真空冷凍干燥機循環(huán)冷卻水問題探討

邢志濤楊勇王成生

（1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120； 2. 伊馬萊富（北京）制藥系統(tǒng)有限公司，北京 100176）

真空冷凍干燥機循環(huán)冷卻水問題探討

邢志濤1楊勇1王成生2

（1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120； 2. 伊馬萊富（北京）制藥系統(tǒng)有限公司，北京 100176）

分別從制冷循環(huán)、冷凝器標準和行業(yè)相關(guān)設(shè)備的調(diào)研結(jié)果角度分析了真空冷凍干燥機的循環(huán)冷卻水溫度范圍，并提出了可行的冷卻水方案。

真空冷凍干燥機；凍干機；冷凝器；冷凝溫度；循環(huán)冷卻水

真空冷凍干燥機（以下簡稱凍干機）是集冷凍技術(shù)、干燥技術(shù)、流體技術(shù)于一體的產(chǎn)品，由箱體、箱門、冷阱、板層、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾大部件組成。凍干機在制藥行業(yè)主要用于生物制品、化學(xué)制品、瓶凍（凍干注射劑）、盤凍（原料藥）、框膜凍（原料藥）、天然藥物、熱敏性藥物、口服凍干片劑等生產(chǎn)過程，制品經(jīng)完全凍結(jié)后，在一定的真空條件下使冰晶升華，從而達到低溫脫水的目的。

凍干機的制冷形式目前有機械壓縮式制冷和液氮制冷兩種。

壓縮機是機械壓縮式制冷凍干機的核心部件，其制冷系統(tǒng)的冷卻形式分為風(fēng)冷和水冷，在工廠化生產(chǎn)的制藥領(lǐng)域多采用水冷形式的凍干機。

1　凍干機冷卻循環(huán)水問題的提出

水冷凍干機需配備循環(huán)冷卻水，在進行該系統(tǒng)設(shè)計時，往往會產(chǎn)生冷卻水溫度到底取多少，要不要增加制冷系統(tǒng)的困惑。

在進行凍干機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計時，工藝設(shè)備專業(yè)多把其循環(huán)冷卻水的溫度定為≤25 ℃，有的甚至提出7 ℃或15 ℃的溫度要求。從這些技術(shù)要求看，冷卻塔所提供的冷卻循環(huán)水溫度根本不能滿足要求，需要配備制冷機，從而給業(yè)主附加大量的設(shè)備投資和運行能耗。

目前，在設(shè)計和使用過程中，存在幾種不同的冷卻循環(huán)水供應(yīng)方式：對于7 ℃、15 ℃要求的冷卻水，直接使用冷凍水；對于≤25 ℃要求的冷卻水，聯(lián)合使用冷卻塔水和冷凍水；部分業(yè)主直接采用冷卻塔水使用亦無問題。

本文擬通過對凍干機蒸汽壓縮制冷循環(huán)、冷凝器和市場調(diào)研結(jié)果三個方面的分析，去探討一種合理的凍干機循環(huán)冷卻水的供應(yīng)方式，解決其循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中的一些問題和爭議。

2　凍干機冷卻循環(huán)水問題的分析

2.1從蒸汽壓縮制冷循環(huán)角度分析

不管凍干機制冷系統(tǒng)采用的是活塞式壓縮機還是螺桿式壓縮機，凍干的最終溫度決定了其所采用的制冷循環(huán)，如表1。

表1　凍干機溫度對應(yīng)制冷循環(huán)表Tab.1 Lyophilizer temperature to cooling cycle list

國內(nèi)制藥行業(yè)采用的凍干溫度多為-70 ℃，因此，采用雙級壓縮制冷循環(huán)，其流程圖如圖1、壓焓圖如圖2。

從流程圖和壓焓圖可見，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度決定了凍干機所需的冷卻水溫度，根據(jù)現(xiàn)行壓縮機標準JB/T 5446—1999《活塞式單機雙級制冷壓縮機》［1］、GB/T 19410—2008《螺桿式制冷劑壓縮機》［2］和國內(nèi)最新的對容積式壓縮機名義工況一致性研究成果［3］，凍干機制冷循環(huán)的冷凝溫度在本文中取40 ℃。

