1、2022年4月18日星期一培训系列之培训系列之10真空低温真空低温技术与设备技术与设备真空技术真空技术o一. 真空技术概况 （巴德纯）o二. 真空工程理论基础 （孙丽娜）o三. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯）o四. 真空系统组成与设计基础 （岳向吉）o五. 真空获得设备原理与技术基础 （张以忱）o六. 真空测量技术基础 （刘玉岱）o七.真空镀膜技术基础 （张以忱）o八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱）o九. 真空冶金技术基础 （王晓冬）o十. 真空与低温技术及设备 （徐成海）东北大学第九期东北大学第九期培训系列之培训系列之 1.1.绪论绪论 1.1 1.1真空技术与低温技术的关系真空技术
2、与低温技术的关系 真空技术和低温技术都诞生于17世纪，完善于19世纪，应用发展于20世纪。到目前为止，真空技术已成为一门通用性很强的科学，在空间科学、原子能工业、电子科学、半导体、计算机、光学、食品、医药、冶金、化工、农业和轻工业等国民经济的各个领域都有相当程度的应用。真空技术在改造着世界。人类社会需要真空技术。低温技术也是一样，在空间科学、化工、农牧以及医药卫生等方面都有其独特的作用，在其他领域也有日益广泛的影响。没有真空技术就不可能获得超低温；没有低温技术就不能产生清洁的极高真空。低温技术的发展促进了真空科学；而真空技术的前进又带动着低温技术。已经形成了真空需要低温，低温离不开真空的局面。
3、 真空科学按照传统的说法可包括真空物理、真空获得、真空测量、真空应用四大方面的内容。而这四方面内容哪一方面都需要低温技术。极低压和极低温是两个极端的物理条件，而真空物理中好多公式都离不开温度T。获得清洁的真空需要低温。 低温技术离不开真空技术也是显而易见的。用各种方法获得的低温液体，必须在真空绝热的条件下保存和应用。杜瓦瓶、大型贮运冷液的各种槽车，既是低温容器，也是真空设备。任何一个真空技术研究室都有低温容器，任何一个低温技术研究室都有真空抽气设备，这就是真空技术与低温技术相互联系的见证。 1.2 1.2真空低温技术概况真空低温技术概况 真空的概念可以理解为低于一个标准大气压的气体状态，其法定
4、测量单位为Pa（帕）。低温是描述一个系统冷热程度的状态，低温泛指低于周围环境温度的状态，其法定测量单位为K（绝对温标），可以与（摄氏温标）通用。就真空和低温的成因而言，可分为“人造真空”和“自然真空”，“人造低温”和“自然低温”两种。“人造真空”是指由于和产和科研的需要，用各种真空获得设备对容器进行抽气而获得的低压空间。“人造低温”也是指根据人们的要求，用各种制冷剂对需要低温的地方制冷而造成的低温环境。两者共同的特点都要消耗能量。“自然真空”和“自然低温”都是天然造成的。 根据使用习惯，人们通常按压力划分出几个不同的真空区域： 低真空：11051102Pa 中真空：1102110-1Pa 高真
5、空：110-1110-6Pa 超高真空：110-6Pa以下 当前，“人造真空”可获得110-13Pa，绝对真空（既0Pa）是永远无法实现的。 1.31.3真空低温技术的应用真空低温技术的应用 目前真空技术与低温技术已不仅是分别应用，而是进入了两者结合应用效果更好的时代。宇宙研究缺了真空和低温这两个条件就不可能完成，而原子能物理、原子能工业及核聚变研究等领域的进展若说是靠真空和低温的进展来支持也决不过分。此外，在电子工业和化学工业的部分领域中，真空和低温已成为极其重要的因素。对极限状态下的事物进行所谓基础研究时，超高真空和极低温条件非常有用。如果详细叙述其具体应用，篇幅就太长了，这里仅简单地介绍
6、几种常用的、本书准备较详细研究的例子。 1.3.11.3.1真空冷冻干燥真空冷冻干燥 目前，真空冷冻干燥技术（简称冻干技术）主要应用在医药、食品和新材料研制等领域。 (1)医药工业 (2)食品工业 (3)生物体的保存 (4)实验动物的处理 (5)研制新材料 1.3.2 1.3.2真空压力浸渍真空压力浸渍 1.3.3 1.3.3真空保鲜真空保鲜 (1)真空冷却 (2)真空储藏（减压储藏） 1.3.4 1.3.4空间真空低温技术空间真空低温技术 (1)宇宙空间模拟 (2)发射航天器的火箭 (3)低温真空光学试验系统 1.3.5 1.3.5真空绝热与低温容器真空绝热与低温容器 (1)石油化工方面的应
