真空低溫技術(shù)與設(shè)備培訓(xùn)課件(共187頁).ppt

1、經(jīng)作者授權(quán)，版權(quán)所有歸東北大學(xué)真空與流體工程研究中心與原作者共有。未經(jīng)本中心及原著者同意，任何人或任何單位不得私自拷貝、刻錄、傳播、轉(zhuǎn)載本講義，或用于商業(yè)用途。東北大學(xué)第九期東北大學(xué)第九期真空技術(shù)真空技術(shù)培訓(xùn)班培訓(xùn)班 2012.5.112012.5.20真空低溫技術(shù)真空低溫技術(shù)與設(shè)備與設(shè)備主講人：徐成海主講人：徐成海Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China?真空技術(shù)真空技術(shù)?o一. 真空技術(shù)概況 巴德純o二. 真空工程理論根底 孫麗娜o三. 干式真空泵原理與技術(shù)根底 巴德純o四.

2、 真空系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)根底 岳向吉o五. 真空獲得設(shè)備原理與技術(shù)根底 張以忱o六. 真空測量技術(shù)根底 劉玉岱o七.真空鍍膜技術(shù)根底 張以忱o八. 質(zhì)譜原理與真空檢漏 劉玉岱o九. 真空冶金技術(shù)根底 王曉冬o十. 真空與低溫技術(shù)及設(shè)備 徐成海東北大學(xué)第九期東北大學(xué)第九期培訓(xùn)系列之培訓(xùn)系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 1.緒論緒論 1.1真空技術(shù)與低溫技術(shù)的關(guān)系真空技術(shù)與低溫技術(shù)的關(guān)系 真空技術(shù)和低溫技術(shù)都誕生于真空技術(shù)和低溫技術(shù)都誕生于17世紀(jì)，完世紀(jì)，完善于善于19世

3、紀(jì)，應(yīng)用開展于世紀(jì)，應(yīng)用開展于20世紀(jì)。到目世紀(jì)。到目前為止，真空技術(shù)已成為一門通用性很強(qiáng)前為止，真空技術(shù)已成為一門通用性很強(qiáng)的科學(xué)，在空間科學(xué)、原子能工業(yè)、電子的科學(xué)，在空間科學(xué)、原子能工業(yè)、電子科學(xué)、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、食品、醫(yī)科學(xué)、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、食品、醫(yī)藥、冶金、化工、農(nóng)業(yè)和輕工業(yè)等國民經(jīng)藥、冶金、化工、農(nóng)業(yè)和輕工業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都有相當(dāng)程度的應(yīng)用。真空濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都有相當(dāng)程度的應(yīng)用。真空技術(shù)在改造著世界。人類社會(huì)需要真空技技術(shù)在改造著世界。人類社會(huì)需要真空技術(shù)。低溫技術(shù)也是一樣，在空間科學(xué)、化術(shù)。低溫技術(shù)也是一樣，在空間科學(xué)、化工、農(nóng)牧以及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面都有其獨(dú)特工、農(nóng)

4、牧以及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面都有其獨(dú)特的作用，在其他領(lǐng)域也有日益廣泛的影響。的作用，在其他領(lǐng)域也有日益廣泛的影響。沒有真空技術(shù)就不可能獲得超低溫；沒有沒有真空技術(shù)就不可能獲得超低溫；沒有低溫技術(shù)就不能產(chǎn)生清潔的極高真空。低低溫技術(shù)就不能產(chǎn)生清潔的極高真空。低溫技術(shù)的開展促進(jìn)了真空科學(xué)；而真空技溫技術(shù)的開展促進(jìn)了真空科學(xué)；而真空技術(shù)的前進(jìn)又帶動(dòng)著低溫技術(shù)。已經(jīng)形成了術(shù)的前進(jìn)又帶動(dòng)著低溫技術(shù)。已經(jīng)形成了真空需要低溫，低溫離不開真空的局面。真空需要低溫，低溫離不開真空的局面。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univer

5、sity, China 真空科學(xué)按照傳統(tǒng)的說法可包括真空物理、真空獲得、真空測量、真空應(yīng)用四大方面的內(nèi)容。而這四方面內(nèi)容哪一方面都需要低溫技術(shù)。極低壓和極低溫是兩個(gè)極端的物理?xiàng)l件，而真空物理中好多公式都離不開溫度T。獲得清潔的真空需要低溫。 低溫技術(shù)離不開真空技術(shù)也是顯而易見的。用各種方法獲得的低溫液體，必須在真空絕熱的條件下保存和應(yīng)用。杜瓦瓶、大型貯運(yùn)冷液的各種槽車，既是低溫容器，也是真空設(shè)備。任何一個(gè)真空技術(shù)研究室都有低溫容器，任何一個(gè)低溫技術(shù)研究室都有真空抽氣設(shè)備，這就是真空技術(shù)與低溫技術(shù)相互聯(lián)系的見證。Vacuum and Fluid Engineering Research Cent

6、er of Northeastern University, China 1.2 1.2真空低溫技術(shù)概況真空低溫技術(shù)概況 真空的概念可以理解為低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣真空的概念可以理解為低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體狀態(tài)，其法定測量單位為體狀態(tài)，其法定測量單位為PaPa帕。低溫是描帕。低溫是描述一個(gè)系統(tǒng)冷熱程度的狀態(tài)，低溫泛指低于周圍述一個(gè)系統(tǒng)冷熱程度的狀態(tài)，低溫泛指低于周圍環(huán)境溫度的狀態(tài)，其法定測量單位為環(huán)境溫度的狀態(tài)，其法定測量單位為K K絕對溫絕對溫標(biāo)，可以與標(biāo)，可以與攝氏溫標(biāo)通用。就真空和低攝氏溫標(biāo)通用。就真空和低溫的成因而言，可分為溫的成因而言，可分為“人造真空和人造真空和“自然真自然真空，

7、空，“人造低溫和人造低溫和“自然低溫兩種。自然低溫兩種。“人人造真空是指由于和產(chǎn)和科研的需要，用各種真造真空是指由于和產(chǎn)和科研的需要，用各種真空獲得設(shè)備對容器進(jìn)行抽氣而獲得的低壓空間。空獲得設(shè)備對容器進(jìn)行抽氣而獲得的低壓空間。“人造低溫也是指根據(jù)人們的要求，用各種制人造低溫也是指根據(jù)人們的要求，用各種制冷劑對需要低溫的地方制冷而造成的低溫環(huán)境。冷劑對需要低溫的地方制冷而造成的低溫環(huán)境。兩者共同的特點(diǎn)都要消耗能量。兩者共同的特點(diǎn)都要消耗能量?！白匀徽婵蘸妥匀徽婵蘸汀白匀坏蜏囟际翘烊辉斐傻?。自然低溫都是天然造成的。 Vacuum and Fluid Engineering Research Cen

