-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Verdampfung eines fluiden Mediums in der Verdampferrohrleitung eines Kondensators.
-
Kondensatoren dienen zur Luftentfeuchtung und beispielsweise auch zur Trocknung in Gefriertrocknern. Sie können dabei Teil eines Gefriertrockners sein. Eine Rohrleitung, die ein fluides Verdampfermedium führt, ist durch den Kondensator geführt. Der Kondensator weist einen Vakuumbehälter auf, der an eine Vakuumpumpe angeschlossen wird. Durch den Vakuumbehälter hindurch ist die Verdampferrohrleitung in Wendeln oder Schlangen, zum Beispiel spiralförmig, geführt. Bei einer Gefriertrocknungsanlage ist der Vakuumbehälter gasleitend mit der Gefriertrocknungskammer verbunden.
-
Beim Evakuieren des Vakuumbehälters wird zugleich auch die Gefriertrocknungskammer evakuiert. Die Feuchtigkeit des zu trocknenden Produkts wird dabei in den Vakuumbehälter des Kondensators gesogen.
-
Durch einen Einlass wird der Verdampferrohrleitung das Verdampfermedium in flüssiger Form zugeführt. Typischerweise wird bei Kondensatoren von Gefriertrocknungsanlagen flüssiger Stickstoff LN2 verwendet. Das fluide Verdampfermedium ist beim Einlassen auf eine Temperatur gekühlt, bei welcher der flüssige Zustand besteht. Stickstoff wird bei –196°C flüssig. Innerhalb des Vakuumbehälters verdampft das Medium beim Durchströmen der Verdampferrohrleitung. Durch die entstehende Kälte kondensiert Feuchtigkeit an der Rohrleitung.
-
Es ist bekannt, die Temperatur der Rohrleitung innerhalb des Vakuumbehälters und die Temperatur des verdampften gasförmigen Mediums innerhalb der Rohrleitung hinter dem Vakuumbehälter zu messen und in Abhängigkeit von diesen Temperaturen die Fluidzufuhr in die Verdampferrohrleitung zu regeln. Wenn beispielsweise die Temperatur der Rohrleitung innerhalb des Vakuumbehälters steigt, wird mehr Verdampfermedium der Rohrleitung zugeführt, damit der Verdampfer kälter wird und die Kondensationsleistung steigt.
-
Bei einer großen Menge an Feuchtigkeit der dem Kondensator zugeführten Luft wird eine vergleichsweise große Menge an Verdampfermedium der Rohrleitung zugeführt. Der Wasserdampf führt zu Eisbildung an der Verdampferrohrleitung. Mit zunehmender Trocknung des Produkts nimmt die Menge an Wasserdampf ab. Die Menge des dem Kondensator zugeführten Wasserdampfs nimmt dabei ab, wodurch der Verdampferrohrleitung weniger Wärmeenergie zugeführt wird. Die Temperatur des Verdampfermediums innerhalb der Rohrleitung fällt. Ab einem bestimmten Punkt reicht die der Verdampferrohrleitung von Außen zugeführte Wärmeenergie nicht mehr aus, um eine Verdampfung des flüssigen Stickstoffs innerhalb der Rohrleitung zu ermöglichen, weil die Temperatur des fluiden Mediums innerhalb der Verdampferrohrleitung zu gering ist. Dies führt dazu, dass keine Verdampfung mehr erfolgt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verdampfung von fluidem Medium in einem Kondensator zu erzielen.
-
Erfindungsgemäß wird das fluide Medium im Bereich des Einlasses, das heißt dort wo das fluide Medium den flüssigen Zustand aufweist, erwärmt. Durch das Erwärmen des flüssigen Mediums steigt dessen Temperatur. Die Erwärmung erfolgt um eine solche Temperaturdifferenz, dass das erwärmte fluide Medium verdampft. Im Bereich der Heizung bilden sich Gasblasen, die das flüssige Medium durchströmen. Das verdampfte Gas sprudelt durch das noch flüssige Verdampfermedium und erwärmt dieses, wodurch das flüssige Medium wiederrum zur Verdampfung angeregt wird, Durch das gezielte Erhitzen des flüssigen Mediums im Einlassbereich der Rohrleitung wird das ins Stocken geratene Verdampfen wieder angeschoben.
-
Der Bereich des Einlasses der Rohrleitung, in dem das flüssige Medium erwärmt wird, erstreckt sich vorzugsweise über das erste Drittel der Länge der Rohrleitung. Die Länge der Rohrleitung ist durch die Positionen des Einlasses und des Auslasses der Rohrleitung vorgegeben. Das fluide Medium kann erfindungsgemäß also an einem beliebigen Ort im Bereich des ersten Drittels der Länge der Rohrleitung erwärmt werden. Bei einer bevorzugten Variante ist die Heizung zur Erwärmung der Verdampferrohrleitung außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet.
