冷凍干燥技術

1、 緒論冷凍干燥是將含水物質，先凍結成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質的方法。這種干燥方法與通常的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比有許多突出的優(yōu)點，如：（1）它是在低溫下干燥，不使蛋白質、微生物之類產生變性或失去生物活力。這對于那些熱敏性物質，如疫苗、菌類、毒種、血液制品等的干燥保存特別適用。（2）由于是低溫干燥，使物質中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營養(yǎng)成分損失很小，是化學制品、藥品和食品的優(yōu)質干燥方法。（3）在低溫干燥過程中，微生物的生長和酶的作用幾乎無法進行，能最好地保持物質原來的性狀。（4）干燥后體積、形狀基本不變，物質呈海棉狀，無干縮；復水時，與水的接觸面

2、大，能迅速還原成原來的性狀。（5）因系真空下干燥，氧氣極少，使易氧化的物質得到了保護。（6）能除去物質中9599%的水分，制品的保存期長?？傊鋬龈稍锸且环N優(yōu)質的干燥方法。但是它需要比較昂貴的專用設備，干燥過程中的耗能較大，因此加工成本高，目前主要應用在以下一些方面：（1）生物制品、藥品方面：如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗等。（2）微生物和藻類方面：如酵母、酵素、原生物、微細藻類等。（3）生物標本、活組織方面：如制作各種動植物標本，干燥保存用于動物異種移植或同種移植的皮層、角膜、骨骼、主動脈、心瓣膜等邊緣組織。（4）制作用于光學顯微鏡、電子掃描和投射顯微鏡的小組織片。（5）食品的干燥：如咖

3、啡、茶葉、魚肉蛋類、海藻、水果、蔬菜、調料、豆腐、方便食品等。（6）高級營養(yǎng)品及中草藥方面：如蜂王漿、蜂蜜、花粉、中草藥制劑等。（7）其他：如化工中的催化劑，凍干后可提高催化效率5-20倍；將植物葉子、土壤凍干后保存，用以研究土壤、肥料、氣候對植物生長的影響及生長因子的作用；潮濕的木制文物、淹壞的書籍稿件等用凍干法干燥，能最大限度的保持原狀等。冷凍干燥能保存食物很早就為人們所知。古代北歐的海盜利用干寒空氣的自然條件來干燥和保存食物，就是其中一列。但是，將冷凍干燥作為科學技術還是近百年來的事。1890年啊特曼（Altmann）在制作標本時，為了防止標本中的物質在有機溶劑中溶解，造成不可逆損失，改

4、變過去用有機溶劑脫水的方法，采用冷凍干燥法凍干各種器官和組織。他的工作確立了生物標本系統(tǒng)的凍干程序，這是凍干在制作生物標本中的最早應用。1909年謝蓋爾（Shackell）將凍干引入細菌學和血清學領域。他采用了鹽水預凍，在真空狀態(tài)下，用硫酸做吸水劑，對補體、抗毒素、狂犬病毒等進行凍干，其設備雖十分簡陋，但卻是后世先進凍干機的雛形。1912年卡瑞爾（Carrel）首先提出用凍干技術為外科移植保存組織。1935年第一臺商用凍干機問世。1940年凍干人血漿開始投入市場。第二次世界大戰(zhàn)中，由于需要大量的凍干人血漿和青霉素，因而凍干在醫(yī)藥、血液制品等方面的應用得到迅速的發(fā)展。艾爾塞Elser）、沸烙斯道

5、夫（Flosdorf）、格雷夫斯（Greaves）和他們的同事們，一方面進行凍干基礎理論的研究，一方面進行裝置大型化、現(xiàn)代化的改進，使凍干技術從實驗室階段向工業(yè)生產和產品商品化發(fā)展。戰(zhàn)后，凍干法又迅速擴展到各種疫苗、藥品等領域。1930年沸烙斯道夫進行了食品凍干的試驗，1949年他在著作中展望了凍干在食品和其他疏松材料方面應用的前景。二次世界大戰(zhàn)后，英國食品部在啊伯丁（Aberdeen）的試驗工廠也進行了食品凍干的研究。他們在綜合了當時的一些研究成果的基礎上，于1961年公布了試驗成果，證明凍干法用于食品加工是一種能獲得優(yōu)質食品的方法。隨后在美、日、英、加等國相繼建立起凍干食品的工廠，到196

6、5年全球已有食品凍干工廠50多家，后來隨著越南戰(zhàn)爭的需要，美國軍需定貨增多，加之凍干工藝的改進，生產成本的降低，在日、美等國食品凍干的發(fā)展就更為迅速?，F(xiàn)在凍干食品除在宇宙航行、軍隊、登山、航海、探險等特殊場合受到歡迎外，在一般民用食品中也確立了穩(wěn)定的地位。1985年僅日本就有25家公司生產凍干食品，其總銷售額為1700億日元。隨著凍干技術的應用和發(fā)展，凍干機理和技術的研究也隨之發(fā)展起來。1949年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有關凍干技術及理論的專著。1951年和1958年先后在英國倫敦召開了第一界和第二界以凍干為主題的專題討論會。后來國際制冷學會將冷凍干燥列為C委員會的學術內容之一。經過約

7、半個世紀的發(fā)展，凍干設備和技術已趨于完善?，F(xiàn)代先進的凍干設備不僅能能滿足各種凍干工藝加工的要求，在操作控制上已成功地采用了電子計算機全自動控制；在工藝上發(fā)明了為改善加熱條件，縮短凍干周期的循環(huán)壓力法，調壓升華法和監(jiān)控干燥結束的壓力檢查法；在醫(yī)藥品凍干中，可在真空條件下對小瓶自動加塞，對安瓶的自動溶封等。此外冷凍干燥還應用于非水溶液的干燥。當然凍干技術還有許多尚待解決的問題。如妨礙凍干技術更為廣泛應用的最大障礙是生產成本高，因此如何縮短凍干周期進行能源的綜合利用、強化裝置的功能，降低裝置的功能，降低設備造價都是凍干行業(yè)特別是食品凍干行業(yè)發(fā)展學要解決的重要課題。在我國，解放前只在實驗室用簡易的凍干

