干行业工作者的目标。

五、制冰机

制冰机(英文名:ice maker或ice machine)是一种将水通过蒸发器由制冷系统制冷剂冷却后生成冰的制冷机械设备,采用制冷系统,以水载体,在通电状态下通过某一设备后制造出冰。根据蒸发器的原理和生产方式的不同,生成的冰块形状也不同;人们一般以冰形状将制冰机分为颗粒冰机、片冰机、板冰机、管冰机、壳冰机等等。

5.1 制冰机工作原理

通过补充水阀门,水自动进入一个蓄水槽,然后经流量控制阀将水通过水泵送至到分流头,在那里水均匀地喷淋到制冰器表面上,象水帘一样流过制冰器的壁面,水被冷却至冰点,而没有被蒸发冻结的水将通过多孔槽流入蓄水槽,重新开始循环工作。

当冰达到所要求的厚度(厚度可由操作者/用户任意选择),将压缩机排出的热气重新引回制冰器夹壁内,取代低温液态制冷剂。这样在冰和蒸发管壁之间就形成了一层水的薄膜,这层水膜将在冰靠重力的作用自由地落进下面的槽中时,起到润滑的作用。而在采冰周期中所产生的水将通过多孔槽回到蓄水槽中,这样也防止了湿冰被机器排出。

  • 1、储水箱的冷冻水用水泵不断循环流经板式或分格的蒸发器;
  • 2、压缩机运转后经吸气-压缩-排气-冷凝(液化)-节流-再在蒸发器中以-10 至-18度的低温蒸发吸热汽化。冷冻水在0度的水温中不断在更低温的蒸发器表面凝结成冰层。当冰层凝结到一定的厚度的时候,致冷剂的蒸发温度达到温控的设定温度后,即接通除霜电磁阀常采用热泵形式除冰,再实现下一次循环。
5.2 制冰过程

通过进水阀门,水自动进入一个蓄水槽,然后通过水泵抽水到分流管,分流管将水均匀地流到被低温液态制冷剂冷却后的蒸发器上,水被冷却至冰点,这些冷却到冰点的水将会凝固变成冰,而没有被蒸发器冻结的水又流入蓄水槽,通过水泵重新开始循环工作。

当冰块达到所要求的厚度时,进入脱冰状态,将压缩机排出的高压热气通过换向阀引流到蒸发器上,取代低温液态制冷剂。这样在冰块和蒸发器之间就形成了一层水膜,这层水膜使冰块脱离开蒸发器,冰块靠重力的作用自由地落进下面的储冰槽中时。

5.3 主要分类

制冰机可以分为商用制冰机、家用制冰机、工业用制冰机。

制冰机从冰的形状来分:有颗粒冰(圆柱形、方块形、月型)、雪花型、鳞片冰、板冰、管冰、以及最新研制的球形冰等。

颗粒冰按制冰方式又分为喷淋式、流水式和浸入式。

圆柱冰一般为喷淋式制冰,这种制冰方式,冰点低,可达零下20℃以下。圆柱形的表面之间接触面小,不易粘成团,用冰方便。圆柱形冰块硬度高,温度低,冰块晶莹剔透,适用于洋酒的冷却,较慢的融化速度不会冲淡洋酒,而影响洋酒的口感,圆柱冰制冰机的缺点是产冰效率比较低,一般用于生产吧台式小型制冰机。

鳞片冰的温度为-6℃~ -12℃,最适合工业加工和易变质物品运输的冷却。常被用于超市生鲜台的海鲜展示,大型鳞片冰还可用于水泥厂,化工厂,肉联厂,海洋渔业等。

制冷方式可以分为:水冷式制冰机、风冷式制冰机。

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