冻干机制冷系统的典型问题及案例分析

过 星

（常州四药制药有限公司，江苏常州213004）

0 引言

冷冻干燥作为一种干燥方法，已经被广泛运用到制药等各个行业。冻干机作为冻干工艺的核心设备，也被广泛运用到冻干粉针或原料药的生产过程中。然而，制冷系统作为冻干机的“心脏”，其故障会对产品质量造成或大或小的影响，根据笔者对冻干机应用的多年实践，认为有必要对制冷系统常见问题进行分析，只有在分析的基础上，才能提出针对性解决对策，为冻干机的使用操作和故障维修护起到指导性的作用。

1 制冷系统的组成

目前，冻干机的制冷系统普遍采用机械式动力制冷，一般采用制冷压缩机作为制冷的动力，也有采用液氮以及其他（如半导体）制冷的方式，本文以传统机械制冷方式为例，对制冷系统的问题进行分析。

冻干机的常用制冷系统由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀所构成，主要是为干燥箱内制品的前期预冻供给冷量，以及为后期冷阱盘管捕集升华水汽供给冷量。

在设计冻干机时，考虑到冻干机对制冷要求的特殊性，其制冷系统主要由以下部件组成：压缩机、制冷剂、油分离器、水冷凝器、干燥过滤器、中间冷却器、视液镜、电磁阀、手阀（顶盖阀）、膨胀阀、蒸发器（板式交换器、后箱冷凝盘管）、汽液分离器、回气过滤器、压力表、压力控制继电器、CPCE（能量调节器）、安全阀、制冷管道等。

冻干机制冷系统的原理如图1所示。

2 制冷系统的常见问题

根据数据分析，冻干机制冷系统的问题占到冻干机维修问题的80%以上，制冷系统的问题都是由特定的原因所导致，主要问题集中反映在：制冷效果不好，制冷温度达不到预定的温度；捕水器（冷阱）的捕水效果不好，导致温度反弹，无法有效地捕捉到升华水汽。

根据对制冷系统问题的分析，最主要是由于系统泄漏和系统堵塞导致制冷效果不好或无法制冷，或是由于系统的连锁保护以及“液击”等问题，这些情况只要调整好工况，软件控制稳定，此类问题发生率相对比较低。

2.1 系统泄漏

制冷系统的泄漏主要分为低压端泄漏和高压端泄漏。一般保温的部位和管道泄漏多为低压端泄漏，不保温的部位和管道泄漏多为高压端泄漏。由于在压缩机启动和停机以及运行阶段会产生一定的振动，如果防振效果不好，容易导致连接部位松动；喇叭口以及法兰连接的部位松动，会导致密封效果不好；也有密封垫使用时间过长，密封圈老化没有弹性导致不能完全密封。若低压端泄漏，系统会吸入空气，导致排气压力升高，排气温度也高，冷冻油润滑效果不好，有时甚至出现高压报警，导致压缩机停机；而高压端泄漏，直接导致制冷剂泄漏，甚至全部漏完，导致制冷效果不好或无法制冷。

图1 冻干机制冷系统原理图

遇到泄漏问题，只要找到泄漏的部位就能解决。检漏的方法有很多种，可以用气压和泡沫涂抹检漏，也可用卤素灯检漏，也可用电子检漏仪以及氦质谱仪检漏，找到泄漏部位并做相应的处理即可解决问题。

2.2 系统堵塞

系统堵塞主要由于系统的油受污染引起，也可能是油堵在膨胀阀或个别阀门导致开启不畅通。同时，制冷剂的纯度、含水量以及杂质的含量均要控制好，调整压缩机的工况并及时更换新油也非常重要。只要找到堵塞的部位，保证系统畅通，问题即可解决。

3 制冷系统典型问题分析

某一冻干机采用2个螺杆机组制冷，制冷效果非常好，冻干出来的产品质量也很好，含水量达到1%以下。在使用了2年后，由于低压回气截止阀关不严，对1#制冷机组更换了低压回气截止阀，空载测试性能均能满足要求，达到指标要求。而在产品冻进行负荷测试时，1#机组和2#机组温差很大（图2），1#制冷机组制冷工况差，无法满足正常生产需求，而2#机组冻干过程中温度很好，温差近20℃，导致2#机组的盘管结霜，1#制冷机组盘管没有结霜，但捕水能力变差，导致产品无法进行正常冻干生产。

图2 制冷机组间温差示意图

对2个制冷系统进行泄漏确认均反映无泄漏。2个机组在空载时，压缩机工况非常接近。空载没有发现问题。对机器进行满载测试，经过仔细观察，发现在捕水过程中，开始升华时，1#机组的制冷剂不能回到水冷凝器中，通过视镜观察氟利昂，没有制冷剂返回，说明1#机组系统存在堵塞的问题，即导致制冷效果不好的原因。

对堵塞的原因进行分析，由于1#机组更换过回气单向阀，对回气单向阀进行检查，发现回气单向阀动作不灵敏，有卡顿的现象，拆下来重新进行安装。此外，由于加注的制冷剂水分含量高，对制冷剂全部进行更换，同时对回气过滤器、干燥过滤器也进行更换处理，发现冷捕水器（冷阱）膨胀阀动作不灵敏，对膨胀阀进行更换。此外，原始配置是3#阀芯，对阀芯由2#阀芯更换成3#阀芯，采取上述措施后，进行捕水满负荷测试，在大量升华时，1#机组制冷正常，与2#机组基本一致，达到比较好的制冷效果（图3）。

引起堵塞的主要原因：冷阱膨胀阀存在油堵的现象，拆开膨胀阀后看到明显有冷冻油的存在，制冷系统中含水量超标，造成轻微冰堵的可能性增加，影响制冷剂流速，造成回油不畅通，低压端回气单向阀动作不灵敏，有卡顿现象，通过对系统重新抽真空，加注制冷剂，更换冷阱膨胀阀和阀芯，维修回气单向阀，更换过滤器，进行满载测试，在大量升华时，制冷剂也能回到水冷凝器中，堵塞问题得以解决，制冷效果明显。

图3 制冷机组间温差示意图

4 结语

在制药生产过程中，当设备运行中出现故障或存在故障隐患时应采取纠正性的措施，其前提是故障的必要分析。对于冻干机制冷系统的常见问题，如泄漏与堵塞，要从原理上分析其根本原因，有时问题并非一个原因导致，需要进行综合分析，对症下药。根据笔者多年实践体会，平时要对制冷系统进行维护和保养，做好振动的降低、冷冻油的及时更换、过滤器的及时更换以及使用正宗的制冷剂等工作，可以最大程度的减少制冷系统问题的发生，使冻干机的“心脏”处于良好的工作状态。