8、裝置進行保存菌種的試驗。1953年衛(wèi)生部所屬北京、武漢兩生物制品研究所先后安裝了大型凍干設備，邁開了我國生物制品凍干工業(yè)化的第一步。后來在其他人用、獸用生物藥品廠、生化藥廠等制藥行業(yè)得到發(fā)展，目前全國大約有200家左右的工廠和研究單位使用凍干機進行生物制品、醫(yī)藥品的生產和研究。在食品凍干方面，60年代后期在北京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干設備，70年代中起在上海建立了年產3000噸的食品凍干車間。但是當時我國的人民生活水平低，人們有愛吃新鮮食品的習慣，凍干食品在國內市場不大；而當時的“閉關鎖國”政策，凍干食品也未能打入國際市場，致使這些工廠相繼停產?，F(xiàn)在除北京、福建、廣東、青島等地

9、還在生產俏銷的蘑菇、調料以外，食品凍干幾乎沒有發(fā)展。我國可用于凍干加工的食品資源特別是土特產十分豐富，如豆制品、蘑菇、苔菜、獼猴桃、椰汁、大蒜、茶葉、蜂蜜等產品在世界上都是有名的。隨著黨對外開放、對內搞活政策方針的貫徹和我國人民食品結構的改變，食品凍干業(yè)在我國將會得到迅速發(fā)展。第一章冷凍干燥基礎第一節(jié)水和溶液的一些性質一、水的狀態(tài)平衡圖物質有固、液、汽三態(tài)。物質的狀態(tài)與其溫度和壓力有關。圖1-1示出水（h2o）的狀態(tài)平衡圖。圖中OA、OB、OC、三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時其壓力和溫度之間的關系。分別稱為溶化線、沸騰線、和升華線。此三條線將圖面分成I、II、III三

10、個區(qū)域，分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸氣和冰升華成水蒸氣的過程。曲線0B的頂端有一點K其溫度為374C，稱為臨界點。若水蒸氣的溫度高于其臨界點溫度374C時，無論怎樣加大壓力，水蒸氣也不能變成水。三曲線的交點0,為固、液、汽三相共存的狀態(tài)，稱為三相點，其溫度為0.01C，壓力為610Pa。在三相點以下，不存在液相。若將冰面的壓力保持低于610Pa，且給冰加熱，冰就會不經液相直接變成汽相，這一過程稱為升華。二、溶液及其結晶過程1.溶液一種或幾種物質以分子或離子狀態(tài)均勻地分布于另一種物質中，所得到的均勻的、穩(wěn)定的液體叫做溶液。構成溶液的組分有溶質、溶劑之分，習慣上將占較大比例的組分成為溶劑，占較

11、少比例的組分稱為溶質，由水與其他物質組成的溶液稱為水溶液一般將水溶液中的水成為溶劑，而不論其在溶液中比例的多少。為了說明一種溶液，除了基本參數(shù)（例如壓力、溫度）外還需指出它的成分（或濃度）。表示溶液成分的方法很多，最常用的是用質量成分表示。對于二元溶液（即兩種組分組成的溶液），如用C1C2分別表示第一組分和第二組分的質量成分，用mm2分別表示相應的質量，則溶液的溶點、沸點與溶質溶劑的溶點、沸點均不相同，且隨溶液的濃度不同而異。圖1-2為氯化鈉水溶液的溫度一濃度圖。圖上的任意一點均表示溶液的某一狀態(tài)，例如點A表示溫度為3濃度為E的氯化鈉水溶液。線BE、CE為飽和溶解度線，該線上的點所表示的溶液的

12、溶解度均處于飽和狀態(tài)，該線上部區(qū)域的點所表示的溶液的溶解度為未飽和狀態(tài)，其下部的為過飽和狀態(tài)，E點稱為溶液的共晶點。2.溶液的結晶過程使狀態(tài)為A（溫度t,濃度訂）的溶液冷卻，開始時濃度-不變，溫度下降，過程沿AH進行，冷卻到H以后，如溶液中有“種冰”（或晶核），則溶液中的一部分水會結晶析出，剩下的溶液的濃度則上升、過程將沿析冰線BE進行，直到點E，溶液濃度達到其共晶濃度，溫度降到共晶溫度以下，溶液才全部凍結。E點成為溶液的共晶點。同理，若使狀態(tài)為A的溶液冷卻，達到H后先析出鹽，然后沿析鹽線CE,邊析出鹽一邊溫度下降，直到共晶點E才全部凍結。其過程線為A-H-E.若溶液冷卻到平衡狀態(tài)時，溶液中無

13、“晶核”存在，則溶液并不會結晶，溫度將繼續(xù)下降，直到溶液由于外界干擾（如植入“種晶”、振動等）或冷卻到某一所謂核化溫度Thet，在溶液中產生晶核，這時其超溶組分才會結晶，并迅速生長，同時放出結晶熱，使溶液溫度升到平衡狀態(tài)。其濃度也隨超溶組分的析出而變化。其過程線為AHGDE或AHGDEo三、凍干產品的溶液一般來說，凍干產品的溶液是由主要功能組分（如藥用成分）、多種添加組分（如抗氧化劑、填充劑等等）和蒸餾水混合而成的膠體懸浮液。它與一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共溶點溫度。對于凍干加工來說，需要確定一個較高的安全操作溫度，使得在該溫度以上時，產品中存在未凍結的液體，而在該溫度以上時，

14、產品將全部凍結，這個溫度就是凍干產品的共溶點溫度。一些產品的共溶點溫度列于表1-1o表1-1一些飽和溶液的共溶溫度溶液名稱摩爾溶解度（30C時）觀察共溶溫度（C）計算溫度（C）甲基芬尼定磷酸鹽1.9534.293.97吩妥胺磷酸鹽0.1200.750.88甘露醇1.02.24乳糖0.65.40氯化鈉6.1221.624.0氯化鉀4.9711.112.66溴化鉀5.9312.913.26甘油水一46.5二甲亞砜水一73第二節(jié)溶液的冷凍干燥過程為了有利于干燥，一般凍干產品溶液配制成含固體物質4%-15%的稀有溶液。這種溶液中的水，大部分是以分子形式存在于溶液中的自由水；少部分是吸收于固體物質晶格間

15、隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基團上的結合水；至于固定于生物和細胞中能凍結、很難除去的結合水。凍干的目的就是在低溫、真空環(huán)境中除去物質中的自由水和一部分吸附于固體晶格間隙中的吸附水。因此冷凍干燥過程一般分三步進行，即預凍結、升華干燥（或稱第一階段干燥）、解析干燥（或稱第二階段干燥）。一、預凍結（預凍）預凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產品與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質移動等不可逆變化產生，減少因溫度下降引起的物質可溶性降低和生命特性的變化。溶液的凍結過程如圖1-3所示。溶液需過冷到冰點以下，其內產生晶核以后，自由水才開始以純冰的形式結晶，同時放出結晶熱使其溫度上