-
Mit Hilfe eines ersten Temperatursensors kann die Temperatur T1 der Rohrleitung innerhalb des Vakuumbehälters gemessen werden. Der erste Temperatursensor kann im Bereich des oberen Drittels der Rohrleitung innerhalb des Vakuumbehälters angeordnet sein. Da die Rohrleitung von der Höhe ihres Einlasses in dem Vakuumbehälter bis zu einem Scheitelpunkt aufsteigt, von welchem sie bis auf die Höhe ihres Auslasses wieder abfällt, ist das obere Drittel der Höhe der Rohrleitung durch den Höhenunterschied zwischen dem Einlass/Auslass und dem Scheitelpunkt innerhalb des Vakuumbehälters vorgegeben. Im Bereich des oberen Drittels dieses Höhenunterschiedes kann der erste Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Rohrleitung und/oder der Temperatur des Verdampfermediums innerhalb der Rohrleitung vorgesehen sein.
-
Ein zweiter Temperatursensor kann im Bereich des Auslasses der Rohrleitung zur Messung der Temperatur der Rohrleitung oder der Temperatur des Mediums innerhalb der Rohrleitung vorgesehen sein. Als Bereich des Auslasses kann dabei der Bereich des letzten Drittels der Länge der Rohrleitung angesehen werden. Der zweite Temperatursensor kann also erfindungsgemäß an einem beliebigen Ort des letzten Drittels der Rohrleitung angeordnet sein.
-
Im Folgenden wird anhand von Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht des Kondensators und
-
2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises.
-
Die Verdampferrohrleitung 12 ist in spiralförmigen Wendeln durch einen Vakuumbehälter 14 hindurch geführt. Der Vakuumbehälter 14 ist ein evakuierbares Gehäuse, das einen Vakuumanschluss 16 für eine Vakuumpumpe aufweist. Der Vakuumbehälter 14 ist darüber hinaus über einen weiteren Anschluss 18 mit der Gefriertrocknungskammer 20 einer Gefriertrocknungsanlage verbunden. Auf Stellplatten 22 der Gefriertrocknungskammer befindet sich das zu trocknende Produkt 23.
-
Fluides Medium, im vorliegenden Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff LN2, wird der Verdampferrohrleitung 12 durch einen Einlass 24 außerhalb des Vakuumbehälters zugeführt. Durch einen Auslass 26 strömt das verdampfte, nun gasförmige Medium (Stickstoff N2) aus der Verdampferrohrleitung 12 heraus. Beim Durchströmen der Rohrleitung 12 innerhalb des Vakuumbehälters 14 verdampft das Medium, kühlt dabei die Rohrleitung 12 und Feuchtigkeit kondensiert.
-
Im Bereich des Einlasses ist ein Ventil V1 zur Steuerung der Fluidzufuhr vorgesehen.
-
Eine Heizung H1 ist im Bereich des Einlasses 24 zwischen dem Ventil V1 und dem Vakuumbehälter 14 vorgesehen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann sich die Heizung H1 an einer beliebigen Stelle der Verdampferrohrleitung 12 im Bereich des ersten Drittels der Länge der Verdampferrohrleitung 12 befinden. Dieser Bereich, in welchem sich die Heizung H1 erfindungsgemäß befinden kann, ist in 1 durch die gestrichelten Linien A und B markiert. Die Heizung H1 ist als Heizpatrone über eine Tauchhülse in die Rohrleitung 12 geschoben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Heizung H1 auf der Außenwand der Rohrleitung 12 vorgesehen sein, um die Rohrleitung 12 zu beheizen.
-
Ein erster Temperatursensor 28 ist zur Messung der Temperatur T1 der Rohrleitung 12 innerhalb des Vakuumbehälters 14 außen auf der Rohrleitung 12 angebracht. Der Temperatursensor 28 befindet sich circa im oberen Drittel der Höhe der Rohrleitung 12. Die Höhe der Rohrleitung 12 ist dabei der von der Rohrleitung 12 zurückgelegte Höhenunterschied von der Höhe des Einlasses 24 und des Auslasses 26 bis zum höchsten Punkt (Scheitelpunkt) 27 innerhalb des Vakuumbehälters 14. Dabei steigt die Rohrleitung 12 von der Höhe des Einlasses 24 senkrecht nach oben bis in den unteren Bereich des Vakuumbehälters und von dort innerhalb des Vakuumbehälters 14 bis zum Scheitelpunkt 27 der Rohrleitung 12 auf und fällt vom Scheitelpunkt 27 bis auf die Höhe des Auslasses 26 vertikal nach unten ab.
