医药净化低温空调制冷系统运行的应用分析

王巍

北京天坛生物制品股份有限公司 设备室，北京 100024

医药净化低温空调制冷系统运行的应用分析

王巍

北京天坛生物制品股份有限公司 设备室，北京 100024

本文简述了净化制冷空调系统的基本构成与制冷原理。对低温表冷器的供冷与化霜方式，从技术应用和节能方面进行了分析。低温净化空调的制冷系统关键环节是要解决好化霜，通过采用双空调箱，分别各自设有独立的制冷系统，交替制冷或化霜，不间断送风，能解决生产工艺对环境的特殊要求。

低温空调；双空调箱；交替化霜；制冷系统

生物制品疫苗生产企业对生产环境的要求比较严格，根据各种制品生产工艺的不同对生产车间的温度、湿度、洁净度、空气的流向、空气的压力差均有特殊的要求，这些指标又直接关系到产品的质量，其主要通过空调系统的运行来实现。我们常用的有普通制冷净化空调（室温在18～26℃）系统；另外有低温净化空调（室温在0～5℃）系统，在此着重谈解决后者制冷技术问题的应用分析，从而保证空调整体系统的正常运行。

1 净化制冷空调系统的基本构成与功能

常用的净化制冷空调系统由3部分组成。

1.1 空调箱（或空气调节器）

对空气进行过滤净化和各种温湿处理（如冷却、减湿、加热、加湿等）。

1.2 空气输送设备

空气输送设备包含风机（送风、回风机）、风管系统、调节风阀及其他（如消声器、风机的减震器等）设备，主要是把处理好的空气按照一定的要求输送到各个空调房间，并从房间内抽回或排除一定的室内空气。

1.3 空气的分布装置

空气分布装置指设在空调房间的各种类型的送风口和回风口，另外还有新风口、排风口，其作用是合理地组织室内的气流。其配有初、中效过滤器，空气在进入净化房间之前，还要进行高效过滤。以保证工作区域的空气温度、湿度、洁净度、气体流向和风压差等，符合GMP规定的使用要求。

另外空调系统还有冷源、热源以及自动调节系统等。冷源是用来使空气降温、减湿的制冷装置。空调箱表冷器的供冷方式，大中型空调系统多采用冷水机组间接式冷媒，其传热效率高、制冷工况稳定；而分散或小型空调系统常采用氟冷直接蒸发式。冷凝器常用的有水冷式和风冷式。空调系统通常采用蒸汽、热水或电能对空气进行加热，而以蒸汽对空气加湿。

2 蒸气压缩式制冷系统的基本构成与制冷原理

2.1 基本构成

空调中的制冷机组大多采用单级压缩制冷循环方式。由压缩机→冷凝器→贮液器→过滤器→膨胀阀→分液器→蒸发器等组成。常用空调系统的压缩机一般为全封闭涡旋式、半封闭活塞式或螺杆式，机内装有保护装置，对因故障引起的电机高温、过载、缺相提供保护。配有电加热器，作启动前加热用。压缩机上设有高低压压力控制器，以保护压缩机及制冷系统正常运行。

2.2 制冷原理

目前，空调制冷常用的制冷剂有氟利昂R22，利用其液体在蒸发器中被减低压力而不断地蒸发，得到了周围介质的热量，使介质温度下降。即已经得到热量呈蒸气状态的制冷剂被压缩机吸回，在进行压缩时提高了压力和温度，是功变热的过程；再排入冷凝器中散热而液化，液化后的高压液体制冷剂由膨胀阀（节流阀）节流减压，进入蒸发器中蒸发吸热。只要压缩机不断地工作，给制冷剂做功，就能不断地得到热量和移出热量做热力循环，并连续地进行制冷。

3 低温净化空调系统制冷技术的应用分析

3.1 选双空调箱送风方式

普通净化空调的室温范围在18～26℃，这种空调的表冷器温度一般设定在5～10℃的范围，不存在表冷器化霜的问题；低温净化空调的制冷系统关键环节是要解决好表冷器化霜的问题。单台低温空调箱当加热化霜时，若继续送风则室温很快上升，超过规定的温度值；若停止送风，则洁净度、风压差等参数指标均达不到生产工艺的使用要求，且室温也会上升。为了解决化霜时不影响生产车间的温湿度，并正常送风保证洁净度、气体流向、风压差等指标对生产工艺的符合性。

经分析提出做两台空调箱，分别各自设有独立的制冷系统，交替化霜或制冷运行，自动控制不间断送风；并在选定表冷器的供冷方式后，即可确定化霜的方式，解决了关键性的技术问题。