7、用 (2)冶金工业方面的应用 (3)机械工业方面的应用 (4)电子工业方面的应用 (5)卫生部门的应用 (6)农业、畜牧业、林业方面的应用 1.3.6 1.3.6低温真空泵低温真空泵 (1)红外天文卫星上的氦制冷 (2)超导磁境装置的低温真空系统 (3)重离子加速器的真空系统 (4)低温泵在真空镀膜中的应用 1.3.7 1.3.7低温真空技术的其他应用低温真空技术的其他应用 (1)大型超导线圈LCT (2)磁悬浮高速列车 1.41.4真空低温技术与设备研究的内容真空低温技术与设备研究的内容 由浅入深地介绍了真空低温技术的基本理论，真空获得备和低温获得设备，真空系统元件和低温系统元件，真空系统设
8、计和低温系统设计等内容，便于自学。真空冷冻干燥技术与设备和真空压力浸渍技术与设备是低真空和普冷系统联合应用的典范，属于本书编著的重点。真空冷冻工艺是值得研究、不太容易掌握的技术，它受冻干物品，冻干机性能及其它多种因素的影响，至今仍有冻干工艺的手艺，是艺术而不是科学的观点。低温容器和低温真空泵是真空和深冷系统联合应用的晶华。真空保鲜和空间真空低温技术是本书第二版新增加的两部分内容。 2.2.真空技术基础真空技术基础 2.1 蒸发与凝结蒸发与凝结 蒸发(或升华)与凝结的物理现象在真空技术中是很常见的，其实质是液(固)-气界面所发生的一种相变过程。单位时间从单位面积上由液体（或固体）转化成气体的质量
9、称为蒸发率。单位时间在单位面积上由气态转化为液态（或固态）的质量定义为凝结率。当蒸发率大于凝结率时，表现为蒸发；当凝结率大于蒸发率时，表现为凝结；当凝结率等于蒸发率时，表现为饱和状态。 2.2 2.2气体的热传导气体的热传导 气体空间的传热现象可由许多机理造成。高压力下气体内部如有区域性温差，会引起密度差，并由重力影响而发生热对流传热。高温区还可以穿越空间通过热辐射作用传热给低温区。由气体分子热运动而输运能量，称为气体热传导。 2.3 2.3真空状态下气体的流动真空状态下气体的流动 2.4 2.4真空获得设备真空获得设备 2.5 2.5真空测量真空测量 2.6 2.6真空阀门真空阀门 2.7
10、2.7真空系统真空系统 2.8 2.8检漏方法检漏方法3.3.低温技术基础低温技术基础 3.13.1低温技术的热力学基础低温技术的热力学基础 3.1.1 3.1.1几个常用的基本概念几个常用的基本概念 (1)工质的内能 工质的内部所具有的微观能量称为工质的内能。主要包括分子运动的动能，成为内动能。内洞能是温度的函数，内位能是比容的函数。内能的数值完全有系统所处的状态决定，与变化到这个状态的过程无关。因此，称之为态函数。 储存于工质中的能量有三种形式：工质重心移动而形成的外动能；工质重心垂直位移产生的外位能；内能。系统的总能量为三者之和。 (2)功和热量 功是力与沿力作用方向产生位移的乘积，是能
11、量转换的基本形式之一；热量是物体在热传递过程中能量改变的变量。功和热量都是内能改变的变量。功和热量是在变化过程中才出现的量，不仅与过程的初态和终态有关，而且与从初态到终态的过程有关系。因此，称之为过程量。 (3)广义力和广义位移 在气体制冷机中，压缩和膨胀时常见的机械功W，就是在某一压力P下，工质容积的变化：dw=PdV。类似于等于力乘位移。在其他制冷方式中，有些参数与容积V有类似的性质，这一类参数成为外参数。可以用一组状态参数Xi表示，它们的变化称之为广义位移。 (4)焓与熵 在实际制冷系统中，要涉及到工质的流动，流体的能量除内能u外，总有一项流动能以克服压力强制工质流入，流出系统，于是每单
12、位工质的流动所需要的能量用pv表示，u和pv都是由状态单值决定的，可以在统一单位下把它们加起来，得到一个新的综合量这就是焓。 H=U+PV 焓的单位为kJ/kg。 熵是一个导出的状态参数，它与工质分子的热运动有关，熵代表一个热平衡系统在一定的压力和温度下内部分子的热运动的无序程度。 dS=dQ/T 式中Q工质所获得的能量，kJkg T工质在获得能量时的绝对温度，K S熵的变化量， kJkgk 工质在一定温度T下对外有热交换时，热交换的数量用温度T和熵的变化ds的乘积表示。 3.1.2 3.1.2 热力学基本定律在制冷技术中的应用热力学基本定律在制冷技术中的应用 (1)热力学第一定律 在工质受热
13、做功的过程里，工质由于受热而自外界得到的能量，应该等于对外界做功所付出的能量与贮存于工质内部的能量变化之和。 (2)热力学第二定律 热力学第二定律给出了提高制冷剂效率的方面和限度。第二定律可以用两种方法表达： 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体转移到高温物体而不产生其它影响。 开尔文的说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。 (3)热力学第三定律 用任何方法，无论这种方法如何理想，都不可能以有限次操作，将任何系统的温度降低到绝对零度。 3.1.33.1.3制冷系数与卡诺定理制冷系数与卡诺定理 （1）制冷系数 制冷系数为工质从低温源取出的热量与外界对工质所做的功之比：
