冷凍干燥廣泛地應用于食品、生物、制藥、醫(yī)學、化工和材料制備等領域，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、時間長、過程能耗高和設備投資費用大等缺點已成為制約冷凍干燥技術大規(guī)模工業(yè)應用的技術瓶頸。降低冷凍干燥過程能耗，提高冷凍干燥過程經(jīng)濟性, 
     開發(fā)新型節(jié)能裝置，是冷凍干燥技術發(fā)展的研究熱點。 
                
     冷凍干燥過程中，干燥室中的加熱擱板加熱凍結物料，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℃，在干燥過程中同時需要熱量和冷量。熱泵裝置可以使熱量從低溫物體轉移到高溫物體，并可將低溫熱能轉變?yōu)榭捎玫臒崮?，而熱泵裝置中壓縮機的單級壓縮比一般不超過8～10[3],為了獲得較低的蒸發(fā)溫度和較高的冷凝溫度,就要采用多級壓縮循環(huán),使單級的壓縮比降低，效率提高。要提高冷凍干燥過程的經(jīng)濟性和系統(tǒng)能量的利用效率，可將多級壓縮循環(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)分別構建了復疊式循環(huán)和二級壓縮循環(huán)的熱泵冷凍干燥系統(tǒng)。對二種熱泵干燥系統(tǒng)的構建方法和循環(huán)性能進行了分析，計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  復疊式與兩級壓縮式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
1.1 復疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
                
    復疊式熱泵循環(huán)由高溫級和低溫級兩部分組成，兩部分自成獨立循環(huán)系統(tǒng)，用冷凝蒸發(fā)器將這兩個系統(tǒng)聯(lián)系在一起，它既是高溫級的蒸發(fā)器也是低溫級的冷凝器。圖1（a）表示復疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)的原理流程圖。
                
     高溫級循環(huán)由高溫級壓縮機、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。低溫級循環(huán)由低溫級壓縮機、冷凝蒸發(fā)器，節(jié)流閥和水汽凝結器組成封閉循環(huán)。循環(huán)工質(zhì)在水汽凝結器管內(nèi)蒸發(fā)，降低水汽凝結器溫度，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器捕集，如果忽略升華—凝結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荷與水汽凝結器的冷凝負荷大致相等。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為低溫級工質(zhì)的等壓冷卻冷凝過程，7－9是高溫級工質(zhì)的等壓冷卻冷凝過程，4－5和9－10分別是高溫級和低溫級工質(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 兩級壓縮式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)
                
     兩級壓縮循環(huán)是將來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽先經(jīng)低壓級壓縮機壓縮到某一中間壓力,然后進入高壓級壓縮機壓縮到冷凝壓力，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,又可使壓縮機的壓縮比控制在合理范圍內(nèi)。
                
     兩級壓縮按其節(jié)流方式和高壓級壓縮機的吸氣狀態(tài)可分為[3，4]：兩級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)、兩級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán),一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)和一級節(jié)流中間不完全冷卻四種循環(huán)形式。采用一級節(jié)流時，工質(zhì)液體是直接從冷凝壓力節(jié)流到蒸發(fā)壓力，可利用其壓力差實現(xiàn)遠距離或向高處供液，而且易于調(diào)節(jié)。
                
      一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)與一級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)的唯一不同之點是低壓級壓縮機的排氣在中間冷卻器中被冷卻成飽和蒸汽。低壓級壓縮機排氣冷卻時要放出過熱熱量,因而在中間冷卻器中要引起中壓液體工質(zhì)的蒸發(fā),這將使高壓壓縮機的流量增加。但高壓壓縮機所吸入的不再是過熱蒸汽，而是飽和蒸汽。因此，高壓級壓縮機的排氣溫度不會過高，這對絕熱指數(shù)較高的工質(zhì)比較有利。
     圖2(a)和(b)分別示出兩級壓縮一級節(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由低壓級壓縮機吸入，并壓縮到中間壓力Pm后進入中間冷卻器，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6一同被高壓級壓縮機吸入，壓縮到冷凝壓力Pk進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進入中間冷卻器，利用其產(chǎn)生的冷量來冷卻低壓壓縮機的排氣和盤管中的液體，吸熱蒸發(fā)后的蒸汽和低壓級壓縮機的排氣一同進入高壓壓縮機；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圖上的各個過程，1—2為低壓壓縮機的壓縮過程；2—3為低壓排氣在中間冷卻器中的冷卻過程；3—4為高壓壓縮機的壓縮過程；7—5為高壓級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，復疊式循環(huán)是兩種不同工質(zhì)循環(huán)的疊合，其與兩級壓縮循環(huán)相比的優(yōu)點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，但缺點是一個熱泵系統(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)所示復疊熱泵循環(huán)的工作狀態(tài)點來計算復疊循環(huán)的供熱系數(shù)COPC：
              (1)