图1 低温净化双空调箱示意图

如图1所示，当一套空调箱的表冷器需要化霜时，遂自动关闭其供冷阀、新风阀、回风阀进入化霜，送风暂不经此路循环。则另一套空调箱的表冷器自动得到供冷，相应风管道阀也自动开启，保证了送风系统不间断送风。另外将蒸发器翅片间距增加至9mm，改用亲水膜波纹铝翅片，利于排水，并提高耐腐蚀性，符合低温蒸发运行。从而进一步同时保证了生产工艺对温湿度、洁净度、风流向、风压差的要求。

3.2 表冷器直接蒸发方式

常规大中型空调表冷器采用冷水式。

低温空调室温为0～5℃，如果选冷水（乙二醇）机组间接制冷，表冷器载冷剂液体的温度一般要比冷室的温度低8～10℃，由于室内相对湿度要求为45%～60%，通常取10℃换热温度差。若冷媒从表冷器返回到管壳式蒸发器进口的温度选-10℃，由于空调供、回水温差一般取5℃，以克服冷冻介媒输送管路逃冷损失等因素，那么管壳式蒸发器冷媒送出温度应为-15℃。一般蒸发温度比载冷剂的液体温度要低5℃，那么蒸发温度应设定在-20℃，（采用R22工质相应的蒸发压力表压力为0.145MPa）。若空调箱的表冷器选直接蒸发式，即将氟里昂高压液体经膨胀阀节流直接进入表冷器蒸发制冷，则蒸发温度可选-8～-10℃，即使选-10℃（其相应的蒸发压力表压力为0.255MPa），以上两种供冷方式蒸发温度至少相差10℃。

由于制冷压缩机的制冷量随着高、低压压力和温度的变化而变化。若在相同的冷凝压力下，蒸发温度越低，则相应的蒸发压力越低；压缩比Pk/Po越大，制冷能力下降，能耗增加。

为了尽量不使蒸发温度太低，低温空调表冷器供冷选氟利昂直接蒸发的方式，从而相对提高了制冷量；据估算蒸发温度每升高1℃，单位冷量耗电量减少3%～ 4%。直接蒸发式可避免利用冷媒换热所造成的能量损失，也省去了设立冷媒循环系统的管道、阀件、泵体及控制等装置。实际上蒸发温度t0对制冷量的影响，要比冷凝压温度tk对制冷量的影响要大，所以在制冷机运行时，在满足冷间温度的条件下应尽可能调高蒸发温度，以减小压缩比，尽量使蒸发温度与被冷却介质之间的温差保持在合理的范围内。

直接蒸发式应注意表冷器的焊接质量与打压检测，以防止泄漏使空气受到污染。

3.3 热泵（加辅助电加热）化霜方式

由于是低温空调，制冷系统正常运行时表冷器表面温度远低于空气的露点温度，空气中的水分析出而凝结在管壁上。当管壁温度低于0℃时水露则凝结成霜。霜层的热导率很低，热阻很大，结霜越厚蒸发器的制冷效果就越差，霜层过厚将使蒸发器换热条件恶化，造成温度下降缓慢，制冷系统的制冷量下降，冷间降温困难，耗电量增加。一般表冷器霜层超过5mm以上传热性能则明显下降，因此必须及时除霜。

直接蒸发式，化霜可采用热泵冲霜，其循环是通过四通换向阀，将制冷系统改为逆向运行，即将表冷器（直接蒸发式的表冷器可视为蒸发器）变成冷凝器。它是由管内往外传热化霜，其辐射热范围和温升较之蒸汽管路或电热化霜要小，热泵式所制得的热量大于电加热式，热泵式得到的热能是消耗电能热当量的2.5～4倍。其效果好、时间短，既能将蒸发器（表冷器）管道外的霜层融化干净，又能将蒸发器内的积油及时排除，提高蒸发器热交换的效果，并能将其残存的油带回到压缩机曲轴箱内，使其保持良好的润滑。化霜时制冷压缩机排出的高压高温制冷剂气体，经油分离器分油后引入蒸发器内，利用其放出的热量融化蒸发器外表面的霜层。化霜过程自动控制，采用定时化霜加温度两项控制，如将回风温度设定为3℃、除霜温度设定为-5℃、除霜时间设定为5min、除霜周期设定为50min、除霜退出温度设定为12℃。化霜时间和化霜间隔时间可以根据实际情况任意调节。一般夏季空气湿度大表冷器结霜多，化霜间隔时间可短些。