8、ter of Northeastern University, China 根據(jù)使用習(xí)慣，人們通常按壓力劃分出幾個(gè)不同的真空區(qū)域： 低真空：11051102Pa 中真空：1102110-1Pa 高真空：110-1110-6Pa 超高真空：110-6Pa以下 當(dāng)前，“人造真空可獲得110-13Pa，絕對真空既0Pa是永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 1.3真空低溫技術(shù)的應(yīng)用真空低溫技術(shù)的應(yīng)用 目前真空技術(shù)與低溫技術(shù)已不僅是分別應(yīng)目前真空技術(shù)與低溫技術(shù)已不僅

9、是分別應(yīng)用，而是進(jìn)入了兩者結(jié)合應(yīng)用效果更好的用，而是進(jìn)入了兩者結(jié)合應(yīng)用效果更好的時(shí)代。宇宙研究缺了真空和低溫這兩個(gè)條時(shí)代。宇宙研究缺了真空和低溫這兩個(gè)條件就不可能完成，而原子能物理、原子能件就不可能完成，而原子能物理、原子能工業(yè)及核聚變研究等領(lǐng)域的進(jìn)展假設(shè)說是工業(yè)及核聚變研究等領(lǐng)域的進(jìn)展假設(shè)說是靠真空和低溫的進(jìn)展來支持也決不過分?？空婵蘸偷蜏氐倪M(jìn)展來支持也決不過分。此外，在電子工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的局部領(lǐng)域此外，在電子工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的局部領(lǐng)域中，真空和低溫已成為極其重要的因素。中，真空和低溫已成為極其重要的因素。對極限狀態(tài)下的事物進(jìn)行所謂根底研究時(shí)，對極限狀態(tài)下的事物進(jìn)行所謂根底研究時(shí)，超高真空和極

10、低溫條件非常有用。如果詳超高真空和極低溫條件非常有用。如果詳細(xì)表達(dá)其具體應(yīng)用，篇幅就太長了，這里細(xì)表達(dá)其具體應(yīng)用，篇幅就太長了，這里僅簡單地介紹幾種常用的、本書準(zhǔn)備較詳僅簡單地介紹幾種常用的、本書準(zhǔn)備較詳細(xì)研究的例子。細(xì)研究的例子。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 真空冷凍枯燥真空冷凍枯燥 目前，真空冷凍枯燥技術(shù)簡稱凍干技目前，真空冷凍枯燥技術(shù)簡稱凍干技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)藥、食品和新材料研術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)藥、食品和新材料研制等領(lǐng)域。制等領(lǐng)域。 (1)醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)藥工業(yè) (2)食品

11、工業(yè)食品工業(yè) (3)生物體的保存生物體的保存 (4)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的處理實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的處理 (5)研制新材料研制新材料Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空壓力浸漬真空壓力浸漬 真空保鮮真空保鮮 (1) (1)真空冷卻真空冷卻 (2) (2)真空儲藏減壓儲藏真空儲藏減壓儲藏 空間真空低溫技術(shù)空間真空低溫技術(shù) (1) (1)宇宙空間模擬宇宙空間模擬 (2) (2)發(fā)射航天器的火箭發(fā)射航天器的火箭 (3) (3)低溫真空光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)低溫真空光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng) 真空絕熱與低溫容器真空絕熱與低溫容

12、器 (1) (1)石油化工方面的應(yīng)用石油化工方面的應(yīng)用 (2) (2)冶金工業(yè)方面的應(yīng)用冶金工業(yè)方面的應(yīng)用 (3) (3)機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用 (4) (4)電子工業(yè)方面的應(yīng)用電子工業(yè)方面的應(yīng)用 (5) (5)衛(wèi)生部門的應(yīng)用衛(wèi)生部門的應(yīng)用 (6) (6)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)方面的應(yīng)用農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)方面的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 低溫真空泵低溫真空泵 (1)紅外天文衛(wèi)星上的氦制冷 (2)超導(dǎo)磁境裝置的低溫真空系統(tǒng) (3)重離子加速器的真空系統(tǒng)

13、(4)低溫泵在真空鍍膜中的應(yīng)用 低溫真空技術(shù)的其他應(yīng)用低溫真空技術(shù)的其他應(yīng)用 (1)大型超導(dǎo)線圈LCT (2)磁懸浮高速列車Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 1.4 1.4真空低溫技術(shù)與設(shè)備研究的內(nèi)容真空低溫技術(shù)與設(shè)備研究的內(nèi)容 由淺入深地介紹了真空低溫技術(shù)的根本由淺入深地介紹了真空低溫技術(shù)的根本理論，真空獲得備和低溫獲得設(shè)備，真空理論，真空獲得備和低溫獲得設(shè)備，真空系統(tǒng)元件和低溫系統(tǒng)元件，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)元件和低溫系統(tǒng)元件，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)和低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，便于自學(xué)。真

14、空和低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，便于自學(xué)。真空冷凍枯燥技術(shù)與設(shè)備和真空壓力浸漬技術(shù)冷凍枯燥技術(shù)與設(shè)備和真空壓力浸漬技術(shù)與設(shè)備是低真空和普冷系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的典與設(shè)備是低真空和普冷系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的典范，屬于本書編著的重點(diǎn)。真空冷凍工藝范，屬于本書編著的重點(diǎn)。真空冷凍工藝是值得研究、不太容易掌握的技術(shù)，它受是值得研究、不太容易掌握的技術(shù)，它受凍干物品，凍干機(jī)性能及其它多種因素的凍干物品，凍干機(jī)性能及其它多種因素的影響，至今仍有凍干工藝的手藝，是藝術(shù)影響，至今仍有凍干工藝的手藝，是藝術(shù)而不是科學(xué)的觀點(diǎn)。低溫容器和低溫真空而不是科學(xué)的觀點(diǎn)。低溫容器和低溫真空泵是真空和深冷系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的晶華。真泵是真空和深冷系統(tǒng)聯(lián)合

15、應(yīng)用的晶華。真空保鮮和空間真空低溫技術(shù)是本書第二版空保鮮和空間真空低溫技術(shù)是本書第二版新增加的兩局部內(nèi)容。新增加的兩局部內(nèi)容。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.真空技術(shù)根底真空技術(shù)根底 2.1 蒸發(fā)與凝結(jié)蒸發(fā)與凝結(jié) 蒸發(fā)蒸發(fā)(或升華或升華)與凝結(jié)的物理現(xiàn)象在真空與凝結(jié)的物理現(xiàn)象在真空技術(shù)中是很常見的，其實(shí)質(zhì)是液技術(shù)中是很常見的，其實(shí)質(zhì)是液(固固)-氣氣界面所發(fā)生的一種相變過程。單位時(shí)間界面所發(fā)生的一種相變過程。單位時(shí)間從單位面積上由液體或固體轉(zhuǎn)化成從單位面積上由液體

