冷阱的目的是捕集凍干過(guò)程中產(chǎn)品升華的水汽,凍干箱內(nèi)水汽向冷阱轉(zhuǎn)移的動(dòng)力來(lái)源不僅是溫度差導(dǎo)致的壓力差異,同時(shí)也來(lái)自設(shè)備真空系統(tǒng)的抽空能力,而冷阱有效捕集升華水汽也是在保護(hù)真空系統(tǒng),例如真空泵油是容易吸收水分乳化,從而導(dǎo)致抽空能力的降低。這就是為何凍干設(shè)備要預(yù)設(shè)冷阱降到一定溫度,才能開(kāi)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?qū)嶒?yàn)室設(shè)備常見(jiàn)的冷阱壁。但無(wú)論哪種形式的冷阱溫度,其真的越低越好嗎?比如,舉個(gè)極限例子,應(yīng)用液氮的-110攝氏度和壓縮機(jī)的-70攝氏度。如果沒(méi)有任何其它約束條件的話,當(dāng)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(shuō),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(chuàng)造出更大凍干箱與冷阱間的升華壓力梯度。然而,現(xiàn)實(shí)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(yùn)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(chǎn)生是由于箱阱間的壓差所引起的,通常越高的壓差帶來(lái)越快的水汽通過(guò)連接管路的流速。恒定水汽的質(zhì)量流量通過(guò)管路,速度會(huì)加快,從而導(dǎo)致箱阱間的壓差持續(xù)降低。但熱力學(xué)顯示,這個(gè)速度的限度與水汽中的聲速(400m/s, 1馬赫)相對(duì)應(yīng),當(dāng)水汽速度接近1馬赫,水汽流量將會(huì)被阻塞,下游壓力再下降也不會(huì)影響通過(guò)管路的質(zhì)量流量。換句話說(shuō),再降低冷阱溫度或增大抽空能力,也不會(huì)帶來(lái)益處!
其次,Kobayashi早在上世紀(jì)80年代中期,就發(fā)現(xiàn)冷阱的溫度會(huì)影響到所使用的凍干機(jī)的捕冰效果,或者準(zhǔn)確說(shuō)是冰在捕集裝置上的分布。
冷阱是冷凍干燥過(guò)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(qiáng),但冷阱溫度低,對(duì)制冷要求高,機(jī)器成本及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。實(shí)驗(yàn)系列冷凍干燥機(jī)的冷阱溫度主要有-50℃左右、-60℃左右、-80℃左右等幾個(gè)檔次。
冷阱溫度為-50℃的凍干適用于一些容易凍干的產(chǎn)品,冷阱溫度為-60℃左右的凍干機(jī)適用于大部分產(chǎn)品的凍干,冷阱溫度為-80℃的凍干適用于一些特殊產(chǎn)品的凍干。
冷阱溫度對(duì)捕水能力的影響實(shí)驗(yàn)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(méi)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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