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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen mit einer derartigen Vorrichtung ausgestatteten Autoklaven gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Aus dem Stand der Technik sind Autoklavensysteme bekannt, die ohne einen einer Vakuumpumpe vorgeschalteten Wärmeübertrager funktionieren. Bei diesen Vakuumpumpen handelt es sich jedoch vorrangig um Wasserstrahl- oder Wasserringpumpen. Denn derartige Pumpen funktionieren auch bei einem Kondensateintrag problemlos. Allerdings haben solche Vakuumpumpen einen hohen Kühlwasserverbrauch, weshalb ihr Einsatz im Bereich der Kleinstabilisatoren stark rückläufig ist.
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Bei Autoklavensystemen mit Membran- oder Kolbenpumpen als Vakuumpumpen oder mit einer Venturi-Düse zur Erzeugung eines Unterdrucks wird der entsprechenden Vakuumpumpe regelmäßig ein Wärmeübertrager vorgeschaltet, um das Risiko eines Eintrags eines Prozessfluids mit zu hoher Temperatur (wie etwa Dampf) oder eines Kondensateintrags in die Vakuumpumpe zu reduzieren. Die Wärmeübertrager werden häufig als luftgekühlte Rohrschlangenkühler, die beispielsweise Kupferrohre aufweisen, ausgeführt. Dabei können auf oder an den Rohren Lamellen vorgesehen sein, um eine bessere Wärmeübertragung zu erreichen.
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Aus der
DE 44 45 054 C3 ist ein Dampfsterilisator mit einem Kondensator zwischen einem Druckkessel und einer Vakuumpumpe bekannt. Die Vakuumpumpe und der Kondensator sollen wasserfrei betrieben bzw. wasserfrei gekühlt werden. Der Kondensator ist mit einem Kondensatsammelgefäß ausgestattet, das sich unterhalb des Kondensators befindet.
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Aus der
EP 1 064 954 B1 ist ein Dampfsterilisator bekannt, der ein Mittel zur Entleerung von Kondensat durch Überdruck aus einem Kondensator und/oder einem Kondensatsammelgefäß aufweist.
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Aus der
EP 0 937 456 A1 sind ein Dampfsterilisator und ein Verfahren zum Kondensatablass bekannt. Dabei wird abzulassendes Kondensat über eine separate Leitung geführt, wobei eine Verbindung zwischen einem Kondensator und einer Vakuumpumpe erst dann hergestellt wird, wenn ein Druck erreicht wird, der kleiner als der Sterilisationsdruck ist.
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Aus der
EP 1 424 084 B1 sind ein Dampfsterilisator und ein Verfahren zum Kondensatablass bekannt, wobei ein Kondensatstrom und ein Volumenstrom zusammengeführt werden und gemeinsam über einen Kondensator geführt wird.
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Aus der
EP 0 992 247 A1 ist ein Autoklav mit einer Kammer, einem Dampferzeuger, einem Kondensator und einer Vakuumpumpe bekannt. Dabei wird ein Kondensat aus der Kammer in einem Kreislauf geführt, sodass der Dampferzeuger nicht ständig mit frischem Speisewasser versorgt werden muss.
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Aus der
EP 1 600 171 A2 ist ein als Wärmesenke ausgestalteter Kondensator bekannt, der den im Zusammenhang mit der zuvor diskutierten Patentanmeldung erläuterten Kreislauf des Kondensats besonders effektiv ausgestalten soll.
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Aus der
EP 1 273 311 A1 ist ein Autoklav mit einem Dampferzeuger, einem Dampfreservoir und einem Kondensatsammelbehälter bekannt, der oberhalb des Dampfgenerators angeordnet ist. Ferner ist ein Rückschlagventil zwischen dem Kondensatsammelbehälter und den Dampfgenerator vorgesehen.
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Aus der
EP 1 273 310 A1 ist ein Autoklav bekannt, bei dem zwischen einem Kondensator und einer Vakuumpumpe ein Ausfällungsbehälter vorgesehen ist, der sich durch Schwerkraft entleert. Dabei wird das System durch ein Rückschlagventil während des Betriebs der Vakuumpumpe dicht gehalten.
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Bei all diesen aus dem Stand der Technik bekannten Autoklaven bzw. Autoklavensystemen orientiert sich die Führung der abzukühlenden Fluide nicht am Luftstrom eines zur Kühlung eingesetzten Ventilators. Beispielsweise wird im Fall von Rohrschlangenkühlern ein einziges Rohr in zahlreichen Windungen durch den Kondensator geführt und vom Luftstrom des Ventilators umspült. Dabei trifft der eine bestimmte Temperatur aufweisende Luftstrom sowohl auf Rohrbereiche, durch die heißes abzukühlendes Fluid geführt wird als auch auf Rohrbereiche, durch die bereits etwas abgekühltes Fluid geführt wird, das noch weitere abgekühlt werden soll. Folglich liegen unterschiedliche Temperaturdifferenzen zwischen dem kühlenden Luftstrom und dem abzukühlenden Fluid vor, wodurch der kühlende Luftstrom nur sehr ineffizient genutzt werden kann.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Registerkühlern wird das abzukühlende Fluid durch eine Vielzahl einzelner Kühlregister von einer Seite eines Wärmeübertragers zur anderen Seite des Wärmeübertragers geführt und dabei durch einen Luftstrom abgekühlt. Auch in diesem Fall entsteht eine äußerst ungleiche Temperaturdifferenzverteilung in dem eingesetzten Wärmeübertrager.
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Einige der vorstehend diskutierten Autoklaven bzw. Systemen arbeiten mit speziellen Einrichtungen zur Abscheidung anfallenden Kondensats. Derartige Einrichtungen verursachen Kosten und benötigen Bauraum. Es wäre daher wünschenswert, auf derartige Einrichtungen zu verzichten.