16、升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度增加，當濃度達到共晶濃度溫度下降到共晶點以下時。溶液就全部凍結。溶液結晶的晶粒數(shù)量和大小除與溶液本身性質有關外，還與晶核生成速率和晶體生長速度有關，而這兩者又都隨冷卻速度和溫度而變化。一般來說，冷卻速度愈快、過冷溫度越底，形成的晶核數(shù)量越多，晶體來不及生長就被凍結，此時所形成的晶體數(shù)量越多，晶粒越細反之晶粒數(shù)量越少晶粒越大。圖1-4示出水的結晶速率很小，但生長速率卻迅速增加。因此如果讓溶液在接近于oc晶核生長速率很小，但生長速率卻迅速增加。因此如多讓溶液在接近于oc凍結，則會得到粗而大的結晶，若使之在較低溫度下結晶，則將得到量多粒小的晶體。晶體的形狀也與凍結溫

17、度有關。在oc附近開始凍結時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時還會出現(xiàn)若干副軸，所有冰晶將逐漸喪失容易辨認的六角對稱形式，加之成核數(shù)多，凍結速度快可能形成一種不規(guī)則的樹枝型他們有任意數(shù)目的軸向柱壯體（軸柱），而不象六方晶型那樣只有六條。最高冷卻速度時獲得漸消球晶，它是一種初始的或不完全的球型結晶，通過重結晶可以再完成其結晶過程。生物液體（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結冰形成的結晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結冰時，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結晶單元，快速冷卻至低溫時形成不規(guī)則

18、樹枝壯晶體。細胞懸浮液（如紅血球、白血球、精子、細菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質中），在高零下溫度緩慢結冰時，懸浮液中大量的冰生長，將細胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內的懸浮介質因水析出結冰而溶質濃縮，細胞內的水通過細胞膜滲透出細胞，又造成細胞內溶質的濃縮。與此同時，胞外冰的生長，還將迫使細胞物質體積縮小、變形。但此時細胞內不結冰。當在低溫下快速結冰時，則細胞內將形成胞內冰，冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護劑的存在與否、保護的性質以及細胞內的含量有關，一般來說，冷卻速度越快、溫度越低，細胞內形成的冰越多。懸浮液中添加象蔗糖之類的非滲透保護劑，可以使快速結冰時細胞內形成的冰數(shù)目減少

19、。溶液的結晶形式對凍干速率有直接影響。結晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時水蒸氣逸出的通道，大而連續(xù)的六方晶體升華后留下的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快；反之樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠擴散或滲透方能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來說慢凍為好。凍結對細胞和生命體的破壞作用的機理，目前研究不夠，也無統(tǒng)一的看法。在為數(shù)眾多的看法中有代表性的看法是：造成細胞死亡的主要原因是溶質、特別是特殊溶質（如結構蛋白）的濃縮、細胞脫水和胞內冰的形成。在溶液結冰過程中，水析出結冰，剩下的溶液濃度增加。我們知道，反應物的濃度增大，能促使其化學反映速度加快。此外，溶質的

20、沉淀，還會引起PH值的變化，結冰時環(huán)境的變化，可能引起蛋白質等生物大分子變性增大。如果這些變化中的某些成為不可逆的，就會導致細胞的死亡。在高零下溫度慢速冷卻時，細胞內雖不結冰，但細胞外水結冰后，蒸汽壓降低，造成細胞內外的蒸汽壓差，細胞內的水通過細胞膜滲透到胞外，造成細胞脫水。凍結的速度越慢，滲透的時間越長，其脫水也越厲害。這種情況發(fā)生在高滲性（指水）的細胞中。有人認為，胞內冰的形成，引起胞內溶質的濃縮或細胞膜的破裂，是造成細胞死亡的原因，這種觀點已為一些實驗所證實，但其通用性尚待進一步研究。然而，對于許多物質來說，胞內冰的形成對細胞的損害是明顯的。上述機理均尚不具普通性，在凍干的實踐中還需根據(jù)

21、具體條件進行分析和實驗驗證，找出合適的凍結速度。此外，凍結的速率還與凍結設備的種類、能力和傳熱介質等有關。據(jù)愛得華凍干手冊介紹，對于10mm厚的產品，冷凍到-25C的最佳冷凍速度、最佳結晶結構和較快的干燥時間是：在凍干機外部的風冷箱式凍結箱中凍結為12小時；殼狀凍結器用酒精作傳熱介質時，若用機械制冷則為1020分鐘，若用干冰制冷則為510分鐘；垂直凍結器若用液體冷卻時則為5-10分鐘，若用氣體冷卻時則為15-20分鐘；在凍干機干燥箱內凍結用擱板冷凍時為1-1.5小時二、升華干燥升華干燥也稱第一階段干燥。將凍結后的產品置于密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸汽逸出而使產品脫水干燥，干燥是從

22、外表面開始逐步向內推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成爾后升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結部分的分界面稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約以每小時1mm的速度向下推進。當全部冰晶除去時，第一階段干燥就完成了，此時約除去全部水分的90%左右。產品中溫度分布產品中冰的升華是在升華界面處進行，升華時所需的熱量由加熱設備（通過擱板）提供。如圖1-5所示。從擱板傳來的熱量由下列途徑傳至產品的升華界面：（1）故體的傳導。由玻璃瓶底與擱板接觸部位傳到玻璃瓶底、穿過瓶底和產品的凍結部分到達升華界面；（2）輻射。上擱板的下表面和下擱板的上表面向玻璃瓶及產品干燥層表面輻射，再通過玻璃瓶及凍結層或已干燥的導

23、熱到達升華界面；（3）通過擱板與玻璃瓶外表面間殘存的氣體的對流。由于傳熱中必需有傳熱溫差，且各段傳熱溫差與其相應熱阻成正比，所以產品中形成了圖1-5所示的溫度分布。例如：擱板表面溫度為50C，到升華界面的溫度可能約為-25C冰層最咼溫度約為-20C，干燥層上表面溫度可能為+25Co表1-2主要藥品的冷凍干燥溫度（崩解臨界溫度）物質濃度溫度（C）司庫樂5-50%-25葡萄糖10%38一40乳糖10%18一19馬尼妥10%一2一4山梨糖醇桔西樂10%一41一42多縮葡萄糖低m.wt.10%2高m.wt10%3PEG600010%9一10古力辛10%3a-氨基丙酸10%一2一3B-A10%13精氨酸

