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冻干机真空泵进水问题的机理分析和应对

上海东富龙科技股份有限公司   张鹏宇

摘要：冻干机在实际使用过程中，有时会发生真空泵进水现象，导致客户频繁更换真空泵油，费用支出颇大，同时真空泵性能和寿命受到影响，进而影响到客户的正常生产。本文从制冷问题、气流问题2个方面分析真空泵进水的若干原因，从机理上进行了探讨，继而从温度、压力、真空泵选型，真空管路，气流通道的布置等方面探讨了各针对性措施。

关键词：真空泵进水，制冷、气流通道

正文：

影响真空泵进水的原因涉及到2个大的方面：气流问题、制冷及真空问题，主要涉及气流走向，气流通道，系统制冷，相关的温度、压力、真空配置和控制工艺等，这几个方面并不独立影响真空泵进水，实际应是互为影响，解决真空泵进水，需要综合考虑这些因素，下面进行具体的阐述。

气流问题

气流问题影响真空泵进水的现象主要表现为：冷凝器（捕水器）内盘管表面结霜不均匀，各组盘管之间，单组盘管的不同位置出现结霜厚度不同的情况，甚至盘管部分位置出现不结霜的情况，在制冷能力满足满载使用要求，盘管的温度可以到达，也就是盘管温度及真空情况足以满足捕捉满载水汽的前提下，气流的组织分布，气流走向没有经过部分盘管，造成无法捕捉水汽，继而进入真空泵。结霜不均匀的具体现象见图一，结霜均匀的示例见图二：

造成气流未充分流经盘管的原因主要有：
 1、气流组织的影响
 1.1水汽从冻干箱升华至冷凝器时，首先经过中隔阀和中间通道的间隙，（见下图三示意，本文仅以中隔阀为蘑菇阀时的情况作为示例加以说明），所以中隔阀和盘管之间的距离设置，冷凝器内气流挡板和盘管及中隔阀的距离设置会直接影响到气流进入冷凝器时的组织分布，气流走向。同时，液压驱动的中隔阀的行程也是考虑因素之一。

1.2、盘管的布置，盘管多组分布的情况要根据气流经过中隔阀及气流挡板后的走向，结合真空管的位置来确定，换言之，冻干箱内作为水汽的产生源头，冷凝器内真空管位置作为真空压力推动的源头，根据这2个起止点来进行模拟分析，仿真分析出气流从头至尾的组织分布，在满足蒸发面积及制冷剂均匀分配，也就是匹配系统制冷量，匹配制冷分配，包括最大的捕冰量，不同制品的最大升华速度的前提下，进行合理的盘管计算和布置。其中盘管的空间布局，盘管的组数，单组、单根的长度（考虑氟利昂的蒸发路径），盘管的表面积等都要综合计算考虑，另外，可以通过增加额外的气流挡板来有效实现气流组织的均匀分布。图五为几种典型的盘管布局，不同的盘管布置，还决定了冷凝器的形状大小，同时也决定了整个冻干机的布局及尺寸，盘管的布置在考虑真空泵进水时时比较关键，同时也是牵涉面比较广的一点，所以在方案阶段设计阶段务必需要进行综合的考虑。

注意：在考虑上述静态内容的同时，要考虑在水汽捕捉的过程中，盘管表面冰层的形成必然是有先后顺序的，随着冰层的加厚，各位置气流通道也会产生动态的变化，所以各位置的间隙要进行更加细致的考虑，尤其是盘管在靠近气流通道的前端部分，多组盘管之间的间隙，盘管和中隔阀板的间隙，盘管和气流挡板之间的间隙应放大或者和盘管末端有所不同。避免发生前端结霜过快过厚，导致堵塞部分气流通道的现象发生。