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Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kann zwar grundsätzlich ein Großteil des anfallenden Kondensats von einer Vakuumpumpe ferngehalten werden. Dennoch wird die Vakuumpumpe einer erheblichen Belastung durch Prozesstemperaturen und Prozessfluide ausgesetzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator für ein Prozessfluid eines Autoklaven bereitzustellen, der es ermöglicht, eine Vakuumpumpe besser als aus dem Stand der Technik bekannt vor Kondensat zu schützen, ohne eine zusätzliche Einrichtung zu Kondensatabscheidung verwenden zu müssen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine derartige Vorrichtung weist einen Wärmeübertrager und einen an dem Wärmeübertrager angeordneten Gasstromerzeuger auf. Typischerweise befindet sich der Gasstromerzeuger dabei auf einer Außenseite des Wärmeübertragers. Der Wärmeübertrager weist eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite auf. Ferner weist er einen Strömungskanal für ein abzukühlendes Prozessfluid auf. Dieser Strömungskanal ist üblicherweise zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Wärmeübertragers in einem Innenbereich des Wärmeübertragers angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist der Gasstromerzeuger an der ersten Seite oder an der zweiten Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Ferner weist der Strömungskanal einen ersten Strömungskanalabschnitt und einen zweiten Strömungskanalabschnitt auf. Der erste Strömungskanalabschnitt erstreckt sich entlang der ersten Seite des Wärmeübertragers. Der zweite Strömungskanalabschnitt ist näher an der zweiten Seite des Wärmeübertragers als der erste Strömungskanalabschnitt angeordnet. Beispielsweise kann er sich entlang der zweiten Seite des Wärmeübertragers erstrecken.
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Der erste Strömungskanalabschnitt und der zweite Strömungskanalabschnitt sind strömungstechnisch miteinander verbunden. Dadurch wird ein abzukühlendes Prozessfluid im Betrieb der Vorrichtung beim Strömen durch den Wärmeübertrager zuerst durch den ersten Strömungskanalabschnitt und anschließend durch den zweiten Strömungskanalabschnitt geführt.
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Ein von dem Gasstromerzeuger erzeugter Gasstrom bzw. Luftstrom trifft zunächst auf den zweiten Strömungskanalabschnitt. Im Betrieb der Vorrichtung strömt durch den zweiten Strömungskanalabschnitt ein abzukühlendes Prozessfluid, das bereits in dem ersten Strömungskanalabschnitt einen Teil seiner ursprünglichen Wärmeenergie abgegeben hat. Dadurch ist der Temperaturgradient zwischen dem in dem zweiten Strömungskanalabschnitt strömenden Prozessfluid und dem durch den Gasstromerzeuger erzeugten Luftstrom ausreichend groß, um ein effektives weiteres Abkühlen des Prozessfluids im zweiten Strömungskanalabschnitt zu erreichen. Durch diese Abkühlung wird der Luftstrom erwärmt. Er trifft nachfolgend auf den ersten Strömungskanalabschnitt, der von noch nicht abgekühltem Prozessfluid durchströmt wird. Da dieses Prozessfluid signifikant wärmer ist als das Prozessfluid, das durch den zweiten Strömungskanalabschnitt strömt, ist trotz des bereits vorerwärmten Luftstroms weiterhin ein ausreichend großer Temperaturgradient zwischen dem Luftstrom und dem abzukühlenden Prozessfluid gegeben, sodass eine effektive Abkühlung des Prozessfluids im ersten Strömungskanalabschnitt möglich ist.
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Die Strömungsrichtung des durch den Gasstromerzeuger erzeugten Gasstroms bzw. Luftstroms ist vorzugsweise (nur) senkrecht zu einer für das durch den Strömungskanal strömende Prozessfluid vorgesehenen Strömungsrichtung ausgerichtet. Dadurch kann auf besonders einfache Weise sichergestellt werden, dass der von dem Gasstromerzeuger erzeugte Luftstrom bzw. Gasstrom zuerst auf bereits etwas abgekühltes Prozessfluid (im zweiten Strömungskanalabschnitt) und anschließend auf noch nicht abgekühltes Prozessfluid (im ersten Strömungskanalabschnitt) stößt. Durch die Etablierung ausreichend hoher Temperaturgradienten kann sowohl im ersten Strömungskanalabschnitt als auch im zweiten Strömungskanalabschnitt eine effektive Abkühlung des abzukühlenden Prozessfluids erreicht werden.
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Der Gasstromerzeuger kann auch als Luftstromerzeuger bezeichnet werden, da der erzeugte Gasstrom typischerweise ein Luftstrom ist. Beispielsweise kann ein Ventilator, ein Gebläse oder eine Luftfördermaschine als Gasstromerzeuger eingesetzt werden. Der von dem Gasstromerzeuger erzeugte Gasstrom bzw. Luftstrom weist dabei vorzugsweise die gleiche Temperatur wie die Umgebung des Gasstromerzeugers auf. Das heißt, es findet keine spezifische Erwärmung oder Abkühlung des von dem Gasstromerzeuger erzeugten Gasstroms statt. Eine Erwärmung wäre im Hinblick auf den zur Kühlung gewünschten Temperaturgradienten zu den Strömungskanalabschnitten unerwünscht. Durch eine vorherige Abkühlung des von dem Gaststromerzeuger erzeugten Gasstroms wäre der apparative Aufwand zur Herstellung eines entsprechenden Kondensators höher.
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In einer Variante ist der Gaststromerzeuger auf der zweiten Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Dann kann er einen von ihm erzeugten Gasstrom durch den Wärmeübertrager hindurchblasen. Ein Ventilator kann diese Aufgabe besonders vorteilhaft übernehmen.