14、 式中 从低温源取出的热量即循环的制冷量； 工质在一个循环中释放给高温源的热量； AW外界对工质所做的功。 制冷系数就是一个制冷循环的热效率。 （2）卡诺定理 在同样的高温热源下和低温热源下之间工作的一切可逆制冷机的制冷系数都相等；可逆循环制冷机的制冷系数越大。一切实际制冷机所能达到的极限就是可逆制冷机的制冷系数。 （3）典型的可逆循环卡诺循环 卡诺循环是以理想气体为工质，由两个等温过程和两个绝热过程所组成的理想热力循环。 （4）卡诺比 实际制冷循环在压缩机和膨胀机中都存在机械摩擦，气流摩擦，膨胀时的温度不均匀及与气缸的温差，这一切都要引起不可逆热流动的熵增加。此外，还有由环境漏热引起的熵增加
15、。这一切都使实际的制冷机的效率低于具有同样温度界限的卡诺循环的效率。这就为提高制冷机效率指出了方向和限变。 实际制冷机的制冷系数与同样条件下卡诺循环制冷系数的比值称为卡诺或卡诺效率。 3.1.43.1.4实际气体的性质实际气体的性质 表述实际气体的状态方程实际有150多种，其中最常用的是范德瓦尔斯方程。 式中P是压力，V是容积，T是温度，R是摩尔气体常数，a，b是范德瓦耳斯常数。对于不同的气体具有不同的常数值。 3.2 3.2低温的获得低温的获得 获得低温的方法有很多，可分为物理方法和化学方法。其中绝大多数为物理方法。在物理方法中应用最为广泛的有：相变制冷，气体绝热膨胀制冷，涡流制冷，绝热放弃
16、制冷，温差电制冷，顺磁监或核绝热退磁制冷，氨稀释制冷，氨减压蒸发制冷，吸附制冷，宇宙空间低温热汇（2-4K）辐射制冷等方法。 3.2.1 3.2.1相变制冷相变制冷 相变是指物质集聚态的变化。在相变过程中物质分子重新排列和分子运动速度改变需要吸收或放出热量，这种热量称为相变潜热。物质积聚态变化过程的特征是与物质的原来状态及转换条件有关，因此相变过程有不同的形态。相变制冷就是利用某些物质相变的时的吸热效应 （1）汽化 液体转变为蒸汽称为汽化，包括蒸发和沸腾两种情况。气体的蒸发是在液体的外漏界面上蒸汽压力低于饱和蒸汽压力下进行的；沸腾时蒸汽不仅由液体表面产生，而大部分来自液体内部，沸腾是在蒸汽压力
17、等于饱和蒸汽压力下进行的。1kg液氨在大气压下汽化时可产生1370kj冷量，压力降低时沸点降低，汽化潜热增大，每kg液体汽化时的吸热量，在制冷过程中称为单位制冷量，它不仅与液体的汽化潜热L有关，还与开始汽化前的含气量，即干变x有关，,干变增大，制冷量减小。 （2）溶解 固体物质在一定的温度下转变成液体称为溶解（也称溶化）。1kg物质在定温下溶解所需热量称为溶解热。冰溶化时每kg吸收334.9kj的热量，可制取零度以上的低温。盐类在水中溶解时吸收熔解热，引起水温降低。用冰或雪代替水时，除盐类的熔解热外，冰或雪还要吸收溶化热。因此，可以得到更低的温度（低于0）。且含盐量越多，制取的温度越低。 （3
18、）升华 物质由固态直接转变为气态的现象称为升华。 干冰即是固态二氧化碳，它是一种良好的制冷剂，即利用固态二氧化碳升华而制冷。除了干冰以外，目前使用最多的固体升华制冷剂有氢，氖，氩，氮及一氧化碳。 采用固体制冷剂向高真空空间升华为原理的制冷系统，他的工作温度与所选择的制冷剂，高真空空间所保持的压力及热负荷等有关，运行时应根据要求和条件而调整。 3.2.2 3.2.2气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷 在一定的压力及温度条件下，气体通过节流阀或膨胀机进行绝热膨胀时，它的温度降低，甚至还会液化。这种制冷方法常用于气体分离和气体液化及气体制冷机中。 1）实际气体的节流 （1）节流过程的热力学特征 （2）
19、微分节流效应与积分节流效应 （3）节流过程的物理性质 （4）转化温度与转化曲线 （5）积分节流环节效应的计算 （6）等温节流效应 2）气体的等熵膨胀 （1）等熵膨胀制冷概念 （2）微分等熵效应 （3）实际气体等熵膨胀的制冷量 3)节流和等熵膨胀比较 3.2.3 3.2.3其他低温获得方法其他低温获得方法 （1）绝热放气 容器中的高压气体，通过控制阀向外绝热放气时，由于残留在容器中的气体要向放出的气体做推动功，消耗自身的一部分能量，因而温度下降，实现制冷。 （2）吸收式制冷 利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组分的蒸汽这一特性，吸收蒸发器中产生的蒸汽，从而制