热泵冲霜多采用风冷式。在冬季当室外气温低于0℃热泵冲霜时，室外侧冷却器的翅片管表面就会凝霜，使其传热性能变劣；当室外气温至-5℃时以致无法制热进行热泵化霜，届时可转换用辅助电加热化霜。一般室外侧可加装温度控制器，当室外气温低于0℃时转换用辅助电加热化霜，高于0℃时由热泵循环冲霜。

3.4 克服化霜时增湿

单空调箱表冷器直接蒸发式，容易存在无谓增湿的问题。由于要保持室内的洁净度和压力差，送风机不能停止送风，当温度达到设定值后，制冷压缩机停机或高压供液电磁阀关闭不再制冷时，尽管空调箱内设置了档水板，表冷器（蒸发器）表面霜层融化后的水珠，以及空气（新风）当中的水汽，还是很容易被吹送入洁净房间内，使其湿度增大。反过来再除湿，又需给空调箱加热和制冷，劳力费时，能耗增加。

但此低温空调系统，双空调箱交替化霜或制冷运行，则克服了此问题。原因是当其中一台空调箱化霜时，其风管道阀自动关闭，送风不经此循环；待化霜完毕，由设置的洁净压缩空气吹气管道，自动将表冷器（蒸发器）表面的水珠吹干净，流入不锈钢接水盘，接水盘设有电加热装置，并及时将化霜水引流出空调箱外，其排水管安设有水封和阀门，防止外界空气进入。当另一空调箱自动转换化霜时，此空调箱表冷器即得到供冷，当其表冷器外表面达到低温时，其风管道阀才自动开启，此路送风循环开始，则空气（新风）当中的水汽由低温度的表冷器拦截。

3.5 节能降耗

3.5.1 降低化霜能耗

若采用低温乙二醇（冷水）机组供冷，冷媒送至空调箱表冷器的温度通常在-12℃左右，那么在需要化霜时，虽然冷媒循环泵停止运转，其管道阀自动关闭，但这时存在于表冷器管内的-12℃冷媒，用蒸汽管或电热管加热化霜时，要吸收热量升至融霜温度，待化霜完毕又要将此时加热的介媒带入到低温乙二醇冷媒循环系统之中，所以要多消耗这部分介媒升温和降温时的能量，并使化霜时间相对延长。选直接蒸发式则避开了这些能耗。

3.5.2 加强保温

要求将空调箱箱板增加厚度，采用100mm聚氨酯发泡彩钢板，加强了保温效果，在长期的运行中，节省了能源。

4 结束语

净化制冷空调系统涉及制冷、空气调节、净化、灭菌、去湿、加湿、加热、自动控制等技术。安装调试完毕须做性能确认验证项目包括：风量、风压、风速、气流流速、过滤器完整性检测、温湿度、尘埃粒子、沉降菌、浮游菌等的测试，结果必须符合相应洁净级别的控制要求。

在这里仅谈了低温空调制冷系统的一些技术改进及应用分析，根据低温空调制冷系统的特殊性，从节能降耗和运行管理方面考虑，选用了双空调箱、直接蒸发式、热泵冲霜（电加热辅助除霜）等技术方式。多年来对我公司的净化制冷空调系统的正常运行，起到了很好的技术支撑作用，保障了制品质量和生产所需的空调环境条件。

净化制冷空调系统所含设备的种类多、管线长、自动化程度高，要搞好操作运行、监测维护、保养检修等工作，首先要求运行操作人员和维修人员要有一定的专业知识和技能。为了实现运行管理的目标，必须做到运行管理有制度、使用操作有规程；人员专业化、上岗要培训、工作有责任，才能保障系统按设计要求运行和调节，达到最佳运行状态，实现各项运行参数，满足药品GMP规定的使用要求。

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Application Analysis of the Pharmaceutical Purification and Low Temperature Air-conditioning and Refrigeration System

WANG Wei
Equipment Department,Beijing Tiantan Biological Products Co.,LTD, Beijing 100024,China

This paper introduces the structure and principle of purification and air-conditioning system, and analyzes the cooling and defrosting modes from aspects of technique application and energy saving. Defrosting is the key link of low-temperature purification air-conditioning system. The system mentioned in this paper adopted double air-conditioning boxes. Each box is equipped with separate refrigeration system and is able to cool and defrost alternately, thus to meet the demand of manufacturing technique to the environment.

low temperature air-conditioning;double air conditioning boxes;alternation of frosting; refrigeration system

TB663

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.039

1674-1633(2011)05-0122-03

2010-12-15

作者邮箱：2008wangwei999@sina.com