真空冷冻干燥装置及其融冰方法 技术领域
本发明涉及一种从固体物料或制品中消除液体的冷冻干燥设备，特别是涉及一种真空冷冻干燥装置。本发明还涉及利用上述真空冷冻干燥装置进行真空融冰的方法。
背景技术
在真空冷冻干燥设备中，水汽凝结器是非常重要的部件。水汽凝结器担当着二个功能，一是提供物料中冰升华水蒸汽所需的推动力即压力差Pf-Pc，二是凝结物料中冰升华的水蒸汽。一般食品冻干周期约12小时或更长时间，有的长达24小时，随着冻干时间的推移，水汽凝结器表面所结冰霜会愈来愈厚，冰霜厚度可以达到20mm-30mm或者更高。由此会导致下列两种不利后果：一是冻干过程中，随着冰层的逐渐加厚，水汽凝结器表面温度Tc和冰层表面温度Ti之差愈来愈大，由此产生较大的热阻力Rh。制冷机所产生的制冷量，相当部分消耗在克服这种热阻上，导致冰层表面温度Ti回升和所对应的饱和蒸汽压Pi升高，以及对应干燥库内的真空度Po也相应升高，致使物料冻干过程延长或者物料冻干操作无法进行。二是冻干结束后，水汽凝结器内冰霜融化周期也随水汽凝结器上冰霜厚度增加而延长。
目前冷冻干燥机水汽凝结器的融冰方式有二种。一是大多数厂家采用的用50℃-60℃热水对结冰水汽凝结器喷淋至少一小时。这种方法融冰的用水量相当多，约为冰容量的38-40倍。二是所谓真空融冰技术。这种技术使批产型冻干机融冰用水量减少许多，约为冰容量的0.17倍。但是，真空融冰技术仍没有解决冻干过程中水汽凝结器表面冰霜增厚后冰表面温度Ti升高的现象，以及由此导致的物料升华面温度Tf、水汽凝结器内冰霜表面温度Ti各自对应的饱和蒸汽压之差Pf-Pi随冻干时间增加而减小的情况。从理论公式Gm＝A(Pf-Pi)/(Rd+Rs+K
1-1)可知，蒸汽压之差Pf-Pi减小，则冰升华水蒸汽流量Gm也减小。所以，水汽凝结器表面冰霜厚度的增加将导致物料升华需要更多的时间，致使物料冻干周期延长，冻干成本增加；对水汽凝结器进行融冰则干扰了物料冻干的连续性致使物料冻干彻底失败。
发明内容
本发明的目的是为了克服了现有技术的缺点，提供一种能够保持足够低的水汽凝结器低温和高的冰升华水蒸汽压差，融冰迅速的真空冷冻干燥装置以及利用这种装置进行真空融冰地方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种真空冷冻干燥装置，包括真空系统、冷冻干燥库和水汽凝结装置，所述水汽凝结装置由二个水汽凝结器、二个大口径真空阀、二个小口径真空阀、二个融冰阀和一个贮水槽组成，所述二个水汽凝结器在一个密封容器中相互隔离并且分别通过所述大口径真空阀与冷冻干燥库连接，分别通过所述小口径真空阀与常排真空泵组连接，分别通过所述融冰阀与所述贮水槽连接。
所述贮水槽设置有电器式上液位触点装置、电器式下液位触点装置和电加热管组或100℃蒸汽加热管，所述贮水槽通过排水阀与水泵连接。
所述真空冷冻干燥装置设置有自动控制装置，所述二个水汽凝结器每隔三十分钟到六十分钟自动切换一次，交替进行水汽捕集或者真空融冰动作。
所述二个水汽凝结器采用氨泵供液。
一种真空冷冻干燥装置融冰的方法，利用所述真空冷冻干燥装置进行工作，步骤如下：a.当一个水汽凝结器连接冷冻干燥库进行水汽捕集时，另外一个水汽凝结器关闭与冷冻干燥库的连接进行真空融冰；b.控制融冰系统真空度在0-610.74Pa，使所述贮水槽内的水蒸发为水蒸汽，利用上述水蒸汽的热量融化所述进行融冰的水汽凝结器上的冰霜；c.所述水汽凝结器融冰三十分钟到六十分钟后结束融冰转入水汽捕集状态，同时所述另外一个水汽凝结器结束水汽捕集转入真空融冰状态；d.所述二个水汽凝结器每隔三十分钟到六十分钟自动切换一次，交替进行水汽捕集或者真空融冰动作，直到物料冷冻干燥过程完成。
真空冷冻干燥装置融冰方法步骤b中所述贮水槽内的水温度控制在15-20℃。
