真空冷冻干燥机循环冷却水问题探讨

邢志涛杨勇王成生

（1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120； 2. 伊马莱富（北京）制药系统有限公司，北京 100176）

真空冷冻干燥机循环冷却水问题探讨

邢志涛1杨勇1王成生2

（1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120； 2. 伊马莱富（北京）制药系统有限公司，北京 100176）

分别从制冷循环、冷凝器标准和行业相关设备的调研结果角度分析了真空冷冻干燥机的循环冷却水温度范围，并提出了可行的冷却水方案。

真空冷冻干燥机；冻干机；冷凝器；冷凝温度；循环冷却水

真空冷冻干燥机（以下简称冻干机）是集冷冻技术、干燥技术、流体技术于一体的产品，由箱体、箱门、冷阱、板层、制冷系统、真空系统、液压系统、循环系统、控制系统等几大部件组成。冻干机在制药行业主要用于生物制品、化学制品、瓶冻（冻干注射剂）、盘冻（原料药）、框膜冻（原料药）、天然药物、热敏性药物、口服冻干片剂等生产过程，制品经完全冻结后，在一定的真空条件下使冰晶升华，从而达到低温脱水的目的。

冻干机的制冷形式目前有机械压缩式制冷和液氮制冷两种。

压缩机是机械压缩式制冷冻干机的核心部件，其制冷系统的冷却形式分为风冷和水冷，在工厂化生产的制药领域多采用水冷形式的冻干机。

1　冻干机冷却循环水问题的提出

水冷冻干机需配备循环冷却水，在进行该系统设计时，往往会产生冷却水温度到底取多少，要不要增加制冷系统的困惑。

在进行冻干机循环冷却水系统设计时，工艺设备专业多把其循环冷却水的温度定为≤25 ℃，有的甚至提出7 ℃或15 ℃的温度要求。从这些技术要求看，冷却塔所提供的冷却循环水温度根本不能满足要求，需要配备制冷机，从而给业主附加大量的设备投资和运行能耗。

目前，在设计和使用过程中，存在几种不同的冷却循环水供应方式：对于7 ℃、15 ℃要求的冷却水，直接使用冷冻水；对于≤25 ℃要求的冷却水，联合使用冷却塔水和冷冻水；部分业主直接采用冷却塔水使用亦无问题。

本文拟通过对冻干机蒸汽压缩制冷循环、冷凝器和市场调研结果三个方面的分析，去探讨一种合理的冻干机循环冷却水的供应方式，解决其循环冷却水系统设计中的一些问题和争议。

2　冻干机冷却循环水问题的分析

2.1从蒸汽压缩制冷循环角度分析

不管冻干机制冷系统采用的是活塞式压缩机还是螺杆式压缩机，冻干的最终温度决定了其所采用的制冷循环，如表1。

表1　冻干机温度对应制冷循环表Tab.1 Lyophilizer temperature to cooling cycle list

国内制药行业采用的冻干温度多为-70 ℃，因此，采用双级压缩制冷循环，其流程图如图1、压焓图如图2。

从流程图和压焓图可见，制冷系统的冷凝温度决定了冻干机所需的冷却水温度，根据现行压缩机标准JB/T 5446—1999《活塞式单机双级制冷压缩机》［1］、GB/T 19410—2008《螺杆式制冷剂压缩机》［2］和国内最新的对容积式压缩机名义工况一致性研究成果［3］，冻干机制冷循环的冷凝温度在本文中取40 ℃。

图1　双级压缩制冷循环流程Fig.1 Flow chart of two-stage compressing cooling cycle

图2　双级压缩制冷循环压焓Fig.2 Pressure-enthalpy chart of two-stage compressing cooling cycle

如果冷凝温度过高，冷凝压力也就过高，压缩机吸排气压比过大，输气量大大衰减，制冷量大大衰减。同时冷凝温度过高会导致压缩机排气温度过高，对压缩机润滑油造成损坏（碳化），也会导致输气量大大衰减，制冷量大大衰减。严重时甚至损坏压缩机的气缸。

如果冷凝温度过低，会造成冷凝压力过低。根据制冷系统膨胀阀雍塞流理论，在膨胀阀开度一定的情况下，通过膨胀阀的制冷剂流量主要取决于入口压力。一般情况下，膨胀阀是按40 ℃冷凝温度选型的，这样就会导致膨胀阀选型相对过小，制冷量达不到设计要求。为了解决这一问题，有些冻干机厂家会安装水量调节阀，根据冷凝压力来调节冷却水的流量。当冷却水温度过低而导致冷凝压力过低时，水量调节阀会减少冷却水的流量，从而维持冷凝压力在一定的范围内。

因此，从制冷循环角度分析冻干机循环冷却水温度，只要低于40 ℃，即可保证制冷循环的正常运行。

2.2从换热器角度分析

冻干机制冷系统冷凝器多采用卧式管壳式冷凝器。行业规范JB/T 7659.2《氟代烃制冷装置用辅助设备 第2部分 管壳式水冷冷凝器》［4］冷凝器名义工况中对冷凝温度要求为40 ℃，同时根据氟利昂卧式水冷管壳式冷凝器平均传热温差4～7 ℃［5］的推荐值，按照最大温差考虑，水冷冷凝器的供水温度为33 ℃，此温度既满足蒸汽压缩制冷循环对循环冷却水温度低于40 ℃的要求，也满足冷凝器的设计要求。