圖1　雙級壓縮制冷循環(huán)流程Fig.1 Flow chart of two-stage compressing cooling cycle

圖2　雙級壓縮制冷循環(huán)壓焓Fig.2 Pressure-enthalpy chart of two-stage compressing cooling cycle

如果冷凝溫度過高，冷凝壓力也就過高，壓縮機吸排氣壓比過大，輸氣量大大衰減，制冷量大大衰減。同時冷凝溫度過高會導(dǎo)致壓縮機排氣溫度過高，對壓縮機潤滑油造成損壞（碳化），也會導(dǎo)致輸氣量大大衰減，制冷量大大衰減。嚴重時甚至損壞壓縮機的氣缸。

如果冷凝溫度過低，會造成冷凝壓力過低。根據(jù)制冷系統(tǒng)膨脹閥雍塞流理論，在膨脹閥開度一定的情況下，通過膨脹閥的制冷劑流量主要取決于入口壓力。一般情況下，膨脹閥是按40 ℃冷凝溫度選型的，這樣就會導(dǎo)致膨脹閥選型相對過小，制冷量達不到設(shè)計要求。為了解決這一問題，有些凍干機廠家會安裝水量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)冷凝壓力來調(diào)節(jié)冷卻水的流量。當(dāng)冷卻水溫度過低而導(dǎo)致冷凝壓力過低時，水量調(diào)節(jié)閥會減少冷卻水的流量，從而維持冷凝壓力在一定的范圍內(nèi)。

因此，從制冷循環(huán)角度分析凍干機循環(huán)冷卻水溫度，只要低于40 ℃，即可保證制冷循環(huán)的正常運行。

2.2從換熱器角度分析

凍干機制冷系統(tǒng)冷凝器多采用臥式管殼式冷凝器。行業(yè)規(guī)范JB/T 7659.2《氟代烴制冷裝置用輔助設(shè)備 第2部分 管殼式水冷冷凝器》［4］冷凝器名義工況中對冷凝溫度要求為40 ℃，同時根據(jù)氟利昂臥式水冷管殼式冷凝器平均傳熱溫差4～7 ℃［5］的推薦值，按照最大溫差考慮，水冷冷凝器的供水溫度為33 ℃，此溫度既滿足蒸汽壓縮制冷循環(huán)對循環(huán)冷卻水溫度低于40 ℃的要求，也滿足冷凝器的設(shè)計要求。

2.3從調(diào)研結(jié)果分析

通過對國外、國內(nèi)主流凍干機品牌的調(diào)研，如與使用方無事先約定，凍干機制冷系統(tǒng)的冷凝器均按照最不利供水溫度設(shè)計，此溫度多為32 ℃，供回水溫差5 ℃。冷凝器前同時配備水量調(diào)節(jié)閥，當(dāng)冷卻水溫度高于32 ℃時，換熱量不變，流量增大，冷卻水供回水溫差減少，為了維持40 ℃的冷凝溫度，就需要增大換熱面積，增大水冷冷凝器；當(dāng)冷卻水溫度低于32 ℃時，冷凝器換熱面積不變，換熱量不變，流量減小，冷卻水供回水溫差增大。

對配置活塞式壓縮機的凍干機，冷卻水溫度可低至7 ℃，此時供回水溫差約為10 ℃；當(dāng)?shù)陀? ℃時，冷卻水供回水溫差會進一步增大，流量會進一步減少，水冷冷凝器選型相對過大，流量過少容易結(jié)垢。

對配置螺桿式壓縮機的凍干機，冷卻水的溫度建議不低于20 ℃，因為其壓縮機的供油溫度范圍多為40 ～ 60 ℃。如果冷卻水溫度低于20 ℃，可能會使得油溫過低，潤滑油粘度過高，軸承等處會出現(xiàn)供油不充分的現(xiàn)象，壓縮機會因此損壞。雖然現(xiàn)在螺桿式壓縮機的油冷卻器配有水量調(diào)節(jié)閥，會根據(jù)冷卻水后的油溫來調(diào)節(jié)冷卻水流量，但是出于安全考慮，冷卻水的溫度仍然建議不低于20 ℃。

