冻干机真空系统的性能指标设计计算
真空冷冻干燥机的真空系统特性主要应包括抽水蒸汽的能力, 冻干箱空载极限真空度和冻干箱出口处的有效抽速这3大指标。
下面研究如何通过设计计算来保证实现这些性能要求。
冻干室的极限真空度
式中P0为真空泵的极限真空度(Pa),Q0为空载时长期抽气后冻干室的气体负荷, 在Sp一定时,Q0决定了冻干室的空载极限真空度Pj, 通常,Q0可用冻干室的漏气率来计算, 冻干室的漏气率可以测量得到, 在设计时可根据经验取为1(Pa·m3/s);SP为冻干室抽气口附近泵的有效抽速(m3/s)。
冻干室的极限真空度受抽气口位置设计和测量点位置设计的影响。在大型冻干机中如果冻干室较长, 抽气口又设计在冻干室的一端, 冻干室内就会出现压强梯度, 各点的压强值可用下式计算。
式中,PX为距抽气口X 处的压强(Pa) ; P1为距抽气口最近L1处的压强(Pa),P1=qBL1/S; S 为X = 0处泵的有效抽速(m 3/s );q为冻干室壁的出气速率(Pa·m 3/m 2·s);B为冻干室截面周长(m ) ;U 是长为L 的冻干室流导(m 3/s)。
冻干室的极限真空度还受测点温度的影响,因为P=nKT,如果冻干室内气体分子数n 一定, 设在高温处测点测得的压强高, 设在低温处测得的压强低, 这一点应该引起设计者和用户的注意。
为提高冻干室的极限真空度, 缩小冻干室内的压强梯度, 冻干室的抽气口不应设在一端, 而应设在中间或开设多个抽气口并联。如果采用水蒸汽喷射泵抽气, 又设计了贮气罐,在正常工作时应该用阀门将贮气罐截断, 否则会影响冻干室内的真空度, 其影响程度可用公式计算。
求出这两个微分方程联立解, 即可得到冻干室中压强P1和贮气罐中压强P2。式中V1为冻干室容积,V2为贮气罐容积, 冻干室与贮气罐之间的流导为U , 在贮气罐抽气口处泵的抽速为S, 上两式中忽略了两个容器的漏气和放气。
冻干室抽气口附近的有效抽速
式中 SP为有效抽速(m 3/s ) , S为抽气机组的有效抽速, U为真空室出口与机组入口间管道的流导(m 3/s)。一般, 高真空管道, 泵的抽速损失不应大于40%～60% , 低真空管道,其损失允许5%～10%。
有捕水器的真空系统计算有效抽速比较复杂。在捕水器没有工作之前, 应该将捕水器当成管道对待, 计算其通导能力; 在捕水器正常工作之后, 应该将捕水器当成气体捕集式真空泵对待, 计算其有效抽速。捕水器的通导能力与结构有关, 而且是时间的函数。在捕水器正常工作后, 随着抽气时间增长, 霜层厚度增加, 其通导能力减小。捕水器的有效抽速是个相当复杂的问题, 它除与冷凝面积有关外, 还与前级泵抽速S、凝结系数A有关。A又与冷凝面温度TK、被抽气体温度Tg、被抽气体压强Pg和冷凝面温度下饱和水蒸汽压强P0之比有关, 还与霜层厚度、泵的结构有关。粗算时可采用下式。
式中 A为凝结系数, 可取0.5～0.85, Tg 和TK低时取大值, 反之亦然,AK为冷凝面的面积,D为霜层厚度。在抽气过程Tg、TK和D都是变化的, 该式描述的是稳态过程, 只供参考。
真空系统抽水蒸汽的能力
水蒸汽喷射泵抽水蒸汽的能力是泵的固有特性, 在水蒸汽喷射真空泵样本中都有标注(见表1 中的说明)。
捕水器抽水蒸汽的能力无法用每小时多少公斤来衡量, 只能用最大捕水量来表示。
式中 Q为霜层密度, dmax为霜层最大厚度, 通常取小于10mm, TS为霜层表面温度。
冻干机真空系统的特性与设计、制造、安装调试和使用维护都有关系。受篇幅限制, 这里对各种真空系统的常见故障及消除方法没有阐述, 对其一次成本投资和运转费用没有探讨。
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