16、或固體轉(zhuǎn)化成氣體的質(zhì)量稱為蒸發(fā)率。單位時(shí)間在單氣體的質(zhì)量稱為蒸發(fā)率。單位時(shí)間在單位面積上由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)位面積上由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)的質(zhì)量定義為凝結(jié)率。當(dāng)蒸發(fā)率大于凝的質(zhì)量定義為凝結(jié)率。當(dāng)蒸發(fā)率大于凝結(jié)率時(shí)，表現(xiàn)為蒸發(fā)；當(dāng)凝結(jié)率大于蒸結(jié)率時(shí)，表現(xiàn)為蒸發(fā)；當(dāng)凝結(jié)率大于蒸發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)為凝結(jié)；當(dāng)凝結(jié)率等于蒸發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)為凝結(jié)；當(dāng)凝結(jié)率等于蒸發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)為飽和狀態(tài)。發(fā)率時(shí)，表現(xiàn)為飽和狀態(tài)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.2 2.2氣體的熱傳導(dǎo)氣體的熱傳導(dǎo) 氣體空間

17、的傳熱現(xiàn)象可由許多機(jī)理造成。高壓力下氣體內(nèi)部如有區(qū)域性溫差，會(huì)引起密度差，并由重力影響而發(fā)生熱對流傳熱。高溫區(qū)還可以穿越空間通過熱輻射作用傳熱給低溫區(qū)。由氣體分子熱運(yùn)動(dòng)而輸運(yùn)能量，稱為氣體熱傳導(dǎo)。 2.32.3真空狀態(tài)下氣體的流動(dòng)真空狀態(tài)下氣體的流動(dòng) 2.42.4真空獲得設(shè)備真空獲得設(shè)備 2.52.5真空測量真空測量 2.62.6真空閥門真空閥門 2.72.7真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 2.82.8檢漏方法檢漏方法Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.3.低溫技術(shù)根底低溫技術(shù)根底 3

18、.1 3.1低溫技術(shù)的熱力學(xué)根底低溫技術(shù)的熱力學(xué)根底 幾個(gè)常用的根本概念幾個(gè)常用的根本概念 (1) (1)工質(zhì)的內(nèi)能工質(zhì)的內(nèi)能 工質(zhì)的內(nèi)部所具有的微觀能量稱為工質(zhì)工質(zhì)的內(nèi)部所具有的微觀能量稱為工質(zhì)的內(nèi)能。主要包括分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，成為的內(nèi)能。主要包括分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，成為內(nèi)動(dòng)能。內(nèi)洞能是溫度的函數(shù)，內(nèi)位能是內(nèi)動(dòng)能。內(nèi)洞能是溫度的函數(shù)，內(nèi)位能是比容的函數(shù)。內(nèi)能的數(shù)值完全有系統(tǒng)所處比容的函數(shù)。內(nèi)能的數(shù)值完全有系統(tǒng)所處的狀態(tài)決定，與變化到這個(gè)狀態(tài)的過程無的狀態(tài)決定，與變化到這個(gè)狀態(tài)的過程無關(guān)。因此，稱之為態(tài)函數(shù)。關(guān)。因此，稱之為態(tài)函數(shù)。 儲存于工質(zhì)中的能量有三種形式：工質(zhì)儲存于工質(zhì)中的能量有三種形式：工

19、質(zhì)重心移動(dòng)而形成的外動(dòng)能；工質(zhì)重心垂直重心移動(dòng)而形成的外動(dòng)能；工質(zhì)重心垂直位移產(chǎn)生的外位能；內(nèi)能。系統(tǒng)的總能量位移產(chǎn)生的外位能；內(nèi)能。系統(tǒng)的總能量為三者之和。為三者之和。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China (2)功和熱量 功是力與沿力作用方向產(chǎn)生位移的乘積，是能量轉(zhuǎn)換的根本形式之一；熱量是物體在熱傳遞過程中能量改變的變量。功和熱量都是內(nèi)能改變的變量。功和熱量是在變化過程中才出現(xiàn)的量，不僅與過程的初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而且與從初態(tài)到終態(tài)的過程有關(guān)系。因此，稱之為過程量。 (3)廣義

20、力和廣義位移 在氣體制冷機(jī)中，壓縮和膨脹時(shí)常見的機(jī)械功W，就是在某一壓力P下，工質(zhì)容積的變化：dw=PdV。類似于等于力乘位移。在其他制冷方式中，有些參數(shù)與容積V有類似的性質(zhì)，這一類參數(shù)成為外參數(shù)?？梢杂靡唤M狀態(tài)參數(shù)Xi表示，它們的變化稱之為廣義位移。 (4)焓與熵 在實(shí)際制冷系統(tǒng)中，要涉及到工質(zhì)的流動(dòng)，流體的能量除內(nèi)能u外，總有一項(xiàng)流動(dòng)能以克服壓力強(qiáng)制工質(zhì)流入，流出系統(tǒng)，于是每單位工質(zhì)的流動(dòng)所需要的能量用pv表示，u和pv都是由狀態(tài)單值決定的，可以在統(tǒng)一單位下把它們加起來，得到一個(gè)新的綜合量這就是焓。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center

21、of Northeastern University, China H=U+PV 焓的單位為kJ/kg。 熵是一個(gè)導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，它與工質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，熵代表一個(gè)熱平衡系統(tǒng)在一定的壓力和溫度下內(nèi)局部子的熱運(yùn)動(dòng)的無序程度。 dS=dQ/T 式中Q工質(zhì)所獲得的能量，kJkg T工質(zhì)在獲得能量時(shí)的絕對溫度，K S熵的變化量， kJkgk 工質(zhì)在一定溫度T下對外有熱交換時(shí)，熱交換的數(shù)量用溫度T和熵的變化ds的乘積表示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.1.2 熱力學(xué)根本

22、定律在制冷技術(shù)中的應(yīng)用 (1)熱力學(xué)第一定律 在工質(zhì)受熱做功的過程里，工質(zhì)由于受熱而自外界得到的能量，應(yīng)該等于對外界做功所付出的能量與貯存于工質(zhì)內(nèi)部的能量變化之和。 (2)熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律給出了提高制冷劑效率的方面和限度。第二定律可以用兩種方法表達(dá)： 克勞修斯說法：不可能把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體而不產(chǎn)生其它影響。 開爾文的說法：不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。 (3)熱力學(xué)第三定律 用任何方法，無論這種方法如何理想，都不可能以有限次操作，將任何系統(tǒng)的溫度降低到絕對零度。Vacuum and Fluid Engineering Research C

