一种低温速冻冻干系统的制作方法

本发明涉及冷冻干燥领域技术领域，尤其涉及一种低温速冻冻干系统。

背景技术：

干燥是保持物质不致腐败变质的方法之一。干燥的方法有多种，如传统的方法有晒干、煮干、烘干和喷雾干燥等，这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品，一般会体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，而热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性，微生物会失去生物活力，且干燥后的物质不易在水中溶解。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。过热蒸汽干燥近年来在一些国家得到应用，但是同样不适合热敏性物料，因为过蒸汽干燥物料温度通常超过100℃，在真空条件下操作虽会降低温度，但会极大地提高设备的成本和操作的复杂性。

真空冷冻干燥技术对热敏性物质特别适合，可以使热敏性的物料干燥后保留热敏成分，尤其是食品中的各级营养成分，例如维生素C，能保存90％以上，但是其设备初投资较大，并且系统处理量较小，生产效率低，能耗大。真空冷冻干燥简称冻干，其干燥过程主要分两个过程。一次干燥过程是在低温、真空下进行的，在这个过程中，物料干燥主要靠冰晶的升华逸出，因此也成升华干燥。第二阶段干燥的目的是除去部分因吸附等机理存在于制品中的结合水，也称解吸干燥。由于吸附的能量很大，因此必须提供足够的热量，才能解吸结合水。在升华过程中，一方面需要对物料进行冷冻，另一方面需要将冷冻后的物料在真空状态下，进行加热干燥，维持真空和加热干燥时能量消耗非常大，且由于换热系数低，耗时较长。目前国内外的大型真空冷冻干燥设备大部分采用冷冻、干燥分离，即冷冻采用速冻库进行，然后将速冻后的物料移至干燥仓中进行真空升华干燥，这样就须单独配套建造速冻库，使冻干造价提高。而在解吸过程中，一方面为了避免温度过高损伤物料，需要一般不高于50摄氏度的加热温度，另一方面，由于要克服水分子的吸附能，又需要大量能量。目前一般采用电加热或蒸汽加热，造成系统的额外能量消耗。

专利CN101140126B提出一种采用液氮制冷的冻干系统，由于采用液氮制冷，在解吸过程中，所需热量还需要另外加热，且液氮来源受限制，应用不方便。专利CN1987314B提出一种采用双级压缩制冷的真空冷冻干燥一体机，利用制冷压缩机组的冷源与热源，对物料进行冷却和加热，可使总装机功率大大降低，然而该系统为了获取低温采用带中间冷却的双级压缩机，且无有效回收制冷剂回气冷量，制冷效率受限；同时，该系统仅有冻干过程，无解吸过程，吸附于物料中的水分无法去除。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种低温速冻冻干系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种低温速冻冻干系统，包括：制冷循环回路、速冻/冻干循环回路、解吸干燥循环回路，其中：

所述制冷循环回路包括压缩机单元、第一换热器、空气冷却器、第二换热器、节流元件、第三换热器及连接管道，所述压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述第一换热器的制冷剂高压入口，所述第一换热器的制冷剂高压出口连接所述空气冷却器的入口，所述空气冷却器的出口连接所述第二换热器的高压制冷剂入口，所述第二换热器的高压制冷剂出口连接所述节流元件的制冷剂高压入口，所述节流元件的制冷剂低压出口连接所述第三换热器的制冷剂入口，所述第三换热器的制冷剂出口连接所述第二换热器的制冷剂低压入口，所述第二换热器的制冷剂低压出口连接所述压缩机单元的低压入口以形成所述制冷循环回路；

所述速冻/冻干循环回路包括依次管道连接的循环风机、干燥室、第三阀门、所述第三换热器、第四阀门及连接管道，低温低含湿量空气A1经所述循环风机后形成空气B1，在所述干燥室内吸收空气B1中物料水分形成湿空气C1、所述湿空气C1经所述第三阀门形成空气D1，经气固分离后，并从所述第三换热器内降温形成低含湿量低温空气E1，并经第四阀门(V4)后形成低温低含湿量空气A1完成所述速冻/冻干循环回路；