20、冷。例如利用水蒸气可以迅速的被浓硫酸所吸收的特性，将一只装水的容器与一只装浓硫酸的容器共置于一个大容器内，然后用真空泵将大容器内的空气抽走，不久在水的表面会形成一层冰，这是由于浓硫酸吸收水蒸气，使水不断气化，从剩余水中吸取气化溶热，使水降温的结果。其中水称为制冷剂，浓硫酸称为吸收剂，类似的制冷系统有利用氨作为制冷剂，水为吸收剂的氨水吸收式制冷系统。水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂的溴化锂吸收式制冷系统。 （3）涡流制冷 高压气体进入人工制造的涡流管时，在喷嘴处以高速沿切线方向流入涡流室，沿半径方向形成了不同角速度的气流层，由于气流层之间的摩擦，内层的角速度要降低而外层的角速度要提高，因而内层气
21、流便将部分动能传给外层气流而降温，当内层气流经中心孔板流出时便具有一定的制冷量。其主要缺点是效率太低。 （4）温差电制冷 温差电制冷（又称半导体制冷）的原理是：当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联结成电偶并通过直流电流时，接头处就会发生吸收或放热现象。这种现象叫做珀尔帖效应。当外电场使N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴都向接头运动时，由于他们复合而放热。如果电流方向相反，电子和空穴都离开接头则接头处产生的电子空穴对的能量得自晶格的热量，故发生吸热效应而制冷。 （5）绝热退磁制冷 磁性物质在磁场中被等温磁化（即磁离子按一定顺序与磁场平行地规则排列）后，接着在绝热条件下退磁（
22、即取掉磁场），那么为了保持系统磁离子规则排列，必须消耗内能，因此系统温度下降。据此法，顺磁盐可以获得1mK以下的低温，核绝热退磁可以达到的超低温。 其他低温获得方法的详细内容，可参阅有关制冷文献，在此不赘述。 3.3 3.3单级压缩制冷系统单级压缩制冷系统 3.3.1 3.3.1单级压缩制冷系统的工作原理单级压缩制冷系统的工作原理 3.3.2 3.3.2单级压缩制冷系统的组成单级压缩制冷系统的组成 3.3.33.3.3制冷系统的热力计算制冷系统的热力计算 3. 3.双级压缩制冷系统双级压缩制冷系统 3.4.1 3.4.1双级压缩氟制冷系统双级压缩氟制冷系统 3.4.2 3.4.2双级压缩氨制冷
23、系统双级压缩氨制冷系统 3.5 3.5复叠式和吸收式制冷系统复叠式和吸收式制冷系统 3.5.1 3.5.1复叠式制冷系统复叠式制冷系统 3.5.2 3.5.2吸收式制冷系统吸收式制冷系统 3.6 3.6活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机 （1）压缩机的实际工作过程 （2）影响实际工作过程变化的因素 （3）实际过程对输汽量的影响 3.6.1 3.6.1单级活塞式压缩机的结构及工作原理单级活塞式压缩机的结构及工作原理 （1）制冷工况的确定 （2）计算冷负荷的确定 （3）压缩机制冷量的计算 3.6.2 3.6.2压缩机的实际工作过程压缩机的实际工作过程 3.6.3 3.6.3压缩机的选择计算压缩机的选
24、择计算 3.6.4 3.6.4压缩机结构的选择压缩机结构的选择 3.7 3.7制冷设备制冷设备 3.7.1 3.7.1 冷凝器与蒸发器冷凝器与蒸发器 冷凝器是将制冷压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽的热量传递给冷却介质，并使制冷剂蒸汽冷凝成液体的热交换设备。 蒸发器是让制冷剂液体在低温低压下沸腾以吸收被冷却介质的热量，借以达到制冷的目的，在蒸发器中制冷剂吸热汽化。 冷凝器和蒸发器实质上都是换热器，在制冷系统上使用较多的是管式换热器。 3.7.2 3.7.2制冷系统的辅助设备制冷系统的辅助设备 1）油分离器 2）集油器 3）贮液器 4）过滤器和干燥器 5）汽液热交换器 3.83.8制冷系统的控元件制
25、冷系统的控元件 3.8.1 3.8.1电磁阀电磁阀 3.8.23.8.2热力膨胀阀（调节阀热力膨胀阀（调节阀 1）内部平衡热力膨胀阀的工作原理 2）外部平衡热力膨胀阀的工作原理 3）手动调节阀 4）毛细管 3.8.3 3.8.3压力控制器压力控制器 1）高低压力控制器 2）压差控制器 3.8.43.8.4温度控制元件温度控制元件 1）温度继电器 2）温度控制仪 3.9 3.9 制冷剂和载冷剂制冷剂和载冷剂 3.9.1 3.9.1 制冷剂的一般分类制冷剂的一般分类 3.9.2 3.9.2 对制冷剂的要求对制冷剂的要求 1）热力学的要求 2）物理化学的要求 3）生理学的要求 4）经济上的要求 5）