23、enter of Northeastern University, China 制冷系數(shù)與卡諾定理 1制冷系數(shù) 制冷系數(shù)為工質(zhì)從低溫源取出的熱量與外界對工質(zhì)所做的功之比： 式中 從低溫源取出的熱量即循環(huán)的制冷量； 工質(zhì)在一個(gè)循環(huán)中釋放給高溫源的熱量； AW外界對工質(zhì)所做的功。 制冷系數(shù)就是一個(gè)制冷循環(huán)的熱效率。 2卡諾定理 在同樣的高溫?zé)嵩聪潞偷蜏責(zé)嵩聪轮g工作的一切可逆制冷機(jī)的制冷系數(shù)都相等；可逆循環(huán)制冷機(jī)的制冷系數(shù)越大。一切實(shí)際制冷機(jī)所能到達(dá)的極限就是可逆制冷機(jī)的制冷系數(shù)。 2212QQAWQQ2Q1QVacuum and Fluid Engineering Research Center

24、 of Northeastern University, China 3典型的可逆循環(huán)卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是以理想氣體為工質(zhì)，由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程所組成的理想熱力循環(huán)。 4卡諾比 實(shí)際制冷循環(huán)在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)中都存在機(jī)械摩擦，氣流摩擦，膨脹時(shí)的溫度不均勻及與氣缸的溫差，這一切都要引起不可逆熱流動(dòng)的熵增加。此外，還有由環(huán)境漏熱引起的熵增加。這一切都使實(shí)際的制冷機(jī)的效率低于具有同樣溫度界限的卡諾循環(huán)的效率。這就為提高制冷機(jī)效率指出了方向和限變。 實(shí)際制冷機(jī)的制冷系數(shù)與同樣條件下卡諾循環(huán)制冷系數(shù)的比值稱為卡諾或卡諾效率。Vacuum and Fluid Engineering Research

25、 Center of Northeastern University, China 實(shí)際氣體的性質(zhì) 表述實(shí)際氣體的狀態(tài)方程實(shí)際有150多種，其中最常用的是范德瓦爾斯方程。 式中P是壓力，V是容積，T是溫度，R是摩爾氣體常數(shù)，a，b是范德瓦耳斯常數(shù)。對于不同的氣體具有不同的常數(shù)值。 3.2低溫的獲得 獲得低溫的方法有很多，可分為物理方法和化學(xué)方法。其中絕大多數(shù)為物理方法。在物理方法中應(yīng)用最為廣泛的有：相變制冷，氣體絕熱膨脹制冷，渦流制冷，絕熱放棄制冷，溫差電制冷，順磁監(jiān)或核絕熱退磁制冷，氨稀釋制冷，氨減壓蒸發(fā)制冷，吸附制冷，宇宙空間低溫?zé)釁R2-4K輻射制冷等方法。()()aPV bRTVVacu

26、um and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China相變制冷相變制冷 相變是指物質(zhì)集聚態(tài)的變化。在相變過程中物質(zhì)相變是指物質(zhì)集聚態(tài)的變化。在相變過程中物質(zhì)分子重新排列和分子運(yùn)動(dòng)速度改變需要吸收或放分子重新排列和分子運(yùn)動(dòng)速度改變需要吸收或放出熱量，這種熱量稱為相變潛熱。物質(zhì)積聚態(tài)變出熱量，這種熱量稱為相變潛熱。物質(zhì)積聚態(tài)變化過程的特征是與物質(zhì)的原來狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件有化過程的特征是與物質(zhì)的原來狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件有關(guān)，因此相變過程有不同的形態(tài)。相變制冷就是關(guān)，因此相變過程有不同的形態(tài)。相變制冷就是利用某些物質(zhì)相

27、變的時(shí)的吸熱效應(yīng)利用某些物質(zhì)相變的時(shí)的吸熱效應(yīng) 1 1汽化汽化 液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝Q為汽化，包括蒸發(fā)和沸騰兩液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝Q為汽化，包括蒸發(fā)和沸騰兩種情況。氣體的蒸發(fā)是在液體的外漏界面上蒸汽種情況。氣體的蒸發(fā)是在液體的外漏界面上蒸汽壓力低于飽和蒸汽壓力下進(jìn)行的；沸騰時(shí)蒸汽不壓力低于飽和蒸汽壓力下進(jìn)行的；沸騰時(shí)蒸汽不僅由液體外表產(chǎn)生，而大局部來自液體內(nèi)部，沸僅由液體外表產(chǎn)生，而大局部來自液體內(nèi)部，沸騰是在蒸汽壓力等于飽和蒸汽壓力下進(jìn)行的。騰是在蒸汽壓力等于飽和蒸汽壓力下進(jìn)行的。1kg1kg液氨在大氣壓下汽化時(shí)可產(chǎn)生液氨在大氣壓下汽化時(shí)可產(chǎn)生1370kj1370kj冷量，冷量，壓力降低時(shí)沸點(diǎn)降低，汽化

28、潛熱增大，每壓力降低時(shí)沸點(diǎn)降低，汽化潛熱增大，每kgkg液體液體汽化時(shí)的吸熱量，在制冷過程中稱為單位制冷量，汽化時(shí)的吸熱量，在制冷過程中稱為單位制冷量，它不僅與液體的汽化潛熱它不僅與液體的汽化潛熱L L有關(guān)，還與開始汽化有關(guān)，還與開始汽化前的含氣量，即干變前的含氣量，即干變x x有關(guān)，有關(guān)，, ,干變增大，制冷量干變增大，制冷量減小。減小。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2溶解 固體物質(zhì)在一定的溫度下轉(zhuǎn)變成液體稱為溶解也稱溶化。1kg物質(zhì)在定溫下溶解所需熱量稱為溶解熱

29、。冰溶化時(shí)每kg吸收334.9kj的熱量，可制取零度以上的低溫。鹽類在水中溶解時(shí)吸收熔解熱，引起水溫降低。用冰或雪代替水時(shí)，除鹽類的熔解熱外，冰或雪還要吸收溶化熱。因此，可以得到更低的溫度低于0。且含鹽量越多，制取的溫度越低。 3升華 物質(zhì)由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為升華。 干冰即是固態(tài)二氧化碳，它是一種良好的制冷劑，即利用固態(tài)二氧化碳升華而制冷。除了干冰以外，目前使用最多的固體升華制冷劑有氫，氖，氬，氮及一氧化碳。 采用固體制冷劑向高真空空間升華為原理的制冷系統(tǒng)，他的工作溫度與所選擇的制冷劑，高真空空間所保持的壓力及熱負(fù)荷等有關(guān)，運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)要求和條件而調(diào)整。Vacuum and Flui

