冷凍干燥廣泛地應(yīng)用于食品、生物、制藥、醫(yī)學(xué)、化工和材料制備等領(lǐng)域，已成為高附加值物料干燥脫水的重要方法之一[1,2]。干燥速率低、時(shí)間長、過程能耗高和設(shè)備投資費(fèi)用大等缺點(diǎn)已成為制約冷凍干燥技術(shù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。降低冷凍干燥過程能耗，提高冷凍干燥過程經(jīng)濟(jì)性, 
     開發(fā)新型節(jié)能裝置，是冷凍干燥技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。 
                
     冷凍干燥過程中，干燥室中的加熱擱板加熱凍結(jié)物料，提供物料中冰升華所需要的熱量，從物料中逸出的水蒸氣由水汽冷凝器捕集。按照冷凍干燥機(jī)的常規(guī)操作條件，一般輻射加熱擱板的工作溫度為60～80℃，水汽凝結(jié)器的工作溫度低于-40℃，冷源與熱源的溫度相差了100～120℃，在干燥過程中同時(shí)需要熱量和冷量。熱泵裝置可以使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，并可將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫臒崮?，而熱泵裝置中壓縮機(jī)的單級(jí)壓縮比一般不超過8～10[3],為了獲得較低的蒸發(fā)溫度和較高的冷凝溫度,就要采用多級(jí)壓縮循環(huán),使單級(jí)的壓縮比降低，效率提高。要提高冷凍干燥過程的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)能量的利用效率，可將多級(jí)壓縮循環(huán)的熱泵裝置用于冷凍干燥裝置。
                
     本文以R600a/R290和R290為工質(zhì)分別構(gòu)建了復(fù)疊式循環(huán)和二級(jí)壓縮循環(huán)的熱泵冷凍干燥系統(tǒng)。對二種熱泵干燥系統(tǒng)的構(gòu)建方法和循環(huán)性能進(jìn)行了分析，計(jì)算并分析了冷凍干燥過程熱泵系統(tǒng)的中間溫度、加熱溫度和冷阱溫度變化對系統(tǒng)循環(huán)特性的影響。
            
1  復(fù)疊式與兩級(jí)壓縮式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
1.1 復(fù)疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
                
    復(fù)疊式熱泵循環(huán)由高溫級(jí)和低溫級(jí)兩部分組成，兩部分自成獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，用冷凝蒸發(fā)器將這兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系在一起，它既是高溫級(jí)的蒸發(fā)器也是低溫級(jí)的冷凝器。圖1（a）表示復(fù)疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)的原理流程圖。
                
     高溫級(jí)循環(huán)由高溫級(jí)壓縮機(jī)、干燥室加熱器、旁通換熱器、節(jié)流閥和冷凝蒸發(fā)器組成封閉循環(huán)。循環(huán)工質(zhì)在干燥室加熱器的擱板內(nèi)冷凝，加熱凍結(jié)的含濕物料，在低壓下使物料中的冰升華為水蒸氣，使物料脫水。低溫級(jí)循環(huán)由低溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器，節(jié)流閥和水汽凝結(jié)器組成封閉循環(huán)。循環(huán)工質(zhì)在水汽凝結(jié)器管內(nèi)蒸發(fā)，降低水汽凝結(jié)器溫度，并捕集干燥過程中升華的水蒸氣，以維持系統(tǒng)的真空和防止水蒸氣進(jìn)入真空泵。
                
      在間歇式冷凍干燥系統(tǒng)中，由于升華干燥過程中的水蒸氣全部由水汽凝結(jié)器捕集，如果忽略升華—凝結(jié)過程中升華水蒸汽的顯熱變化，則干燥過程干燥室的加熱負(fù)荷與水汽凝結(jié)器的冷凝負(fù)荷大致相等。在此系統(tǒng)中熱泵的制熱量則大于干燥過程所需的加熱量，多余熱量可用于彌補(bǔ)干燥室的熱量損失，
      以及由旁通換熱器加以利用，如加熱清洗消毒用水、用于冷凍干燥物料的前處理過程等。
          

