Чиллер для лиофильной сушилки: расчёт по воде в загрузке

Чиллер для лиофильной сушилки снимает тепло с конденсаторов её холодильной машины: десублиматор при −50…−70 °C собирает лёд, который испаряется из продукта, а всё это тепло вместе с мощностью компрессоров сбрасывается в воду. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по массе воды в загрузке, времени сушки и типу холодильной машины и покажет расход воды.

Откуда берётся тепло

• Сублимация льда. Из продукта за цикл уходит почти вся вода — 100 кг льда дают 283 500 кДж на десублиматор. Нагрузка неравномерна: в первые часы сублимация идёт в 2–3 раза быстрее средней, и холодильную машину, а за ней и чиллер, считают на этот пик.
• Компрессоры холодильной машины. При −70 °C на киловатт холода тратится около киловатта электроэнергии; у каскадной машины в конденсатор уходит вдвое больше тепла, чем собрал десублиматор.
• Заморозка полок. Перед сушкой полки с продуктом замораживают до −40 °C тем же контуром; эта нагрузка короче и меньше пика сублимации, и в расчёт отдельно не входит.
• Вакуумный насос. Его тепло уходит в воздух помещения или в свой маслоохладитель — расчёт для насоса с водяным охлаждением дан в задаче о чиллере для вакуумного насоса.

Формула

Q_с = m × 2835 / (3600 × τ) × 2

Q_к = Q_с × (1 + 1 / COP) × n

Q = Q_к × (1 + k)

• Q_с — пиковая нагрузка на десублиматор, кВт;
• m — вода в загрузке, кг (масса продукта × влажность);
• 2835 — теплота сублимации льда, кДж/кг;
• τ — время основной сушки, ч; 2 — отношение пика сублимации к среднему;
• COP — холодильный коэффициент машины сушилки: ориентировочно 1,0 для каскада с десублиматором −70 °C и 1,5 для однокаскадной до −50 °C;
• Q_к — тепло конденсаторов, кВт; n — число сушилок;
• Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; k — запас, в долях.

Пример расчёта

Фармацевтическая сушилка: 100 кг воды в загрузке, основная сушка 22 ч, каскадная машина с десублиматором −70 °C, одна сушилка, вода на конденсатор 15 °C, запас 15 %.

1. Пик сублимации: 100 × 2835 / (3600 × 22) × 2 = 7,159 кВт, округлённо 7,16 кВт.
2. Тепло конденсаторов: 7,159 × (1 + 1 / 1,0) × 1 = 14,318 кВт, округлённо 14,3 кВт.
3. Холодопроизводительность с запасом: 14,318 × 1,15 = 16,47 кВт, округлённо 16,5 кВт.
4. Расход воды: 16,47 / (1,163 × 5) = 2,83 м³/ч.

Нагрузка пульсирует вместе с программой сушки, поэтому чиллер ставят с баком — его объём считают в расчёте объёма бака-аккумулятора. Для фармацевтической чистой зоны чиллер выносят за её пределы, а в помещении остаётся только трубопровод и, при необходимости, промежуточный теплообменник для деионизированной воды.

Типовые ошибки

• Расчёт по средней сублимации. Среднее за 22 ч — 3,6 кВт, пик в первые часы — 7 кВт и больше. Чиллер по среднему не держит давление конденсации на пике, и машина сушилки отключается по защите.
• Паспортная мощность компрессоров без тепла продукта. В воду уходит и тепло, собранное десублиматором, и электроэнергия компрессоров — оба слагаемых формулы.
• Холодная вода 7 °C на конденсатор. Холодильной машине сушилки нужна вода 15–25 °C: слишком низкое давление конденсации срывает работу терморегулирующего вентиля каскада — справочник о низком давлении.
• Чиллер в чистом помещении. Компрессоры греют и шумят; машину ставят в техническом коридоре или на улице, а требования к шуму берут из справочника о шуме чиллера.