                與復疊式熱泵循環(huán)類似，由圖2(b)所示的狀態(tài)點，可將兩級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荷，kW，該加熱負荷為干燥室加熱器的熱負荷與旁通換熱器加熱負荷之和；Nd表示低溫級或低壓級壓縮機的輸入功率，kW；Ng為高溫級或高壓級壓縮機的輸入功率，kW。

2  計算結果的分析與討論
     在復疊式熱泵冷凍干燥系統(tǒng)中，高溫級以R600a為工質(zhì)，低溫級以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)進行了分析。計算中制冷量Qo取3.1kW,低溫級循環(huán)的蒸發(fā)溫度T0取為-40℃，高溫級循環(huán)的冷凝溫度TK為80℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差為5℃。Tm定義為高溫級循環(huán)的蒸發(fā)溫度。高溫級壓縮機和低溫級壓縮級的等熵效率均取0.75。為了避免使高溫級循環(huán)壓縮機壓縮后進入兩相區(qū)，計算中壓縮機吸氣過熱度取為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

     對于兩級壓縮一級節(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，計算中制冷量Qo、低壓級循環(huán)的蒸發(fā)溫度T0、高壓級循環(huán)的冷凝溫度TK、壓縮機等熵效率等與復疊式熱泵循環(huán)的計算參數(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，當中間溫度變化時，對于復疊式熱泵和兩級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值達到最大，而且復疊式熱泵的COP值高于兩級壓縮式熱泵。當中間溫度為25℃時，復疊式熱泵的COP值達到最大值1.89；當中間溫度為30℃時，兩級壓縮式熱泵的COP值達到最大值1.87。當中間溫度從15℃變化到35℃時，復疊式熱泵的COP值的變化幅度小于1％， 
      而兩級壓縮式熱泵的COP值的變化幅度為1.75％，表明中間溫度變化對復疊式熱泵運行性能的影響較小。復疊式熱泵的供熱性能略高于兩級壓縮式熱泵，中間溫度的變化對復疊式熱泵和兩級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
      當需要改變冷凍干燥過程加熱操作條件時，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，當蒸發(fā)溫度維持在－40℃不變且中間溫度取最佳值時，熱泵循環(huán)的供熱系數(shù)隨冷凝溫度的上升而下降。當冷凝溫度由70℃升高到90℃, 
     復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)實際運行中,只要能滿足加熱的溫度要求,應適當控制熱泵系統(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，本文計算了蒸發(fā)溫度變化時熱泵冷凍干燥系統(tǒng)的循環(huán)性能，其結果如圖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，當蒸發(fā)溫度從-50℃上升到-30℃,復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，在實際運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）溫級壓比、低（壓）溫級壓比和高（壓）溫級壓縮終溫等方面非常類似。然而復疊式熱泵的冷凝壓力遠低于兩級壓縮熱泵。這就意味著，為了滿足壓縮機和系統(tǒng)的強度要求，復疊式熱泵的造價相對低廉，但缺點是在熱泵系統(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℃(復疊式循環(huán)),Tm=30℃(兩級壓縮循環(huán))）
          

 3  結論
      為了提高系統(tǒng)的能量利用效率和系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，提高冷凍干燥過程的經(jīng)濟性，可將多級壓縮循環(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)分別構建了復疊式循環(huán)和二級壓縮循環(huán)的熱泵冷凍干燥系統(tǒng)。對二種熱泵干燥系統(tǒng)的構建方法和循環(huán)性能進行了分析，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。結果表明：復疊式熱泵和兩級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，復疊式熱泵的供熱性能略高于兩級壓縮式熱泵，但復疊式熱泵的冷凝壓力遠低于兩級壓縮熱泵，從壓縮機和系統(tǒng)的強度要求方面考慮，復疊式熱泵的造價相對低廉，但缺點是在熱泵系統(tǒng)中需采用兩種循環(huán)工質(zhì)。