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In einer anderen Variante ist der Gasstromerzeuger auf der ersten Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Er kann dann den zur Kühlung einzusetzenden Gasstrom durch den Wärmeübertrager saugen.
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Typischerweise weist der Wärmeübertrager nicht nur einen einzigen ersten Strömungskanalabschnitt, sondern mehrere erste Strömungskanalabschnitte auf. Diese sind vorzugsweise übereinander angeordnet, weisen gegenüber dem Gasstromerzeuger jedoch im Wesentlichen den gleichen Abstand auf. Ferner weist der Wärmeübertrager vorzugsweise nicht nur einen einzigen zweiten Strömungskanalabschnitt, sondern mehrere zweite Strömungskanalabschnitte auf, die ebenfalls übereinander angeordnet sind. In einer Variante sind der erste Strömungskanalabschnitt bzw. die ersten Strömungskanalabschnitte auf der einen Seite und der zweite Strömungskanalabschnitt bzw. die zweiten Strömungskanalabschnitte auf der anderen Seite in der Höhe versetzt zueinander angeordnet. Dadurch erfolgt eine turbulentere Führung des Luftstroms um die einzelnen Strömungskanalabschnitte herum, was die Kühlleistung verbessert.
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In einer Variante ist es zudem vorgesehen, dass eine erste Gruppe von Strömungskanalabschnitten im wesentlichen denselben Abstand zum Gasstromerzeuger aufweist, während eine zweite Gruppe von Strömungskanalabschnitten einen größeren oder kleineren Abstand zum Gasstromerzeuger als die Strömungskanalabschnitte der ersten Gruppe aufweist. Dabei ist der Abstand der einzelnen Strömungskanalabschnitte in der zweiten Gruppe vom Gasstromerzeuger vorzugsweise im Wesentlichen gleich. Auch in dieser Variante können die einzelnen Gruppen von Strömungskanalabschnitten leicht versetzt zueinander angeordnet sein, um so eine turbulentere Führung des Luftstroms zu ermöglichen. Die einzelnen Gruppen können entweder aus ersten Strömungskanalabschnitten oder aus zweiten Strömungskanalabschnitten bestehen.
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Durch eine derartige Vorrichtung kann die Lebenszeit der Membran einer Membranvakuumpumpe verlängert werden, da die Vakuumpumpe vor einer Förderung inkompressibler Medien (wie etwa Kondensat) geschützt wird. Ferner ist es möglich, die einzelnen Zyklen eines Autoklavenprozesses zu verkürzen, da es die höhere Kühlleistung der vorliegend beanspruchten Vorrichtung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ermöglicht, alle Prozesse, bei denen der Wärmeübertrager von einem abzukühlenden Prozessfluid durchströmt wird, schneller ablaufen zu lassen, als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Durch die Anordnung des Gasstromerzeugers an der zweiten Seite des Wärmeübertragers und des Verlaufs des Strömungskanals im ersten Strömungskanalabschnitt entlang der ersten Seite des Wärmeübertragers ist die Führung des abzukühlenden Prozessfluids (die sogenannte Medienführung) an der Richtung des durch den Gasstromerzeuger erzeugten Luftstroms bzw. Gasstroms ausgerichtet. In gleicher Weise ist durch das Führen des abzukühlenden Prozessfluids durch den zweiten Strömungskanalabschnitt, der näher an der zweiten Seite liegt als der erste Strömungskanalabschnitt, eine Ausrichtung der Medienführung an dem zur Kühlung eingesetzt Luftstrom vorgenommen. Wie bereits erwähnt, kommt es zu einer besonders effektiven Abkühlung des abzukühlenden Prozessfluids, wenn der Luftstrom des Gasstromerzeugers senkrecht zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal strömenden Prozessfluids ausgerichtet ist.
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Der Wärmeübertrager kann in einer Variante als Flachrohrkühlregister ausgestaltet sein, beispielsweise als n-reihiges Flachrohrkühlregister, wobei n eine ganze Zahl und größer oder gleich 2 ist, beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Das Kühlregister dient dabei gleichzeitig zur Trennung/Abscheidung von Kondensat aus dem Strom eines Prozessfluids zur Vakuumpumpe eines Autoklaven.
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In einer weiteren Variante werden Metallrohre zur Ausbildung des Strömungskanals verwendet. Dabei sind Kupferrohre oder Messingrohre besonders geeignet. Beispielsweise können aus Messingblech geformte (gefalzte) und verlötete Flachrohre eingesetzt werden. Ebenso sind Flachrohre mit Lamellen gut geeignet. Diese können beispielsweise aus einem Kupferblech oder einem Aluminiumblech bestehen.
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Der Wärmeübertrager kann auch als mehrreihiger Wärmeübertrager zur Kondensation von Dampf und zur Abkühlung von Dampf und Kondensat in einem Autoklaven bezeichnet werden. Der Wärmeübertrager bzw. die den Wärmeübertrager umfassende Vorrichtung dient zur Trennung/Abscheidung von Kondensat aus dem Medienstrom zur Vakuumpumpe eines Autoklaven.
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In einer Variante ist ein Umlenksammler vorgesehen, der den ersten Strömungskanalabschnitt mit dem zweiten Strömungskanalabschnitt strömungstechnisch verbindet. Dieser Umlenksammler sorgt dafür, dass sich die Strömungsrichtung des abzukühlenden Prozessfluids im Betrieb der Vorrichtung verändert. Der Umlenksammler kann beispielsweise als gebogenes Rohr ausgeführt sein.