2.3从调研结果分析

通过对国外、国内主流冻干机品牌的调研，如与使用方无事先约定，冻干机制冷系统的冷凝器均按照最不利供水温度设计，此温度多为32 ℃，供回水温差5 ℃。冷凝器前同时配备水量调节阀，当冷却水温度高于32 ℃时，换热量不变，流量增大，冷却水供回水温差减少，为了维持40 ℃的冷凝温度，就需要增大换热面积，增大水冷冷凝器；当冷却水温度低于32 ℃时，冷凝器换热面积不变，换热量不变，流量减小，冷却水供回水温差增大。

对配置活塞式压缩机的冻干机，冷却水温度可低至7 ℃，此时供回水温差约为10 ℃；当低于7 ℃时，冷却水供回水温差会进一步增大，流量会进一步减少，水冷冷凝器选型相对过大，流量过少容易结垢。

对配置螺杆式压缩机的冻干机，冷却水的温度建议不低于20 ℃，因为其压缩机的供油温度范围多为40 ～ 60 ℃。如果冷却水温度低于20 ℃，可能会使得油温过低，润滑油粘度过高，轴承等处会出现供油不充分的现象，压缩机会因此损坏。虽然现在螺杆式压缩机的油冷却器配有水量调节阀，会根据冷却水后的油温来调节冷却水流量，但是出于安全考虑，冷却水的温度仍然建议不低于20 ℃。

根据上述分析结果，对于配置活塞式压缩机的冻干机，冷却水温度范围可以为7 ～ 32 ℃；对于配置螺杆式压缩机的冻干机，冷却水温度范围可以为20 ～ 32 ℃。

3　冻干机循环冷却水系统设计对策

明确了冻干机冷却水温度范围之后，在水冷冻干机选择时应根据当地能够提供的冷却水条件做出合理的设备选型和冷却水供应系统方案，而不是完全使用冷冻水和完全使用冷却塔水。

在湿球温度＞27 ℃的地区，建议采用冷却塔降温，冷冻水补冷的方式，供应形式如图3。

图3　湿球温度＞27 ℃地区循环冷却水供应形式Fig.3 Circulating cooling water supply in area with wet bulb temperature ＞27 ℃

当冷却塔出口温度＞32 ℃时，补冷阀门1开启，利用冷水为冷却水降温，使冷却水温维持在30 ～ 32 ℃之间。冷水侧的温差按照5 ℃设计，通过换热器入口的阀门调节冷水流量来满足换热量。

在湿球温度≤27 ℃的地区，建议采用冷却塔直接供冷。供应形式如图4。

图4　湿球温度≤27 ℃地区循环冷却水供应形式Fig.4 Circulating cooling water supply in area with wet bulb temperature ≤27 ℃

上述图3、图4均为冻干机循环冷却水初始运行温度已满足要求的系统供应形式，其初始运行温度的保障措施未在图中表示。

不管在何种工况下，冷却塔均按照供水温度为32 ℃来确定循环水量，水量调节靠冷凝器进口阀门调节。

4　结论

冻干机的循环冷却水温度与多个因素有关，业主和工艺设备专业在进行冻干机的选择时，除了要提出满足工艺需求的参数，还应了解冻干机的配置，结合投资和实际使用条件对冻干机的循环冷却水提出要求，以保证冻干机高效使用，同时减少不必要的投资。

［1］JB/T 5446—1999，活塞式单机双级制冷压缩机［S］.

［2］GB/T 19410—2008，螺杆式制冷剂压缩机［S］.

［3］史敏，钟瑜.我国容积式制冷压缩机名义工况一致性研究［J］.制冷学报.2014（12）：102-108.

［4］JB/T 7659.2氟代烃制冷装置用辅助设备 第2部分 管壳式水冷冷凝器［S］.

［5］郭庆堂，吴进发.实用制冷工程设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

Discussion of Cycle Cooling Water Used Vacuum Freezing Dryer

Xing Zhitao1， Yang Yong1， Wang Chengsheng2
（1. China Aviation Planning and Design Institute（Group）Co.， Ltd， Beijing 100120；2. IMA Life（Beijing） Pharmaceutical System， Beijing 100176）

In this article， the temperature scoop of cycle cooling water in vacuum freezing dryer was analyzed from the viewpoints of refrigerating circulation， the standards of refrigerating drying machine and the results of investigation for relevant equipment used in industry individually. The feasible scheme of using cooling water was then proposed.

vacuum freezing dryer； lyophilizer； condenser； condensing temperature； cycle cooling water

TQ 051.4

A

2095-817X（2016）03-0038-003

2016-03-17

邢志涛（1978—），男，高级工程师，主要从事医药工程的制冷、供热、供气、管道设计。