冷凍干燥原理[共41頁]

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1、前　　言 冷凍真空干燥也叫干燥。升華干燥或簡稱凍干。它是干燥方法之一，目的是為了貯存物品。 物品之所以會(huì)損壞、腐爛、變質(zhì)，主要是由于外因和內(nèi)因二個(gè)因素引起，外因者，空氣、水、溫度、生物等的作用；內(nèi)因者，主要是生物物質(zhì)自身的新陳代謝作用。如果能使外因和內(nèi)因的作用減小到最低程度，則能達(dá)到物品在一定時(shí)間內(nèi)保持不變的目的。 干燥法就是驅(qū)除物品內(nèi)部所含的水份，因?yàn)樗菔且磺猩锷L的必要條件之一。生物體水份減少到一定程度，則生物不易或不能生長繁殖。因而能較長時(shí)間的貯藏保存；另外，當(dāng)有水份存在時(shí)，一些酸堿溶解其內(nèi)還會(huì)發(fā)生一些化學(xué)作用而使物品變質(zhì)。 干燥的方法很多，如曬干、烘干、煮干、晾干、噴霧

2、干燥、真空干燥、冷凍干燥等。其中唯有冷凍干燥法是保存有生命生物物質(zhì)的最理想方法。 冷凍干燥之后的產(chǎn)品，進(jìn)行真空或氮?dú)夥饪?，以隔絕空氣特別是氧氣，再在低溫下存放，則水份、空氣、溫度三個(gè)因素被控制，使產(chǎn)品能在較長的時(shí)間內(nèi)得到有效的保存。 冷凍干燥技術(shù)是在第2次世界大戰(zhàn)期間，因大量需要血漿和青霉素而發(fā)展起來的?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、制藥工業(yè)、食品工業(yè)和科學(xué)研究等方面，特別是應(yīng)用于含有生物活性物質(zhì)的生物藥品方面最為普遍。 我國在解放前就已使用冷凍干燥法制造疫苗，但數(shù)量極少，僅應(yīng)用于人醫(yī)，解放后我國的冷凍干燥事業(yè)得到迅速發(fā)展。1952年起開始在獸醫(yī)界應(yīng)用，并在國內(nèi)制造了一批大、中型的冷凍干燥機(jī)，現(xiàn)

3、在全國所有的省、市自治區(qū)均有各種不同型號(hào)的冷凍干燥機(jī)。 在獸醫(yī)方面，主要用于各種獸用微生物的貯存，各種獸醫(yī)生物藥品的制造，一切用于豬、牛、馬、雞、鴨、鵝、兔、狗的各種預(yù)防疾病的藥品均離不開冷凍干燥機(jī)。 冷凍干燥屬于邊緣科學(xué)，它涉及到物理、化學(xué)、生物學(xué)等知識(shí)，包括制冷、真空、電工、儀表等技術(shù)。因此也是一門綜合性的專業(yè)科學(xué)技術(shù)。 第一章　　基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié)　　物態(tài)的變化 我們生活在物質(zhì)世界之中，在我們周圍的一切，如空氣、水、鐵等都是物質(zhì)，一切物質(zhì)均在不斷地發(fā)生變化。一種最常見的物質(zhì)存在形態(tài)有三種：即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。即使同一種物質(zhì)也有三種形態(tài)。

4、例如水，在攝氏零度時(shí)結(jié)成冰變成固態(tài)，而在攝氏一百度時(shí)則變成蒸汽而成氣態(tài)，在0～100℃之間則是液態(tài)，可見在一定的條件下，物質(zhì)的形態(tài)能夠互相發(fā)生轉(zhuǎn)化。 物質(zhì)是由分子組成的，在物質(zhì)的三種形態(tài)變化中，物質(zhì)的本質(zhì)并沒有發(fā)生變化。物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三者的主要區(qū)別在于物質(zhì)分子間的距離和作用力的大小不同，這些僅是程度上的差別，本質(zhì)上是相同的。氣態(tài)物質(zhì)分子間的距離較大。分子間的相互作用力較小，以致氣態(tài)物質(zhì)不能單獨(dú)地維持自己的形態(tài)和體結(jié)，總是充滿在容納它的物體之中，液態(tài)物質(zhì)分子間的距離較氣態(tài)小，作用力較大。因此液態(tài)物質(zhì)只能單獨(dú)地保持其體積而不能保持起形狀。固態(tài)物質(zhì)分子間的距離小，作用力大，因此固態(tài)物質(zhì)能保

5、持自己的獨(dú)立形狀和體積。 物質(zhì)在發(fā)生形態(tài)的變化時(shí)，伴隨著熱量的變化。如冰熔化要加熱，水變成汽也要加熱，說明它們吸收熱量；相反，水結(jié)成冰要移去熱量，汽變成水也要移去熱量，說明它們放出熱量。一般地說，從固態(tài)變成液態(tài)，液態(tài)變成氣態(tài)，固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程是從分子排列密，相互作用力大的狀態(tài)，變?yōu)榉肿优帕惺瑁饔昧π〉臓顟B(tài)；這一過程要從外界吸取熱量，而相反的過程則向外界傳遞熱量。如圖一所示。 由固體變成液體的過程叫做熔化。將固體加熱，當(dāng)升高到一定的溫度時(shí)固體即變成液體。固體物質(zhì)熔化時(shí)的這個(gè)溫度稱為熔點(diǎn)，固體熔化時(shí)內(nèi)能增加，因此需要從外界吸收熱量，一些物質(zhì)的熔點(diǎn)見表一。 表一 一些物質(zhì)的熔點(diǎn)

6、(℃) 物質(zhì) 熔點(diǎn) 物質(zhì) 熔點(diǎn) 冰 0 玻璃 460~800 氨 -77.7 銅 1083 F-12 -155 鋁 658 F-22 -160 鋼鐵 1300-1400 水銀 -39 錫 232 酒精 -114 鎢 3410 單位質(zhì)量的物質(zhì)，由固體變?yōu)橥瑴囟鹊囊后w所需要吸收的熱量叫做該物質(zhì)的熔化熱。物質(zhì)的熔點(diǎn)和熔化熱隨壓強(qiáng)的變化而變化。一些物質(zhì)的熔化熱見表二。單位為卡/克。 表二　一些物質(zhì)的熔化熱(卡/克) 物質(zhì) 熔化熱 物質(zhì) 熔化熱 冰 79.4 錫 14.5 水銀 2.8 鋁 92.4 氯化鈉 123.

7、5 銅 51 由液體變?yōu)楣腆w的過程叫做凝固。它是熔化的逆過程。物體由液體變?yōu)楣腆w時(shí)要放出熱量，放出的熱量與該物質(zhì)的熔化熱相等。凝固是在與熔化相同的溫度下進(jìn)行的，所以同一物質(zhì)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)是一樣的。 物質(zhì)由液態(tài)變成氣態(tài)或固態(tài)直接變氣態(tài)的過程都稱為汽化過程，它可分為蒸發(fā)、沸騰和升華三種情況。 蒸發(fā)是指在任何溫度下(只要低于臨界溫度)液體表面的汽化過程。在制冷技術(shù)中?！罢舭l(fā)”通常代表液體的沸騰過程。 將液體加熱到一定的溫度，液體逐漸變成蒸汽；當(dāng)蒸汽的形成不僅來自液體表面，而且來自液體內(nèi)部，形成許多小汽泡上升至液面上方空間時(shí)稱為沸騰。也就是溫度升高到液體的蒸汽壓力與周圍的空間壓力相等時(shí)，液

8、體即開始沸騰。液體開始沸騰時(shí)的溫度叫做沸點(diǎn)。沸騰也是同時(shí)發(fā)生在液體內(nèi)部和表面的汽化現(xiàn)象。一些物質(zhì)的沸點(diǎn)見表三。 表三 一些物質(zhì)的沸點(diǎn)(℃) 物質(zhì) 沸點(diǎn) 物質(zhì) 沸點(diǎn) 鐵 2840 氮 -196 鉛 1755 氧 -183 水銀 357 氨 -33.4 水 100 F-12 -29.8 酒精 78 F-22 -40.8 某固體不經(jīng)過液態(tài)而直接變成汽化現(xiàn)象叫做升華。升華是固體的直接汽化過程。容易升華到固體叫揮發(fā)性固體。物質(zhì)在汽化時(shí)要吸收熱量，單位質(zhì)量的液體變成同溫度的汽體所吸收的熱量叫做汽化熱，因?yàn)橐彩钦舭l(fā)時(shí)所吸收的熱量，所以也可叫做蒸發(fā)熱。