24、10%3335EACA110%15變壓器用AMCHA25%一2一4GABA110%一18一20NaC110%21一22KC110%一10一11醋酸10%一26一27拘掾酸10%50硫胺素硝酸鹽10%5吡哆醇10%4抗壞血酸5%36一37抗壞血酸10%36一37鈉啊斯考派脫10%30一33煙酰胺10%一3一4鈣、潘妥顛10%一18一19乙酰胺10%25鈉、巴比妥10%4表13主要食品的冷凍干燥溫度食品名稱厚度（mm）干燥板溫度（C）壓力（Pa）干燥時間（h）牛肉（煮熟）810551.3X1026金槍魚（生）6401.3X1026牡蠣（生）1015406.6X101.314蟹（水煮）1020406

25、.6X101.38蝦（半刨水煮）820456.6X101.36蛋白（生）5406.6X101.34蛋黃（生）5406.6X101.33全蛋（生）5406.6X101.334白桃（8等分）1020456.6X101.314罐頭桃1015456.6X101.312香蕉（切斷）5456.6X101.36番茄汁5506.6X101.345圓辣椒4501.3X1025圓辣椒（早飯）4501.3X1024卷心菜12501.3X10223洋蔥34501.3X1025胡蘿卜4501.3X1025藕4501.3X1024土豆10551.3X1025山芋菜23501.3X1023漿果2501.3X10234松蘑1

26、0456.6X101.35醬油3456.6X101.33豆油4451.3X10245綠茶（濃茶水）4406.6X101.33紅茶（濃茶水）4406.6X101.33咖啡（濃）4406.6X101.33果子凍4406.6X101.323升華時的溫度限制產品升華時受下列幾種溫度限制：（1）產品凍結部分的溫度應低于產品共溶點溫度；（2）產品干燥部分的溫度必須低于其崩解溫度或容許的最高溫度（不燒焦或性變）；（3）最高擱板溫度。所謂崩解溫度是液態(tài)產品已干部分構成的“骨架”，當溫度上升到一定數(shù)值時，其剛度降低，變的有粘性而塌陷，封閉了已干部分的海綿狀微孔，阻止升華的進行，升華速度減慢。由于所需熱量減少，當

27、出現(xiàn)這種狀態(tài)時，如不迅速加熱，降低溫度，產品就會發(fā)生供熱過剩融化報廢。所以掌握產品的崩解溫度是很重要的，一些制品的崩解溫度列于表1-2。崩解溫度主要由溶液的成分所決定。過低的崩解溫度會延長干燥時間，甚至是設備能力所不能達到的。這可通過選擇合適的添加劑來提高崩解溫度。在固體食品凍干時，為了避免因擱板溫度過高而產生變性或燒壞，擱板溫度應限制在某一安全值以下。一些食品的擱板安全溫度列于表1-3。3.升華速率純冰的升華速率：純冰的絕對升華速率G?？捎肒nudsen方程來表示G.=ap.(M/2nRT)i/2kg/sm2式中：a蒸發(fā)系數(shù)p.冰升華面溫度T時飽和蒸汽壓，kPa;M水蒸汽的分子量，kg/lm

28、ol；R氣體常數(shù)，kl/kmolK；T冰的絕對溫度，K。因p.隨冰的飽和溫度T增大而增大，所以升華面溫度越高，其升華量G也越大。在冷凍干燥產品時，若傳給升華界面的熱量等于從升華界面逸出的水蒸汽升華時所需的熱量時，則升華界面的溫度和壓力均達到平衡，升華正常進行。若供給的熱量不足，水的升華奪走了制品自身的熱量而使升華界面的溫度降低，若逸出的水蒸汽少于升華的水蒸氣，多余的水蒸氣聚集在升華界面使其壓力增高，升華溫度提高，最后將導致制品融化。所以，冷凍干燥的升華速率一方面取決于提供給升華界面熱量的多少；另一方面取決于從升華界面通過干燥層逸出水蒸汽的快慢。傳熱量為了簡化計算，將凍干的傳熱傳質簡化成圖1-6

29、所示模型。通過凍層和已干燥層的傳熱量可用下列公式表示Q=A(TwT1)/XIw(1-5)Q=A入d(TwTi)/XjW(1-6)式中：A升華面積，m2；入入d凍層和干層的導熱系數(shù)，w；Tw，Tw凍層底部和干層外表面的絕對溫度，W/mK；Ti升華界面的絕對溫度，K；Xi、Xd凍層厚度和干層厚度，m。蒸汽傳輸量升華出來的水蒸氣通過已干燥層和箱內空間輸送到水汽凝結器。其傳輸速率(即升華速率)可用下式表示G=A(Pi-PO)/Rd+RS+k1rkg/s式中：A升華界面面積；Pi，PO升華界面和水汽凝結器的壓力；Rd、RS干燥層的阻力和干燥層表面到水汽凝結器之間的空間的阻力，Pam2s/kg;k1由升華

30、物質的分子量所決定的常數(shù)，kg/Pam2s。從上述幾個公式可見，欲提高升華速率，應使：凍層底部或干層表面的溫度在允許的最高值以下盡可能高。制品厚度越薄其熱阻和流動阻力越小，熱量和質量傳輸越快，升華速率越高。但每批制品的產量與厚度成正比，而每批加工的輔助工作量又大致相等，因而制品太薄會造成產品總成本的提高。由厚到薄之間存在一個總成本最低的最佳厚度。一般來說，生物制品的厚度為1015mm。凍結層的導熱系數(shù)入，主要決定于制品的成分；已干燥層的導熱系數(shù)入d還決定于壓力和氣體的成分，其變化關系參見圖1-7。由圖可見，為了提高凍干層的導熱系數(shù)，箱內壓力越高越好。也可視為PO越高，又會使水蒸氣不易從升華面逸

31、出，造成升華面溫度過高，凍層融化和干燥面崩解。為了兩者兼顧，根據(jù)產品不同一般可將箱內壓力控制在13Pa130Pa之間。蒸氣的排除還取決于Rd、Rs。由實驗知，Rd比Rs大6-10倍。也就是說，穿過已干多孔層的水蒸氣的流率大體上決定了干燥速率。而Rd主要與干層厚度和晶粒大小有關。一般來說，粗大而連續(xù)的網(wǎng)狀冰晶，升華后也形成粗大而連續(xù)的網(wǎng)狀間隙通道，水蒸氣逸出時流動阻力較小，升華速率快。細小而不連續(xù)的空隙之間，水蒸氣是靠滲透穿過已干的固體膜層的，很難干燥。三、解析干燥解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結束后，在干燥物質的毛細血管壁和極性基團上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結的，當他們達