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Beispielsweise kann eine Änderung der Strömungsrichtung um 180° (also eine Umkehrung der Strömungsrichtung) durch den Umlenksammler realisiert werden. Der Umlenksammler kann derart angeordnet sein, dass der von dem Gasstromerzeuger erzeugte Gasstrom nicht auf den Umlenksammler trifft. Dann wird der Gasstrom nur über die Strömungskanalabschnitte geführt, in denen das abzukühlende Prozessfluid entlang der durch die Strömungskanalabschnitte vorgegebenen Strömungsrichtungen strömt.
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Die einzelnen Strömungskanalabschnitte können in dieser Variante – wie auch in anderen Varianten – parallel zueinander angeordnet sein. Wenn ein 180°-Umlenksammler eingesetzt wird, ist es auf diese Weise möglich, trotz unterschiedlicher Strömungsrichtungen des abzukühlenden Prozessfluids in den einzelnen Strömungskanalabschnitten stets einen senkrechten Verlauf des von dem Gasstromerzeuger erzeugten Gasstroms im Verhältnis zu den durch die Strömungskanalabschnitte vorgegebenen Strömungsrichtungen des abzukühlenden Prozessfluids zu erreichen.
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Der Umlenksammler kann in einer Variante eine ungleiche Anzahl an ersten Strömungskanalabschnitten und an zweiten Strömungskanalabschnitten miteinander verbinden. Beispielsweise kann die Anzahl der ersten Strömungskanalabschnitte kleiner sein als die Anzahl der zweiten Strömungskanalabschnitte.
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In einer weiteren Variante weist die Vorrichtung eine Mediensammeleinrichtung auf, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, abzukühlendes Prozessfluid dem ersten Strömungskanalabschnitt zuzuführen und aus dem zweiten Strömungskanalabschnitt austretendes abgekühltes Prozessfluid abzuführen. Dabei ist innerhalb der Mediensammeleinrichtung eine Trennvorrichtung vorgesehen, die das in den Wärmeübertrager eintretende abzukühlende Prozessfluid effektiv von dem aus dem Wärmeübertrager austretende abgekühlte Prozessfluid strömungstechnisch voneinander trennt. Diese Trennvorrichtung kann neben einer strömungstechnischen Trennung auch eine thermische Trennung realisieren, also als Isoliervorrichtung ausgestaltet sein. In einer einfachen Variante kann die Trennvorrichtung als Trennblech ausgestaltet sein. Durch eine derartige gemeinsame Mediensammeleinrichtung lassen sich eine Zufuhr von abzukühlendem Prozessfluid zum Wärmeübertrager und eine Abfuhr von abgekühltem Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager besonders einfach realisieren.
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In einer Variante weist die Vorrichtung einen Anschluss zum Zuführen von abzukühlendem Prozessfluid und einen Anschluss zum Abführen von abgekühltem Prozessfluid auf, wobei der Anschluss zum Zuführen von abzukühlendem Prozessfluid versetzt (beispielsweise oberhalb oder unterhalb) zum Anschluss zum Abführen von abgekühltem Prozessfluid angeordnet ist. Durch diese räumliche Trennung beider Anschlüsse wird bereits abgekühltes Prozessfluid durch neu zugeführtes abzukühlendes Prozessfluid nicht wieder aufgewärmt, falls keine ausreichende thermische Trennung zwischen dem Bereich, in dem das abzukühlende Prozessfluid dem Wärmeübertrager zugeführt wird, und dem Bereich, über den abgekühltes Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager austritt, vorgesehen ist.
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Die Anschlüsse können beispielsweise in der Mediensammeleinrichtung vorgesehen sein.
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In einer Variante weist der Wärmeübertrager einen Anschluss zum Zuführen von abzukühlendem Prozessfluid und einen Anschluss zum Abführen von abgekühltem Prozessfluid auf. Dabei sind beide Anschlüsse auf einer Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Bei dieser Seite kann es sich beispielsweise um eine dritte Seite des Wärmeübertragers handeln, die die erste Seite des Wärmeübertragers mit der zweiten Seite des Wärmeübertragers verbindet.
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Bei einer Kombination der beiden zuvor diskutierten Ausführungsvarianten wären die Anschlüsse zum Zuführen von abzukühlendem Prozessfluid und zum Abführen von abgekühlten Prozessfluid also einerseits versetzt zueinander und andererseits auf derselben Seite des Wärmeübertragers angeordnet.
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In einer weiteren Variante weist die Vorrichtung einen Anschluss zur strömungstechnischen Verbindung des Wärmeübertragers mit einer Vakuumpumpe eines Autoklaven auf. Dabei ist dieser Anschluss – genau wie der Anschluss zum Zuführen von abzukühlenden Prozessfluid und der Anschluss zum Abführen von abgekühlten Prozessfluid – auf ein und derselben Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Die Anschlüsse können ein Teil des Wärmeübertragers sein oder ein Teil eines strömungstechnisch mit dem Wärmeübertrager gekoppelten Bauteils, wie etwa einer Mediensammeleinrichtung.
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Durch die Anordnung aller Anschlüsse auf einer Seite der Vorrichtung bzw. des Wärmeübertragers ist eine besonders einfache Zugänglichkeit der einzelnen Anschlüsse gewährleistet.
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Der Anschluss zur Verbindung des Wärmeübertragers mit einer Vakuumpumpe eines Autoklaven ist vorzugsweise oberhalb des Anschlusses zum Abführen von abgekühlten Prozessfluid ausgebildet. So lässt sich auf besonders effektive Art und Weise verhindern, dass Kondensat von der Vakuumpumpe angesaugt wird.