9、熔化熱和汽化熱都叫做物體的潛熱，一些物質(zhì)的汽化熱見表四，單位為卡/克。 將蒸汽冷卻或與壓縮空氣同時(shí)進(jìn)行，使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過稱叫做液化。（溫度和壓力都要在小于臨界值的條件下）。單位重量的蒸汽變成同溫度的液體所移去的熱量稱為冷凝熱。冷凝時(shí)的溫度叫做冷凝溫度，冷凝溫度在冷凝過程中保持不變。它與冷凝蒸汽的壓力有關(guān)。 表四　一些物質(zhì)的汽化熱(卡/克) 物質(zhì) 汽化熱 物質(zhì) 汽化熱 水 536.5 氨 327.3 酒精 216.4 F-12 40 水銀 68.7 F-22 56 當(dāng)蒸汽遇到比該蒸汽物質(zhì)的凝固溫度低的物體時(shí)，則蒸汽不經(jīng)過液體而能直接凝固成固體而附在低

10、溫物體的表面，叫做凝華。例如水蒸汽遇到比水的冰點(diǎn)低的物體時(shí)，它就在低溫物體的表面結(jié)成冰霜，它實(shí)際上是升華的逆過程，這一過程顯然是要放出熱量的。這一現(xiàn)象在制冷和冷凍干燥中是經(jīng)常遇到的。 第二節(jié)　　熱和溫度 熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式之一。任何物質(zhì)都是有許許多多的分子所組成，而這些分子都在不停地作無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，我們稱之熱運(yùn)動(dòng)，而這些無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子所具有的能就叫做熱能。 熱能的大小用溫度來表示。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。物體的熱能也就越多；溫度低，分子運(yùn)動(dòng)緩慢，物體的熱能就少。溫度就是表示物體熱和冷的程度，熱和冷是相對(duì)的。它們都是表示物體所含熱能的多少或溫度的高低。增加物體的熱能叫做加熱；移

11、去物體的熱能叫做制冷。 溫度常用攝氏和華氏二種溫標(biāo)來表示。 攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為0，水的沸點(diǎn)為100，在0和100之間分成100等分。每一等分叫1度。這種溫標(biāo)就叫做攝氏溫標(biāo)，用符號(hào)℃表示。 華氏溫標(biāo)：在大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為32，水的沸點(diǎn)為212，在32和212之間分成180等分，每一等分叫1度，這種溫標(biāo)就叫做華氏溫標(biāo)，用符號(hào)°F表示。 華氏和攝氏和用下面的公式進(jìn)行換算： 華氏換攝氏：℃＝5/9×(°F-32) 另外還有一種溫標(biāo)叫開氏溫標(biāo)，以攝氏零下273.15度作為零度，開氏溫標(biāo)符號(hào)用號(hào)°K表示。開氏溫標(biāo)也叫絕對(duì)溫標(biāo)；開氏

12、零度即攝氏273.15也叫絕對(duì)零度。絕對(duì)零度是達(dá)不到的。 溫度只能表示物體冷熱的程度，溫度高或者溫度低，不能從數(shù)量上來表示物體熱能的多少。因此就有熱量的概念：物體吸收或放出熱能的多少叫做熱量。計(jì)算熱量的單位是卡或千卡，千卡又叫大卡，1大卡＝1000卡。卡的單位是這樣規(guī)定的：把1克水的溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量規(guī)定為1卡。 還有一種熱量單位叫做英熱單位，它是這樣規(guī)定的：1磅水升高1°F所需的熱量稱為1個(gè)英熱單位(B、T、U)，I英熱單位＝252卡。 質(zhì)量相同的不同物質(zhì)溫度升高1℃時(shí)所需的熱量是不相同的，我們把單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高或降低1℃時(shí)所吸收或放出的熱量，叫做

13、這種物質(zhì)的比熱。單位是卡/克·度，讀作每克每度卡，一些物質(zhì)的比熱見表五。 表五　一些物質(zhì)的比熱(卡/克·度) 物質(zhì) 比熱 物質(zhì) 比熱 水 1 銅 0.091 冰 0.43 鋼鐵 0.11 水蒸汽 0.45 鋁 0.21 F-12 0.225 水銀 0.033 氨 0.52 玻璃 0.20 空氣 0.24 酒精 0.58 熱量能通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行傳遞。 傳導(dǎo)：在受熱不均勻的物體中，熱從高溫處依靠物體的分子逐漸傳到低溫處的現(xiàn)象，稱為熱的傳導(dǎo)。這種方式的熱交換一直進(jìn)行到整個(gè)物體的溫度相等為止。傳導(dǎo)在固

14、體、液體和氣體之間均能發(fā)生，傳導(dǎo)作用必須要使物體相互接觸才能完成。 一切金屬是傳導(dǎo)的良導(dǎo)體，非金屬是熱的不良導(dǎo)體。物質(zhì)傳導(dǎo)熱的能力可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。導(dǎo)熱系數(shù)是熱的傳導(dǎo)作用在1平方厘米截面上一秒鐘內(nèi)當(dāng)溫差為1℃時(shí)通過長度1厘米的熱量卡數(shù)。單位卡/厘米·度·秒，一些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)見表六。 表六　一些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)(卡/厘米·度·秒) 物質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù) 物質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù) 銀 0.97 玻璃 0.0014~0.0018 銅 0.92 水 0.00142 鋁 0.50 冰 0.0055 鎢 0.48 空氣 0.000057

15、 鐵 0.16 棉花 0.00014 對(duì)流：在液體或氣體(包括蒸汽)中，熱量靠物質(zhì)的流動(dòng)從一部分向另一部分轉(zhuǎn)移的傳遞方式稱為對(duì)流。含熱的液體或氣體，體積因熱而膨脹，密度減少，于是因重量減輕而上升，其周圍冷的部份就補(bǔ)充原來地位，形成了對(duì)流，熱的對(duì)流只發(fā)生在液體或氣體中，而且必與傳導(dǎo)同時(shí)發(fā)生。 輻射：高溫?zé)嵩赐ㄟ^空間射向低溫物體，使低溫物體受熱升溫，這種熱量的傳遞方式叫做輻射、熱射與光相似，它以直線方式進(jìn)行，可以在真空中傳播；輻射可以通過空氣和玻璃等透明介質(zhì)，而這些透明介質(zhì)本身吸熱極少，表面黑、粗糙的物體善于吸收熱；表面白亮光滑的物體不善于吸收熱和輻射熱，但善于反射熱。 事實(shí)上，熱量

16、傳遞的三種方式并非單獨(dú)進(jìn)行，而是一種方式伴隨著另一種方式同時(shí)進(jìn)行，或者是三種方式同時(shí)進(jìn)行的。 為了衡量物體溫度高低的程度，就需要對(duì)溫度進(jìn)行測量，溫度的測量是利用溫度計(jì)來完成的。常見的溫度計(jì)有液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、熱電偶、熱電阻和熱敏電阻等。 液體溫度計(jì)是利用了某些液體的熱脹冷縮原理制成的，它封灌在一根細(xì)長的玻璃管中，一端有一個(gè)膨大部分，以容納工作液體。常用的液體有酒精、煤油、水銀等。 壓力式溫度計(jì)是利用了二種不同金屬的不同熱膨脹系數(shù)原理制成的，雙金屬片卷成螺旋形。當(dāng)溫度變化時(shí)，引起雙金屬片的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)指針指示出了溫度。 熱電偶是利用不同的金屬絲一端焊接在一起時(shí)，在