30、d Engineering Research Center of Northeastern University, China氣體絕熱膨脹制冷氣體絕熱膨脹制冷 在一定的壓力及溫度條件下，氣體通過節(jié)流閥在一定的壓力及溫度條件下，氣體通過節(jié)流閥或膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹時(shí)，它的溫度降低，甚至或膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹時(shí)，它的溫度降低，甚至還會(huì)液化。這種制冷方法常用于氣體別離和氣體還會(huì)液化。這種制冷方法常用于氣體別離和氣體液化及氣體制冷機(jī)中。液化及氣體制冷機(jī)中。 1 1實(shí)際氣體的節(jié)實(shí)際氣體的節(jié)流流 1 1節(jié)流過程的熱力學(xué)特征節(jié)流過程的熱力學(xué)特征 2 2微分節(jié)流效應(yīng)與積分節(jié)流效應(yīng)微分節(jié)流效應(yīng)與積分節(jié)流效應(yīng) 3 3

31、節(jié)流過程的物理性質(zhì)節(jié)流過程的物理性質(zhì) 4 4轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線 5 5積分節(jié)流環(huán)節(jié)效應(yīng)的計(jì)算積分節(jié)流環(huán)節(jié)效應(yīng)的計(jì)算 6 6等溫節(jié)流效應(yīng)等溫節(jié)流效應(yīng) 2 2氣體的等熵膨脹氣體的等熵膨脹 1 1等熵膨脹制冷概念等熵膨脹制冷概念 2 2微分等熵效應(yīng)微分等熵效應(yīng) 3 3實(shí)際氣體等熵膨脹的制冷量實(shí)際氣體等熵膨脹的制冷量 3) 3)節(jié)流和等熵膨脹比較節(jié)流和等熵膨脹比較Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China其他低溫獲得方法其他低溫獲得方法 1 1絕熱放氣絕熱放氣 容器中的高

32、壓氣體，通過控制閥向外絕熱放氣容器中的高壓氣體，通過控制閥向外絕熱放氣時(shí)，由于殘留在容器中的氣體要向放出的氣體做時(shí)，由于殘留在容器中的氣體要向放出的氣體做推動(dòng)功，消耗自身的一局部能量，因而溫度下降，推動(dòng)功，消耗自身的一局部能量，因而溫度下降，實(shí)現(xiàn)制冷。實(shí)現(xiàn)制冷。 2 2吸收式制冷吸收式制冷 利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組分的蒸利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組分的蒸汽，而在另一條件下又能吸收低沸點(diǎn)組分的蒸汽汽，而在另一條件下又能吸收低沸點(diǎn)組分的蒸汽這一特性，吸收蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽，從而制冷。這一特性，吸收蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽，從而制冷。例如利用水蒸氣可以迅速的被濃硫酸所吸收的特例如利用水蒸氣

33、可以迅速的被濃硫酸所吸收的特性，將一只裝水的容器與一只裝濃硫酸的容器共性，將一只裝水的容器與一只裝濃硫酸的容器共置于一個(gè)大容器內(nèi)，然后用真空泵將大容器內(nèi)的置于一個(gè)大容器內(nèi)，然后用真空泵將大容器內(nèi)的空氣抽走，不久在水的外表會(huì)形成一層冰，這是空氣抽走，不久在水的外表會(huì)形成一層冰，這是由于濃硫酸吸收水蒸氣，使水不斷氣化，從剩余由于濃硫酸吸收水蒸氣，使水不斷氣化，從剩余水中吸取氣化溶熱，使水降溫的結(jié)果。其中水稱水中吸取氣化溶熱，使水降溫的結(jié)果。其中水稱為制冷劑，濃硫酸稱為吸收劑，類似的制冷系統(tǒng)為制冷劑，濃硫酸稱為吸收劑，類似的制冷系統(tǒng)有利用氨作為制冷劑，水為吸收劑的氨水吸收式有利用氨作為制冷劑，水為吸

34、收劑的氨水吸收式制冷系統(tǒng)。水為制冷劑，溴化鋰水溶液為吸收劑制冷系統(tǒng)。水為制冷劑，溴化鋰水溶液為吸收劑的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)。的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3渦流制冷 高壓氣體進(jìn)入人工制造的渦流管時(shí)，在噴嘴處以高速沿切線方向流入渦流室，沿半徑方向形成了不同角速度的氣流層，由于氣流層之間的摩擦，內(nèi)層的角速度要降低而外層的角速度要提高，因而內(nèi)層氣流便將局部動(dòng)能傳給外層氣流而降溫，當(dāng)內(nèi)層氣流經(jīng)中心孔板流出時(shí)便具有一定的制冷量。其主要缺點(diǎn)是效率太低。

35、4溫差電制冷 溫差電制冷又稱半導(dǎo)體制冷的原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體電子型和一塊P型半導(dǎo)體空穴型聯(lián)結(jié)成電偶并通過直流電流時(shí)，接頭處就會(huì)發(fā)生吸收或放熱現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做珀?duì)柼?yīng)。當(dāng)外電場使N型半導(dǎo)體中的電子和P型半導(dǎo)體中的空穴都向接頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于他們復(fù)合而放熱。如果電流方向相反，電子和空穴都離開接頭那么接頭處產(chǎn)生的電子空穴對的能量得自晶格的熱量，故發(fā)生吸熱效應(yīng)而制冷。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 5絕熱退磁制冷 磁性物質(zhì)在磁場中被等溫磁化即磁離子按一定順序與磁場平行地規(guī)

36、那么排列后，接著在絕熱條件下退磁即取掉磁場，那么為了保持系統(tǒng)磁離子規(guī)那么排列，必須消耗內(nèi)能，因此系統(tǒng)溫度下降。據(jù)此法，順磁鹽可以獲得1mK以下的低溫，核絕熱退磁可以到達(dá)的超低溫。 其他低溫獲得方法的詳細(xì)內(nèi)容，可參閱有關(guān)制冷文獻(xiàn)，在此不贅述。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.3 3.3單級壓縮制冷系統(tǒng)單級壓縮制冷系統(tǒng) 單級壓縮制冷系統(tǒng)的工作原理單級壓縮制冷系統(tǒng)的工作原理 單級壓縮制冷系統(tǒng)的組成單級壓縮制冷系統(tǒng)的組成 制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算 3.3.雙級壓縮

37、制冷系統(tǒng)雙級壓縮制冷系統(tǒng) 雙級壓縮氟制冷系統(tǒng)雙級壓縮氟制冷系統(tǒng) 雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)雙級壓縮氨制冷系統(tǒng) 3.53.5復(fù)疊式和吸收式制冷系統(tǒng)復(fù)疊式和吸收式制冷系統(tǒng) 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)復(fù)疊式制冷系統(tǒng) 吸收式制冷系統(tǒng)吸收式制冷系統(tǒng)Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.6 3.6活塞式制冷壓縮機(jī)活塞式制冷壓縮機(jī) 1 1壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程 2 2影響實(shí)際工作過程變化的因素影響實(shí)際工作過程變化的因素 3 3實(shí)際過程對輸汽量的影響實(shí)際過程對輸汽量的影響 單級活塞式壓縮機(jī)

