1、國內(nèi)目前實(shí)驗(yàn)型真空冷凍干燥烘干機(jī)的概況
    改革開放以來，真空冷凍干燥烘干機(jī)（以下簡稱凍干機(jī)）的研發(fā)在我國已得到長足的發(fā)展。國內(nèi)所需凍干機(jī)大致經(jīng)歷了3個階段：20世紀(jì)80年代前基本依靠進(jìn)口，20世紀(jì)90年代則是部分進(jìn)口、部分國產(chǎn)，20世紀(jì)末、21世紀(jì)初國內(nèi)產(chǎn)品部分替代進(jìn)口并開始出口。
    近幾年來，國內(nèi)所生產(chǎn)的凍干機(jī)已經(jīng)批量出口至俄羅斯、越南、阿根廷等國，少量出口至日本等發(fā)達(dá)國家。國內(nèi)生產(chǎn)的凍干機(jī)在性能、質(zhì)量水平上和歐美生產(chǎn)的已相差不遠(yuǎn)，因其相對低廉的價格，所以有較強(qiáng)的競爭力。目前，國產(chǎn)的凍干機(jī)所需的關(guān)鍵運(yùn)動部件都是國際采購的。例如，制冷壓縮機(jī)一般采用德國、意大利的品牌：真空泵一般采用英國、日本的品牌；控制系統(tǒng)一般采用日本或德國等國的品牌。凍干機(jī)所需的干燥箱、捕水器等部件均是采用國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。這樣，就使得凍干機(jī)既有高可靠性和高性能，又有較好的性價比，從而具備了良好的競爭力。
    上述醫(yī)藥凍干機(jī)，從擱板有效面積1～50m2已基本形成系列。習(xí)慣上，將1—10m2的凍干機(jī)稱之為中型（生產(chǎn)型）凍干機(jī)，10—50m2凍干機(jī)稱之為大型（生產(chǎn)型）凍干機(jī)，而1m2以下(如0.4m2成0.62m2)凍干機(jī)稱之為實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)，富通新能源生產(chǎn)銷售木屑顆粒機(jī)、木屑烘干等生物質(zhì)燃料成型、木屑烘干等機(jī)械設(shè)備。
    對實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)而言，其最大的難點(diǎn)是：通過國際采購得到的性能良好的雙級低溫型制冷壓縮機(jī)（凍干機(jī)需此類壓縮機(jī)）最小功率為SP。5P制冷壓縮機(jī)所適應(yīng)的最小凍干機(jī)為1m2凍干機(jī)。如果此種機(jī)組應(yīng)用到1m2以下的凍干機(jī)上，除了冷量太大、耗能太大之外，還會帶來一系列的故障。所以，生產(chǎn)1m2以下實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)目前存在購買不到相應(yīng)機(jī)組的問題。至2005年底，國內(nèi)冷凍干燥烘干機(jī)生產(chǎn)廠家很少生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)。如少量生產(chǎn)的一股也采用國產(chǎn)制冷機(jī)組，其存在制冷工質(zhì)面臨淘汰、匹配不良、性能穩(wěn)定性較差等問題。
2、新一代采用全新工質(zhì)實(shí)驗(yàn)型真空冷凍干燥烘干機(jī)的研發(fā)簡介
    鑒于以上情況，上海遠(yuǎn)東制藥機(jī)械總廠在2008年成功開發(fā)了新一代采用全新工質(zhì)實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)，以改變上述情況，滿足用戶需要。
    在實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)6大系統(tǒng)中，機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)與生產(chǎn)型凍干機(jī)基本相同，區(qū)別僅在于大小而已。其他2個系統(tǒng)（控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)）則需作較大改進(jìn)。
2.1制冷系統(tǒng)