本发明的有益效果是，采用本发明所述真空冷冻干燥装置及其融冰方法可以保持冻结物料升华过程的连续，真空冷冻干燥装置将以最大水蒸汽流量Gm kg/h和最高效率水蒸汽冷凝能力kcal/h进行工作，从而缩短物料冻干周期，降低物料冻干生产成本。所述真空冷冻干燥装置及其融冰方法还可以保证物料的残余含水量低于2％-3％时，通过交互切换已融冰的水汽凝结器，保持足够低的水汽凝结器低温，以高的冰升华饱和蒸汽压差作为推动力使物料中的残余水分快速逸出。
附图说明
图1是真空冷冻干燥装置主视图
图2是真空冷冻干燥装置左视图
图3是采用氨泵供液的真空冷冻干燥装置示意图
图4是水的三相状态图
图1、2、3中水汽凝结器1，水汽凝结器2，大口径真空阀3，大口径真空阀4，小口径真空阀5，小口径真空阀6，融冰阀7，融冰阀8，电器式上液位触点装置9、电器式下液位触点装置10，贮水槽11，排水阀12，小型汽缸13，小型汽缸14，主隔离真空阀15，主隔离真空阀16，制冷电磁阀17，制冷电磁阀18，阀20，阀21，水泵22。
图4中OK曲线是水的气液平衡曲线，OL曲线是液固平衡曲线，OS曲线是气固平衡曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型进一步详细描述：实施例1设想耗用最少量的水，并且在半小时到一小时内彻底融化水汽凝结器内的冰霜。从水的三相状态图，图4中可知，OK线为气相和液相的平衡线，在OK线上任何一点的状态，液相水和气相水蒸汽均达到汽、液两相动态平衡，也就是说液相水的蒸发率和气相水蒸汽的液化率相等，或者说水的饱和蒸汽压力等同于水蒸汽的饱和蒸汽压力。假设某个压力条件下20℃时液态水的蒸发率大于气态水蒸汽的液化率，或者说20℃水的饱和蒸汽压力大于20℃水表面的饱和蒸汽压力，该条件下水的气、液两相动态不平衡状态，使得水沸腾汽化迁移能维持一段时间。从OL曲线、和OS曲线交点可见，只要液态水表面的真空度维持在610.74Pa或者说在4.58Torr以下，则冰的融化温度为0℃。并且此时20℃的水在真空下连续不断的吸收自身的显热约20kcal/kg蒸发为气态水蒸汽。水蒸汽自身含热590kcal/kg可以与低温如-35℃-40℃的冰进行热量交换，冰吸收气态水蒸汽的热量从低温冰的温度慢慢上升到0℃，融化为0℃的水。假设水汽凝结器上结冰Gkg，其融化温度为0℃。因为冰的潜热为80kcal/kg，低温下冰的平均比热为0.5kcal/℃.kg，气态水蒸汽和固态冰的热交换能量等式如下：590×G′＝G{[0-(-40)]×0.5+80}。式中G′指融化Gkg冰所需的水，即真空融冰时所需用水量。要保证被冻结物料内的冰升华水蒸汽流量Gm基本恒定，则物料升华面温度Tf、水汽凝结器冰霜表面温度Ti与其各自对应的饱和蒸汽压差Pf-Pi也应基本恒定，那么就要求水汽凝结器上冰表面温度Ti基本不变。实验证明，在氨泵强制供液条件下，冰霜厚度为2-3mm时，水汽凝结器表面温度Tc和冰霜表面温度Ti非常接近，冰霜厚度为5mm时两者仅相差1℃-2℃。由此可以设想当水汽凝结器上冰霜厚度仅为2-3mm时就进行真空融冰，不中断冻结物料内冰的升华过程，采用一种设置有二个水汽凝结器的真空冷冻干燥装置及其融冰方法来进行物料的冷冻干燥操作是可行的。如图1、2所示，一种真空冷冻干燥装置，包括真空系统、冷冻干燥库和水汽凝结装置，所述水汽凝结装置由水汽凝结器1、2、大口径真空阀3、4、小口径真空阀5、6、融冰阀7、8和贮水槽11组成，所述水汽凝结器1和2在一个密封容器中相互隔离，所述水汽凝结器1通过所述大口径真空阀3与冷冻干燥库连接通过所述小口径真空阀5与常排真空泵组连接通过所述融冰阀7与所述贮水槽11连接，所述水汽凝结器2通过所述大口径真空阀4与冷冻干燥库连接通过所述小口径真空阀6与常排真空泵组连接通过所述融冰阀8与所述贮水槽11连接。