32、到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供了條件。實驗證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可以成為某些化和物的溶液，產生與水溶液相同的移動性和反應性。因此為了改善產品的儲存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。第一階段是將水以冰晶的形式除去，因此其溫度和壓力都必須控制在產品共溶點以下，才不致使冰晶溶化。但對于吸附水，由于其吸附能量高，如果不給它們提供足夠的能量，如果不給它們提供足夠的能量它們就不可能從吸附中解析出來。因此，這一階段產品的溫度應足夠的高，只要燒毀產品和不造成主品過熱淚盈眶而變性就可。同時，為了使解吸出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產品，必須使產

33、品內外形成較大的蒸汽壓差，因此此階段中箱內必須是高真空。第二階段干燥后，產品內殘余水分的含量視產品種類和要求而定。一般在0.54%之間。第三節(jié)傳熱學基礎當物體之間存在溫度差時，就有能量的傳遞。這種能量稱之為“熱”。冷凍干燥過程中，無論是凍結，還是加熱升華，自始至終伴隨著熱量的傳遞。熱量的傳遞(簡稱傳熱)在實踐中雖是多種多樣，但就其物理本質來說可分為三種基本形式，這就是導熱、對流、和輻射。如圖1-8所示：在靜態(tài)介質中存在著溫度差時。不論介質是固體還是流體，都會發(fā)生傳熱，這種傳熱過程成為導熱；當一個表面和一種運動流體處于不同溫度時，它們之間發(fā)生的傳熱稱為對流；具有一定溫度的表面都以電磁波的形式發(fā)射

34、能量，這種溫度不同而又互不接觸的兩表面間，如果沒有傳熱介質存在，它們之間的熱交換就是凈熱輻射。一、導熱導熱可以看作是由于物質的質點(分子、原子)間的相互作用，能量較大的質點向能量較小的質點傳輸能量的過程。單層平壁導熱如圖1-9所示，設一維平壁其兩側表面溫度分別為t,t2,壁厚5,則在單位時間垂直于熱流方向的單位面積上的傳熱量qx與兩表面間的溫差成正比，與壁厚成反比。qx成為通過平壁的熱流密度?？杀硎緸閝x=-入(t112)/5=(t112)/入=At/RpW/m2(1-8)或qx=-入(dt/dx)W/m2(1-9)式中：At在厚度上的溫差或溫壓；Rp平壁在上的熱阻，m2K/W入壁的導熱系數(shù)W

35、/mK常用材料的導熱系數(shù)見表1-4表1-4常用材料的導熱系數(shù)物質入物質入鋁203軟木板0.0410.07銅384水0.59鋼45冰2.34鑄鐵63空氣0.025玻璃0.74聚氨酯泡沫塑料0.0410.046不銹鋼17.5聚苯乙烯泡沫塑料0.0290.046稻殼0.12若平壁面積為A,則總的傳熱兩Q為Q=AqxW(1-10)多層平壁導熱假定有一個多層平壁如圖1-10所示,在穩(wěn)定導熱時,單位時間內各層的導熱量應該是相等的。即Q12=Q23=Q34=Q或者Q=X1/81A(t12)=入2/2A(t213)=入3/3A(t313)解此連等式，消去t2,t3得Q=(t114)A/(81/入1+82/入2

36、+83/入3)=tA/2RpiW(1-11)q=At/SRpiW/m2圓筒壁導熱一個長l米的圓筒，其內、外半徑為r和r2(直徑為drd2),內、外壁溫度為trt2,且tt2。對于任取半徑r厚dr的薄壁圓筒來說，可視為一厚dr,表面積為2nrl的平壁，于是其傳熱量Q=-入2nrl(dt/dr)或-dt=(Qdr/入2nlr)積分上式可得tt2=(Q/入2nl)ln(r2/r1)Q=(t112)/(1/2n入l)ln(r1/r2)=At/RW(1-12)式中：R=(1/2n入l)ln(r1/r2)=(1/2n入l)ln(d1/d2)稱為圓筒壁的熱阻，單位為】K/W。對于多層(例如三層)圓筒壁，若各

37、層筒壁熱阻分別為Rr1=ln(d2/d1)/2n入l，Rr2=ln(d3/d2)/2n入l；Rr3=ln(d4/d3)/2n入l則其傳熱量Q=(t114)/Rr1+Rr2+Rr3W(1-13)凍干機的換熱管、外包絕熱材料的管道等都是屬于多層圓筒壁。但換熱器中的換熱管因其壁厚很小，且污垢層很薄，我們通常按多層平壁導熱來計算已足夠準確。二、對流對流是指流體各部分發(fā)生相對位移所引起的熱交換過程，它既包括流體各部分相對位移所引起的對流作用，也包括流體分子間的導熱作用。對流傳熱是和流體運動緊密地聯(lián)系在一起的，其換熱機理與流體運動的性質密切相關。層流和紊流流體在流道中運動有兩種不同性質的流動。當流速較小，

38、流體成層狀平行于流道流動時稱為“層流”；當流速增加時，上訴流動性質遭到破壞，流體的流動出現(xiàn)了旋渦，流體分子除按主流速度方向運行外，并在垂直于流動的方向上產生脈動相互參合，這種流動成為“紊流”。實驗證明：層流和紊流可用無因次數(shù)Re=wmd/y的大小開判別，這個數(shù)稱為雷若數(shù)。式中wm為流體的平均流速，d為定型尺寸(對于圓管為直徑d)，y為流體的運動粘度。由實驗測出，水在管內流動時，Re104為紊流；2200Re0.6時，算術平均溫差與對數(shù)平均溫差之差小于3%。這時用算術平均溫差計算，其精確度已足夠。五、換熱器的計算換熱器是將一種熱流體的熱傳給另一種冷流體的裝置。按其運行原理不同，可分為間壁式、儲熱

39、式和混合式。凍干機中冷凍機的冷凝器、蒸發(fā)器，干燥箱的擱板、水汽凝結器的凝華盤管都是換熱器，且一般都是間壁式換熱器。換熱器計算的基本方程為1傳熱方程式Q=kF0W(1-26)2熱平衡方程式Q=mkCh(thi-the)=mJCc(tce-tc/W(1-27)式中：k傳熱系數(shù)W/(m2k)；F傳熱面積m2mk、mc分別為兩流體的質量流量；kg/s。Ck、Cc分別為兩流體的比熱；Js/(kgK)。對于如圖1-17所示的換熱管，管內流體進、出口溫度tci、tce，管外流體進出口溫度為thi、the，管壁厚5、導熱系數(shù)入，管外流體與管壁的放熱系數(shù)為ak，管內流體與管壁放熱系數(shù)為坷，管內、外污垢層熱阻分別