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In einer Variante weist die Vorrichtung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur eines abzukühlenden Prozessfluids und/oder einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur eines abgekühlten Prozessfluids auf. Der Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur eines abzukühlenden Prozessfluids kann beispielsweise an einem Fluidzustrombereich angeordnet sein. Der Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur eines abgekühlten Prozessfluids kann beispielsweise an einem Fluidauslass angeordnet sein. Dabei ist es möglich, einen Temperatursensor oder beide Temperatursensoren in der Mediensammeleinrichtung anzuordnen. Ferner ist es möglich, mehr als einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des abzukühlenden Prozessfluids und/oder mehr als einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des abgekühlten Prozessfluids vorzusehen. Die einzelnen Temperatursensoren können dabei in unterschiedlichen Bereichen der Vorrichtung bzw. des Wärmeübertragers angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach feststellen, in welchem Ausmaß eine Abkühlung innerhalb eines bestimmten Bereichs der Vorrichtung bewerkstelligt werden kann.
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Der Temperatursensor kann grundsätzlich jede Vorrichtung zur Messung der Temperatur sein. Beispielsweise kann es mit einem derartigen Temperatursensor möglich sein, die Wärmestrahlung, die von dem abzukühlenden Prozessfluid oder dem abgekühlten Prozessfluid ausgeht, zu messen.
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Insbesondere durch eine Messung der Temperatur des aus der Vorrichtung austretenden abgekühlten Prozessfluids kann eine signifikante Erhöhung der Prozesssicherheit des gesamten Autoklavenprozesses erreicht werden. Denn auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nur Prozessfluide mit einer Temperatur unterhalb eines vordefinierten Schwellenwertes weiterbefördert werden, etwa zur Vakuumpumpe oder zu einem Abwassersammelgefäß oder (beispielsweise durch eine gebäudeseitige Abwasserinstallation) in das Abwassernetz.
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Eine Messung der Temperatur des aus der Vorrichtung austretenden abgekühlten Prozessfluids zielt zudem auf die Bestimmung einer objektiven Messgröße ab. Dadurch kann eine sichere Ausgangstemperatur der aus einem entsprechenden Kondensator austretenden Fluide definiert werden, unabhängig von Umgebungseinflüssen wie der Kühllufttemperatur, der Kühlluftfeuchte und dem Zustand des Wärmeübertragers (beispielsweise hinsichtlich einer Verschmutzung, einer Verstaubung und/oder einer Verkalkung).
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In einer Variante handelt es sich bei dem Temperatursensor um einen PT1000-Sensor, der für die beanspruchte erfindungsgemäße Lösung eine besonders geeignete Temperaturkennlinie und Genauigkeit aufweist.
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In einer weiteren Variante weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf. Diese Steuereinrichtung dient zur Steuerung des Zuflusses von abzukühlendem Prozessfluid in den Wärmeübertrager und/oder des Abschlusses von abgekühltem Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager in Abhängigkeit des durch den Temperatursensor ermittelten Temperaturwerts bzw. der durch die Temperatursensoren ermittelten Temperaturwerte. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann eine Steuerung des Medienzuflusses zum Wärmeübertrager erfolgen. Es kann also der weitere Zustrom von Heizmedium in Abhängigkeit der Temperatur am Eingang oder am Ausgang des Wärmeübertragers gestoppt werden. Dies ist mit mehreren Vorteilen verknüpft. Zum einen kann der Betrieb der Vorrichtung im optimalen Arbeitspunkt des Wärmeübertragers erfolgen. Zum anderen wird durch den messwertgesteuerten Zustrom des Mediums sichergestellt, dass es nicht zu Überhitzung der Vakuumpumpe und eines nachgeschalteten Abwassertanks bzw. Abwassernetzes kommen kann, und zwar unabhängig vom Volumen des Medienzustroms. Denn durch die temperaturgesteuerte Regelung des Medienzustroms in den Wärmeübertrager kann der Wärmeübertrager beispielsweise ein großes Volumen abzukühlenden Prozessfluids niedrigerer Temperatur ähnlich effizient abkühlen wie ein kleineres Volumen eines heißeren Prozessfluids.
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Um für eine besonders feingliedrige Steuerung des Zuflusses von abzukühlendem Prozessfluid und/oder des Abflusses von abgekühlten Prozessfluid in den bzw. aus dem Wärmeübertrager zu ermöglichen, ist die Steuereinrichtung einer Variante derart ausgestaltet, dass sie eine stetige (proportionale) Steuerung des zu steuernden Medienstromes ermöglicht. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz eines Proportionalventils realisiert werden, das nicht nur diskrete Öffnungswerte annehmen kann, sondern eine stufenlose Medienstromregelung ermöglicht.
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In einer Variante wird die von dem Temperatursensor oder den Temperatursensoren ermittelte Temperatur nicht oder nicht nur zur Steuerung des Medienzuflusses in den Wärmeübertrager bzw. des Medienabflusses aus dem Wärmeübertrager genutzt, sondern (auch) zur Steuerung einer Lüfterleistung des Gasstromerzeugers. Beispielsweise kann die Lüfterleistung des Gasstromerzeugers durch eine Erhöhung der Drehzahl erhöht werden, falls die Temperatur des abzukühlenden Prozessfluids sehr hoch sein sollte. In gleicher Weise kann die Lüfterleistung des Gasstromerzeugers herabgesetzt werden, falls das abzukühlende Prozessfluid von vornherein eine geringere Temperatur aufweisen sollte. Dadurch lässt sich die Lebensdauer des Gasstromerzeugers erhöhen. Ferner kann eine übermäßige Belästigung eines Benutzers durch Lüftergeräusche bzw. durch einen aus einem Gerät austretenden Luftstrom vermieden werden.
