冻干机冷阱温度越低越好吗?
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今天看到关于一篇初次干燥驱动力的文章,觉得写的挺好(会转发到我的朋友圈),其中从产品和冷阱温度对应的压力差值,来说明冷阱温度指标的差异对驱动力的影响。
这也让我深有同感,想到经常会遇到纠结一个绝对数值指标来评价设备的案例,这就如同根据外貌来判断人心,不能说不靠谱,毕竟老话说相由心生,但终究有其局限性。
冷阱的目的是捕集冻干过程中产品升华的水汽,冻干箱内水汽向冷阱转移的动力来源不仅是温度差导致的压力差异,同时也来自设备真空系统的抽空能力,而冷阱有效捕集升华水汽也是在保护真空系统,例如真空泵油是容易吸收水分乳化,从而导致抽空能力的降低。这就是为何冻干设备要预设冷阱降到一定温度,才能开启真空泵组与冷阱隔离阀的考量。
冷阱温度一般是指冷阱里面水分捕集装置的表面温度,捕集器有盘管式、板式或实验室设备常见的冷阱壁。但无论哪种形式的冷阱温度,其真的越低越好吗?比如,举个极限例子,应用液氮的-110摄氏度和压缩机的-70摄氏度。
如果没有任何其它约束条件的话,当然是,显然冷阱温度越低,其能捕捉的理论冰层厚度越厚,换句话说,同样的冰层厚度条件下,冷阱温度越低的冰层表明温度越低,越容易创造出更大冻干箱与冷阱间的升华压力梯度。
然而,现实总是有“但是”…,原因是任何事物都是多维空间下存在,即在多种约束条件下运行。
首先,冷阱与箱体之间的通径,即主阀尺寸约束了通量。汽流的产生是由于箱阱间的压差所引起的,通常越高的压差带来越快的水汽通过连接管路的流速。恒定水汽的质量流量通过管路,速度会加快,从而导致箱阱间的压差持续降低。但热力学显示,这个速度的限度与水汽中的声速(400m/s, 1马赫)相对应,当水汽速度接近1马赫,水汽流量将会被阻塞,下游压力再下降也不会影响通过管路的质量流量。换句话说,再降低冷阱温度或增大抽空能力,也不会带来益处!
其次,Kobayashi早在上世纪80年代中期,就发现冷阱的温度会影响到所使用的冻干机的捕冰效果,或者准确说是冰在捕集装置上的分布。其得出一个和我们常规认知有差距的结论:
温度越低,冰分布越不均匀
更高的温度显著促进了更均匀的冰分布

这也是由于冷阱与箱体之间的通径尺寸(长径比)、水分捕集装置的结构,以及真空系统在冷阱上抽空点位置的设计差异所带来影响。
仅从上面两个约束条件,我们就会意识到,现实中,冻干机冷阱温度低于某个温度值后,冻干箱内的压力将不受较低冷阱温度的明显影响,反而更低的温度有可能带来冷阱捕集水汽负载的不均匀。
所以,冷阱温度也适用于一个普世的标准,“过犹不及”,每个冻干设备会有其性能的平衡点,冷阱温度太高,冷阱效率降低,甚至影响真空泵性能;而温度越低,亦未必带来额外的好处。