                     (a) 系統(tǒng)原理圖                        (b) T-s圖
                            圖1     復(fù)疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
     圖1(b)給出了該熱泵系統(tǒng)在T-s圖上的工作過程：1－2和6－7為壓縮過程，2－4為低溫級(jí)工質(zhì)的等壓冷卻冷凝過程，7－9是高溫級(jí)工質(zhì)的等壓冷卻冷凝過程，4－5和9－10分別是高溫級(jí)和低溫級(jí)工質(zhì)的節(jié)流過程，5－1和10－6是循環(huán)工質(zhì)的蒸發(fā)過程。

1.2 兩級(jí)壓縮式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
                
     兩級(jí)壓縮循環(huán)是將來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽先經(jīng)低壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮到某一中間壓力,然后進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮到冷凝壓力，這樣既可以滿足熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的要求,又可使壓縮機(jī)的壓縮比控制在合理范圍內(nèi)。
                
     兩級(jí)壓縮按其節(jié)流方式和高壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)可分為[3，4]：兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)、兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán),一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)和一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻四種循環(huán)形式。采用一級(jí)節(jié)流時(shí)，工質(zhì)液體是直接從冷凝壓力節(jié)流到蒸發(fā)壓力，可利用其壓力差實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或向高處供液，而且易于調(diào)節(jié)。
                
      一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)與一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)的唯一不同之點(diǎn)是低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣在中間冷卻器中被冷卻成飽和蒸汽。低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣冷卻時(shí)要放出過熱熱量,因而在中間冷卻器中要引起中壓液體工質(zhì)的蒸發(fā),這將使高壓壓縮機(jī)的流量增加。但高壓壓縮機(jī)所吸入的不再是過熱蒸汽，而是飽和蒸汽。因此，高壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度不會(huì)過高，這對絕熱指數(shù)較高的工質(zhì)比較有利。
     圖2(a)和(b)分別示出兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻熱泵循環(huán)冷凍干燥系統(tǒng)原理圖和熱泵系統(tǒng)工作的lgP-h圖。如圖(a)所示:
     由冷阱（蒸發(fā)器）的低壓蒸汽8由低壓級(jí)壓縮機(jī)吸入，并壓縮到中間壓力Pm后進(jìn)入中間冷卻器，被其中的循環(huán)工質(zhì)液體冷卻為該壓力下的飽和蒸汽，與經(jīng)節(jié)流閥的閃發(fā)蒸汽6一同被高壓級(jí)壓縮機(jī)吸入，壓縮到冷凝壓力Pk進(jìn)入干燥室加熱器和旁通換熱器（冷凝器）。高壓液體分成兩路，一路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至中間壓力Pm進(jìn)入中間冷卻器，利用其產(chǎn)生的冷量來冷卻低壓壓縮機(jī)的排氣和盤管中的液體，吸熱蒸發(fā)后的蒸汽和低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣一同進(jìn)入高壓壓縮機(jī)；另一路高壓液體在中間冷卻器的盤管內(nèi)過冷后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至蒸發(fā)壓力Po，在冷阱（蒸發(fā)器）中吸熱蒸發(fā)。
          

                      (a) 系統(tǒng)原理圖                               (b) lgP-h圖
                                   圖2   二級(jí)壓縮熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
圖2(b)表示該循環(huán)在lgP-h圖上的各個(gè)過程，1—2為低壓壓縮機(jī)的壓縮過程；2—3為低壓排氣在中間冷卻器中的冷卻過程；3—4為高壓壓縮機(jī)的壓縮過程；7—5為高壓級(jí)排氣在冷凝器中的冷凝過程；5—6為在節(jié)流閥中節(jié)流至中間壓力的過程；6—3為中間冷卻器的蒸發(fā)過程；7—8為高壓液體在節(jié)流閥中節(jié)流至蒸發(fā)壓力的過程；8—1為蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程。
                
      對比圖1和圖2可以看出，復(fù)疊式循環(huán)是兩種不同工質(zhì)循環(huán)的疊合，其與兩級(jí)壓縮循環(huán)相比的優(yōu)點(diǎn)是可以利用不同工質(zhì)適用于不同的溫度范圍，可工作于高低溫差較大的場合，但缺點(diǎn)是一個(gè)熱泵系統(tǒng)使用兩種工質(zhì)比較麻煩。