17、它們的二個(gè)游離端會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生不同的電動(dòng)勢，測量這個(gè)電動(dòng)勢的大小測量了溫度的高低。 熱電阻是利用了金屬絲的電阻溫度系數(shù)原理制成的，一定長度的金屬絲，當(dāng)溫度升高時(shí)電阻增加，溫度降低時(shí)電阻下降，利用慧斯頓電橋能測知溫度的高低。 熱電阻一般用鉑絲制作，因此又稱鉑熱電阻。 利用鉑電阻測量溫度的原理如圖二所示，在電橋的AB端接入電源，CD端接上電流表，假設(shè)Rt處于0℃。 其阻值為100Ω，調(diào)整電阻R在100Ω，這時(shí)有于Rt＝R，電橋處于平衡狀態(tài)，CD二端無電壓，電流表無讀數(shù)。當(dāng)熱電阻Rt處的溫度增加或減少，則Rt的電阻也增大或減少，于是Rt≠R1，電橋不平衡，CD二端有電壓輸出，電流表有讀

18、數(shù)，這個(gè)讀數(shù)就反印了溫度的變化，刻上溫度便成為溫度計(jì)。 實(shí)際的測量電路比圖二復(fù)雜得多，把輸出的信號(hào)通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換可以直接由數(shù)字顯示器進(jìn)行溫度的直接顯示，改變電路的設(shè)計(jì)可以進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)和控制。 熱敏電阻是利用了一種半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性能隨溫度變化而變化，其測量溫度的原理大致同熱電阻相同。 第三節(jié)　　氣體和蒸汽 氣體和蒸汽都是物質(zhì)的氣態(tài)狀態(tài)，物質(zhì)的臨界溫度可以作為判斷氣態(tài)物質(zhì)是氣體還是蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)溫度高于該物質(zhì)的臨界溫度時(shí)，該物質(zhì)的氣態(tài)稱氣體；而溫度低于該物質(zhì)的臨界溫度時(shí)該物質(zhì)的氣態(tài)稱蒸汽。 為此，必須介紹一下物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力。氣體的液化溫度是與壓力有關(guān)的，氣體的壓力越

19、小時(shí)，則其液化溫度就越低；隨著壓力的增加，氣體的液化溫度也升高，對(duì)于某一種物質(zhì)的氣體，有一個(gè)固定的溫度值，超過這個(gè)溫度時(shí)，物質(zhì)只能處于氣態(tài)，無論加多大的壓力也不能使其壓縮成液體，這個(gè)溫度就稱為該物質(zhì)氣體的臨界溫度。在臨界溫度時(shí)使該氣體液化所需要的最小壓力，稱為該物質(zhì)氣體的臨界壓力。一些物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力見表七。 表七　一些物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力 物質(zhì) 臨界溫度 臨界壓力(絕對(duì)大氣壓) 氧 132.9 112.3 二氧化碳 31 72.3 氮 -147.13 33.49 氧 -118.82 49.71 水蒸汽 374 58.22 F-12 111

20、.5 40.86 F-22 96 50.3 一般的室溫大約在15～25℃范圍之內(nèi)，氧氣、氮?dú)獾扰R界溫度遠(yuǎn)比室溫低，因此可以稱它們?yōu)椤坝谰谩睔怏w或不凝集氣體；二氧化碳的臨界溫度接近室溫，所以不能當(dāng)永久氣體；水蒸汽的臨界溫度超過室溫，因此稱蒸汽。但氣體和蒸汽也是相對(duì)的，它決定于溫度。當(dāng)溫度高于水的臨界溫度時(shí)，水蒸汽也可以稱為氣體了。 任何液體物質(zhì)，當(dāng)在一密閉容器內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，達(dá)到一定的程度后，液體的液化與蒸汽的液化就達(dá)到平衡狀態(tài)。這時(shí)密閉容器內(nèi)的蒸汽稱謂飽和蒸汽；密閉容器內(nèi)的蒸汽壓強(qiáng)稱謂飽和蒸汽壓。 飽和蒸汽壓隨溫度升高而增大，隨溫度的降低而減小，對(duì)于同一蒸汽，在不同的溫度有不同的飽

21、和蒸汽壓。如果飽和蒸汽壓繼續(xù)得到熱量，則溫度將比飽和時(shí)的溫度高，但壓力仍保持原飽和溫溫度時(shí)相應(yīng)壓力值，這樣的蒸汽稱超熱蒸汽。 如果在某一密封系統(tǒng)內(nèi)，有一個(gè)蒸汽源，而該系統(tǒng)內(nèi)各部份有不同的溫度差時(shí)，則該密閉系統(tǒng)的飽和蒸汽壓由最低的溫度決定，即最低溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓。 平常的大氣中含有水蒸汽，是濕空氣，它是干空氣與水蒸汽的混合物。在一定的溫度下，空氣中水蒸汽的含量有一定限度，超過這個(gè)限度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)霧狀，空氣濕度較低時(shí)，水蒸汽的含量較少；溫度較高時(shí)，水蒸汽的含量較多。 單位體積的空氣中所含水蒸汽的重量，叫做空氣的絕對(duì)濕度。單位是克/米3?？諝庵兴乃羝亓颗c同溫度下的飽和空氣中所含的水

22、蒸氣的重量的比叫空氣的相對(duì)濕度，用%表示。 表八　被水蒸汽所飽和的空氣內(nèi)水蒸汽含量　760mmHg時(shí)(克/米3) ℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -10 2.15 1.98 1.81 1.68 1.52 1.40 1.28 1.18 1.08 0.98 -0 4.84 4.47 4.18 3.81 3.52 3.24 2.99 2.75 2.54 2.34 -0 4.84 5.18 5.54 5.92 6.33 6.76 7.22 7.70 8.22 8.76 10 9.38 9.94

23、 10.5 11.5 11.9 12.7 13.5 14.3 15.2 16.14 20 17.12 18.14 19.22 20.36 21.55 22.80 24.11 25.49 26.93 28.25 30 30.04 31.70 33.45 35.28 37.19 39.19 41.28 43.47 45.75 48.14 當(dāng)空氣中所含的達(dá)到完全飽和狀態(tài)（即相對(duì)濕度為100%）這時(shí)溫度稱為露點(diǎn)。溫度低于露點(diǎn)時(shí)，水蒸汽就結(jié)成霧狀水滴。并呈露水凝附在一些物體的表面，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，則呈冰霜凝附在一些物體的表面。 表八是被

24、水蒸汽所包含的空氣內(nèi)水蒸汽的含量，例如15℃時(shí)橫向查10℃，縱向查5℃，為12.71克/米3;-8℃時(shí)，橫向查-0℃，縱向查8℃，為2.54克/米3。 第四節(jié)　　壓強(qiáng)與真空 物體放在地面，由于地球的引力作用，對(duì)地面有一個(gè)力的作用，我們把壓在某一物體表面上的力稱為壓力，而單位面積上所受到的力稱為壓強(qiáng)。壓力的單位是克或公斤（千克），壓強(qiáng)的單位是克/厘米２或公斤/厘米２。 液體和氣體同樣對(duì)處于其中的一切物體產(chǎn)生壓強(qiáng)。地球的表面包圍著一層厚厚的空氣，叫做大氣層，這個(gè)大氣層所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫做大氣壓。 固體的壓強(qiáng)只產(chǎn)生于重力方向，液體的壓強(qiáng)產(chǎn)生于液體相接觸的任何一面，而氣體的壓強(qiáng)產(chǎn)生于所有的

25、方向上，所以氣體的壓強(qiáng)亦可以解釋為氣體分子不停地運(yùn)動(dòng)而撞擊容器內(nèi)壁的結(jié)果。 大氣壓力的大小可以通過實(shí)驗(yàn)來測得，那一根大約１米長，一端封閉的細(xì)玻璃管，里面灌滿水銀，把它倒立在水銀槽中，便可見到水銀柱的下降現(xiàn)象，降到一定的高度便維持不動(dòng)，在玻璃管上方形成一個(gè)沒有空氣的空間（真空），測量水銀柱的高度約為760毫米(如圖三所示)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明760毫米高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)正與大氣壓強(qiáng)相平衡，也就是760毫米高的水銀柱壓力就等于大氣壓力。 760毫米高的水銀柱壓強(qiáng)有多大可以計(jì)算出來： 水銀柱的比重為13.6克/厘米3。 壓強(qiáng)＝比重×高度 13.6克/厘米×76厘米＝1