    制冷系統(tǒng)采用覆疊式制冷系統(tǒng)，制冷工質(zhì)舍棄過去采用的R22/R13，而采用全新的R404A/R23（制冷系統(tǒng)工質(zhì)替代在下文詳述）。制冷壓縮機(jī)采用2臺進(jìn)口單級壓縮機(jī)，組成覆疊式制冷方式，其系統(tǒng)如圖l所示。
2.2控制系統(tǒng)
    控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)較先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)放棄了以觸摸屏控制為主、PC機(jī)為輔的單機(jī)控制模式，而采用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)控制屏加上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行權(quán)限控制，并可通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控及設(shè)備的維護(hù)升級。其組成如下；系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)控制器、可編程序控制器、溫度調(diào)節(jié)模塊、本地PC計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程PC計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、外圍繼電器、傳感器等設(shè)備組成。示意如圖2所示。
3、新型工質(zhì)的選擇
    由于采購不到適應(yīng)0.4—0.6 rn2使用的高性能、高可靠性雙級低溫制冷壓縮機(jī)。經(jīng)反復(fù)研究，采用了覆疊式低溫制冷系統(tǒng)。覆疊式制冷系統(tǒng)高溫級過去一般采用R22制冷劑，低溫級過去一般采用R13制冷劑，此2類制冷劑對大氣層臭氧層具有破壞作用，其中R22為HCFC類（過渡類）制冷劑，R13為CFC類（淘汰類）制冷劑。R22、R13制冷劑性質(zhì)如表1所示。
    由于R22制冷劑屬過渡工質(zhì)，發(fā)達(dá)國家最遲2020年就要淘汰，發(fā)展中國家最遲2040年就要淘汰（我國可能于2030年前淘汰）。R13制冷劑屬淘汰工質(zhì)，發(fā)達(dá)國家已于1995年淘汰，發(fā)展中國家最遲2010年淘汰。因此，采用合適的替代工質(zhì)成為目前實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵問題。它不但關(guān)系到凍干機(jī)的使用壽命，還關(guān)系到產(chǎn)品出口這一大問題。
3.1工質(zhì)篩選
    我們進(jìn)行了一系列的工質(zhì)篩選，最終選定覆疊制冷高溫級以R404A替代R22，覆疊制冷低溫級以R23替代R13。
    現(xiàn)將二組工質(zhì)性質(zhì)分別進(jìn)行比較，如表2、表3所示。
3.2工質(zhì)的泄漏問題
    從表2、表3可以看出，R13的替代工質(zhì)是R23，是單一成分的工質(zhì)不需要考慮工質(zhì)的泄漏問題，而R22的替代工質(zhì)R404A是三元混合工質(zhì)，替代中要考慮工質(zhì)的泄漏問題。
    應(yīng)用混合工質(zhì)，特別是非共沸混合工質(zhì)時，泄漏是一個需要特別注意的問題。因?yàn)樵趯?shí)際的制冷系統(tǒng)中，混合工質(zhì)在不同的部件中處于不同的狀態(tài)區(qū)。例如，混合工質(zhì)在冷凝器的前段其狀態(tài)處于過熱區(qū)，而在冷凝器中段處于兩相區(qū)，在冷凝器末段處于過冷區(qū)。當(dāng)混合工質(zhì)處于單相區(qū)時，與純工質(zhì)一樣，其在系統(tǒng)中發(fā)生泄漏后，只是系統(tǒng)的充灌量發(fā)生了變化，而工質(zhì)中各組分成分并未發(fā)生變化；但當(dāng)混合工質(zhì)進(jìn)入兩相區(qū)時，與純質(zhì)不同，在發(fā)生泄漏時不但會引起系統(tǒng)充灌量的變化，而且會引起工質(zhì)中各組份的成分變化。由于泄漏問題使得混合工質(zhì)的組成發(fā)生變化，這些變化都會影響系統(tǒng)的整機(jī)性能。