26、保护臭氧层的要求 3.9.3 3.9.3 常用制冷剂及其性质常用制冷剂及其性质 1）氟里昂 2）烷烃和链烯烃类碳氢化合物 3）常用制冷剂的有关性质 3.9.4 3.9.4 对载冷剂的要求对载冷剂的要求 1）在循环系统的工作温度范围内载冷剂必须保持液体状态。其凝固点应比制冷剂的蒸发温度低。其沸点应高于可能达到的最高温度，沸点越高越好。 2）比热大。比热大载冷量就大。在传递一定冷量时，比热大的载冷剂的流量小，可以减少输送载冷剂的循环泵的功率消耗。另一方面，当一定的流量运载一定的冷量时，比热大则温差小。一般情况下，在盐水溶液中盐浓度越大则比热减小，或在一定浓度下，温度下降则比热变小。在有机物液体中，
27、比热随温度降低而减小。 3）比重小。比重小则循环泵的功耗小。一般情况下，比重随温度降低而增大。 4）粘度小。粘度小则循环泵的功耗小。一般粘度随温度下降而升高，随浓度增高而增大。 5）化学稳定性好，在大气条件下不分解，不与空气中的氧化合，不改变其物理化学性质。 6）不腐蚀设备、管道及其它附件。 7）不燃烧，无爆炸危险，无毒，无刺激气味。 8）来源充分，价格低。 3.9.5 3.9.5常用载冷剂的性质常用载冷剂的性质 1）水和空气 2）盐水溶液 3）有机物水溶液 3.9.6 3.9.6润滑油润滑油 制冷装置中润滑油对压缩机各运动部件起润滑和冷却作用，从而保证制冷装置的安全可靠运行。 对润滑油的要求
28、主要有：油与制冷剂应保持互溶和原有的粘度；有较低的凝固点，应比制冷剂的蒸发温度低若干度；不应含有水或蜡质，闪点要高，在较高的制冷温度下仍具有润滑压缩机运动部件的粘度，且挥发性小；化学 稳定性好，对金属及其填料无腐蚀作用；绝缘电阻要大。 4 4真空冷冻干燥技术与设备真空冷冻干燥技术与设备 4.1 4.1真空冷冻干燥的基本原理真空冷冻干燥的基本原理 真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的温度和真空度下，使冰升华为水蒸汽，再用真空系统的捕水器（水汽凝结器）将水蒸汽冷凝，从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。由于这种变化和移动是发生在低温低
29、压下。因此，真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下传热传质的机理。 为研究问题方便，可将真空冷冻干燥过程分为预冻、升华干燥和解析干燥三个阶段。 4.1.1 4.1.1预冻阶段预冻阶段 预冻是将溶液中的自由水固化，使干燥后产品与干燥前有相同的形态，防止抽真空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生，减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。 1）预冻温度 预冻温度必须低于产品的共晶点温度，各种产品的共晶点温度是不一样的，必须认真测得。实际制定工艺曲线时，一般预冻温度要比共晶点温度低510。但也有些物质不存在共晶点，而是以非晶态、玻璃态或两种状态共存，这是需要的预冻温度比较低，需要
30、经过实验确定预冻温度。 2）预冻时间 物料的冻结过程是放热过程，需要一定时间。达到规定的预冻温度以后，还需要保持一定时间。为使整箱全部产品冻结，一般在产品达到规定的预冻温度后，需要保持2h左右的时间。这是个经验值。根据冻干机不同，总装量不同，物品与搁板之间接触不同，具体时间由实验确定。 3）预冻速率 产品的预冻速率应该根据冻干的目的和产品的结构、性质而定。通常是缓慢冷冻产生的冰晶较大缓慢冷冻产生的冻晶较大，干燥速率较快，适合于普通药品和事物的冻干；快速冷冻产生的冰晶较小，干燥速率较慢，适合于生物制品的干燥。对于生物细胞的冷冻需要快速，从冰点到物质的融点温度之间需要快冷，否则容易使蛋白质变性，生
31、命体死亡，这一现象称溶质效应。为防止溶质效应发生，在这一温度范围内，应快速冷却。对于具体物质的冷却速率，应该有分析试验确定。 4）预冻过程的传热模型 被冻干物料有固态、液态之分；固态物料的形状和盛装液态物料的容器有各种各样；不同性质物料要求的预冻温度、预冻速率也各不相同；不同类型物料的预冻地点不同，有的需要在冻干箱内预冻，有的在速冻机内预冻，有的在冷库中预冻。因此，很难用统一的预冻模型来描述预冻过程。（1）冻干箱内搁板上物料预冻过程的传热模型一般生物制品和药品都是放置在冻干箱内搁板上进行预冻的，预冻过程以热传导为主。传热模型如图4-1所示。 图4-1冻干箱内搁板上预冻的传热模型热量 式中无量纲
32、温度 X无量纲坐标 stefan常数 S无量纲相变界面坐标 L平板物料厚度； 共晶点温度； 参考温度； 潜热； x坐标； 导温系数； 物料密度； c物料比热； 物料导热系数； s相界面坐标； f()无量纲边界温度； q()无量纲边界热流。 （2）角膜在降温仪内预冻过程传热模型 角膜在降温仪内的预冻过程角膜的预冷冻过程如图4-2所示。降温仪内的温度场是由底部的液氮形成的。角膜放在玻璃皿中，与液态氨表面与玻璃皿平地之间的辐射换热可以看成是在两平行平板之间进行。液氨在蒸发过程中形成气流，与盛装角膜的玻璃皿之间有自然对流换热。导热给角膜要通过玻璃皿。图4-2 角膜速率降温示意图 若其传热量为 则其数学