26、033.6克/厘米2 也就是大氣壓的壓強(qiáng)為1033.6克/厘米2即1.0336公斤/厘米2。為了計(jì)算方便取1公斤厘米2作為大氣壓強(qiáng)單位叫做1個(gè)大氣壓。如果用毫米水銀柱(mmHg)做壓強(qiáng)單位，那么顯然： 1大氣壓＝760mmHg 大氣壓與高度有關(guān)，離海平面越高，大氣壓越低。在離海平面2000米的高度內(nèi)，平均每升高12米，水銀柱約下降1毫米。 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每立方厘米體積中氣體的分子數(shù)為2.7×1019個(gè)。真空是指低于體個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)，與大氣狀態(tài)相比較，單位體積中氣體的分子數(shù)目較少因此真空并不是空無一物，完全沒有任何物質(zhì)的空間稱為“絕對(duì)真空”，絕對(duì)真空是假想的，它是永遠(yuǎn)也達(dá)

27、不到的。 真空高低的程度叫真空度。真空度用氣體壓強(qiáng)的大小來表示。壓強(qiáng)越低，表示真空度越高；反之，壓強(qiáng)越高，表示真空越低。若壓強(qiáng)高到760毫米水銀柱即一個(gè)大氣壓就是沒有了真空了。若壓強(qiáng)繼續(xù)升高，就產(chǎn)生了正壓。因此，低于大氣壓強(qiáng)又可稱負(fù)壓。 壓強(qiáng)有三種表示方法：絕對(duì)壓力、表壓力和真空度。絕對(duì)壓力表示作用于單位面積上的壓力的絕對(duì)值，它以絕對(duì)零點(diǎn)為起點(diǎn)。表壓力，表示比大氣壓高多少數(shù)值，它以大氣壓力為起點(diǎn)，即在大氣壓時(shí)，表壓力為零。真空度表示比大氣壓低多少數(shù)值，當(dāng)用絕對(duì)壓力表示時(shí)，以絕對(duì)零壓為起點(diǎn)；當(dāng)用表壓力表示時(shí)，它以大氣壓為起點(diǎn)，如圖四所示。 絕對(duì)壓力和表壓力一般用公斤/厘米2來表示，英制

28、用磅/寸2來表示，1公斤/厘米2＝14.7磅/寸2。真空度常用毫米水銀柱來表示。1毫米水銀柱叫1托，因1大氣壓為760毫米水銀柱，因此1托＝1/760大氣壓。1毫米水銀柱有時(shí)還大，因1毫米(mm)＝1000微米(μ)，于是用微米水銀柱(μHg)來表示真空度，1mmHg＝1000μHg。當(dāng)壓強(qiáng)高于1mmHg是真空度常用百分?jǐn)?shù)來表示。 真空度百分?jǐn)?shù)，壓力表真空與絕對(duì)壓強(qiáng)的對(duì)照表見表九 表九　真空度百分?jǐn)?shù)、壓力表真空度與絕對(duì)壓強(qiáng)對(duì)照表 真空度 絕對(duì)壓強(qiáng) 壓力表真空 真空度 絕對(duì)壓強(qiáng) 壓力表真空 (%) (mmHg) (mmHg) (%) (mmHg) (mmHg)

29、0 760 0 80 114 646 10 684 76 90 76 684 20 608 152 95 38 722 30 532 228 96 30 730 40 456 304 97 25 735 50 380 380 98 15 745 60 364 456 99 8 752 70 228 532 99.5 4 756 80 152 608 100 0 760 順便介紹一下數(shù)學(xué)上的表示方式：100＝10×10＝102。因此100＝1×102 1000＝1

30、0×10×10＝103，因此1000＝1×103 0.1＝1/10＝10-1，因此0.1＝1×10-1 0.01＝1×100-2，因此0.01＝1×10-2 0.001＝1/1000＝10-3，因此0.001＝10-3 例如某臺(tái)真空泵的極限真空為5×10-3，就是5×1/1000＝0.005　又1托＝1000μHg。所以5×10-3就是0. 005×1000＝5μHg(微米汞柱)。 現(xiàn)在國際上已把真空單位“托”取消，壓強(qiáng)的單位應(yīng)該是單位面積所受的力如公斤/厘米2、牛頓/厘米2等。因此用

31、托作為真空單位是不合理的。 現(xiàn)在把“牛頓/米2”這樣的壓強(qiáng)單位來計(jì)量真空度，給“牛頓/米2”一個(gè)專用名字，叫做帕斯卡(Pascal，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家)簡稱“帕”；符號(hào)Pa，壓強(qiáng)的換算見表十。 表十　壓強(qiáng)單位的換算 單位 巴 毫巴 帕斯卡 大氣壓 托 bar mbar Pa atm torr 1bar 1 103 105 0.987 0.75×103 1mbar 1×10-3 1 102 0.987×10-3 0.75 1Pa 10-5 10-2 1 0.987×10-5 0.75×

32、;10-2 1atm 1.013 1.013×103 1.013×105 1 0.76×103 1torr 1.333×10-3 1.333 1.333×102 1.316×10-3 1 第五節(jié)　　真空技術(shù)基礎(chǔ) 氣體的特點(diǎn)是無一定形狀，也無一定體積，氣體能無限地膨脹而完全充滿于任何體積的容器中；氣體又能均勻地混合，數(shù)種不同種類的氣體，不管其比例如何都能混合成一均勻狀態(tài)。 物質(zhì)的氣體狀態(tài)由壓強(qiáng)、體積和溫度三個(gè)因素來決定。當(dāng)氣體壓縮時(shí)，壓強(qiáng)增加，體積縮小，溫度升高；當(dāng)氣體膨脹時(shí)，壓強(qiáng)降低，體積增大，溫

33、度降低。 可以用氣體的基本定律來概括氣體狀態(tài)變化的一些規(guī)律。 一、波義耳—馬略特定律：一定質(zhì)量的氣體，在恒溫下，氣體的壓強(qiáng)與其體積的乘積為常數(shù)。這定律說明當(dāng)溫度因素不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，可以表示為： P1V1＝P2V2＝常數(shù) P1，V1表示變化前氣體的壓強(qiáng)和體積， P2，V2表示變換后氣體的壓強(qiáng)和體積。 二、蓋·呂薩克定率：一定質(zhì)量的氣體，在恒壓下，氣體的體積與其絕對(duì)溫度成正比。這定律說明當(dāng)壓力因素不變時(shí)，體積與溫度的關(guān)系?？梢员硎緸椋? V＝常數(shù)×T V表示氣體的體積。 T表示絕對(duì)溫度， 三、道爾頓定律：不相互起化學(xué)作用的混合氣體的總壓強(qiáng)等于各氣體分

34、壓強(qiáng)的總和，這定律表明幾種氣體在一定時(shí)的壓強(qiáng)關(guān)系，可一表示為： P＝P1＋P2+Pn P表示混合氣體的總壓強(qiáng)。 P1……………Pn表示各氣體的分壓強(qiáng)。 四、阿佛加德羅定律：等體積的任何種類氣體，在同溫度和同壓強(qiáng)下均有相同的分子數(shù)。例如每立方厘米的氣體在1大氣壓和20℃的情況下分子數(shù)為：2.69×1010個(gè)。 氣體的基本定律適用于氣體，對(duì)于蒸汽不一定適用。 氣體分子的平均自由程也是氣體分子運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參數(shù)，氣體的壓強(qiáng)也可以理解為氣體分子對(duì)容器壁碰撞的結(jié)果。事實(shí)上氣體分子運(yùn)動(dòng)不僅碰撞容器壁，而且還發(fā)生氣體分子間的互相碰撞。我們把氣體分子二次碰撞間經(jīng)歷的平均距離叫做氣體分子間的平