40、為ri和r。，則管內外流體間的傳熱系數(shù)若按管外表面積為計算基準時k=1/1/ak+ro+5/入+(rI+1/ai)d2/d1W/m2K(1-28)第四章冷凍干燥設備第一節(jié)概述含水物質的冷凍干燥是在真空冷凍干燥設備中實現(xiàn)的，根據(jù)所凍干的物質、要求、用途等不同，相應的凍干設備也不同。按所凍干的物質不同，一般可分為凍干生物制品（或藥品）的凍干設備和凍干食品的凍干設備，按運行方式不同可分為間歇式和連續(xù)式凍干設備，按凍干物質的容量不同可分為工業(yè)用和實驗用凍干設備；按箱體內能否進行預動可分為能預動和不能預動的凍干設備等等。凍干設備的結構形式是多種多樣的，但無論何種凍干設備均由干燥箱，水汽凝結器（這兩部件有

41、時也結合成一體）、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等所組成。連續(xù)性是凍干機如圖4-1所示，這種凍干設備主要用于食品的凍干，從進料到出料可以連續(xù)進行。需凍干的食品先在冷凍室凍結，然后在裝料室裝盤，且將其裝入吊裝運輸器，送入裝料隔離室，開啟閘閥進入凍干通道，使食品在連續(xù)地向前移動的過程中，不斷地析出水汽而干燥，最后經出口隔離室進入卸料室卸料并包裝，運輸器經清洗后再送回進口處裝料。間歇式凍干設備如圖4-2所示，這種凍干設備需周期性地冷卻和加熱擱板，從節(jié)能的角度它不如連續(xù)式。這種凍干設備設有干燥箱1，箱內有擱板，它是用來擱置被凍干的制品，當制品在箱內預凍時，則該擱板既能冷卻又能加熱，為了使板層的

42、溫度均勻，可以利用中間介質既作冷媒有作熱媒；也可以用制冷劑直接冷卻，加熱采用間接形式。當制品不在箱內預凍時，則擱板只起加熱作用。目前大多數(shù)的干燥箱都帶有預凍結功能，使制品在其中能凍結至共融點以下的溫度，然后在真空下使擱板加熱升溫，提供水汽升華所必須的熱量。水汽凝結器2是用來凝結制品中升華的水汽，它與干燥箱用管道連接，一般中間裝有真空閥門，水汽凝結器的溫度要求在-40C以下，制冷系統(tǒng)一般為兩級壓縮制冷循環(huán)或復疊式制冷循環(huán)。真空系統(tǒng)3是為了保持干燥箱和水汽凝結器內所必要的真空度和抽除從連接管道和閥門等處泄露入系統(tǒng)中的空氣和不凝性氣體，根據(jù)凍干機的要求，一般采用兩級抽空。除了上述組成以外，現(xiàn)代的凍干

43、設備，對于干燥箱還要求有清洗消毒裝置，自動加塞裝置以及必要的自動控制系統(tǒng)。清洗消毒裝置為了保證箱內的清潔和消毒滅菌，在箱內裝有清潔液的噴淋噴嘴，通過泵升壓使清潔液噴向箱內各部分進行清洗，清洗完畢將清洗液從箱體內放出。消毒有蒸汽消毒和化學藥品消毒兩種方法。蒸汽消毒是在箱內通以121C以上的高溫蒸汽并維持一定時間（例如121C時為30分鐘）進行殺菌。采用這種消毒方式，要求干燥箱和水汽凝結器的強度高，視鏡、箱門等均能承受內壓，干燥箱外壁最好設有冷卻盤管，以便消毒后能迅速降到室溫。若用化學藥品消毒，則對干燥箱結構無特殊要求，現(xiàn)代藥品凍干機，多具有在凍干箱內自動加塞的功能，以免制品干燥后箱外封裝時空氣中

44、的水分、細菌污染制品，所謂自動加塞是在制品裝箱前用半加塞機將一種帶凹槽的瓶塞放在每個瓶子的瓶口上，升華時水汽從凹槽中逸出瓶外，干燥完畢后，則用液壓或其他動力推動擱板（或擱板報上的加塞板），將瓶塞壓入瓶口。制品出箱后，再進行壓鋁帽或封蠟?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)要求可分為手動操作，儀表顯示，半自動挖制；全自動控制和微處理機控制四類。目前國內大部分采用繼電式的半自動控制，按制品的不同凍干工藝設定溫度和時間來控制整個工藝過程。利用計算機的控制也已在有些凍干設備上使用，但還不十分普遍。凍干設備的布置根據(jù)容量的大小有幾種方式，主要是針對箱體與水汽凝結器的相對位置來分，對于小型實驗用凍干機，水汽凝結器放在箱體的下面，

45、稱為下置式；對于中大型工業(yè)用凍干機有箱側連接式；和箱后連接式。為了便于布置，對于箱后連接的一般箱體的抽空管口在側壁的正中偏上。以前還有從箱頂開抽空管口，但由于管道彎頭多，阻力大，現(xiàn)在很少采用。另外，根據(jù)水汽凝結器的放置位置，可以是臣式布置和立式布置兩種，這些布置各有其優(yōu)缺點。至于其他系統(tǒng)的布置可根據(jù)情況而定，這里不多贅述。第二節(jié)干燥箱干燥箱是凍干機中重要部件之一，它的性能好壞，直接影響到整個凍干機的性能，它是一個密閉容器，在其中內部主要有擱置制品的擱板，擱板的溫度根據(jù)要求而定。一、對箱體與擱板的要求（一）箱體1箱體要有足夠的強度，防止抽真空時變形；2箱體的泄漏應滿足真空密封的要求；3箱體壁面內

46、部直角處有一定的圓弧半徑，低面應有一定的坡度，坡向清洗排出口，以利于清洗液的排出，箱內應避免死角，以防清洗和消毒不凈而發(fā)生的污染；4若用液壓裝置在箱內實現(xiàn)自動加塞時，擱板應能上下移動，移動時不得傾斜以致卡死；5箱內零部件布置盡量減少升華水汽流向水汽凝結器的流動阻力。（二）擱板1要有一定的冷卻和加熱速度，冷卻速率一般要求為0.1-1.5C/min，加熱速率為0.1-1.2C/min；2要求平整、光化、傳熱性能好，以減少傳熱熱阻和傳熱溫差；3擱板各部分的溫度應均勻一致，這樣才可能使制品在凍結和升華時的溫度均勻一致。4擱板要有一定的強度，以便承受加塞力而不致于產生擱板彎曲。二、干燥箱和擱板的結構形式