33、模型可用下式表示： (4-7) 式中 为对流传热量，可按牛顿冷却公式计算 (4-8) 式中 玻璃瓶表面温度 液氮面温度 A玻璃瓶表面积 对流传热系数 在粗算时可借用水平板(玻璃皿侧面圆柱传热忽略不计)热面朝下，冷面朝上的公式计算 (4-9) 式中 L定形尺寸 L=A/s A磨口瓶底面积 s周长 传热温差 (4-10) 式中 为辐射传热量， 为辐射传热系数，其余符号同前。或可由下式求得 (4-11) 式中 反映辐射面和吸收面几何形状和表面状态的影响； 斯蒂芬-波尔兹曼常数 相应表面温度 t平均温度 参考温度 通常取 热量通过磨口瓶传导角膜的过程为: (4-12)式中导热系数 s厚度 A导热面积
34、i从磨口瓶至角膜之间热传导经过的物质层数以角膜为研究对象，建立伴随着相变过程的能力方程： (4-13)式中 固相率, L相变潜热初始条件： 边界条件： (1)角膜的侧面及垂直于上皮和内皮的面，均认为是绝热的，即 (2)角膜的上皮和上皮表面属第三类边界条件： 和分别是与角膜相接处的气体温度和换热系数。可看作是常数， 是随位置而变化的函数。 4.1.2 4.1.2升华干燥阶段升华干燥阶段 升华干燥也称第一阶段干燥（或主干燥）。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中抽真空，再加热，物料中的冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥。干燥是从物料外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙便成为升华水蒸
35、汽的逸出通道。已干层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶升华结束时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的90左右。 1）物料中的温度分布 物料中冰的升华是在升华界面处进行的，以瓶装物料为例，如图4-4所示，升华时所需的热量由加热设备（通过搁板）提供。图中T为搁板温度；TE为冰核温度；TP为已干制品温度；TS为升华界面温度；P为压力；PS为升华界面压力。从搁板传来的热量由下列途径传至产品的升华界面： （a）固体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底，穿过瓶底和产品的冻结部分到达升华界面。 （b）辐射。上搁板的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层上表面辐射，再通过玻璃瓶壁及
36、冻结层或已干燥层的导热到达升华界面 。 （c）通过搁板与玻璃瓶外表面间残存的气体对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了图4-3所示的温度分布。例如搁板表面温度为50，到升华界面的温度可能约为25，冰层最高温度约为20，干燥层上表面温度可能为25。 2）升华时的温度限制 产品升华受下列几种温度限制： （a）产品冻结部分的温度应低于产品共熔点温度 （b）产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或允许的最高温度（不烧焦或性变） （c）最高搁板温度图4-3升华界面和升华时的热质传递 图4-4 冻干过程的热质传输 3)升华速率 纯冰的升华速率：纯冰的绝对升华速率可
37、用Knudsen方程来表示 (4-14) 式中 蒸发系数； 冰升华界面温度T时的饱和蒸汽压，kPa M水蒸汽的摩尔质量，kg.kmol-1 R气体常数，kg.kmol-1.K-1 T冰的绝对温度，K 因 随冰的饱和温度T增大而增大，所以升华界面温度越高，其升华量G也越大。 在冷冻干燥产品时，若传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸气升华时所需的热量时，则升华界面的温度和压力均达到平衡，升华正常进行。若供给的热量不足，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低，若逸出的水蒸汽少于升华的水蒸汽，多余的水蒸汽聚集在升华界面使其压力增高，升华温度提高，最后将导致制品融化。所以，冷冻干燥的升