1.3 循環(huán)特性的計(jì)算
      為了考察熱泵循環(huán)冷凍干燥系統(tǒng)的能量利用效率，可根據(jù)圖1(b)所示復(fù)疊熱泵循環(huán)的工作狀態(tài)點(diǎn)來計(jì)算復(fù)疊循環(huán)的供熱系數(shù)COPC：
              (1)

                與復(fù)疊式熱泵循環(huán)類似，由圖2(b)所示的狀態(tài)點(diǎn)，可將兩級(jí)壓縮中間完全冷卻熱泵循環(huán)的COPT表示為：
               2)

     式中，Qk表示冷凝器的加熱負(fù)荷，kW，該加熱負(fù)荷為干燥室加熱器的熱負(fù)荷與旁通換熱器加熱負(fù)荷之和；Nd表示低溫級(jí)或低壓級(jí)壓縮機(jī)的輸入功率，kW；Ng為高溫級(jí)或高壓級(jí)壓縮機(jī)的輸入功率，kW。

2  計(jì)算結(jié)果的分析與討論
     在復(fù)疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)中，高溫級(jí)以R600a為工質(zhì)，低溫級(jí)以R290為工質(zhì)[5]。為了研究該系統(tǒng)能量利用質(zhì)量的情況，針對上述系統(tǒng)進(jìn)行了分析。計(jì)算中制冷量Qo取3.1kW,低溫級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)溫度T0取為-40℃，高溫級(jí)循環(huán)的冷凝溫度TK為80℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差為5℃。Tm定義為高溫級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)溫度。高溫級(jí)壓縮機(jī)和低溫級(jí)壓縮級(jí)的等熵效率均取0.75。為了避免使高溫級(jí)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入兩相區(qū)，計(jì)算中壓縮機(jī)吸氣過熱度取為10℃。
          

         圖3   中間溫度變化對熱泵冷凍干燥                   圖4     冷凝溫度對熱泵冷凍干燥
                   系統(tǒng)性能的影響                                         系統(tǒng)性能的影響

     對于兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻的熱泵循環(huán)，系統(tǒng)的工質(zhì)為R290。為了便于比較和分析，計(jì)算中制冷量Qo、低壓級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)溫度T0、高壓級(jí)循環(huán)的冷凝溫度TK、壓縮機(jī)等熵效率等與復(fù)疊式熱泵循環(huán)的計(jì)算參數(shù)相同。

2.1 中間溫度變化對循環(huán)特性的影響
     圖3表示中間溫度變化對熱泵冷凍干燥系統(tǒng)循環(huán)性能的影響。
     由圖可以看出，當(dāng)中間溫度變化時(shí)，對于復(fù)疊式熱泵和兩級(jí)壓縮式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)，均存在最佳的中間溫度使系統(tǒng)的COP值達(dá)到最大，而且復(fù)疊式熱泵的COP值高于兩級(jí)壓縮式熱泵。當(dāng)中間溫度為25℃時(shí)，復(fù)疊式熱泵的COP值達(dá)到最大值1.89；當(dāng)中間溫度為30℃時(shí)，兩級(jí)壓縮式熱泵的COP值達(dá)到最大值1.87。當(dāng)中間溫度從15℃變化到35℃時(shí)，復(fù)疊式熱泵的COP值的變化幅度小于1％， 
      而兩級(jí)壓縮式熱泵的COP值的變化幅度為1.75％，表明中間溫度變化對復(fù)疊式熱泵運(yùn)行性能的影響較小。復(fù)疊式熱泵的供熱性能略高于兩級(jí)壓縮式熱泵，中間溫度的變化對復(fù)疊式熱泵和兩級(jí)壓縮式熱泵整體供熱性能的影響均較小。

2.2 冷凝溫度變化對循環(huán)特性的影響
      當(dāng)需要改變冷凍干燥過程加熱操作條件時(shí)，熱泵的冷凝溫度也需隨之改變。圖4表示冷凝溫度變化對熱泵冷凍干燥系統(tǒng)循環(huán)性能的影響。
      由圖4可以看到，當(dāng)蒸發(fā)溫度維持在－40℃不變且中間溫度取最佳值時(shí)，熱泵循環(huán)的供熱系數(shù)隨冷凝溫度的上升而下降。當(dāng)冷凝溫度由70℃升高到90℃, 
     復(fù)疊式熱泵的供熱系數(shù)從2.05變化到1.75，降低了14.7%；而兩級(jí)壓縮式熱泵的供熱系數(shù)則從2.67降至1.67,降低了19.3％，表明冷凝溫度對兩級(jí)壓縮式熱泵的供熱性能影響較大。因此，在熱泵冷凍干燥系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,只要能滿足加熱的溫度要求,應(yīng)適當(dāng)控制熱泵系統(tǒng)冷凝溫度，以保證熱泵系統(tǒng)獲得較高的供熱系數(shù)。