所述解吸干燥循环回路包括依次连接的所述循环风机、所述干燥室、第二阀门、第四换热器、所述第三换热器、所述第一换热器、所述第一阀门及连接管道，高温空气A2经所述循环风机形成B2，在所述干燥室内吸收所述高温空气A2中的结合水形成湿空气C2，所述湿空气C2经所述第二阀门后在所述第四换热器内完成空气状态H到I的气水分离和降温过程并形成空气D2，再由所述空气D2经所述第三换热器至形成空气E2、所述空气E2经所述第四换热器后形成空气F、所述空气F经所述第一换热器形成空气G，所述空气G经所述第一阀门后形成所述高温空气A2完成所述解吸干燥循环回路。

在一些实施例中，还包括与所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门电性连接的控制单元，所述控制单元用于控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开闭。

在一些实施例中，所述第四换热器还管道连接有第一分离器，在空气状态由H到I过程中，先在所述第四换热器中初步冷却，再经过所述第一分离器气液分离后，形成的气相进入所述第四换热器中进一步冷却至空气状态I，形成的液相经所述第一分离器的液相出口排出。

在一些实施例中，所述第三换热器还管道连接有第二分离器，所述空气D1先经过所述第二分离器进行气固分离后，形成的气相进入所述第三换热器，降温形成所述低含湿量低温空气E1，形成的固相水经所述第二分离器的固相出口排出。

在一些实施例中，所述第三换热器还包括蓄冷材料，所述蓄冷材料包括相变蓄冷材料和非相变蓄冷材料。

在一些实施例中，所述相变蓄冷材料为相变温度在-60℃～-100℃内的固液相变材料，包括八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、十二甲基五硅氧烷、十四甲基六硅氧烷、正丙基环己烷、乙烯基甲苯、丁基苯、仲丁基苯、邻甲基异丙基苯、对甲基异丙基苯、乙酸己酯、戊酸丁酯、全氟己烷、2H-全氟戊烷、3H-全氟戊烷和或者全氟-2-甲基-3-戊酮中至少一种，所述非相变材料为不锈钢或者铝。

在一些实施例中，所述第三换热器及第四换热器之间还设置有辅助加热器。

本发明采用上述技术方案的有益效果在于：

本发明提供的低温速冻冻干系统，包括：压缩机单元、第一换热器、空气冷却器、第二换热器、节流元件、第三换热器、循环风机、干燥室、第三阀门、第四阀门及连接管道，上述元件形成制冷循环回路、速冻/冻干循环回路、解吸干燥循环回路，从而实现了物料的低温速冻冻干，本发明通过带蓄冷功能的换热器，将压缩机的制冷量储存起来集中使用，可以实现物料的急速冷却。

此外，本发明提供的低温速冻冻干系统，由于采用空气强制循环冷冻干燥，换热系数大，干燥效率高。

同时，本发明提供的低温速冻冻干系统集成度高、设备小型化、工艺简单，高效节能。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的超低温速冻冻干系统结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的速冻/冻干工作模式的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的解吸干燥工作模式的结构示意图；

图4是本发明实施例四提供的带第一分离器SEP1的第四换热器HX4的结构示意图；

图5是本发明实施例五提供的带第二分离器SEP1的第四换热器HX3的结构示意图。

压缩机单元(CU)110、第一换热器(HX1)120、第二换热器(HX2)130、第三换热器(HX3)140、第四换热器(HX4)150、第一阀门(V1)160、第二阀门(V2)170、第三阀门(V3)180、第四阀门(V4)190、节流阀(JT)210、空气冷却器(AC)220、干燥室(DC)230、循环风机(FAN)240、第一分离器(SEP1)250、第二分离器(SEP2)260、辅助加热器(HT)270。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参阅图1是本发明实施例一提供的超低温速冻冻干系统用于干燥链霉素药品的结构示意图，其工作方式如下：

制冷循环系统开机，制冷剂在压缩机单元(CU)110的高压制冷剂出口进入第一换热器(HX1)120的制冷剂高压入口，经第一换热器(HX1)120的制冷剂高压出口进入空气冷却器(AC)220的入口，经空气冷却器(AC)220进入连接第二换热器(HX2)130的高压制冷剂入口，经第二换热器(HX2)130的高压制冷剂出口进入节流元件(JT)210的制冷剂高压入口，节流元件(JT)210的制冷剂低压出口进入第三换热器(HX3)140的制冷剂入口，经第三换热器(HX3)140的制冷剂出口进入第二换热器(HX2)130的制冷剂低压入口，经第二换热器(HX2)130的制冷剂低压出口进入压缩机单元(CU)110低压入口形成完整回路，并在第三换热器(HX3)140中蓄冷，待蓄冷材料冷却至-80℃，将链霉素药品放入干燥室DC，开启速冻/冻干循环回路。