38、华速率一方面取决于提供给升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过干燥层逸出水蒸汽的快慢。 为了简化计算，将冻干的传热传质过程简化成图4-4所示模型。通过冻层和已干燥层的传热量可用下列公式表示 (4-15) (4-16) 升华出来的水蒸汽通过已干燥层和箱内空间输送到水汽凝结器。其传输速率为 (4-17) 式中 A升华界面面积，m2 冻层和干层的热导率， 冻层和干层外表面的绝对温度，K 冻层厚度和干层厚度，m 升华界面和水汽凝结器的压力，Pa 干燥层的阻力和干燥层表面到水汽凝结器之间的空间的阻力，Pam2s/kg 由升华物质的分子量所决定的常数kg/(Pam2s） 从上述各公式可见，欲提高
39、升华速度，应注意以下几点。 （a）冻层底部或干层表面的温度在允许的最高值以下尽可能高。 （b）制品厚度越薄其热阻和流动阻力越小，热量和质量传输越快，升华速率越高。但每批制品的产量与厚度成正比，而每批加工的辅助工作量又大致相等，因而制品太薄会造成产品总成本的提高。由厚到薄之间存在一个总成本最低的最佳厚度。一般来说，生物制品的厚度为10-15mm。 （c）冻结层的热导率 主要决定于制品成分,已干燥层的热导率 还决定于其压力和气体的成分，其变化关系参见图4-5。由图可见，为了提高冻干层的热导率，箱内压力越高越好。但箱内压力越高，也可视为 越高，又会使水蒸汽不易从升华面逸出，造成升华面温度过高，冻层融
40、化和干层崩解。为了两者兼顾，根据产品不同一般可将箱内压力控制在13-130Pa之间。 4)升华干燥过程的传热传质模型 (1)升华（冰）界面均匀后移的稳态模型（ URIF） 基本假设 (a)升华干燥阶段的传热传质过程是热量控制过程，即干燥层的导热能力小于质量扩散能力，干燥速度由传导热量的速度决定。 (b)一维传热垂直于干燥层表面及升华面。 (c)干燥层表面受热取第一类边界条件，即从冰界升华面的恒定温度TS立即上升为干燥层表面的恒定温度TW，且保持恒定。 (d) 升华面温度维持TS不变，已干层导入的全部热量均用于提供冰升华所需热量。 直角坐标系下的计算 图4-6 直角坐标系下，冻干过程传热传质示意
41、图 (a) 热传导方程 (4-17) 式中 干层传热系数， 干层热导率， c干层比热容， 干燥层密度， K为温度 t表示时间,其余符见图4-6。 初始条件： (4-19) 上边界条件： (4-20) 下边界条件： (4-21) 下边界耦合条件： (4-22) 式中， 为冷冻层冰的密度， 为冰的升华潜热，2.8106 为冻干物料孔隙率 (b) 能量积分式 对式（4-18）做0 s(t)积分 由式（4-21）、（4-22）得 (4-23) (c) 求解温度分布式 ， (精确解) 取近似解为 (4-24) 将式（4-24）代入（4-23）得 (4-25) 式中，s表示冰界面的位置，m 。r为冰界面移
42、动速度，m/s (4-26) 完成干燥的时间，s (4-27) 要求提供的热流密度，W/m (4-28) 若要保证x=0处T=T，则不能大于上式值。 所产生的质量升华速率，kg/m (4-29) 干燥层的水汽压分布 (4-30) 式中 其中 D气体在已干层中的扩散系数，m2/s； M气体的摩尔质量，kg/mol； 对应温度下的饱和蒸汽压力，Pa； 热流密度， ； 升华速率， ；其余符号同前。 保证传热控制的条件为 (4-31) 式中,R气体常数， 对应温度 下的饱和蒸汽压,Pa 其余符号同前。 （2 2） 升华解吸模型升华解吸模型 在该模型中，认为冷冻层的升华和干燥层吸附水的解吸同时进行的。以
43、瓶装物料为例，对该模型做传热传质分析。瓶装物料冷冻过程的物理模型如图4-7所示，物料关于r=0是对称的，瓶子底部为平面。 数学模型比较复杂，在真空工程计算中很少应用，有兴趣作理论研究的读者可参看徐成海等主编的“真空干燥”一书。 图4-7瓶装物料冷冻干燥模型x=Xx=0 x=LqmNNr=0qbr=r0 rqsqa冻结层干燥层 4.1.3 4.1.3 解析干燥阶段解析干燥阶段 解析干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结的。当它们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。为改善产品贮存稳定性，延长保存期，
44、需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。由于吸附水的吸附能量高，如果不给他们提供足够的能量，水分不可能从吸附中解析出来。因此，这个阶段产品的温度应足够高，只要控制在崩解温度以下即可。同时，为了使解析出来的水蒸气有足够高的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此该阶段冻干箱内必须是高真空。 第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量一般在0.5%4%之间，使产品种类和要求而定。该阶段热质传递模型如图4-8所示。 4-8解吸干燥过程的热质传递 1）基本假设： （1）物料为均匀厚度的无限大平板,热量和质量传递是一维的，且传递方向垂直于物料表面； （2）解析干燥过程中物料吸附水的吸附热和冰升华