38、的結(jié)構(gòu)及工作原理單級活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1 1制冷工況確實(shí)定制冷工況確實(shí)定 2 2計(jì)算冷負(fù)荷確實(shí)定計(jì)算冷負(fù)荷確實(shí)定 3 3壓縮機(jī)制冷量的計(jì)算壓縮機(jī)制冷量的計(jì)算 壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程 壓縮機(jī)的選擇計(jì)算壓縮機(jī)的選擇計(jì)算 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.7 3.7制冷設(shè)備制冷設(shè)備 3.7.1 3.7.1 冷凝器與蒸發(fā)器冷凝器與蒸發(fā)器 冷凝器是將制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑冷凝器是將制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷

39、劑蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，并使制冷劑蒸汽冷蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，并使制冷劑蒸汽冷凝成液體的熱交換設(shè)備。凝成液體的熱交換設(shè)備。 蒸發(fā)器是讓制冷劑液體在低溫低壓下沸騰以吸蒸發(fā)器是讓制冷劑液體在低溫低壓下沸騰以吸收被冷卻介質(zhì)的熱量，借以到達(dá)制冷的目的，在收被冷卻介質(zhì)的熱量，借以到達(dá)制冷的目的，在蒸發(fā)器中制冷劑吸熱汽化。蒸發(fā)器中制冷劑吸熱汽化。 冷凝器和蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上都是換熱器，在制冷系冷凝器和蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上都是換熱器，在制冷系統(tǒng)上使用較多的是管式換熱器。統(tǒng)上使用較多的是管式換熱器。 制冷系統(tǒng)的輔助設(shè)備制冷系統(tǒng)的輔助設(shè)備 1 1油別離器油別離器 2 2集油器集油器 3 3貯液器貯液器 4 4過濾器和

40、枯燥器過濾器和枯燥器 5 5汽液熱交換器汽液熱交換器 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.8 3.8制冷系統(tǒng)的控元件制冷系統(tǒng)的控元件 電磁閥電磁閥 熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥 1 1內(nèi)部平衡熱力膨脹閥的工作原理內(nèi)部平衡熱力膨脹閥的工作原理 2 2外部平衡熱力膨脹閥的工作原理外部平衡熱力膨脹閥的工作原理 3 3手動(dòng)調(diào)節(jié)閥手動(dòng)調(diào)節(jié)閥 4 4毛細(xì)管毛細(xì)管 壓力控制器壓力控制器 1 1上下壓力控制器上下壓力控制器 2 2壓差控制器壓差控制器 溫度控制元件溫度控制元件 1

41、1溫度繼電器溫度繼電器 2 2溫度控制儀溫度控制儀 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.9 3.9 制冷劑和載冷劑制冷劑和載冷劑 3.9.1 3.9.1 制冷劑的一般分類制冷劑的一般分類 3.9.2 3.9.2 對制冷劑的要求對制冷劑的要求 1 1熱力學(xué)的要求熱力學(xué)的要求 2 2物理化學(xué)的要求物理化學(xué)的要求 3 3生理學(xué)的要求生理學(xué)的要求 4 4經(jīng)濟(jì)上的要求經(jīng)濟(jì)上的要求 5 5保護(hù)臭氧層的要求保護(hù)臭氧層的要求 3.9.3 3.9.3 常用制冷劑及其性質(zhì)常用制冷劑及其性質(zhì)

42、 1 1氟里昂氟里昂 2 2烷烴和鏈烯烴類碳?xì)浠衔锿闊N和鏈烯烴類碳?xì)浠衔?3 3常用制冷劑的有關(guān)性質(zhì)常用制冷劑的有關(guān)性質(zhì) Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.9.4 3.9.4 對載冷劑的要求對載冷劑的要求 1 1在循環(huán)系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)載冷劑必須保在循環(huán)系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)載冷劑必須保持液體狀態(tài)。其凝固點(diǎn)應(yīng)比制冷劑的蒸發(fā)溫度低。持液體狀態(tài)。其凝固點(diǎn)應(yīng)比制冷劑的蒸發(fā)溫度低。其沸點(diǎn)應(yīng)高于可能到達(dá)的最高溫度，沸點(diǎn)越高越其沸點(diǎn)應(yīng)高于可能到達(dá)的最高溫度，沸點(diǎn)越高越好。好。

43、 2 2比熱大。比熱大載冷量就大。在傳遞一定冷比熱大。比熱大載冷量就大。在傳遞一定冷量時(shí)，比熱大的載冷劑的流量小，可以減少輸送量時(shí)，比熱大的載冷劑的流量小，可以減少輸送載冷劑的循環(huán)泵的功率消耗。另一方面，當(dāng)一定載冷劑的循環(huán)泵的功率消耗。另一方面，當(dāng)一定的流量運(yùn)載一定的冷量時(shí)，比熱大那么溫差小。的流量運(yùn)載一定的冷量時(shí)，比熱大那么溫差小。一般情況下，在鹽水溶液中鹽濃度越大那么比熱一般情況下，在鹽水溶液中鹽濃度越大那么比熱減小，或在一定濃度下，溫度下降那么比熱變小。減小，或在一定濃度下，溫度下降那么比熱變小。在有機(jī)物液體中，比熱隨溫度降低而減小。在有機(jī)物液體中，比熱隨溫度降低而減小。 3 3比重小。

44、比重小那么循環(huán)泵的功耗小。一般比重小。比重小那么循環(huán)泵的功耗小。一般情況下，比重隨溫度降低而增大。情況下，比重隨溫度降低而增大。 4 4粘度小。粘度小那么循環(huán)泵的功耗小。一般粘度小。粘度小那么循環(huán)泵的功耗小。一般粘度隨溫度下降而升高，隨濃度增高而增大。粘度隨溫度下降而升高，隨濃度增高而增大。 5 5化學(xué)穩(wěn)定性好，在大氣條件下不分解，不與化學(xué)穩(wěn)定性好，在大氣條件下不分解，不與空氣中的氧化合，不改變其物理化學(xué)性質(zhì)?？諝庵械难趸希桓淖兤湮锢砘瘜W(xué)性質(zhì)。 6 6不腐蝕設(shè)備、管道及其它附件。不腐蝕設(shè)備、管道及其它附件。 7 7不燃燒，無爆炸危險(xiǎn)，無毒，無刺激氣味。不燃燒，無爆炸危險(xiǎn)，無毒，無刺激氣味。