    R404A是近共沸制冷劑，其組分HFC-125、HFC-143a、HFC-134a的沸點(diǎn)分別為-48.45℃、-47.75℃和-26.4℃。其配比中HFC-125和HFC-143a分別占44%和52%。組分HFC-125和HFC-143a的沸點(diǎn)低，優(yōu)先蒸發(fā)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生泄漏時，R404A的質(zhì)量組分比發(fā)生變化。由于HFC-125和HFC-143a兩組分共占R404A配比總重的96%，所以系統(tǒng)發(fā)生少量泄漏時，制冷劑的組分不會變化太多。向系統(tǒng)中補(bǔ)充制冷劑時，可以直接充注新的R404A，而無需抽空系統(tǒng)中剩余的制冷劑。
3.3理論計(jì)算分析
    以上對覆疊系統(tǒng)高、低溫級的替代工質(zhì)與原工質(zhì)分別進(jìn)行了比較，為了更為全面地了解替代工質(zhì)與原工質(zhì)組成的覆疊系統(tǒng)熱力性能。
    對R22/R13和R404A/R23制冷劑在固定高溫級冷凝溫度40℃，蒸發(fā)溫度分-別為-s50℃，-55℃，-60℃，-65℃，過冷度5℃，高溫級吸氣過熱度15℃，低溫級吸氣過熱度30℃，壓縮機(jī)的余隙容積為4%，等熵壓縮指數(shù)0.7時理論性能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：
    (1) R404A壓比比R22小，泄漏小，容積效率高。R23壓比則明顯高于R13，而壓比過高容易引起壓縮機(jī)排氣溫度上升、效率降低、功耗增大，甚至造成系統(tǒng)內(nèi)制冷劑和潤滑劑的分解，惡化壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，對整個制冷系統(tǒng)不利。
    (2) R404A、R23覆疊系統(tǒng)能效比COP在低溫蒸發(fā)溫度為-50℃以上，略高于R22、R13系統(tǒng)，但在蒸發(fā)溫度為-55—-65℃區(qū)間內(nèi)反而比R22、R13系統(tǒng)低10%左右。這表明R404A、R23系統(tǒng)更適合稍高蒸發(fā)溫度的系統(tǒng)，但從綜合情況考慮，R404A、R23仍可以作為系統(tǒng)的理想替代工質(zhì)。
    (3) R404A排氣溫度明顯低于R22，這點(diǎn)對壓縮機(jī)的可靠性非常有利，主要?dú)w因于R404A較小的絕熱壓縮指數(shù)。而R23捧氣溫度則較R13高40%左右，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時可通過對壓縮機(jī)缸體通冷卻水或在壓縮機(jī)頂部加裝散熱風(fēng)扇等有效措施來降低壓縮機(jī)的捧氣溫度，以提高系統(tǒng)的可靠性。
    (4) R22單位制冷量比R404A高20%左右，而R23單位制冷量比R13高30%左右，較高的單位制冷量也意味著系統(tǒng)制冷劑沖注量的減少，也相應(yīng)的可減少系統(tǒng)制冷劑的泄漏量。同樣，雖然R23單位壓縮功比R13高40%左右，但由于其制冷劑沖注量較少，也并不會產(chǎn)生過多的冷凝熱，這樣可以保證蒸發(fā)冷凝器不會有太大的差異。
    (5) R404A蒸發(fā)器的傳熱性能優(yōu)于R22，主要源于兩方面因素：1）R404A質(zhì)量流量較大，約比R22增大50%，進(jìn)而使蒸發(fā)器傳熱能力有所增強(qiáng)；2）R404A液體表面張力較小。R404A飽和液體的表面張力約是R22的2/3，故相比較而言，R404A更容易產(chǎn)生氣泡，汽化率更高，相應(yīng)的傳熱系數(shù)也更大。
4、結(jié)語
   在實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)的開發(fā)上取得了很好的進(jìn)展，與原國產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)型凍干機(jī)相比，它不僅有上述兩大改進(jìn)，而且性能更穩(wěn)定，更先進(jìn)，從而獲得了國內(nèi)外用戶的肯定。