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Die Erfindung betrifft in einem Aspekt auch einen Autoklaven, der eine Vorrichtung entsprechend den vorherigen Erläuterungen aufweist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids in einem gut belüfteten bzw. gut belüftbaren Bereich des Autoklaven angeordnet ist. Beispielsweise kann sie an oder nahe zu einer Außenseite des Autoklaven angeordnet sein. Sinnvollerweise wird die Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids dabei derart angeordnet, dass der erste Strömungskanalabschnitt zu einer Außenseite des Autoklaven hinweist, während der zweite Strömungskanalabschnitt zu einer Innenseite des Autoklaven hinweist. Das heißt, auch der Gasstromerzeuger der Vorrichtung weist vorzugsweise zu einer Innenseite des Autoklaven hin. Der vom Gasstromerzeuger erzeugte, insbesondere senkrecht zur Strömungsrichtung des abzukühlenden Prozessfluids ausgerichtete Kühlluftstrom verläuft dann vorzugsweise von einer Autoklaveninnenseite zu einer Autoklavenaußenseite.
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In einer Variante weist der Autoklav eine Steuereinrichtung auf, die zur Steuerung einer Vakuumpumpe des Autoklaven in Abhängigkeit der durch einen Temperatursensor des Wärmeübertragers ermittelten Temperatur und/oder in Abhängigkeit eines Drucks und/oder einer Temperatur in einer Autoklavierkammer (eines Druckkessels) des Autoklaven vorgesehen ist. Beispielsweise kann die entsprechende Vakuumpumpe aus dem Medienstrom weggeschaltet werden. Alternativ kann die Vakuumpumpe belüftet werden. Diese Maßnahmen dienen dem Schutz der Vakuumpumpe, insbesondere beim Evakuieren des Druckkessels des Autoklaven.
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Typischerweise wird die Vakuumpumpe nach einer Überdruckphase im Druckkessel des Autoklaven während eines Autoklavierprozesses dann zugeschaltet, wenn ein bestimmter Druckwert unterschritten wird, um eine weitere effektive Erniedrigung des Drucks im Druckkessel zu erreichen. Ein zu frühes Zuschalten der Vakuumpumpe in einem Autoklavierprozess könnte zu einer Schädigung der Vakuumpumpe führen. Denn dann würde die Vakuumpumpe ein Prozessfluid fördern, dass eine hohe thermische Energie aufweist und möglicherweise nicht effektiv durch eine entsprechende Vorrichtung zum Abkühlen des Prozessfluids abgekühlt werden könnte. Denn wenn sich das Prozessfluid aufgrund der vorherrschenden Druck- und Temperaturbedingungen im Kondensator oberhalb des Siedepunkts befindet, kann durch die Vakuumpumpe kein ausreichender Unterdruck erreicht werden. Durch eine temperaturgesteuerte Regelung der Vakuumpumpe lassen sich diese Schwierigkeiten jedoch umgehen.
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In einer weiteren Variante ist ein zusätzlicher Temperatursensor an der Vakuumpumpe des Autoklaven vorgesehen. Beispielsweise kann er an dem Kopf oder den Köpfen der Vakuumpumpe angeordnet sein. In dieser Variante weist der Autoklav zusätzlich eine Steuereinrichtung auf, die in Abhängigkeit der durch den zusätzlichen Temperatursensor ermitteln Temperatur verschiedene Steuer- bzw. Regelaufgaben übernehmen kann.
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Beispielsweise kann die Steuereinrichtung den Zufluss von abzukühlendem Prozessfluid in den Wärmeübertrager steuern. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung einen Abfluss von abgekühltem Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager steuern. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung die Vakuumpumpe steuern. Durch diese Steuermöglichkeiten kann ermöglicht werden, dass alle Komponenten des Autoklaven optimal betrieben werden können. Beispielsweise kann so sichergestellt werden, dass ein möglichst guter Kondensationserfolg in der Vorrichtung zur Abkühlung des Prozessfluids erreicht wird. Ferner kann beispielsweise sichergestellt werden, dass das aus der Kühlvorrichtung austretende Medium eine Temperatur aufweist, die unterhalb einer Temperatur liegt, ab welcher Schädigungen für die nachgeschaltete Vakuumpumpe zu befürchten sind. Die Steuerung kann dabei als parametrierte Steuerung ausgeführt sein. Alternativ wäre es auch möglich, in der Steuereinrichtung eine Zielfunktion zu hinterlegen, die als Grundlage für den Betrieb der Steuereinrichtung dient.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven mit den nachfolgend näher erläuterten Merkmalen. Das Verfahren wird unter Verwendung einer Vorrichtung ausgeführt, die einen Wärmeübertrager und einen an dem Wärmeübertrager angeordneten Gasstromerzeuger umfasst. Der Wärmeübertrager weist eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite auf. Ferner ist der Wärmeübertrager mit einem Strömungskanal für ein abzukühlendes Prozessfluid ausgestattet.
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Der Gasstromerzeuger ist an der ersten Seite oder an der zweiten Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Der Strömungskanal erstreckt sich in einem ersten Strömungskanalabschnitt entlang der ersten Seite des Wärmeübertragers. Ferner weist der Strömungskanal einen zweiten Strömungskanalabschnitt auf. Dieser zweite Strömungskanalabschnitt ist näher an der zweiten Seite des Wärmeübertragers angeordnet als der erste Strömungskanalabschnitt. Beim Verfahren wird ein abzukühlendes Prozessfluid beim Strömen durch den Wärmeübertrager zuerst durch den ersten Strömungskanalabschnitt und anschließend durch den zweiten Strömungskanalabschnitt geführt. Der Gasstromerzeuger erzeugt währenddessen einen auf eine Außenseite des Strömungskanals gerichteten Gasstrom. Typischerweise handelt es sich bei diesem Gasstrom um einen Luftstrom. Wie bereits oben erwähnt, ist der Luftstrom vorzugsweise (nur) senkrecht zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal strömenden Prozessfluids ausgerichtet.