35、均自由程。 平均自由程與氣體的濃度、壓強(qiáng)有關(guān)，濃度大，壓強(qiáng)大時(shí)分子間很容易碰撞，因而平均自由程就??；濃度小，壓強(qiáng)小時(shí)分子間比較不容易碰撞，因而平均自由程就大，常溫下空氣分子的幾個(gè)參數(shù)量見表十一。 在常溫和常壓下，由于空氣分子的平均自由程很小，從液體蒸發(fā)出來的分子或從固體升華出來的分子，很容易與氣體分子碰撞而返回到原來液體或固體的表面，因此蒸發(fā)和升華的速度很慢。隨著真空度的升高，氣體分子變得越來越稀，分子的平均自由程逐漸增大，于是分子間的碰撞將較少發(fā)生，這時(shí)液體的蒸發(fā)速度和固體的升華速度將迅速增加，大量的分子將會(huì)從蒸氣源飛離出來，甚至形成蒸汽流。另外，在真空較高的情況下，由于氣體的分子較少，

36、分子間的碰撞很少發(fā)生，所以氣體的對(duì)流就不可能形成，因此在真空度較高的情況下，依靠對(duì)流的熱量傳遞方式將減少甚至消失；依靠氣體分子的熱傳導(dǎo)也將減少甚至消失。這時(shí)，真空系統(tǒng)內(nèi)依靠固體的熱傳導(dǎo)和輻射仍然存在。 表十一　常溫下空氣分子的幾個(gè)參量 氣體壓強(qiáng) 平均自由程 氣體密度 每秒碰撞每平方厘米 （托） （厘米） （個(gè)/厘米3） （個(gè)/厘米2·秒） 760 10-5 1.013×103 3×1023 10 7×10-4 2.5×1019 3.5×1021 10-3 7 3.3×1017 3.5

37、×1017 10-6 7×103 3.3×1013 3.5×1014 10-9 7×106 3.3×107 3.5×1011 10-14 7×1011 3.3×102 3.5×106 10-17 7×1014 0.33 3.5×103 實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)真空達(dá)到幾十微米汞柱數(shù)值時(shí)，氣體分子的熱傳導(dǎo)和對(duì)流可以忽略不計(jì)，這時(shí)熱量的傳遞依靠固體的傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行，而真空度上升到幾百微米汞柱數(shù)值時(shí)，通過氣體分子的熱傳導(dǎo)和對(duì)流立即變得顯著起來。 當(dāng)氣體在導(dǎo)管

38、內(nèi)流過時(shí)，它總是受到一定的阻礙，在壓強(qiáng)較高時(shí)它主要消耗于氣流各層間的內(nèi)摩擦；在壓強(qiáng)較低時(shí)它消耗于氣體分子與四壁的碰撞過程。當(dāng)管道粗、短、直時(shí)則流動(dòng)的阻礙就較小。 第六節(jié)　　真空的獲得和測量 凍干機(jī)的真空系統(tǒng)是由凍干箱、冷凝器、真空管道、真空閥門和真空泵等組成。凍干時(shí)使用的真空度范圍大約是5×10-1~1×10-3托之間(500～1μHg)，要在半小時(shí)左右達(dá)到要求的真空度。 真空度是指壓力低于760托的氣體狀態(tài)，它的范圍從760托到1×10-11托甚至更低，宇宙空間的真空度為1.9×10-18真空可大致劃分為如表十二所示的范圍。這樣寬廣的真空

39、范圍不可能用一種方法來達(dá)到，而是用不同的方法來達(dá)到不同的真空范圍。獲得真空的基本方法有三種：即使用抽氣機(jī)(即真空泵)抽吸；用特殊的吸氣劑吸氣；用冷凝器捕獲氣體。它們的運(yùn)用壓強(qiáng)范圍見圖五。 表十二　真空范圍的劃分 真空區(qū)域 壓強(qiáng)范圍(mmHg) 粗真空 760~10 低真空 10~10-2 中真空 10-2~10-4 高真空 10-4~10-7 超高真空 10-7以下 真空泵種類很多，有水環(huán)式真空泵、往復(fù)式真空泵、水蒸汽噴射泵、油封式機(jī)械泵、機(jī)械增壓泵、油增壓泵、油擴(kuò)散泵等。冷凍干燥使用的屬于低真空和中真空的范圍，這樣的范圍一般采用油封式機(jī)械真空泵、機(jī)械增壓泵或增壓泵

40、來達(dá)到。 真空泵的主要參數(shù)有極限真空、起始?jí)簭?qiáng)、排氣壓強(qiáng)、抽氣速率等。 極限真空又叫極限壓強(qiáng)，是真空泵可以達(dá)到的最低壓強(qiáng)或最高真空度，一般在泵頭直接測量。 起始?jí)簭?qiáng)是真空泵能正常工作的進(jìn)氣口壓強(qiáng)，油封式機(jī)械泵能在大氣壓下工作，而機(jī)械增壓泵和油增壓泵需要有一個(gè)預(yù)備真空才能工作，油封式機(jī)械泵作為抽預(yù)備真空用。 排氣壓強(qiáng)是真空泵在排氣口的最大反壓強(qiáng)，當(dāng)反壓強(qiáng)高的真空泵就不能正常工作。 抽氣速率是真空泵在一定進(jìn)氣口壓強(qiáng)下，單位時(shí)間內(nèi)所抽的氣體容量，以升/秒或者立方米/小時(shí)作為單位，抽氣速率隨進(jìn)口壓強(qiáng)的降低而減少，到極限真空時(shí)抽氣速率為零。 壓強(qiáng)有全壓和分壓之分，全壓強(qiáng)是指各種氣體分壓強(qiáng)的總

41、和，分壓強(qiáng)是指某一氣體或某一部份的壓強(qiáng)，空氣的壓強(qiáng)是指氮?dú)?、氧氣、二氧化碳和各種惰性氣體分壓強(qiáng)的總和，即760托。它并不包括水蒸汽的分壓強(qiáng)在內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中各種氣體壓強(qiáng)見表十三。 表十三 標(biāo)準(zhǔn)大氣中氣體的成分和壓強(qiáng) 氣體名稱 百分比（%） 分壓強(qiáng)（托） 氮?dú)? 78.09 593.5 氧氣 20.95 159.0 氬 0.9 6.84 二氧化碳 0.03 0.23 氖 0.0015 0.011 氦 0.0005 0.0037 氪 0.0001 0.00076 氙 0.00001 0.000076 氡 微量 － 水蒸氣 不定 約

42、7 由于真空的范圍很寬廣，因此在進(jìn)行真空度測量時(shí)不可能采用一種儀表全部都能測量，而是不同的范圍采用不同的測量真空的儀表。有：指針式真空儀表有：指針式真空計(jì)、U形真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)、熱真空計(jì)，磁控放電真空計(jì)，電離真空計(jì)等。它們的適用見圖六。 冷凍干燥常用的真空計(jì)是壓縮式和熱真空計(jì)。 在凍干機(jī)的真空系統(tǒng)內(nèi)，存在著空氣和水蒸汽，而只有水蒸汽壓強(qiáng)的大小才能反映出來凍干過程中升華速度和水蒸汽在冷凝器內(nèi)的凝結(jié)情況。因此凍干機(jī)的真空系統(tǒng)應(yīng)測量其全壓，僅僅測量空氣的分壓強(qiáng)不能反映出真實(shí)情況。 壓縮式真空計(jì)又叫麥?zhǔn)秸婵沼?jì)，使用水銀作為工質(zhì)，由于水銀蒸汽對(duì)人體有毒害作用，因此使用時(shí)要小心謹(jǐn)慎，平常不用時(shí)

43、，應(yīng)把橡皮管封死，使水銀與系統(tǒng)隔開。水銀在真空系統(tǒng)中還會(huì)蒸發(fā)而污染凍干產(chǎn)品，而冷凍干燥的產(chǎn)品大都是直接或間接用于人體的，因此現(xiàn)在許多國家已明確規(guī)定冷凍干燥嚴(yán)禁使用水銀壓縮式真空計(jì)。 另外，壓縮式真空計(jì)是根據(jù)波意爾——馬略特定律的原理制作的。由于水蒸汽不遵守波——馬定律，因此它只適用于測量永久性氣體，在冷凍干燥中水蒸汽的分壓強(qiáng)是一個(gè)很重要的參數(shù)，所以壓縮式真空計(jì)也就不適用于干燥中使用。 現(xiàn)在冷凍干燥廣泛使用電阻式真空計(jì)，（又稱皮喇尼真空計(jì)）它的工作原理是基于氣體的熱傳導(dǎo)決定于壓強(qiáng)這一關(guān)系。當(dāng)加熱著的電阻絲周圍的氣體壓強(qiáng)改變時(shí)，電阻絲熱量的耗散情況也改變。當(dāng)壓強(qiáng)低時(shí)，熱量耗散量少，電阻絲的溫度

