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1、前  言
    冷凍干燥是將含水物品預先凍結，然后使之在真空狀態(tài)下升華而獲得干燥物品的一種方法。經冷凍干燥的物品易于長期保存，加水后能迅速恢復到凍干前的性狀。
    冷凍干燥機（以下簡稱凍干機），是二十世紀四十年代發(fā)展起來的設備。按使用規(guī)模大致可分為：工業(yè)生產用大型凍干機、實驗室中試用中型凍干機和實驗室用小型凍干機。本課題屬實驗室用中型凍干機之列。
    目前國外該型凍干機的產品已經成熟，機型為立式一體結構，可自由進出房間，具有性能穩(wěn)定、自動化程度高、功能全、操作方便等特點，其中尤以丹麥Heto.美國VIRTIS、法國USIFROID等為代表。
    國內在這方面起步較晚。近年來，上海離心機械研究所等單位進行了這種立式機型的研制生產，取得了一定的經驗和成績，但在功能和自動控制程度等方面，與國外先進儀器比較還有較大差距。我們于1998年開始研制儀器，試制成LGJ -80型凍干機，富通新能源銷售木屑顆粒機、木屑烘干機等生物質燃料成型烘干機械設備。
2、主要技術指標
    ·符合GMP要求；
    ·凍干面積：0. 8m2；
    ·真空度小于10Pa;
    ·擱板低（高）溫低于：- 30℃(+60℃)；
    ·冷阱溫度低于：-45℃；
    ·噪音不大于70dB;
3、儀器組成和工作原理
    本機由八個系統(tǒng)組成：凍干箱、冷阱、擱板和中間介質循環(huán)系統(tǒng)、兩套制冷系統(tǒng)（即擱板制冷系統(tǒng)和冷阱制冷系統(tǒng)）、真空系統(tǒng)、真空度自動調節(jié)系統(tǒng)、氣動壓塞系統(tǒng)、自動和手動控制系統(tǒng)，參見圖1。
    工作原理：將瓶裝物料置于擱板上，啟動循環(huán)泵和擱板制冷，則中間介質循環(huán)系統(tǒng)帶冷量至擱板，從而使物料降溫，此階段為預凍階段。當物料溫度低于共晶點溫度時，啟動冷阱制冷，使阱內溫度降到一45℃以下，并維持這一低溫，幾小時后（根據物料量等因素定，要確保物料溫度低于共晶點溫度5～10℃），啟動真空泵，則凍干箱、冷阱等構成真空系統(tǒng)，此時物料升華出來的水蒸氣向冷阱遷移，并開始被冷阱吸附，凍干階段開始。當真空度達到10Pa時，停擱板制冷，啟動擱板加熱，則中間介質循環(huán)系統(tǒng)帶熱量至擱板，提供物料升華所需的熱量，此階段為凍干的升華干燥階段。當物料中不存在結晶水而進入凍干的解析干燥階段后，若真空度小于10Pa，則真空調節(jié)系統(tǒng)自動打開電磁閥加入過濾干燥的氣體，維持箱內氣壓20Pa左右，使增強傳熱效果，減少凍干時間[3]，等到物料溫度達到最高許可溫度時，保持高真空幾小時，使含水量低于要求值，此階段為解析干燥后期。
    上述從預凍到凍干（升華干燥一解析干燥一解析干燥后期），機器提供了手動和自動兩種控制方式。手動控制需要用戶根據經驗啟動各部件，而自動控制則由機器根據物料電阻、物料溫度、真空度等參數的變化自動完成。每種方式都提供了多項報警提示和保護措施。
    之后按“壓塞”鈕，由氣動系統(tǒng)完成物料瓶的壓塞工作。釋放真空取出物料后，啟動“化霜”開關，被吸附的冰很快解凍脫離冷阱內表面，并可被整塊取出，水則通過放水閥排出。
4、儀器特點
4.1功能齊全，結構緊湊
    該凍干機集八個系統(tǒng)功能于一體，整機裝運方便，可自由進出房間，參見圖2。
4.2凍干面積大
    該凍干機采用方形凍干箱，而現在被廣泛采用的圓形凍干箱，雖易加工，但可利用空間大大減小。
4.3熱泵化霜，迅速便捷
    該凍干機增加了熱泵化霜功能，使凍干后冷阱的除霜時間大大縮短。
4.4外置冷凝器，除霜徹底、時間短
    該凍干機的冷阱采用外置冷凝器結構，即制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)盤管（對于凍干而言，它是冷凝器）纏繞在冷阱外。它使化霜開始后脫離冷阱內壁的冰可被整塊取出，縮短了除霜時間，也使清理工作更徹底。將特別研制的導熱膠泥填堵于盤管和阱壁之間的縫隙里，增加了熱交換效果，保證了冷阱內的低溫。
4.5綠色環(huán)保制冷劑
    該凍干機在制冷工質的選用上，為了與國際接軌，達到環(huán)保要求，選用了綠色環(huán)保制冷劑。
4.6氣動壓塞，產品質量高、省力
    該凍干機采用了凍干箱內真空狀態(tài)下進行氣動壓塞的方式，可減少污染，提高制品質量，同時減輕勞動強度。采用氣動壓塞而非液動壓塞，是因為氣壓傳動比液壓傳動有如下優(yōu)點:1）氣壓傳動工作介質是氮氣或經干燥過濾過的壓縮空氣，萬一管道有泄漏，除引起部分能量損失外，不致污染制品和環(huán)境，而液壓傳動達不到此要求；2)氣壓傳動比液壓傳動的裝置簡單，不必設置回收液壓油的油箱和管道等，且氣動元件結構簡單，易于制造，成本低；3)氣壓傳動的維護比液壓傳動簡單得多。原因之一是工作介質清潔，管道不易堵塞；原因之二是不象液壓系統(tǒng)那樣，混入空氣，會引起爬行、噪音和振動。此外，氣壓傳動還具有動作迅速，反應快，工作壽命長等優(yōu)點。
4.7真空度可自動調節(jié)
    該凍干機增加了真空度自動調節(jié)功能。這樣不僅加快了凍干速度，也使自動控制程度提高。
5、樣機試驗結果及與國外產品比較
    經過對樣機進行多次試驗，得出測試數據。將此數據和性能指標等一起與國外同類產品比較，其結果可見下表。
    由表1可看出，本文所研制的LGJ - 80凍干機制冷系統(tǒng)的溫度比國外產品高些，原因是考慮了以下兩個因素后制訂的技術指標低。一是有多項試驗表明，當冷阱溫度從- 40℃降到- 100℃時，其凍干時間僅僅減少約4%。冷阱表面溫度過低，對水蒸氣擴散壓差并無較大提高。故無特殊情況沒有必要將冷阱表面溫度配置過低，冷阱溫度設為- 45℃已滿足需要。這也是我們廠十多年研制生產冷凍干燥機的經驗以及多數用戶樣品的需要；二是為了降低設備造價，使產品易推向市場。當然，在成本不明顯增加的情況下，還可進一步優(yōu)化擱板制冷系統(tǒng)和中間介質循環(huán)系統(tǒng)。還有一點是加工工藝水平比國外產品略遜。而本儀器在凍干面積方面，卻優(yōu)于國外同類產品。
6、結束語
    由樣機測試結果及運行情況可看出，該凍干機的設計和研制是成功的，其性能達到了國內同類產品的先進水平，并且縮短了與國際先進產品的距離，對我國實驗室用立式凍干機的國產化進程起到了積極的推動作用。