45、 8 8來源充分，價(jià)格低。來源充分，價(jià)格低。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China常用載冷劑的性質(zhì)常用載冷劑的性質(zhì) 1 1水和空氣水和空氣 2 2鹽水溶液鹽水溶液 3 3有機(jī)物水溶液有機(jī)物水溶液 潤滑油潤滑油 制冷裝置中潤滑油對壓縮機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件起潤滑制冷裝置中潤滑油對壓縮機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件起潤滑和冷卻作用，從而保證制冷裝置的平安可靠運(yùn)行。和冷卻作用，從而保證制冷裝置的平安可靠運(yùn)行。 對潤滑油的要求主要有：油與制冷劑應(yīng)保持互對潤滑油的要求主要有：油與制冷劑應(yīng)保持互溶和原有的粘度；有較低

46、的凝固點(diǎn)，應(yīng)比制冷劑溶和原有的粘度；有較低的凝固點(diǎn)，應(yīng)比制冷劑的蒸發(fā)溫度低假設(shè)干度；不應(yīng)含有水或蠟質(zhì)，閃的蒸發(fā)溫度低假設(shè)干度；不應(yīng)含有水或蠟質(zhì)，閃點(diǎn)要高，在較高的制冷溫度下仍具有潤滑壓縮機(jī)點(diǎn)要高，在較高的制冷溫度下仍具有潤滑壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的粘度，且揮發(fā)性小；化學(xué)運(yùn)動(dòng)部件的粘度，且揮發(fā)性小；化學(xué) 穩(wěn)定性好，對金屬及其填料無腐蝕作用；絕緣穩(wěn)定性好，對金屬及其填料無腐蝕作用；絕緣電阻要大。電阻要大。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 4真空冷凍枯燥技術(shù)與設(shè)備真空冷凍枯燥技術(shù)與設(shè)備

47、 4.1真空冷凍枯燥的根本原理真空冷凍枯燥的根本原理 真空冷凍枯燥是先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)真空冷凍枯燥是先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸汽，再用真空系統(tǒng)的捕水器水汽凝結(jié)器汽，再用真空系統(tǒng)的捕水器水汽凝結(jié)器將水蒸汽冷凝，從而獲得枯燥制品的技術(shù)。將水蒸汽冷凝，從而獲得枯燥制品的技術(shù)?？菰镞^程是水的物態(tài)變化和移動(dòng)的過程?？菰镞^程是水的物態(tài)變化和移動(dòng)的過程。由于這種變化和移動(dòng)是發(fā)生在低溫低壓下。由于這種變化和移動(dòng)是發(fā)生在低溫低壓下。因此，真空冷凍枯燥的根本原理就是低溫因

48、此，真空冷凍枯燥的根本原理就是低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機(jī)理。低壓下傳熱傳質(zhì)的機(jī)理。 為研究問題方便，可將真空冷凍枯燥過程為研究問題方便，可將真空冷凍枯燥過程分為預(yù)凍、升華枯燥和解析枯燥三個(gè)階段。分為預(yù)凍、升華枯燥和解析枯燥三個(gè)階段。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China預(yù)凍階段預(yù)凍階段 預(yù)凍是將溶液中的自由水固化，使枯燥后產(chǎn)品預(yù)凍是將溶液中的自由水固化，使枯燥后產(chǎn)品與枯燥前有相同的形態(tài)，防止抽真空枯燥時(shí)起泡、與枯燥前有相同的形態(tài)，防止抽真空枯燥時(shí)起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動(dòng)等不可逆

49、變化產(chǎn)生，減少濃縮、收縮和溶質(zhì)移動(dòng)等不可逆變化產(chǎn)生，減少因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。變化。 1 1預(yù)凍溫度預(yù)凍溫度 預(yù)凍溫度必須低于產(chǎn)品的共晶點(diǎn)溫度，各種產(chǎn)預(yù)凍溫度必須低于產(chǎn)品的共晶點(diǎn)溫度，各種產(chǎn)品的共晶點(diǎn)溫度是不一樣的，必須認(rèn)真測得。實(shí)品的共晶點(diǎn)溫度是不一樣的，必須認(rèn)真測得。實(shí)際制定工藝曲線時(shí)，一般預(yù)凍溫度要比共晶點(diǎn)溫際制定工藝曲線時(shí)，一般預(yù)凍溫度要比共晶點(diǎn)溫度低度低5 51010。但也有些物質(zhì)不存在共晶點(diǎn)，而。但也有些物質(zhì)不存在共晶點(diǎn)，而是以非晶態(tài)、玻璃態(tài)或兩種狀態(tài)共存，這是需要是以非晶態(tài)、玻璃態(tài)或兩種狀態(tài)共存，這是需要的預(yù)凍溫

50、度比較低，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定預(yù)凍溫度。的預(yù)凍溫度比較低，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定預(yù)凍溫度。 2 2預(yù)凍時(shí)間預(yù)凍時(shí)間 物料的凍結(jié)過程是放熱過程，需要一定時(shí)間。物料的凍結(jié)過程是放熱過程，需要一定時(shí)間。到達(dá)規(guī)定的預(yù)凍溫度以后，還需要保持一定時(shí)間。到達(dá)規(guī)定的預(yù)凍溫度以后，還需要保持一定時(shí)間。為使整箱全部產(chǎn)品凍結(jié)，一般在產(chǎn)品到達(dá)規(guī)定的為使整箱全部產(chǎn)品凍結(jié)，一般在產(chǎn)品到達(dá)規(guī)定的預(yù)凍溫度后，需要保持預(yù)凍溫度后，需要保持2h2h左右的時(shí)間。這是個(gè)經(jīng)左右的時(shí)間。這是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)凍干機(jī)不同，總裝量不同，物品與擱驗(yàn)值。根據(jù)凍干機(jī)不同，總裝量不同，物品與擱板之間接觸不同，具體時(shí)間由實(shí)驗(yàn)確定。板之間接觸不同，具體時(shí)間由實(shí)驗(yàn)確定

51、。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3預(yù)凍速率 產(chǎn)品的預(yù)凍速率應(yīng)該根據(jù)凍干的目的和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)而定。通常是緩慢冷凍產(chǎn)生的冰晶較大緩慢冷凍產(chǎn)生的凍晶較大，枯燥速率較快，適合于普通藥品和事物的凍干；快速冷凍產(chǎn)生的冰晶較小，枯燥速率較慢，適合于生物制品的枯燥。對于生物細(xì)胞的冷凍需要快速，從冰點(diǎn)到物質(zhì)的融點(diǎn)溫度之間需要快冷，否那么容易使蛋白質(zhì)變性，生命體死亡，這一現(xiàn)象稱溶質(zhì)效應(yīng)。為防止溶質(zhì)效應(yīng)發(fā)生，在這一溫度范圍內(nèi)，應(yīng)快速冷卻。對于具體物質(zhì)的冷卻速率，應(yīng)該有分析試驗(yàn)確定。 4