44、增高；電阻增大；相反，當(dāng)壓強(qiáng)增高時(shí)，熱量耗散量多，電阻絲的溫度降低，電阻減少。測量電阻的變化，便能反映出壓強(qiáng)的大小。因此也稱作電阻式真空計(jì)。 還有一種高頻火花真空檢測儀，它是利用高頻高壓引起氣體的放電現(xiàn)象來工作的，稀薄空氣的放電顏色能粗略地估計(jì)出真空度的大小，它只適用于玻璃容器，能在容器外邊測量容器內(nèi)部的真空度。 第七節(jié)　　機(jī)械制冷原理和系統(tǒng)組成 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自動(dòng)地由冷的物體傳導(dǎo)給熱的物體。 致冷就是移去物體的熱量，使物體的溫度降低。當(dāng)物體的熱量減少時(shí)，分子的運(yùn)動(dòng)就緩慢，于是溫度下降。這一過程必須消耗其他能量。 使物體致冷的方法有許多種。使用一種機(jī)械裝置使物體溫度

45、降低叫機(jī)械制冷。利用直流電通過一種碲化鉍的半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生的致冷，叫做半導(dǎo)體致冷。此外還有利用液態(tài)空氣的蒸發(fā)而獲得低溫的方法等等。 液體在蒸發(fā)時(shí)需要吸收汽化熱，蒸汽在膨脹時(shí)也需要吸收熱量；機(jī)械致冷正是利用了這個(gè)原理。 有一種叫致冷劑的特殊液體，它的沸點(diǎn)很低，在低溫下極易蒸發(fā)，當(dāng)它在蒸發(fā)時(shí)吸收了四周的熱量，使周圍物體的溫度降低；然后把這種液體的蒸汽又加以壓縮，再冷卻移去它的熱量，使它又變成液體，再把這液體去蒸發(fā)吸熱，如此循環(huán)不斷，便能使蒸發(fā)部位的溫度不斷降低，這樣致冷劑就把熱量從一個(gè)物體移到另一個(gè)物體上。 冷凍機(jī)就是能實(shí)現(xiàn)這樣循環(huán)的機(jī)器，它是能使致冷劑蒸發(fā)而吸熱，壓縮而又冷凝成液體的一個(gè)封

46、閉的機(jī)械系統(tǒng)。它由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器四個(gè)主要部分組成，見圖七。 冷凝器兼儲(chǔ)液桶內(nèi)的液體致冷劑經(jīng)過出液閥到節(jié)流裝置，通過節(jié)流裝置的節(jié)流作用液體在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收熱量，吸熱后液體變成溫度較高的蒸汽，被壓縮機(jī)吸入，壓縮成高壓高溫的蒸汽，經(jīng)冷凝器的水冷卻，移去了蒸汽的熱量，溫度下降凝縮成液體致冷劑。如此不斷循環(huán)便在蒸發(fā)器部分獲得了低溫。 致冷系統(tǒng)除壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器四個(gè)主要部件外，還有各種開閉閥門、過濾器、熱交換器、油分離器、高壓安全閥、壓力繼電器、壓力表、水量控制閥等附件。 壓縮機(jī)是冷凍機(jī)的心臟一般由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，它有吸入口和排出口。通過壓縮機(jī)的不斷工作才能使致冷劑在

47、管路系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)產(chǎn)生蒸發(fā)吸熱，壓縮冷凝等作用。 按壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)的組合可分為封閉式、半封閉式和開式三種類型。封閉式的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)全部裝在一個(gè)密閉的筒體中；半封閉式的壓縮電動(dòng)機(jī)連成一體，但沒有封閉箱包圍；開式的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)是互相獨(dú)立的，要靠聯(lián)軸器或皮帶來傳動(dòng)。 按壓縮機(jī)本身的構(gòu)造可分為活塞式、旋轉(zhuǎn)式、渦輪式、螺桿式等。 在凍干機(jī)中，以開式和半封閉式的活塞式致冷壓縮機(jī)使用最多。 冷凝器的作用是移去致冷劑的熱量，使致冷劑的蒸汽冷凝成液體。它有風(fēng)冷式和水冷式二種，風(fēng)冷式有強(qiáng)制風(fēng)冷和自流對(duì)流冷卻二種，風(fēng)冷式的僅在小型冷凍機(jī)上使用，大、中型的冷凍機(jī)一般都采用水冷式。 節(jié)流裝置是儲(chǔ)液筒和蒸發(fā)器之

48、間的致冷劑控制裝置，使液態(tài)致冷劑受約束地根據(jù)需要進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，并突然減壓而迅速蒸發(fā)吸熱變成蒸汽，一方面致冷劑的蒸汽被壓縮機(jī)吸走，另一方面又將液態(tài)致冷劑不斷地加以補(bǔ)充。 節(jié)流裝置有二種形式。在小型冷凍機(jī)上使用微管節(jié)流器，也叫毛細(xì)管。它是一根較長而管徑很細(xì)的銅管，到蒸發(fā)器時(shí)突然變成粗大的銅管。流量不能調(diào)節(jié)，在大中型的冷凍機(jī)上，一般使用膨脹閥或稱節(jié)流閥來控制，它使液態(tài)致冷劑流過一個(gè)小孔，而小孔出口處有一個(gè)可關(guān)閉，開大的閥針，然后管徑變粗大，它的流量可以調(diào)節(jié)。 以圖八說明致冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)情形。當(dāng)高壓液體通過微管或膨脹閥的小孔時(shí)，由于微管和膨脹閥的小孔的直徑很小，因此流動(dòng)阻力很大，液體致冷劑只

49、能以一定的流量流速通過。當(dāng)通過節(jié)制口時(shí)，管徑突然變粗大。高壓液體變?yōu)榈蛪阂后w，由于壓力降低沸點(diǎn)降低，液體迅速沸騰蒸發(fā)，大量吸收熱量而變?yōu)樾∫旱闻c蒸汽的混合物；由于壓縮機(jī)的不斷抽吸作用壓力繼續(xù)降低，小液滴又沸騰蒸發(fā)吸收熱量全部變成飽和蒸汽，飽和蒸汽又繼續(xù)膨脹吸收熱量而變成超熱蒸汽，最后被壓縮機(jī)通過吸入管吸走。這時(shí)高壓液體又不斷地補(bǔ)充，使蒸發(fā)器不斷降溫，而維持在某一個(gè)低溫上。 蒸發(fā)器是冷凍機(jī)的實(shí)際使用部分，它根據(jù)不同的需要而做成不同形式，對(duì)于冰箱就是冷藏柜部分；對(duì)于凍干機(jī)可以是凍干箱內(nèi)的板層或中間流體冷卻器內(nèi)的盤管。 第八節(jié)　　致冷循環(huán)的類型 冷凍機(jī)根據(jù)不同的需要其管路系統(tǒng)有不同的類

50、型，一般常見的有單級(jí)壓縮循環(huán)、雙級(jí)壓縮循環(huán)和二元致冷循環(huán)（又稱復(fù)疊致冷）等幾種類型。 單級(jí)壓縮致冷循環(huán)見圖九，液態(tài)致冷劑自出液閥流出后，經(jīng)膨脹閥節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，蒸汽由壓縮機(jī)吸入壓縮后，在冷凝器內(nèi)由冷卻水帶走熱量而冷凝成液態(tài)致冷劑。 有些單級(jí)致冷壓縮循環(huán)在低壓管路上增加了熱交換器，使進(jìn)入蒸發(fā)器的致冷劑預(yù)先冷卻，再經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，以達(dá)到更好的效果。 單級(jí)壓縮循環(huán)利用F-12致冷劑一般可以達(dá)到接近-40℃的低溫。 為了得到更低的溫度，可以采用雙級(jí)壓縮致冷循環(huán)，使用二臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)，或由一臺(tái)壓縮機(jī)組成單機(jī)雙級(jí)壓縮，一般單級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比可達(dá)到8左右，壓縮比大于8時(shí)就采用雙級(jí)壓縮。