45、热相同且恒定； （3）解析干燥过程吸附水解析后在多孔的传质中仅以扩散 的形式进行； （4）物料干燥层中的气体和固体处于热平衡，且气体可以看作是理想的气体； （5）物料在干燥过程中无明显的体积收缩。 2）数学方程的建立 基于以上的假设列出如下的数学方程 连续性方程： (4-32) 动量方程 (4-33) 多孔介质中的扩散系数, 能量方程 (4-34) 水汽传输方程 (4-35) 初始条件 (4-36) 边界条件 (4-37) 式中 升华干燥结束时物料的温度 升华干燥结束时物料的含水量 传递到物料上表面的热量 (4-38) 传递到物料下表面的热量 (4-39) 斯蒂芬波尔兹曼常数, 辐射源对物料的
46、辐射率。 3）解析干燥过程干燥速率和时间的确定 解析干燥过程干燥速率主要由热传导的速度确定的： 热传导方程 (4-40) 对方程两边进行积分，有： (4-41) 两边对时间t求一阶偏导： (4-42) 由边界条件： 得： (4-43) 对于温度分布式 （精确解） 取近似解为 (4-44) 将式（4-44）代入（4-43）得 式中，s表示冰界面的位置，m 。 为冰界面移动速度，m/s 完成干燥的时间 干燥速率： (4-45) 式中 结合水密度 ； 冻干物料孔隙率。 4.2 4.2真空冷冻干燥设备真空冷冻干燥设备 真空冷冻干燥设备简称冻干机，其组成如图4-9所示，主要包括真空冷冻干燥箱（简称冻干箱
47、）1，真空系统（包括2、7、8、21、23、24、25、26、27、28、34），制冷系统（包括3、5、6、9、14、16、17、18、19、32A、32B、33），加热系统（包括4、10、11、12、13、15、20、22、29、30、31）还有在图中没有画出的液压系统、自动控制系统、气动系统、清洗系统和消毒灭菌系统等几大部份组成。 图4-9 真空冷冻干燥机的主要组成部件 1-冻干箱；2-真空规管；3-制冷循环管；4-加温油循环管；5-电磁阀；6-膨胀阀；7-200蝶阀；8-水汽凝结器；9-冷凝管；10-油箱；11-油泵；12-出油管；13-进油管；14、冷却水管；15-油温控制拍铂电阻；1
48、6-制冷压缩机；17-油分离器；18-出液阀；19-过滤器；20-加热器；21-50蝶阀；22-热风机；23-电磁真空阀；24-罗茨泵；25-旋转真空泵；26-电磁带放气截止阀；27-25隔膜阀；28-10隔膜阀；29-放油阀；30-放水阀；31-冷却水电磁阀；32A-手阀；32B-不锈钢针型阀；33-贮液器；34-化霜喷水管；A、B、C-制冷机组；E、F、G-真空泵组 4.2.1 4.2.1 冻干机的主要性能指标冻干机的主要性能指标 国家医药管理局发布过冷冻真空干燥机医药行业标准（草案）。2001年国家机械工业联合会发布真空冷冻干燥机机械行业标准（征求意见稿），在全国范围内推行JB/T102
49、852001食品冷冻干燥机标准。至今尚无完善统一的国家标准，这里介绍几项主要性能指标。 (1)干燥箱空载极限压力：医药用冻干机为23Pa，食品用冻干机为515Pa。 (2)干燥箱空载抽空时间：从大气压抽到10Pa，医药用冻干机应小于等于0.5h，食品用冻干机应小于或等于0.75h。 (3)干燥箱空载漏气率：医药用冻干机从3Pa开始，食品用冻干机从10Pa开始观测，观测0.5h，其静态漏气率不大于0.025PaM3/s。 (4)干燥箱空载降温速率：搁板温度202降至-40的时间应不大于2h。 (5)捕水器降温速率：从202降至-50的时间应不大于1h。 (6)冻干箱内板层温差与板内温差：医药用冻
50、干机板层温度应控制在1.5，板内温差为1，食品冻干机可适当放宽。 (7)捕水器捕水能力：应不小于10kg/m2。 (8)冻干机噪声：声压级噪声小型冻干机应不大于83 dB（A），中型85 dB（A），大型90dB（A）。 (9)冻干机的控制系统应符合以下要求：应能显示各主要部件的工作状态；显示干燥箱内搁板和制品的温度和真空度，捕水器温度；应能进行参数设定、修改和实时显示；应能显示断水、断电、超温、超压报警。 (10)冻干机的安全性能：整机绝缘电阻应不小于1M。 医药用冻干机还要有自动加塞功能，加塞抽样合格率应大于99%；蒸汽消毒灭菌的蒸汽压为0.11Mpa，温度为121，灭菌时间为20min；