实施例二

如图2所示，是本发明实施例二提供的速冻/冻干工作模式，其工作方式如下：

低温低含湿量空气A1经循环风机(FAN)240后形成空气B1，在干燥室(DC)230内吸收空气B1中物料水分形成湿空气C1、所述湿空气C1经第三阀门(V3)180形成空气D1，经气固分离后，并从第三换热器(HX3)140内降温形成低含湿量低温空气E1，并经第四阀门(V4)190后形成低温低含湿量空气A1完成所述速冻/冻干循环回路：A→B→C→D→E→J→A。

可以理解，由于-80℃时，空气的饱和含湿量为3.9×10-4g/kg，因此速冻/冻干循环可除去大部分水分，去除剩余吸附水分，开始解吸干燥循环回路。

实施例三

请参阅图3，为本发明实施例三提供的解吸干燥工作模式，其工作方式如下：

40℃的空气A2经循环风机(FAN)240形成B2，在干燥室(DC)230内吸收所述高温空气A2中的结合水形成湿空气C2，所述湿空气C2经第二阀门(V2)170后在第四换热器(HX4)150内完成空气状态H到I的气水分离和降温过程并形成空气D2，再由所述空气D2经第三换热器(HX3)140至形成空气E2、所述空气E2经第四换热器(HX4)150后形成空气F、所述空气F经第一换热器(HX1)120形成空气G，所述空气G经第一阀门(V1)160后形成所述高温空气A2完成所述解吸干燥循环回路，A→B→C→H→I→D→E→F→G→A，完成链霉素药品的超低温速冻、冻干过程。

实施例四

请参阅图4，是本发明实施例四提供的带第一分离器SEP1的第四换热器HX4的结构示意图。

优选地，在空气状态由H到I过程中，先在第四换热器(HX4)150中初步冷却，再经过第一分离器(SEP1)250气液分离后，形成的气相进入第四换热器(HX4)150中进一步冷却至空气状态I，形成的液相经第一换热器(HX1)120的液相出口排出。

实施例五

请参阅图5，是本发明实施例五提供的带第二分离器SEP1的第三换热器HX3的结构示意图。

优选地，空气D1先经过第二分离器(SEP2)260进行气固分离后，形成的气相进入第三换热器(HX3)140，降温形成所述低含湿量低温空气E1，形成的固相水经第二分离器(SEP2)260的固相出口排出。

优选地，第三换热器(HX3)140还包括蓄冷材料，所述蓄冷材料包括相变蓄冷材料和非相变蓄冷材料。所述相变蓄冷材料为相变温度在-60℃～-100℃内的固液相变材料，包括八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、十二甲基五硅氧烷、十四甲基六硅氧烷、正丙基环己烷、乙烯基甲苯、丁基苯、仲丁基苯、邻甲基异丙基苯、对甲基异丙基苯、乙酸己酯、戊酸丁酯、全氟己烷、2H-全氟戊烷、3H-全氟戊烷和或者全氟-2-甲基-3-戊酮中至少一种，所述非相变材料为不锈钢或者铝。

本发明上述实施例提供的低温速冻冻干系统，包括：压缩机单元(CU)110、第一换热器(HX1)120、空气冷却器(AC)220、第二换热器(HX2)130、节流阀(JT)210、第三换热器(HX3)140、循环风机(FAN)240、干燥室(DC)230、第三阀门(V3)180、第四阀门(V4)190及连接管道，上述元件形成制冷循环回路、速冻/冻干循环回路、解吸干燥循环回路，从而实现了物料的低温速冻冻干，本发明通过带蓄冷功能的换热器，将压缩机的制冷量储存起来集中使用，可以实现物料的急速冷却。

此外，本发明提供的低温速冻冻干系统，由于采用空气强制循环冷冻干燥，换热系数大，干燥效率高。

同时，本发明提供的低温速冻冻干系统集成度高、设备小型化、工艺简单，高效节能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。