51、這時(shí)的蒸發(fā)壓力極小，如果用F-12作致冷劑，雙級(jí)壓縮可獲得-65℃左右的低溫。 典型的雙級(jí)壓縮如圖十所示。液態(tài)致冷劑經(jīng)出液閥出來后分成二股。一股經(jīng)付膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入中間冷卻器蒸發(fā)吸熱后直接進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)吸入口。其目的是冷卻另一股致冷劑，以便提高致冷效率；另一股致冷劑經(jīng)中間冷卻劑預(yù)冷后到主膨脹閥，節(jié)流后在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱。致冷劑由于壓力降低，沸點(diǎn)降低大量吸熱，使蒸發(fā)器溫度降低；致冷劑吸熱后由液態(tài)變成汽態(tài)，然后吸入冷凝器內(nèi)，在高壓和冷卻下變成液態(tài)，放出的熱量由冷卻水帶走。 在低于-70℃的低溫設(shè)備上一般使用二元致冷循環(huán)。這時(shí)冷凍機(jī)由二個(gè)互相獨(dú)立的系統(tǒng)組成，使用二種不同的致冷劑。其優(yōu)點(diǎn)是能使每

52、一組都能按照壓力使用最合適的致冷劑，一般第一級(jí)采用蒸發(fā)溫度高的致冷劑，第二級(jí)采用蒸發(fā)溫度低的致冷劑。 圖十一是第一級(jí)使用F-22，第二級(jí)使用F-13的二元致冷循環(huán)圖。液態(tài)F-22由出液閥流出，經(jīng)膨脹閥進(jìn)入F-22的蒸發(fā)器吸收熱量，然后由壓縮機(jī)吸入并排入冷凝器，放出的熱量由冷卻水帶走。 F-22的蒸發(fā)器是作為F-13的冷凝器之用的，由F-22在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)使蒸發(fā)器的溫度降低，于是把F-13冷凝成液體，低溫的液態(tài)F-13，由出液閥流出經(jīng)膨脹閥到蒸發(fā)器內(nèi)大量吸熱，產(chǎn)生很低的溫度，變成蒸汽由壓縮機(jī)到F-13的冷凝器中，由液態(tài)F-22蒸發(fā)所產(chǎn)生的低溫冷卻而冷凝成液態(tài)F-13，熱量由F-22的蒸汽帶

53、走。 F-13的管路系統(tǒng)上有一個(gè)膨脹容器和負(fù)荷調(diào)節(jié)器，當(dāng)F-22剛工作，F(xiàn)-13的冷凝器溫度還未下降時(shí)，以及F-22系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它可防止F-13的壓力過高而起緩沖作用，當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，F(xiàn)-13進(jìn)入膨脹容器，當(dāng)正常工作時(shí)F-13又從膨脹容器進(jìn)入管路參加循環(huán)。安全閥是當(dāng)壓力太高時(shí)，把F-13部分放入大氣。以維持在規(guī)定的安全壓力內(nèi)。 第九節(jié)　　致冷劑和載冷劑 致冷劑是冷凍機(jī)中的循環(huán)工質(zhì)。液態(tài)致冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱后，本身變成蒸汽，被壓縮機(jī)吸入并壓縮進(jìn)入冷凝器中，由空氣、水或其他介質(zhì)冷卻而冷凝成液體，然后經(jīng)儲(chǔ)液器又經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱。實(shí)際上冷凍機(jī)是利用了致冷劑吸收汽化熱來達(dá)

54、到致冷作用的，如果冷凍機(jī)不滲漏，則致冷劑在工作中并不損失。 一般說來，容易蒸發(fā)和冷凝的物質(zhì)都可作為致冷劑，但致冷劑必須滿足一定的要求：有高的臨界溫度和低的冷凝壓力；液體的汽化熱要大；蒸汽的比容要??；沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)要低；化學(xué)穩(wěn)定性要強(qiáng)，不與潤滑油起化學(xué)反應(yīng)；對(duì)人體無毒害；不易燃易爆；價(jià)格便宜等。因此能實(shí)際應(yīng)用的致冷劑并不多，而且沒有完全理想的致冷劑。 最常用的致冷劑是氨和一些氟利昂。 氨是最早被使用的一種致冷劑，目前在大型冷凍機(jī)中仍廣泛應(yīng)用著。氨的價(jià)格便宜，但氨對(duì)人有害，能導(dǎo)致中毒，當(dāng)空氣中氨的含量達(dá)到13.1~26.8%時(shí)遇明火有爆炸的危險(xiǎn)。 氟利昂是目前中小型冷凍機(jī)廣泛采用的一類致冷劑

55、，大部分是甲烷和乙烷的氟、氯衍生物，少數(shù)是溴衍生物。氟利昂類致冷劑的特點(diǎn)是分子量較大，壓縮終點(diǎn)溫度低，凝固點(diǎn)低，大多數(shù)氟利昂無毒，無臭，不著火，與空氣混合不會(huì)爆炸，對(duì)金屬不腐蝕，大多數(shù)氟利昂能與潤滑油以任何比例互相溶解；但氟利昂的價(jià)格較貴，單位重量的致冷量較小，對(duì)天然橡膠有破壞作用，能溶解多種涂漆，與火焰接觸能分解出有毒的氣體。當(dāng)有水分存在時(shí)，在一定條件下氟利昂會(huì)發(fā)生水解形成一種酸性物質(zhì)，腐蝕金屬，并使油變污濁。 氟利昂類中最常用的是R-12，R-22，R-13，以及混合致冷劑R-500，R-502等。現(xiàn)在致冷劑以統(tǒng)一命名，以字母R開頭。一些致冷劑的名稱代號(hào)見表十四。 表十四　一些致冷劑的

56、名稱和代號(hào) 名稱 代號(hào) 舊代號(hào) 分子式 水 R-718 － H2O 氨 R-717 － NH3 二氟二氯甲烷 R-12 F-12 CF2CL2 三氟一氯甲烷 R-13 F-13 CF3CL 四氟甲烷 R-14 F-14 CF4 二氟一氯甲烷 R-22 F-22 CHF2CL 三氟甲烷 R-23 F-23 CHF3 三氟溴甲烷 R-13B1 F-13B1 CF3Br 五氟一氯乙烷 R-115 F-115 C2F5CL 二氟乙烷 R-152 F-152 CH3CHF2 一些混合致冷劑的組份見表十五。

57、 表十五　一些混合致冷劑的組分 代號(hào) 組分 R-500 73.8%R-12+26.2%R-152 R-501 75%R-22+25%R-12 R-502 51.2%R-115+48.8%R-22 R-503 59.9%B-13+40.1%R-23 R-504 51.8%R115+48.2%R-23 一些致冷劑的性質(zhì)見表十六。 一些致冷劑的溫度和壓力對(duì)照見附錄一。 致冷劑是一類化工產(chǎn)品，常溫下大都是氣態(tài)，因此需使用鋼瓶儲(chǔ)運(yùn)，為了與其他壓縮氣體瓶相區(qū)別，鋼瓶涂上標(biāo)記顏色，在我國氨涂黃色，氟利昂涂銀色。 表十六　一些致冷劑的性質(zhì) 代號(hào) 分子量 沸點(diǎn) (℃)

58、 凝固點(diǎn) (℃) 蒸發(fā)熱 (卡/克) 臨界壓力 (kg/cm2) 臨界溫度 (℃) R-718 18.02 100 0 536.5 225.65 374.5 R-717 17.03 -33.35 -77.7 327.3 115.2 132.4 R-12 120.92 -29.8 -158 39.97 41.4 112 R-22 86.48 -40.8 -160 55.92 50.2 96 R-13 104.47 -81.5 -181 35.77 39.4 28.8 R-13B1 148.91 -57.7