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In einer Variante wird ein Zufluss von abzukühlendem Prozessfluid in den Wärmeübertrager und/oder ein Abfluss von abgekühltem Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager und/oder eine Lüfterleistung des Gasstromerzeugers in Abhängigkeit eines Drucks, der in einer Autoklavierkammer (einem Druckkessel) eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Autoklaven herrscht, gesteuert. Die Steuerung erfolgt dabei derart, dass im Wärmeübertrager eine Temperatur herrscht, die unterhalb der Sattdampftemperatur liegt. Diese Sattdampftemperatur ist von dem im Druckkessel herrschenden Druck abhängig. Durch diese Steuerung kann eine sehr schnelle Druckminderung im Autoklaven erfolgen, da die Vorrichtung zur Abkühlung des Prozessfluids zu Beginn eines Druckablasses auch bei Temperaturen von mehr als 120 °C den durch sie hindurchströmenden Dampf noch effektiv zu kondensieren vermag. Erst bei tieferen Drücken muss der Zielwert der Arbeitstemperatur in der Vorrichtung zur Abkühlung des Prozessfluids deutlich niedriger angesetzt werden, um eine weitere Kondensation und damit eine weitere Evakuierung des Druckkessels zu ermöglichen. Beispielsweise liegt die Sattdampftemperatur bei einem Druck von 80 mbar nur noch bei 41,5 °C. Die Temperatur in der Kühlvorrichtung wird letztlich über die Menge des in die Kühlvorrichtung strömenden abzukühlenden Prozessfluids geregelt. Denn je geringer die Menge des in die Kühlvorrichtung einströmenden Prozessfluids ist, desto niedriger ist auch die Temperatur in der Kühlvorrichtung (sofern die Lüfterleistung des Gasstromerzeugers gleich bleibt).
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In einer weiteren Variante erfolgt eine Steuerung der Kühlleistung der Vorrichtung zur Abkühlung des Prozessfluids durch eine Bestimmung des zeitlichen Verlaufs einer Temperatur. Diese Temperatur kann eine Temperatur in dem abzukühlenden Prozessfluid und/oder eine Temperatur in dem abgekühlten Prozessfluid sein. Die Steuerung erfolgt dabei derart, dass ein Zufluss von abzukühlendem Prozessfluid in den Wärmeübertrager eingestellt wird und/oder dass ein Abfluss von abgekühltem Prozessfluid aus dem Wärmeübertrager eingestellt wird und/oder dass eine Lüfterleistung des Gasstromerzeugers eingestellt wird. In dieser Variante wird also nicht nur eine Momentantemperatur zur Steuerung eingesetzt, sondern vielmehr eine sich ergebende Temperaturkennlinie bzw. eine dynamische Entwicklung der Temperatur im Verlaufe des Kühlprozesses berücksichtigt. Mit der Berücksichtigung derart dynamischer Prozesse im Steuerungsverfahren kann der gesamte Autoklavierprozess auf besonders einfache Art und Weise optimiert werden. Beispielsweise können bestimmte Temperaturverläufe in einer Datenbank hinterlegt werden, auf die bei Bedarf zurückgegriffen werden kann. Dann kann aus der Feststellung eines bestimmten Temperaturverlaufs auf den voraussichtlichen weiteren Temperaturverlauf geschlossen werden, was selbst dann, wenn nur begrenzte Messwerte zur Verfügung stehen, eine besonders effektive Steuerung der Kühlvorrichtung ermöglicht.
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Die vorstehend erläuterten Varianten und Ausführungsformen der beanspruchten Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven, des beanspruchten Autoklaven und des beanspruchten Verfahrens zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven sind beliebig miteinander kombinierbar und in jeder beliebigen Kombination auf den jeweils anderen Gegenstand aus der Gruppe umfassend die Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids, den Autoklaven und das Verfahren zum Abkühlen eines Prozessfluids übertragbar.
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Weitere Einzelheiten der vorliegend beschriebenen Erfindung sollen anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Horizontalschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators und
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2 eine isometrische Ansicht des Kondensators der 1.
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Die 1 zeigt eine schematische Horizontalschnittdarstellung durch einen Kondensator 1, der als Vorrichtung zum Abkühlen eines Prozessfluids eines Autoklaven dient. Der Kondensator 1 weist einen Wärmeübertrager 2 und einen Ventilator 3 als Gasstromerzeuger auf. In dem Wärmeübertrager 2 ist ein Strömungskanal 4 ausgebildet, der ein Einlaufrohr 40 als ersten Strömungskanalabschnitt und ein Ablaufrohr 41 als zweiten Strömungskanalabschnitt aufweist. Am Einlaufrohr 40 und am Ablaufrohr 41 sind zahlreiche Lamellen 42 angeordnet, die für eine bessere Wärmeübertragung innerhalb des Wärmeübertragers 2 sorgen.
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Das Einlaufrohr 40 ist mit dem Ablaufrohr 41 über einen Umlenksammler 5 strömungstechnisch verbunden. Der Umlenksammler 5 sorgt dafür, dass sich die Strömungsrichtung eines durch das Einlaufrohr 40 strömenden Fluids um 180° ändert, also in genau die entgegengesetzte Richtung überführt wird. Dadurch ist es möglich, dass ein von dem Ventilator 3 erzeugter kühlender Luftstrom sowohl senkrecht zur Strömungsrichtung eines durch das Einlaufrohr 40 strömenden Prozessfluids als auch senkrecht zur Strömungsrichtung desselben durch das Ablaufrohr 41 strömenden Prozessfluids ausgerichtet ist. Ferner wird es durch den Umlenksammler 5 möglich, dass ein Medienzustrom 6, der als Anschluss zum Zuführen von abzukühlendem Prozessfluid dient, ein Kondensatauslass 7, der als Anschluss zum Abführen von abgekühltem Prozessfluid dient, und ein Anschluss 8 an eine Vakuumpumpe, der ebenfalls als Anschluss zum Abführen von abgekühltem Prozessfluid dient, auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers 2 angeordnet sind.