所述贮水槽11设置有电器式上液位触点装置9、电器式下液位触点装置10和电加热管组或100℃蒸汽加热管，所述贮水槽11通过排水阀12与水泵22连接。所述真空冷冻干燥装置设置有自动控制装置，所述水汽凝结器1或者2每隔三十分钟到六十分钟自动切换一次，交替进行水汽捕集或者真空融冰动作。所述水汽凝结器1和2采用氨泵供液。一种真空冷冻干燥装置融冰的方法，利用所述真空冷冻干燥装置进行工作，步骤如下：a.当水汽凝结器1连接冷冻干燥库进行水汽捕集时，水汽凝结器2关闭与冷冻干燥库的连接进行真空融冰；b.控制融冰系统真空度在0-610.74Pa，使所述贮水槽11内的水蒸发为水蒸汽，利用上述水蒸汽的热量融化所述水汽凝结器2上的冰霜；c.所述水汽凝结器2融冰三十分钟到六十分钟后结束融冰转入水汽捕集状态，同时所述水汽凝结器1结束水汽捕集转入真空融冰状态；d.所述二个水汽凝结器1和2每隔三十分钟到六十分钟自动切换一次，交替进行水汽捕集或者真空融冰动作，直到物料冷冻干燥过程完成。步骤b中所述贮水槽11内的水温度控制在15-20℃。
真空冷冻干燥装置操作过程如下：双水汽凝结器温度已处于低温如-30℃-40℃时，开始初期真空排气前，汽凝结器1和2各自对应的大口径真空阀3和4以及小口径真空阀5和6全部打开，贮水槽11上部真空阀7和8也自动打开，系统进入初期排气过程。当冷冻干燥库内真空度为30Pa以下，切换为常时真空排气前时，贮水槽11上部真空阀7和8自动关闭，注水阀自动打开。当水位到达贮水槽11上设置的电器式下液位触点装置10时，电开关发出信号自动关闭注水阀，冷冻干燥库系统转入常时真空排气过程。当达到切换设定时间如三十分钟或者六十分钟时，关闭大口径真空阀3和小口径真空阀5后，对应水汽凝结器1下部与贮水槽11联通的融冰阀7自动打开，使水汽凝结器1处于真空融冰过程。贮水槽11内的水在0-610.74Pa真空下吸收自身的热量而汽化为水蒸汽，水蒸汽与水汽凝结器上的冰进行热量交换，冰吸收水蒸汽的热量，使冰表面温度慢慢回升直至0℃而融化成水滴掉入贮水槽11内。当又一次到达切换设定时间如三十分钟或者六十分钟时，水汽凝结器1真空融冰结束。依次自动开启小口径真空阀5，水汽凝结器1补偿真空一分钟后自动开启真空阀3。然后再过一分钟后依次自动关闭水汽凝结器2的大口径真空阀4、小口径真空阀6，自动打开对应水汽凝结器2下部与贮水槽11相联通的融冰阀8，水汽凝结器2处于真空融冰过程。贮水槽11内水在真空0-610.74Pa下吸收自身的热量而汽化为水蒸汽，水蒸汽与水汽凝结器2上冰进行热量交换，水汽凝结器2上的冰霜吸收水蒸汽的热量，使冰表面温度慢慢回升直至0℃而融化成水滴掉入贮水槽11内。当又到达切换设定时间如三十分钟或者六十分钟时，水汽凝结器2真空融冰结束。依次自动开启小口径真空阀6，水汽凝结器2补偿真空一分钟后自动开启大口径真空阀4。然后再过一分钟后依次自动关闭水汽凝结器1对应的大口径真空阀3、小口径真空阀5，自动打开对应融冰阀7，此时水汽凝结器1处于真空融冰过程。如此周而复始进行水汽凝结器1真空融冰，水汽凝结器2捕捉水蒸汽成冰，水汽凝结器2真空融冰，水汽凝结器1捕捉水蒸汽成冰的操作。如果一个冻干周期为12小时，则双水汽凝结器真空融冰切换次数至少20次，切换时间设定为三十分钟。随着融冰时间的推移，贮水槽11内的水位慢慢升高直至电器式上液位触点装置9时，排水阀12自动打开，半分钟后水泵22也自动启动运转排水。当水位慢慢下降至电器式下液位触点装置10时，水泵22自动停止运转，同时排水阀12自动关闭。贮水槽11内融冰水由于在真空下吸收自身的显热汽化为水蒸汽而导致水温不断下降，到达水温15℃时，通入热蒸汽或接通贮水槽11内的电加热管组使融冰水温度升高至20℃再自动关闭热源，如此反复循环保持所述贮水槽11内融冰水温度在15℃-20℃间。