47、干燥箱的形狀有圓柱形和矩形兩種，如圖4-6和圖4-7所示。從強度考慮、圓柱形優(yōu)于矩形，但空間利用率而言，則剛好相反，從目前各國生產的凍干機情況看，用于工業(yè)生產的多數(shù)采用矩形結構。矩形結構由于受力差，箱壁一般采用外加加強筋加固、箱板的材料視對凍干制品的要求而定，對于醫(yī)用凍干機，必需采用優(yōu)質不銹鋼，耐腐蝕性好，含碳量少。加強筋一般用碳素鋼的矩形鋼，槽鋼或工字鋼等，視箱體的大小而定。圓柱形筒壁由于受力好，一般當長徑比較小時可不采用加強筋，而底部和箱門根據(jù)形狀不同需采取一些措施，以免受力時變形。工業(yè)用凍干機擱板一般做成相同的規(guī)格（指同一臺凍干箱體），按制冷與加熱的形式不同可分為四種類型。直接制冷，直接

48、加熱對于這種形式的擱板，一般采用鋁合金材料，內埋鋼管或銅管，制冷劑在管內直接蒸發(fā)，為了使擱板溫度均勻，制冷劑蒸發(fā)管也可以用逆流式。加熱可用電熱絲，直接對擱板加熱，可防在擱板底部，其原理如圖4-8所示。這種擱板的優(yōu)點是溫度均勻，但加熱時熱惰性大。此外，也有采用微波或紅外加熱制品的報導。直接制冷，間接加熱直接制冷即制冷劑在擱板內直接蒸發(fā)，間接加熱即利用各種加熱源在外部先將載熱介質加熱，再用泵送入擱板內。在擱板中制冷管與加熱管相間布置，如圖4-9所示：共有四根管子，其中兩根做制冷用，另外兩根作為加熱用，相互為逆向流動，適合與凍干機中用的載熱介質有硅油以及乙醇、已二醇和水的混合物等。加熱介質的熱惰性相

49、對于前一種擱板要小些。間接制冷，直接加熱制冷劑在蒸發(fā)器中冷卻中間介質，然后將被冷卻的介質用泵送入擱板，加熱卻同第一種擱板形式，這種擱板目前較少采用。間接制冷，間接加熱這種制冷和加熱形式的擱板目前使用的較普遍，被冷卻和加熱的中間介質都是同一種工質，中間介質的冷卻和加熱都在箱外進行，然后用泵將中間介質送入擱板，這種擱板可以用不銹鋼板焊接成中空的帶有多流道的中空板，如圖4-10所示。由于這種擱板與流體的接觸面積大，板內流體流量大，進出口溫差小，因此溫度均勻，但由于采用中間介質，與直接制冷相比，在相同的冷量下機器的尺寸要大一些，功耗也要增加。三、干燥箱設計干燥箱設計計算包括下列內容：（一）擱板面積擱板

50、面積大小根據(jù)所凍干的物質容積的大小來確定，對于生物制品的凍干，一般都是瓶裝制品，可按瓶子的直徑進行計算，一塊擱板的面積還應與擱板的層數(shù)和箱體的體積相適應，使之設計的箱體既美觀又大方，又要受力均勻，因此必須綜合考慮。若瓶子的直徑為Dmm,總瓶數(shù)為N,每塊擱板的瓶數(shù)為N,每排瓶數(shù)為Nw每列瓶數(shù)為NI則w，W=(N+0.5)D+(2030)mmWL=0.87(NI+0.5)D+(2030)mm(4-1)W與L的尺寸如圖4-11所示。擱板面積f=WXLmm2擱板數(shù)n=N/N擱板尺寸也可以事先確定，反過來再計算每箱的裝量。箱體內容積箱體內容積除了考慮擱板的尺寸外，還應考慮到擱板之間的凈高，擱板離箱壁之間

51、的距離和內部其它一些部件(如液壓板、連接軟管等)的一些布置以及有良好的水蒸氣流動通道。擱板之間的凈高可根據(jù)不同的要求而定，一般為80120mm，用于凍干人血漿的凍干機，凈高應不小于240mm，至于四周所留的空間視具體情況而定，所確定的容積最好是接近正方形，這樣箱體各側面的受力較均勻。箱體的強度計算在水汽升華階段，箱內為真空，因此箱體為一受外壓的容器，箱體的強度應引起足夠的重視，這里僅介紹矩形箱體的強度計算，為了節(jié)省材料，一般均采用較薄的鋼板再在外部焊接加強筋，如圖4-12所示。最小壁厚箱壁可按矩形平板計算，周邊固定，受外力為0.98X102kPa，則實際壁厚s為：s=s+cmso=0.72BV

52、p/0彎m上式：so箱壁的計算壁厚；B對于無加強筋的矩形平板為窄邊的寬度，對于有加強筋的平板，為被加強筋分割的小矩形平板的窄邊寬度。如圖4-12(a)中的l，(b)中的b，(c)中的l和b中較小者；o彎為材料彎曲時的許用應力，一般取簡單拉伸壓縮許用應力；p為絕對壓力，可取為0.98X102kPa。當需進行水壓實驗時，則矩形板的應力為：o=0.5B2P水/(sc)2W0.90。式中：o。材料的屈服極限，Pac板的裕度，mp水水壓實驗壓力，可取1.96X102kPao用蒸汽消毒的凍干機需進行內壓實驗，其實驗壓力應為工作壓力的1.5倍。一般凍干機不進行水壓試驗。加強筋計算加強筋的計算，做如下假定，加

53、強筋上所承受的載荷是被它所分割的小平面載荷的一半，并以均勻載荷作用在加強筋上，則抗彎截面模量為：對于(a)圖：wp=B2lp/2k0彎m3(4-6)對于(b)圖：wp=L2bp/2k0彎m3(4-6)對于(a)圖：wp1=B2lp/4k0彎m3(4-6)對于(b)圖：wp2=L2bp/4k0彎m3(4-6)式中：wp加強筋的截面模量：p設計壓力，當進行水壓實驗時，p為1.96X102kPa,當不進行水壓實驗時，p為0.98X102kPa；k系數(shù)，與筋兩端的固定方式有關，若為剛性固定（如法蘭連接或筋與筋相連）時k=12，若為非剛性連接，則k=8。求的截面模量后，可按有關手冊來確定加強筋的斷面幾何