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Zwischen dem Medienzustrom 6 auf der einen Seite und dem Kondensatauslass 7 sowie dem Anschluss 8 an eine Vakuumpumpe auf der anderen Seite ist eine Trennwand 9 ausgebildet, die einen Mediensammler 10 in zwei Kompartimente teilt. Das erste Kompartiment ist das warme Abteil 11 des Mediensammlers 10. Das zweite Kompartiment ist das kalte Abteil 12 des Mediensammlers 10.
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Im warmen Abteil 11 des Mediensammlers 10 ist ein Prallblech 110 angeordnet. Dieses Prallblech 110 sorgt dafür, dass in das warme Abteil 11 einströmendes Prozessfluid innerhalb des warmen Abteils 11 verteilt wird, bevor es in das Einlaufrohr 40 bzw. in eine Vielzahl übereinander angeordneter Einlaufrohre 40 eintreten kann.
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Das kalte Abteil 12 des Mediensammlers 10 weist ein besonders großes Volumen auf, um eine optimierte Trennung zwischen dem abgekühlten Luftstrom und dem abgekühlten Kondensatstrom zu erreichen. Dies schützt eine an den Kondensator 1 angeschlossene Vakuumpumpe davor, zu viel Kondensat zu fördern, wofür sie regelmäßig nicht ausgelegt ist.
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Das kalte Abteil 12 des Mediensammlers 10 weist einen Temperatursensor 13 auf, mit dem die Temperatur in den kalten Abteil 12 und damit in dem abgekühlten Prozessfluid bestimmt werden kann. Mittels dieses Temperatursensors 13 ist es möglich, den Zufluss durch den Medienzustrom 6 oder den Abfluss aus dem Kondensatablass 7 bzw. dem Anschluss 8 an die Vakuumpumpe zu regulieren und damit die Kühlleistung des Kondensators 1 auf ein optimales Niveau einzustellen.
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Aus der Darstellung der 1 wird ersichtlich, dass in den Kondensator 1 durch den Medienzustrom 6 eintretendes Medium nach Passieren des Prallblechs 110 zunächst durch das Einlaufrohr 40 geführt wird, bevor es durch das Ablaufrohr 41 strömen kann. Das Einlaufrohr 40 verläuft entlang einer ersten Seite des Wärmeübertragers 2 und ist weiter als das Ablaufrohr 41 von dem Ventilator 3 entfernt. Folglich trifft ein von dem Ventilator 3 in Pfeilrichtung erzeugter Luftstrom zunächst auf das Ablaufrohr 41 und anschließend auf das Einlaufrohr 40. Das durch das Ablaufrohr 41 strömende Medium weist bereits eine erniedrigte Temperatur auf. Demgegenüber ist die Temperatur des durch das Einlaufrohr 40 strömenden Mediums weitaus höher. Folglich wird der durch den Ventilator 3 erzeugte Luftstrom zunächst durch das durch das Ablaufrohr 41 strömende Medium erwärmt, bevor der erwärmte Luftstrom auf das besonders heiße Einlaufrohr 40 trifft. Durch diese Führung des kühlenden Luftstroms (des Kühlmediums) kann eine besonders effektive Abkühlung des durch den Strömungskanal 4 strömenden Prozessfluids erreicht werden.
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Die 2 zeigt eine isometrische Ansicht des in der 1 in einer Schnittdarstellung dargestellten Kondensators 1. Zur Erläuterung der 2 werden für dieselben Elemente dieselben Bezugszeichen wie in der 1 verwendet. Der Wärmeübertrager 2 ist von einem in der 1 nicht dargestellten Gehäuse 14 umgeben, an dem der Ventilator 3 angeordnet ist. Auf einer in der 2 nach links weisenden Seite des Wärmeübertragers 2 ist der Mediensammler 10 mit dem kalten Abteil 11 und dem warmen Abteil 12 dargestellt. Am kalten Abteil 11 ist der Medienzustrom 6 angeordnet. Dieser befindet sich in einem oberen Bereich des Mediensammlers 10. Ebenfalls in einem oberen Bereich des Mediensammlers 10 ist der Anschluss 8 zur Vakuumpumpe angeordnet, über den das abgekühlte Prozessfluid durch eine Vakuumpumpe aus dem Kondensator 1 gefördert werden kann. Dieses Prozessfluid ist dabei von inkompressiblen Medien (Kondensat) weitgehend befreit. Derartiges Kondensat kann durch einen im unteren Bereich des Mediensammlers 10 angeordneten Kondensatauslass 7 aus dem Kondensator 1 entfernt werden.
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Schließlich ist im Bereich des Mediensammlers 10 noch ein Anschluss des Temperatursensors 13 ausgebildet, über den der Temperatursensor 13 von der Außenseite des Kondensators 1 ausgelesen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur des im kalten Abteil 12 des Mediensammlers 10 angesammelten Fluids zu bestimmen.
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Damit ein von dem Ventilator 3 erzeugter Luftstrom gut um den Strömungskanal, der in dem Wärmeübertrager 2 ausgebildet ist, herumströmen kann, weist das Gehäuse 14 auf der dem Ventilator 3 zugewandten Seite lamellenartige Öffnungen 15 auf. Ferner ist das Gehäuse 14 kein geschlossenes Gehäuse. Vielmehr ist es auf der ersten Seite des Wärmeübertragers 2, entlang derer das Einlaufrohr 40 (vergleiche 1) verläuft, offen ausgestaltet.