-
In dem in 1 dargestellten Beispiel steigt die Rohrleitung 12 innerhalb des Vakuumbehälters 14 als schraubenförmige Wendel bis zum Scheitelpunkt 27 auf und fällt von dort innerhalb des Vakuumbehälters 14 durch die Mitte der schraubenförmigen Wendel ab. Alternative Varianten sind denkbar. Beispielsweise kann die Wendel nicht schraubenförmig, sondern eckig ausgebildet sein. Entscheidend ist, dass die Länge der aufsteigenden Rohrleitung 12 innerhalb des Vakuumbehälters 14 bis zum Scheitelpunkt 27 deutlich größer ist, als die Länge des vom Scheitelpunkt 27 innerhalb des Vakuumbehälters 14 abfallenden Teils der Rohrleitung 12, um eine ausreichende Kondensation zu erzielen.
-
Ein zweiter Temperatursensor 29 misst die Temperatur T2 des fluiden Verdampfermediums 34 im Bereich des Auslasses 26 innerhalb der Rohrleitung 12. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann sich der zweite Temperatursensor 29 an einer beliebigen Stelle innerhalb des letzten Drittels der Länge der Verdampferrohrleitung 12 befinden. Das letzte Drittel der Länge der Rohrleitung 12, in welchem sich der zweite Temperatursensor 29 erfindungsgemäß befinden kann, ist in 1 durch die gestrichelten Linien C und D markiert.
-
Beim Starten des Gefriertrocknungsprozesses ist das Produkt 23 eingefroren und befindet sich auf den Stellplatten 22 der Gefriertrocknungskammer 20. Die Gefriertrocknungskammer 20 wird von einer mit dem Vakuumanschluss 16 verbundenen Vakuumpumpe durch den Vakuumbehälter 14 hindurch evakuiert. Nach Erreichen des jeweils erforderlichen Vakuumdrucks wird das Produkt 23 über die Stellplatten 22 aufgeheizt, wobei dem Produkt Wasser durch Sublimation entzogen wird. Der Dabei entstehende Wasserdampf schlägt sich auf der Verdampferrohrleitung 12 nieder.
-
Das Ventil V1 muss eine große Menge des fluiden Mediums 30 durch den Einlass 24 in die Rohrleitung 12 einströmen lassen, damit die Temperatur T1 ausreichend fällt und eine ausreichende Menge des Mediums verdampft, um eine ausreichende Kondensationsleistung zu erzielen. Wenn anschließend die Feuchtigkeit in dem Vakuumbehälter 14 nachlässt, wird nicht mehr ausreichend Kälte von der Rohrleitung 12 abgeführt. Die Temperatur T1 und die Temperatur des fluiden Mediums innerhalb der Rohrleitung 12 fallen bis zu einer Temperatur, bei der das fluide Medium nicht mehr verdampft. Das flüssige Medium 30 steigt innerhalb der Rohrleitung 12 an. Der Verdampfungsprozess wird gestoppt.
-
Durch Heizen des fluiden Mediums 30 in dem Bereich A–B des Einlasses 24 mit Hilfe der Heizung H1 wir ein Teil des flüssigen Mediums verdampft. Gasblasen 32 entstehen im Bereich der Heizung H1, die das flüssige Verdampfermedium 30 sprudelnd durchströmen. Die in dem Kondensator aufsteigenden Gasblasen 32 schieben den Verdampfungsprozess wieder an.
-
2 zeigt einen Regelkreis zur Regelung der Verdampfung. Dem Regler I werden als Eingangsgröße der Sollwert SWV für die Temperatur T1 des Verdampfers und die gemessene Temperatur T1 zugeführt. Der Sollwert SWV soll im Bereich zwischen –40°C und –140°C und vorzugsweise etwa –80°C betragen.
-
Am Ausgang des Reglers I resultiert ein Signal im Bereich zwischen 0% und 100%. Dieses bildet zusammen mit der gemessenen Temperatur T2 den Sollwert SWA der Abgastemperatur im Bereich des Gasauslasses 26. Dieser Sollwert SWA soll zwischen –40°C und –120°C und vorzugsweise etwa –50°C betragen. Der Sollwert SWA wird dem Regler II zugeführt, an dessen Ausgang ein Wert im Bereich zwischen 0% und 100% resultiert. In Abhängigkeit von diesem Wert werden das Ventil I und die Heizung H1 gesteuert. Wenn der Wert unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, wird die Heizung H1 eingeschaltet. Der Schwellenwert kann im Bereich zwischen 10% und 30% und vorzugsweise im Bereich von 15% bis 20% liegen und insbesondere circa 20% betragen.
-
Es gilt folgende Berechnungsvorschrift für den Sollwert SWA der Abgastemperatur: SWA = TA – (TO·SG1/100), mit
- TA:
- Solltemperatur Abgas in °C,
- TO:
- Offset Solltemperatur Abgas in °C,
- SWV:
- Sollwert Verdampfertemperatur T1 in °C
- SWA:
- berechneter Sollwert der Abgastemperatur T2 und
- SG1:
- Stellgrößeregler I in %.