59、5 -168 28.83 39.1 67 R-14 88.01 -128 -184 32.58 38.1 -45.5 R-500 99.31 -33.3 -158.9 48.61 44.4 105.1 R-502 111.64 -45.6 42.5 42.1 90.1 R-503 87.5 -89 19.5 42.5 鋼瓶使用應(yīng)注意幾點(diǎn)：鋼瓶應(yīng)直立存放在陰涼通風(fēng)之處，遠(yuǎn)離熱源，防止太陽的直曬；搬運(yùn)時(shí)要輕取輕放，防止拋擲和碰撞；使用中禁止明火加熱，并保持室內(nèi)空氣流通。 載冷劑又稱傳熱劑，傳溫流體或冷媒，是致冷中借以傳遞

60、熱量的一種介質(zhì)。在凍干機(jī)中主要用于凍干箱的間接致冷和加熱，但也有用于冷凝器的致冷和化霜。 凍干機(jī)中對(duì)載冷機(jī)的要求是：有低的凝固點(diǎn)，高的沸點(diǎn)，對(duì)金屬不腐蝕，對(duì)人無毒害，不易燃易爆，低溫下粘度小，價(jià)格便宜等。 三氯乙烯是常用的一種載冷劑，它具有氯仿的氣味，不易燃燒，凝固點(diǎn)-73℃，沸點(diǎn)87.3℃，20℃時(shí)的粘度為0.58厘泊；但三氯乙烯對(duì)人有害，能引起中毒，空氣中的最大允許濃度是每升0.05毫克，當(dāng)有水份存在時(shí)呈酸性，對(duì)金屬有腐蝕作用。 儀表油常用凍干機(jī)的加熱，但在低溫下粘度大，流動(dòng)性很差，往往造成板層溫度很大的不均勻性，嚴(yán)重影響凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。 一些進(jìn)口凍干機(jī)使用了丁基二乙二醇和Bayo

61、135。丁基二乙二醇的凝固點(diǎn)為-68℃到-78℃左右，沸點(diǎn)為213℃，能溶于水和酒精，能著火；Bayo135號(hào)油的工作溫度范圍是-60℃到+100℃。 硅油有更大的工作溫度范圍，當(dāng)凍干箱需用蒸汽高壓消毒時(shí)需用硅油，合適牌號(hào)的硅油工作范圍是-100℃~+250℃，但硅油的價(jià)格很貴。 最近國內(nèi)研制了一種“424”冷煤，它是由40%乙二醇，20%乙醇，40%的水配成的，凝固點(diǎn)為-64℃，沸點(diǎn)為98℃。比重為１，比熱為0.75，粘度在25℃時(shí)為１，閃點(diǎn)80℃，價(jià)格較便宜，每公斤2元左右。經(jīng)試用，效果好；但“424”仍是易燃的，明火可點(diǎn)燃。 第十節(jié)　　水和溶液的一些性質(zhì) 水的分子由二個(gè)氫

62、原子和一個(gè)氧原子組成，化學(xué)符號(hào)是H2O。分子量為18。水的密度在＋4℃時(shí)最大，為1克/厘米，溫度生高或降低時(shí)密度均減小。冰的密度為0.92克/厘米，所以冰比水輕，并且結(jié)冰時(shí)發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象。 在一個(gè)大氣壓下，水的冰點(diǎn)是0℃，壓力增加冰點(diǎn)反而下降。壓力降低時(shí)，熔點(diǎn)上升，當(dāng)水的蒸汽壓等于外界壓力時(shí)，它就沸騰；在一個(gè)大氣壓下，水的沸點(diǎn)為100℃，當(dāng)壓力減小時(shí)沸點(diǎn)會(huì)降低。壓力增加時(shí)，沸點(diǎn)會(huì)升高，水在不同壓力時(shí)的沸點(diǎn)見表十八。 表十八 水在不同壓力下的沸點(diǎn) 壓力(mmHg) 沸點(diǎn)(℃) 壓力(大氣壓) 沸點(diǎn)(℃) 680 96.7 1 100 700 97.7 2 120

63、 720 98.5 4 143 740 99.3 6 158 760 100 8 170 780 100.7 10 180 800 101.5 20 211 物質(zhì)的狀態(tài)由溫度和壓力所決定，根據(jù)冰、水、水蒸汽的壓力和溫度變化關(guān)系可以構(gòu)成水的狀態(tài)圖。如圖十二所示。OC線表示水的蒸汽壓曲線，蒸汽壓隨溫度增加而上升；OA線表示冰的熔點(diǎn)與壓力的關(guān)系，當(dāng)壓力增加時(shí)冰點(diǎn)反而下降；OB線表示冰的蒸汽壓曲線，冰的蒸汽壓隨溫度的增加而升高；O點(diǎn)是冰、水、汽的平衡點(diǎn)，在這個(gè)溫度和壓力時(shí)，冰、水、汽可以同時(shí)共存；它的溫度為0.01℃和壓力為4.6Hg，同樣，OA線是冰、水共

64、存線。OB是水、汽共存線，OC線是水、汽共存線。從圖可以看出，當(dāng)壓力低于4.6mmHg時(shí)，不管溫度如何變化，水的液態(tài)不能存在。這時(shí)只有固態(tài)和氣態(tài)二種形態(tài)。 水蒸汽的臨界溫度374℃；臨界壓力是217.7大氣壓。 溫度降低時(shí)，水蒸汽很容易液化；在不同的溫度，水和冰均有不同的蒸汽壓，溫度降低時(shí)，冰和水的蒸汽壓也隨之降低。見表十九和表二十。 表十九　　冰在不同溫度下的蒸汽壓 溫度（℃） 壓力（mmHg） 溫度（℃） 壓力（mmHg） -100 1×15-5 -12 1.632 -90 7×15-5 -11 1.785 -80 4×15-

65、4 -10 1.990 -70 1.9×15-3 -9 2.131 -60 8.1×15-3 -8 2.326 -50 2.96×15-2 -7 2.537 -40 9.66×15-2 -6 2.765 -30 0.2859 -5 3.013 -25 0.4760 -4 3.280 -20 0.7760 -3 3.568 -18 0.939 -2 3.880 -15 1.241 -1 4.217 -14 1.311 0 4.579 -13 1.490 表

66、二十 水在不同溫度時(shí)蒸汽壓力 溫度（℃） 壓力（mmHg） 溫度（℃） 壓力（mmHg） -10 2.149 45 71.88 -5 3.163 50 95.21 0 4.579 60 149.4 5 6.543 70 233.7 10 9.209 80 355.1 15 12.79 90 525.76 20 17.54 100 760.00 25 23.76 150 3571 30 31.82 200 11659 35 42.18 250 29818 40 55.32 300 64433

67、水和冰都是熱的不良導(dǎo)體，在不同的溫度時(shí)，空氣在水中的溶解度也不同。它隨溫度的升高而降低，見表二十一。 純水幾乎不導(dǎo)電。當(dāng)水中溶有其他物質(zhì)時(shí)，導(dǎo)電性可能會(huì)增加。 表二十一 空氣在水中的溶解度 760mmHg時(shí),1000ml水中溶解空氣的毫升數(shù) 溫度（℃） 毫升數(shù) 溫度（℃） 毫升數(shù) 0 29.18 16 20.14 2 27.69 18 19.38 4 26.32 20 18.68 6 25.06 22 18.01 8 23.90 24 17.38 10 22.84 26 16.79 12 21.87 28 16.21 14 20.97 30 15.64 一種物質(zhì)或多種物質(zhì)均勻地分布在另一種物質(zhì)之中所組成的混合液稱為溶液。當(dāng)氣體或固體溶解在液體中時(shí)，通常稱液體為溶媒或溶劑，氣體或固體為溶質(zhì)；當(dāng)液體與液體互相溶解時(shí)，通常把其中含量多的成分叫溶媒或溶劑，含量少的成分叫溶質(zhì)，當(dāng)溶媒或溶劑是水時(shí)，便叫做水溶液。 表示溶液濃度的方式有很多，通常百分比濃度使用最多；當(dāng)在100份溶液中，溶質(zhì)所占的份數(shù)重量就是改溶液的多少百分濃度，例如100克水溶液中，有10克氯化鈉，90克水，則就稱為10%的氯化鈉水溶液。 溶