1.3、真空管的结构及位置

真空管直接连接至真空系统，作为整个冻干箱及冷凝器的真空来源，也就是压力推动来源。其口径的大小，真空吸入口在冷凝器内部的具体位置（和盘管的相对位置），甚至真空吸入口的数目都是显而易见的重要因素之一，会直接影响到气流组织的均匀分布和走向，造成气流捕捉的不均匀，继而造成气流直接未被盘管捕集而直接进入真空泵，以致真空泵油进水。

真空管的结构和布置同时会取决于冷凝器的形状，盘管的布局以及中隔阀的位置及布置。所以要根据不同的情况进行具体的分析，便于决定合理的结构设计和布局，通用的原则为：真空管的吸入口要尽量布置到气流的末端，或者说，气流走向的末端上（以卧式圆筒体或方形冷凝器为例，可简单理解为在盘管最后端），必须设置真空吸入口。

下图六是几种典型的真空管结构

图六（几种真空管的结构或布局示意）

    在实际的应用过程中，真空的结构和布局其实可以灵活设计，比如，冷凝器上开多个真空管的管口，或者结合真空管的内伸尺寸，单根真空管的管壁上可以开多个圆孔或方槽（尺寸要根据气流的组织方向递减）等等方案来改善真空吸入口设置的合理性。

二、制冷及真空配置问题

制冷及真空问题的原因主要是制冷系统的配置合理性，压缩机制冷量及配套膨胀阀等部件配置的有效性来决定的，当发生真空泵进水的现象时，排除制冷工况调整问题以外，比如膨胀阀的调节、制冷系统泄漏、制冷系统各压力温度指标异常的情况。制冷的问题可从以下角度考虑分析。

     注意：一切分析的前提要确定温度、真空的有效性，判定真空测量仪器，温度探头的有效性，同时观测温度探头测量点的合理性，包括探头的位置及探头和测量点的有效接触情况。

1、冷凝器盘管温度无法达到，或者无法保持，甚至反弹，说明制冷能力不足。这要从提升制冷能力入手，部分情况下，冻干箱前箱的掺冷也会影响到盘管的温度。

2、极个别的时候，可能会发生盘管堵的问题，可通过观测盘管间的温差，通常情况下，盘管间的温差小于10℃是正常的，在达到稳态时，温度小于5℃是比较合理的情况。另外，可结合盘管的结霜情况来判断，如果在制冷剂蒸发的部位都不结霜，可能是有堵塞的情况。

3、真空泵进水，其实最直接的现象是：泵头真空值低于于盘管温度对应的饱和蒸汽压，水汽根据压差直接流向真空泵。所以可根据盘管表面温度查得对应的饱和蒸汽压力，与泵头真空压力对比来判断。这1条的解决，主要是真空泵组的配置问题，在满足冻干机的真空极限，抽空速率的要求下，可进行真空控制优化，在系统真空抽下来之后，在大量升华阶段，关闭1套真空泵组（根据具体的真空配置，对应选择关闭相应的真空泵或罗茨泵）来进行有效改善。

4、药品冻干工艺问题

部分药品的冻干周期短，升华速率快，单位时间内需要冷凝器捕集的水汽过多，导致水汽进入真空泵。所以冻干机供应商在方案阶段，有必要和药厂对升华速率进行澄清，便于系统的合理结构设计或部件选型。

5、在后箱有积水的情况下，在抽真空的时候，产生低沸，水汽进入真空泵，这要在清洗，化霜等阶段进行具体的判断。

6、如果制品中有不凝性气体，那在升华过程中，水分迁移的过程中，不凝性气体会影响盘管表面对水蒸汽的捕集。

总结：除却制冷能力及个别情况外，气流组织，气流通道、气流走向、真空配置和控制工艺是影响真空泵进水的关键因素，对解决和改善真空泵进水是重要的关注点，除此以外，对冻干机，对整个系统的更大帮助在于：可以最优化制冷系统，真空系统乃至循环系统的工作效能，提升整机配置的合理性，甚至对制品的冻干工艺，包括冻干周期都有有效的提升。