54、尺寸。對于型鋼，可直接查有關手冊中該鋼的截面模量，所用型鋼的截面模量必須等于或大于計算值。除了強度計算以外，還要進行箱壁的撓度計算，所計算得的撓度應小于允許值。若所計算的強度已足夠，而撓度超過允許值，則必須使撓度在合理的范圍內來配置加強筋，否則箱體會產生變形。（四）箱體熱負荷及制冷機的選配在凍干過程中，干燥箱只有降溫和保溫兩階段需要供冷。降溫階段就是將擱板（裝載有產品）從室溫降到凍結所需的最低溫度的階段，保溫階段就是保持擱板在上述最低溫度下一段時間以使產品凍牢，由于后者的熱負荷大大小于前者，設計中只按前者的熱負荷選配制冷機即可。降溫時間降溫時間的選定極大的影響到制冷機選配的大小。所定降溫時間越

55、短，需配置冷機越大。確定降溫時間主要應考慮下述幾個因素：（1）應滿足產品降溫速率的要求，因為降溫速率對產品晶格的大小、活菌率、干燥速率等有直接影響，所設計的凍干機必須首先滿足產品凍干工藝的要求，才能生產出優(yōu)質合格的產品。（2）整個凍干周期應有利于生產的組織。整個凍干周期包括產品進箱、箱體降溫、保溫、第一階段升華、第二階段升華、產品出箱等階段和箱體清洗消毒、水汽凝結器化霜等輔助時間。為了使操作人員有規(guī)律的上班、換班，便于組織生產，要求在一晝夜不超過（24小時）內安排一批或兩批生產，這就要求每批的凍干周期不超過24小時或12小時。分配給降溫階段的時間也受整個凍干周期時間的限制。（3）箱體降溫所配置

56、制冷機的容量應與水汽凝結器配置的制冷機的容量綜合考慮，使之可以共用或互為備用，以提高機器的安全可靠性和降低造價。降溫溫度擱板溫度一般比產品凍結點溫度低5-10C。降溫階段的熱負荷降溫階段的熱負荷包括（1）產品降溫的熱負荷Q1Q1=Gic|1（tc1td1）+G2（c2tc+rC5td）/TkW（4-10）式中：Gi1ci1托盤、瓶子、瓶塞等的質量和比熱，單位為kg和kl/kgK；G2產品的質量，kg；C2、cb產品的液體比熱、固體比熱，kJ/kgK，一般可按水和冰的比熱計算，r制品的凝固潛熱，可按水的凝固潛熱計算，kJ/kg；tc、td1產品的初溫和終溫；估算時可假定td1高于擱板溫度1020

57、CT降溫時間，S。（2）箱內零件降溫的熱負荷Q2Q2=Gl2cl2（tc2td2）/TkW（4-11）式中：Gi2、ci2擱板、液壓板、導向桿等箱內零件的質量和比熱；tc2、td2擱板終溫和初溫。（3）載冷介質降溫的熱負荷Q3Q3=G33I3td3）/TkW（4-12）式中：G3、c3循環(huán)介質的質量和比熱，tc3、td3載冷介質的初溫和終溫，可假定與tc2一td2相同。（4）箱壁降溫的熱負荷Q4Q4=G4C4（tc4td4）/TkW（4-13）式中：G4c4箱壁（包括門壁）的質量和比熱t(yī)c4、td4箱壁的出溫和終溫，在估算時可取高于擱板溫度2030C通過箱壁傳熱的熱負荷Q5Q5=kFp(qt4

58、)kW式中：k包括熱絕緣層在內的箱壁傳熱系數(shù)；Fp箱壁內、外表面積的平均值Th環(huán)境空氣溫度；t4箱內壁溫度，由于降溫過程中箱內溫度是連續(xù)下降的。估算時可假定為環(huán)境溫度和箱內終溫td2的平均值。(6)開門冷損Q6若產品進箱前箱體不預冷時，則不計算Q6；若產品進箱前需空箱預冷時，則計算Q6Q6=G6C6t6一td6)/TkW(4-13)式中：G6c6箱門的質量和比熱；tc6、td6開門前和關門時箱門的溫度；可假定比擱板最低溫度高2030C,td6可按下式計-(aF6/G6c6)t,4-16)666ktd6=tc6-(tH-tc6)ed6c6Hc6Tk為開門時間，F(xiàn)6為箱門面積，a為箱門放熱系數(shù)，c

59、6為將通過箱口的吸熱量視為與箱門的相等。(7)載冷介質循環(huán)泵所耗的冷量Q7Q7=NnkW(4-17)式中：N循環(huán)泵額定功率；n循環(huán)泵效率。(8)其他Q8如載冷介質容器、管道降溫的熱負荷和冷損等，以全部熱負荷的15%計。降溫階段制冷機的選配在降溫階段擱板和箱內空間的溫度是不斷下降的，因而從箱外傳入的熱量也是隨時間而不斷變化的，制冷機的蒸發(fā)溫度和相應的制冷量也隨時間不同而變化，因此計算起來比較復雜。為了簡化起見，可按下述步驟計算：憑經驗估計取降溫終了時擱板、箱內空間、箱壁的溫度，按上述公式計算出整個降溫階段的、總的平均熱負荷，并按此初步選出制冷壓縮機。計算出在設定的冷凝溫度tk下，各中蒸發(fā)溫度(加

60、入一15%C50C)時制冷機的制冷量Q0,并匯出Q0t0曲線。效核箱體降溫時間是否滿足設定要求，否則重新選配制冷壓縮機，重復步驟(2)、(3)，直到實際降溫時間略小于設定時間為止。箱體降溫時間的校核正如前述，在降溫過程中，箱體的熱負荷和制冷機的制冷量均是變化的。為了精確的計算降溫時間，應采用計算機計算。這里介紹一種分段計算法。所謂分段計算就是將整個降溫過程分成若干小段，按每段溫度區(qū)間，計算出制冷機冷量的平均值和降溫時間，再反推箱壁溫度看與原假設的該區(qū)段箱壁溫是否符合，否則需重新假設并重復計算，直到兩者基本相等為止，最后計算出該區(qū)段的降溫時間。各區(qū)段降溫時間之和即為降溫階段所需的時間。具體步驟如