2.3 蒸發(fā)溫度變化對循環(huán)特性的影響
                
     為了捕集升華干燥的水蒸汽，冷凍干燥系統(tǒng)的冷阱需維持在較低的溫度水平。為了考察冷阱工作溫度對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響，本文計(jì)算了蒸發(fā)溫度變化時(shí)熱泵冷凍干燥系統(tǒng)的循環(huán)性能，其結(jié)果如圖5所示。
       

圖5 蒸發(fā)溫度對熱泵冷凍干燥系統(tǒng)性能的影響
            
     由圖可見，熱泵循環(huán)供熱系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度升高而增大，當(dāng)蒸發(fā)溫度從-50℃上升到-30℃,復(fù)疊式熱泵的供熱系數(shù)由1.76變化到2.02,增大了14.7％,兩級(jí)壓縮式熱泵的供熱系數(shù)則由1.74增至2.03,增大了16.7％，兩者大致相同。因此，在實(shí)際運(yùn)行中只要能滿足捕集升華水蒸汽的溫度要求，提高冷阱的工作溫度有利于熱泵冷凍干燥系統(tǒng)獲得較高的供熱系數(shù)和較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.4 循環(huán)特性的比較
表1列出上述兩種熱泵冷凍干燥系統(tǒng)循環(huán)特性。
                
     由表中數(shù)據(jù)可見，兩種熱泵冷凍干燥系統(tǒng)在蒸發(fā)壓力、高（壓）溫級(jí)壓比、低（壓）溫級(jí)壓比和高（壓）溫級(jí)壓縮終溫等方面非常類似。然而復(fù)疊式熱泵的冷凝壓力遠(yuǎn)低于兩級(jí)壓縮熱泵。這就意味著，為了滿足壓縮機(jī)和系統(tǒng)的強(qiáng)度要求，復(fù)疊式熱泵的造價(jià)相對低廉，但缺點(diǎn)是在熱泵系統(tǒng)中需采用兩種循環(huán)工質(zhì)。
            表1    循環(huán)性能的比較（T0=-40℃，TK=80℃，Tm=25℃(復(fù)疊式循環(huán)),Tm=30℃(兩級(jí)壓縮循環(huán))）
          

 3  結(jié)論
      為了提高系統(tǒng)的能量利用效率和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提高冷凍干燥過程的經(jīng)濟(jì)性，可將多級(jí)壓縮循環(huán)的熱泵裝置用于冷凍干燥系統(tǒng)。
                
      本文以R600a/R290和R290為工質(zhì)分別構(gòu)建了復(fù)疊式循環(huán)和二級(jí)壓縮循環(huán)的熱泵冷凍干燥系統(tǒng)。對二種熱泵干燥系統(tǒng)的構(gòu)建方法和循環(huán)性能進(jìn)行了分析，并分析和討論了冷凍干燥過程中熱泵系統(tǒng)中間溫度、加熱溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)循環(huán)性能的影響。結(jié)果表明：復(fù)疊式熱泵和兩級(jí)壓縮式熱泵均可用于冷凍干燥系統(tǒng)，在常規(guī)的冷凍干燥條件下，兩者具有類似的循環(huán)性能，復(fù)疊式熱泵的供熱性能略高于兩級(jí)壓縮式熱泵，但復(fù)疊式熱泵的冷凝壓力遠(yuǎn)低于兩級(jí)壓縮熱泵，從壓縮機(jī)和系統(tǒng)的強(qiáng)度要求方面考慮，復(fù)疊式熱泵的造價(jià)相對低廉，但缺點(diǎn)是在熱泵系統(tǒng)中需采用兩種循環(huán)工質(zhì)。