实施例2结合图3以氨泵供液的双水汽凝结器来进一步说明所述真空冷冻干燥装置。启动桶泵机组，同时氨泵启动，接通水汽凝结器1和2各自对应的电磁阀17、18，对水汽凝结器1和2进行预冷。当水汽凝结器1和2温度达到-40℃时，推入料架车，关上冷冻干燥库门。先自动打开双主隔离真空阀各自对应的四个小型气缸13、14，再打开主隔离真空阀15、16及融冰系统中的二个融冰阀7、8。打开水汽凝结器1和2共用的初期排气真空泵组，启动初期排气真空泵组。当冷冻干燥库内真空度达到133Pa或更低时，启动常时排气真空泵组；同时关闭融冰系统二个融冰阀7和8。自动打开融冰系统注水阀，直至水位到达与电器式下液位触点装置10位置相同的电浮球式开关发出指令为止，注水阀自动关闭。电器式下液位触点装置10处位置上有融冰所需的最少融冰用水量。如对YRD-100S型冻干机103m
2来讲，约需30kg干净的常温水。当常时排气真空泵组运行5分钟后，先关闭共用阀，再依次关闭主隔离真空阀15，常时排气真空泵前阀，再打开对应水汽凝结器2的常时排气真空泵前阀，使冷冻干燥库系统处于维持真空状态。当到达设定真空度下限值时，启动冷冻干燥库内加热系统，水汽凝结器1处于水汽捕集过程。设定主干燥期间，二个水汽凝结器融冰交互时间为30分钟/次。过渡期间和二次干燥期间，融冰交互时间可设置为30分钟/次或60分钟/次。当到达交互时间设定值如30分钟时，依次自动打开常时排气真空泵前左阀、主隔离真空阀15，水汽凝结器1处于水汽捕集过程。打开主隔离真空阀15后约60秒时再关闭主隔离真空阀16、常时排气真空泵前右阀，关闭水汽凝结器2的制冷电磁阀18，打开融冰阀8，贮水槽11内水由于其表面饱和蒸汽压低于对应水温度的饱和蒸汽压，水开始蒸发为水蒸汽，水蒸汽与水汽凝结器2表面上的冰霜进行热量的交换，冰霜吸收水蒸汽显热20mkcal/h和潜热80mkcal/h，则冰霜温度慢慢回升为0℃融解为水。融化水又回流到贮水槽11内。贮水槽11内的水由于在真空下不断蒸发而吸收自身的热量水温持续下降.当到达15℃时，启动融冰用蒸汽加热系统，其中阀20、21同步打开。当贮水槽11内水温度到达20℃时，融冰用蒸汽加热系统又自动停止。如此反复按设定温度上、下值进行自动控制。当贮水槽11内水位上升至电器式上液位触点装置9时，依次自动打开排水阀10、启动水泵22。当水位下降至电器式下液位触点装置10时又自动依次关闭水泵22、排水阀10。如此反复按设定液位计上限、下限值进行自动控制。当水汽凝结器2温度达到融冰完毕设定值10℃时，认为水汽凝结器2融冰完毕。此时依次自动关闭融冰阀8，打开水汽凝结器2上的氨液电磁阀18，对水汽凝结器2进行降温至-40℃。当水汽凝结器2进行降温至-40℃的同时，自动打开常时排气真空泵前右阀。约60秒-120秒时，自动打开主隔离真空阀16，水汽凝结器2又进入水蒸汽捕集过程。当自动打开主隔离真空阀16后60秒时，依次关闭主隔离真空阀15、常排泵前左阀，关闭水汽凝结器1上氨液电磁阀17，打开融冰阀7，则水汽凝结器1处于上述相同的真空融冰过程。当冻干结束后依次自动关闭主隔离真空阀15、16和左右常时排气真空泵前阀，停止常时排气真空泵组运行，管道内自动放气，稍许放气阀自动关闭，水汽凝结器1和2又处于自动真空融冰过程。在自动真空融冰的同时，冷冻干燥库内放气恢复为一个大气压，开库门出料车。水汽凝结器1和2自动真空融冰完毕后，自动放气以恢复一个大气压后，贮水槽底部排水阀10自动打开，持续5-10分钟后排水阀10自动关闭。如需要进行下一轮的冷冻干燥操作，则所述真空冷冻干燥装置又进入制冷过程，在制冷的同时，往干燥库内推入料架车，完工后进入自动初期真空排气过程，接下来过程又是一轮二个水汽凝结器水汽捕集或者真空融冰工作状态的交替切换的过程。如果是二台以上冻干机合用一套常时排气真空泵，则有一台冻干机正在运行时常时排气真空泵不能停止运行。