根據(jù)上述分析結(jié)果，對于配置活塞式壓縮機的凍干機，冷卻水溫度范圍可以為7 ～ 32 ℃；對于配置螺桿式壓縮機的凍干機，冷卻水溫度范圍可以為20 ～ 32 ℃。

3　凍干機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計對策

明確了凍干機冷卻水溫度范圍之后，在水冷凍干機選擇時應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)啬軌蛱峁┑睦鋮s水條件做出合理的設(shè)備選型和冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)方案，而不是完全使用冷凍水和完全使用冷卻塔水。

在濕球溫度＞27 ℃的地區(qū)，建議采用冷卻塔降溫，冷凍水補冷的方式，供應(yīng)形式如圖3。

圖3　濕球溫度＞27 ℃地區(qū)循環(huán)冷卻水供應(yīng)形式Fig.3 Circulating cooling water supply in area with wet bulb temperature ＞27 ℃

當(dāng)冷卻塔出口溫度＞32 ℃時，補冷閥門1開啟，利用冷水為冷卻水降溫，使冷卻水溫維持在30 ～ 32 ℃之間。冷水側(cè)的溫差按照5 ℃設(shè)計，通過換熱器入口的閥門調(diào)節(jié)冷水流量來滿足換熱量。

在濕球溫度≤27 ℃的地區(qū)，建議采用冷卻塔直接供冷。供應(yīng)形式如圖4。

圖4　濕球溫度≤27 ℃地區(qū)循環(huán)冷卻水供應(yīng)形式Fig.4 Circulating cooling water supply in area with wet bulb temperature ≤27 ℃

上述圖3、圖4均為凍干機循環(huán)冷卻水初始運行溫度已滿足要求的系統(tǒng)供應(yīng)形式，其初始運行溫度的保障措施未在圖中表示。

不管在何種工況下，冷卻塔均按照供水溫度為32 ℃來確定循環(huán)水量，水量調(diào)節(jié)靠冷凝器進口閥門調(diào)節(jié)。

4　結(jié)論

凍干機的循環(huán)冷卻水溫度與多個因素有關(guān)，業(yè)主和工藝設(shè)備專業(yè)在進行凍干機的選擇時，除了要提出滿足工藝需求的參數(shù)，還應(yīng)了解凍干機的配置，結(jié)合投資和實際使用條件對凍干機的循環(huán)冷卻水提出要求，以保證凍干機高效使用，同時減少不必要的投資。

［1］JB/T 5446—1999，活塞式單機雙級制冷壓縮機［S］.

［2］GB/T 19410—2008，螺桿式制冷劑壓縮機［S］.

［3］史敏，鐘瑜.我國容積式制冷壓縮機名義工況一致性研究［J］.制冷學(xué)報.2014（12）：102-108.

［4］JB/T 7659.2氟代烴制冷裝置用輔助設(shè)備 第2部分 管殼式水冷冷凝器［S］.

［5］郭慶堂，吳進發(fā).實用制冷工程設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

Discussion of Cycle Cooling Water Used Vacuum Freezing Dryer

Xing Zhitao1， Yang Yong1， Wang Chengsheng2
（1. China Aviation Planning and Design Institute（Group）Co.， Ltd， Beijing 100120；2. IMA Life（Beijing） Pharmaceutical System， Beijing 100176）

In this article， the temperature scoop of cycle cooling water in vacuum freezing dryer was analyzed from the viewpoints of refrigerating circulation， the standards of refrigerating drying machine and the results of investigation for relevant equipment used in industry individually. The feasible scheme of using cooling water was then proposed.

vacuum freezing dryer； lyophilizer； condenser； condensing temperature； cycle cooling water

TQ 051.4

A

2095-817X（2016）03-0038-003

2016-03-17

邢志濤（1978—），男，高級工程師，主要從事醫(yī)藥工程的制冷、供熱、供氣、管道設(shè)計。