In einem Gefriertrockner ist die Kältefalle die Hauptkomponente für den Wassertransport, nicht die Pumpe. Die Vorpumpe erfüllt nur zwei Aufgaben: Sie entfernt die nicht kondensierbaren Gase aus der Kammer und hält den Kammerdruck unter dem Sättigungsdampfdruck über Eis, der zur Produkttemperatur gehört. Diese beiden Aufgaben definieren die Auswahlgrenzen – der Arbeitsdruckpunkt entscheidet, ob einstufig oder zweistufig, die Wasserdampf-Durchtrittsmenge bestimmt die Abstimmung von Pumpe und Kältefalle, die Dauer der Endabsaugung bestimmt den Rohrleitungsdurchmesser. Nach Berechnung dieser drei Größen konvergiert die Modellauswahl weitgehend.
I. Arbeitsdruckpunkt: Die Grenze von 0.1 mbar schließt einstufige Pumpen aus
Die physikalische Voraussetzung der Gefriertrocknung ist die Sublimation; der Kammerdruck muss unter dem Sättigungsdampfdruck über Eis liegen, damit Wasser direkt vom festen Zustand in die Gasphase übergeht. Der Sättigungsdampfdruck von Eis fällt mit der Temperatur schnell: bei −35 ℃ etwa 0.22 mbar, bei −40 ℃ etwa 0.13 mbar, bei −50 ℃ etwa 0.039 mbar. Je niedriger die Produkttemperatur, desto niedriger muss der Kammerdruck sein. Das übliche Arbeitsband der Primärtrocknung liegt bei 0.1–0.3 mbar.
Vergleichen Sie diesen Punkt mit den Produktparametern. Die DPL-V0025A hat ein Saugvermögen von 20 m³/h und einen Enddruck von 0.5 mbar; der Arbeitspunkt 0.1 mbar liegt bereits unter ihrem Enddruck, die Pumpe kann an diesem Punkt nicht fördern, der Druck kann nur durch Leckage und Desorption gehalten werden. Von den einstufigen ölgedichteten Pumpen erreicht die DPL-V0040A 0.1 mbar (bei geschlossenem Gasballast), liegt damit genau am Enddruck und hat keine Reserve.
Zweistufig ist die richtige Lösung für diese Linie. Die DPL-2V18 hat ein Saugvermögen von 17 m³/h und einen Enddruck von 1×10⁻³ mbar; die DPL-2V28 hat ein Saugvermögen von 27.5 m³/h und einen Enddruck von 1×10⁻³ mbar. Der Arbeitspunkt liegt zwei Größenordnungen über dem Enddruck, das Saugvermögen liegt nahe am Nennwert. Eine Faustregel: Der Arbeitsdruck sollte mindestens eine Größenordnung über dem Enddruck der Pumpe liegen. 0.1 mbar mit 1×10⁻³ mbar ergibt eine Reserve von Faktor zehn; 0.1 mbar mit 0.1 mbar ergibt keine Reserve. Parameter siehe /de/products/dp-2v18/ und /de/products/dp-2v28/.
II. Wasserdampflast: Bei drei Promille Durchtritt durch die Kältefalle ist die Pumpe ausgelastet
Zuerst berechnen, welches Volumen Wasser bei 0.1 mbar einnimmt. Wenn 20 kg Eis in 24 Stunden sublimieren, beträgt die mittlere Rate 0.833 kg/h, also 2.31×10⁻⁴ kg/s. Bei 0.1 mbar (10 Pa) und 20 ℃ ergibt sich für Wasserdampf nach dem idealen Gasgesetz das spezifische Volumen: v = RT/P = 461.5 × 293 / 10 ≈ 13,500 m³/kg.
Volumenstrom = 2.31×10⁻⁴ × 13,500 ≈ 3.13 m³/s, also 11,300 m³/h.
Die DPL-2V28 leistet 27.5 m³/h, der Unterschied beträgt Faktor 400. Zu erwarten, dass die Pumpe das Wasser direkt aus dem Produkt absaugt, ist in der Gefriertrocknung nicht gangbar; die Kältefalle ist eine notwendige Komponente und keine optionale Ausstattung.
Nachdem die Kältefalle das Wasser abgeschieden hat, sieht die Pumpe nur den Rest, der durch die Kältefalle hindurchtritt. Eis auf der Oberfläche einer −50 ℃ kalten Kältefalle hat einen Sättigungsdampfdruck von 0.039 mbar; bei 0.1 mbar in der Kammer wird der Wasserdampfpartialdruck unter diesen Wert gedrückt, theoretisch liegt der Rest nur im Bereich von Milligramm pro Stunde. Das ist jedoch ein Idealwert: Die Kältefalle hat direkte Durchtrittswege, nach dem Anwachsen der Reifschicht steigt die Oberflächentemperatur wieder an, und eine Durchtrittsrate von einigen Promille kommt der Praxis näher. 0.3% Durchtritt entsprechen 2.5 g/h, bei 0.1 mbar umgerechnet 34 m³/h – ein 2V28 mit 27.5 m³/h wird durch diesen Posten bereits ausgelastet.
Deshalb sind Pumpe und Kältefalle ein Parameterpaar, das gemeinsam festgelegt werden muss. Gasballast erhöht die Wasserdampfverträglichkeit, verschlechtert aber den Enddruck: 2V18 und 2V28 erreichen bei geschlossenem Gasballast 1×10⁻³ mbar und bei geöffnetem Gasballast 1.5×10⁻² mbar. 1.5×10⁻² mbar liegt noch unter dem Arbeitspunkt 0.1 mbar, ein Öffnen des Gasballasts in der Endphase ist machbar; bei der einstufigen DPL-V0040A beträgt der Wert mit geöffnetem Gasballast 0.5 mbar, was über dem Arbeitspunkt liegt, sie darf nicht über längere Zeit mit geöffnetem Gasballast laufen.
III. Endabsaugung: Der Engpass ist die Rohrleitung, nicht die Pumpe
Die Evakuierungszeit wird mit t = V/S × ln(P₁/P₂) abgeschätzt. Für eine 1.2 m³ große Kammer von Atmosphärendruck auf 1 mbar: 2V18 (17 m³/h) 29 min, 2V28 (27.5 m³/h) 18 min, DPL-2V80 (74 m
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