冷阱的目的是捕集凍干過程中產品升華的水汽,凍干箱內水汽向冷阱轉移的動力來源不僅是溫度差導致的壓力差異,同時也來自設備真空系統的抽空能力,而冷阱有效捕集升華水汽也是在保護真空系統,例如真空泵油是容易吸收水分乳化,從而導致抽空能力的降低。這就是為何凍干設備要預設冷阱降到一定溫度,才能開啟真空泵組與冷阱隔離閥的考量。冷阱溫度一般是指冷阱里面水分捕集裝置的表面溫度,捕集器有盤管式、板式或實驗室設備常見的冷阱壁。但無論哪種形式的冷阱溫度,其真的越低越好嗎?比如,舉個極限例子,應用液氮的-110攝氏度和壓縮機的-70攝氏度。如果沒有任何其它約束條件的話,當然是,顯然冷阱溫度越低,其能捕捉的理論冰層厚度越厚,換句話說,同樣的冰層厚度條件下,冷阱溫度越低的冰層表明溫度越低,越容易創造出更大凍干箱與冷阱間的升華壓力梯度。然而,現實總是有“但是"…,原因是任何事物都是多維空間下存在,即在多種約束條件下運行。首先,冷阱與箱體之間的通徑,即主閥尺寸約束了通量。
汽流的產生是由于箱阱間的壓差所引起的,通常越高的壓差帶來越快的水汽通過連接管路的流速。恒定水汽的質量流量通過管路,速度會加快,從而導致箱阱間的壓差持續降低。但熱力學顯示,這個速度的限度與水汽中的聲速(400m/s, 1馬赫)相對應,當水汽速度接近1馬赫,水汽流量將會被阻塞,下游壓力再下降也不會影響通過管路的質量流量。換句話說,再降低冷阱溫度或增大抽空能力,也不會帶來益處!
其次,Kobayashi早在上世紀80年代中期,就發現冷阱的溫度會影響到所使用的凍干機的捕冰效果,或者準確說是冰在捕集裝置上的分布。
冷阱是冷凍干燥過程捕獲水分的裝置,理論上講,冷阱溫度越低,冷阱的捕水能力越強,但冷阱溫度低,對制冷要求高,機器成本及運轉費用高。實驗系列冷凍干燥機的冷阱溫度主要有-50℃左右、-60℃左右、-80℃左右等幾個檔次。
冷阱溫度為-50℃的凍干適用于一些容易凍干的產品,冷阱溫度為-60℃左右的凍干機適用于大部分產品的凍干,冷阱溫度為-80℃的凍干適用于一些特殊產品的凍干。
冷阱溫度對捕水能力的影響實驗表明冷阱溫度從-35℃下降到-55℃,捕水能力有提升明顯,冷阱溫度低于-55℃,冷阱的捕水能力提升不明顯。因此,在沒有特殊需求的情況下,選用冷阱溫度-60℃左右是理想的選擇。
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