52、預(yù)凍過程的傳熱模型 被凍干物料有固態(tài)、液態(tài)之分；固態(tài)物料的形狀和盛裝液態(tài)物料的容器有各種各樣；不同性質(zhì)物料要求的預(yù)凍溫度、預(yù)凍速率也各不相同；不同類型物料的預(yù)凍地點(diǎn)不同，有的需要在凍干箱內(nèi)預(yù)凍，有的在速凍機(jī)內(nèi)預(yù)凍，有的在冷庫中預(yù)凍。因此，很難用統(tǒng)一的預(yù)凍模型來描述預(yù)凍過程。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1凍干箱內(nèi)擱板上物料預(yù)凍過程的傳熱模型一般生物制品和藥品都是放置在凍干箱內(nèi)擱板上進(jìn)行預(yù)凍的，預(yù)凍過程以熱傳導(dǎo)為主。傳熱模型如圖4-1所示。 圖4-1凍干箱內(nèi)擱板上預(yù)凍的傳

53、熱模型熱量Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 式中無量綱溫度 X無量綱坐標(biāo) stefan常數(shù) S無量綱相變界面坐標(biāo) ( )0(0)(4 5)0( )(4 6)sSXSffTTTTxXL2tLsSLVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Un

54、iversity, China L平板物料厚度； 共晶點(diǎn)溫度； 參考溫度； 潛熱； x坐標(biāo)； 導(dǎo)溫系數(shù)； 物料密度； c物料比熱； 物料導(dǎo)熱系數(shù)； s相界面坐標(biāo)； f()無量綱邊界溫度； q()無量綱邊界熱流。fTrTcVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2角膜在降溫儀內(nèi)預(yù)凍過程傳熱模型 角膜在降溫儀內(nèi)的預(yù)凍過程角膜的預(yù)冷凍過程如圖4-2所示。降溫儀內(nèi)的溫度場是由底部的液氮形成的。角膜放在玻璃皿中，與液態(tài)氨外表與玻璃皿平地之間的輻射換熱可以看成是在兩平行平板之間進(jìn)行。液氨在

55、蒸發(fā)過程中形成氣流，與盛裝角膜的玻璃皿之間有自然對流換熱。導(dǎo)熱給角膜要通過玻璃皿。圖4-2 角膜速率降溫示意圖Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 假設(shè)其傳熱量為 那么其數(shù)學(xué)模型可用下式表示： (4-7) 式中 為對流傳熱量，可按牛頓冷卻公式計(jì)算 (4-8) 式中 玻璃瓶外表溫度 液氮面溫度 A玻璃瓶外表積 對流傳熱系數(shù) 在粗算時(shí)可借用水平板(玻璃皿側(cè)面圓柱傳熱忽略不計(jì))熱面朝下，冷面朝上的公式計(jì)算 (4-9) 式中 L定形尺寸 L=A/s A磨口瓶底面積 s周長 傳熱溫差

56、1crQQQ1QcQ12()ccQttA1t2tc150 . 5 9 ()ctLtVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China (4-10) 式中 為輻射傳熱量， 為輻射傳熱系數(shù)，其余符號同前?；蚩捎上率角蟮?(4-11) 式中 反映輻射面和吸收面幾何形狀和外表狀態(tài)的影響； 斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù) 相應(yīng)外表溫度 t平均溫度 參考溫度 通常取 12()rrQttA441212()rrttkttrQr12k12,t trt44122314rtttttVacuum and Fluid Eng

57、ineering Research Center of Northeastern University, China熱量通過磨口瓶傳導(dǎo)角膜的過程為: (4-12)式中導(dǎo)熱系數(shù) s厚度 A導(dǎo)熱面積 i從磨口瓶至角膜之間熱傳導(dǎo)經(jīng)過的物質(zhì)層數(shù)以角膜為研究對象，建立伴隨著相變過程的能力方程： (4-13)式中 固相率, L相變潛熱初始條件： 00,4tC角膜111nsniiiittQsA221()sfckLtrrrztsf()/()slffVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 邊界條

58、件： (1)角膜的側(cè)面及垂直于上皮和內(nèi)皮的面，均認(rèn)為是絕熱的，即 (2)角膜的上皮和上皮外表屬第三類邊界條件： 和分別是與角膜相接處的氣體溫度和換熱系數(shù)?？煽醋魇浅?shù)， 是隨位置而變化的函數(shù)。 /0n |()|TfTkn fTfTVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China升華枯燥階段升華枯燥階段 升華枯燥也稱第一階段枯燥或主枯燥。將升華枯燥也稱第一階段枯燥或主枯燥。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中抽真空，再凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中抽真空，再加熱，物料中的冰晶就會(huì)升華成水蒸

59、汽逸出而使加熱，物料中的冰晶就會(huì)升華成水蒸汽逸出而使產(chǎn)品脫水枯燥?？菰锸菑奈锪贤馔獗黹_始逐步向產(chǎn)品脫水枯燥。枯燥是從物料外外表開始逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙便成為升華內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙便成為升華水蒸汽的逸出通道。已干層和凍結(jié)局部的分界面水蒸汽的逸出通道。已干層和凍結(jié)局部的分界面稱為升華界面。當(dāng)全部冰晶升華結(jié)束時(shí)，第一階稱為升華界面。當(dāng)全部冰晶升華結(jié)束時(shí)，第一階段枯燥就完成了，此時(shí)約除去全部水分的段枯燥就完成了，此時(shí)約除去全部水分的9090左左右。右。 1 1物料中的溫度分布物料中的溫度分布 物料中冰的升華是在升華界面處進(jìn)行的，以瓶物料中冰的升華是在升華界面處進(jìn)行的，以

60、瓶裝物料為例，如圖裝物料為例，如圖4-44-4所示，升華時(shí)所需的熱量所示，升華時(shí)所需的熱量由加熱設(shè)備通過擱板提供。圖中由加熱設(shè)備通過擱板提供。圖中T T為擱板溫為擱板溫度；度；TETE為冰核溫度；為冰核溫度；TPTP為已干制品溫度；為已干制品溫度；TSTS為升為升華界面溫度；華界面溫度；P P為壓力；為壓力；PSPS為升華界面壓力。從為升華界面壓力。從擱板傳來的熱量由以下途徑傳至產(chǎn)品的升華界面：擱板傳來的熱量由以下途徑傳至產(chǎn)品的升華界面： a a固體的傳導(dǎo)。由玻璃瓶底與擱板接觸部位固體的傳導(dǎo)。由玻璃瓶底與擱板接觸部位傳到玻璃瓶底，穿過瓶底和產(chǎn)品的凍結(jié)局部到達(dá)傳到玻璃瓶底，穿過瓶底和產(chǎn)品的凍結(jié)局