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Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von kondensierbaren Dämpfen
unter Vakuum Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden
von kondensierbaren Dämpfen unter Vakuum, insbesondere von Wasserdampf bei der Kabeltrocknung,
wobei diese Dämpfe aus einem Arbeitsgefäß abgepumpt und an Kondensationsflächen
einer gekühlten Abscheidevorrichtung niedergeschlagen werden.
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Zum Abpumpen von kondensierbaren Dämpfen, wie sie in größeren Mengen
bei den verschiedensten Vakuumtrocknungsverfahren, beispielsweise bei der Kabeltrocknung,
anfallen, sindAbscheidevorrichtungen bekannt, bei denen mehrere Drehkolbengebläse
unterschiedlicher Größe in Reihenschaltung verwendet werden, wobei als Hochdruckstufe
eine Gasballastpumpe vorgesehen ist. Zwischen den einzelnen Drehkolbengebläsen bzw.
zwischen dem der Hochdruckstufe am nächsten liegenden Drehkolbengebläse und der
Hochdruckstufe sind Abscheider oder Kondensatoren üblicher Bauart angeordnet, die
aus einem Kühlwasserkreislauf gespeist werden. Bei einer solchen vorbekannten Anordnung
sindüberbrückungsleitungen für die Drehkolbengebläse und die zwischen ihnen vorgesehenen
Abscheider erforderlich, welche jeweils in bestimmten Verfahrensabschnitten durch
Ventile abgesperrt bzw. freigegeben werden müssen. Eine derartige Evakuierungsanordnung
mit Abscheidevorrichtung erfordert offensichtlich einen großen Bedienungsaufwand,
da eine erhebliche Anzahl von Ventilen in Abhängigkeit von bestimmten, durch entsprechende
Meßsysteme zu ermittelnden Druckwerten nacheinander betätigt werden müssen.
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Es ist bereits eine vereinfachte Anordnung vorgeschlagen worden,
bei der mit Hilfe eines einzigen Drehkolbengebläses in Verbindung mit einem Doppelkondensator
große Mengen von kondensierbaren Dämpfen abgeschieden werden können. Ein solcher
Doppelkondensator enthält einen Normalkühlteil und einen Tiefkühlteil; das Betriebsverfahren
wird so gesteuert, daß das Arbeitsgefäß zunächst bei überbrücktem Drehkolbengebläse
und eingeschaltetem Normalkühlteil durch die Vorpumpe bis auf einen der Temperatur
des Normalkühlteiles entsprechenden Druckwert evakuiert wird, bei dem die Kondensation
am Normalkühlteil aufhört, und daß daran anschließend die Kondensation am Tiefkühlteil
so lange fortgesetzt wird, bis der Wasserdampfpartialdruck einen dessen Temperatur
entsprechenden Wert erreicht hat. Zur Feinevakuierung ist dabei die Überbrückung
des Drehkolbengebläses aufgehoben, und das Drehkolbengebläse arbeitet als Vorverdichter.
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Obwohl eine solche Anordnung gegenüber den vorbekannten eine erhebliche
Verbesserung darstellt, besteht weiterhin ein Bedürfnis nach Steigerung der Leistungsfähigkeit,
insbesondere durch Verkürzung der für die einzelnen Verfahrensschritte notwendigen
Betriebszeiten sowie durch Verkleinerung der Abmessungen der Anlage.
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Durch die Erfindung wird daher ein neues Verfahren angegeben, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem ersten Verfahrensschritt der Grobevakuierung
ein gekühlter Oberflächenkondensator mit einer Kondensationsflüssigkeit besprüht
wird, wobei die Temperatur des Oberflächenkondensators oberhalb des Gefrierpunktes
der eingespritzten Flüssigkeit liegt, und daß in einem zweiten Verfahrensschritt
der Endevakuierung die Temperatur des Obe rflächenkondensators ohne weitere Einspritzung
unterhalb des Gefrierpunktes der im ersten Verfahrensschritt eingespritzten Kondensationsflüssigkeit
abgesenkt wird. Während des ersten Verfahrensschrittes vermeidet man ein Festfrieren
der Einspritzflüssigkeit am Oberflächenkondensator, um die volle Wirkung der Einspritzkondensation
zu erreichen. Bevor man vom ersten zum zweiten Verfahrensschritt übergeht, kann
man zweckmäßigerweise die eingespritzte und die kondensierte Flüssigkeit aus dem
Kondensator entfernen.
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Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens in der Anwendung
für Wasserdampf hat es sich gezeigt, daß günstige Verhältnisse gegeben sind, wenn
die Temperatur des Oberflächenkondensators im ersten Verfahrensschritt zwischen
+0,5 und +20 C und im zweiten Verfahrensschritt zwischen 0 und - 500 C liegt.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Oberflächenkondensator als Verdampfer
eines Kompressionskälteaggregates ausgebildet ist. Die Temperatursteuerung des Oberflächenkondensators
läßt sich dann zweckmäßig durch Drosselung der Kompressionskältemaschine vornehmen.
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Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß in einer Abscheidevorrichtung ein Oberflächenkondensator
und eine Einspritzdüse in solcher gegenseitigen Lage angeordnet sind, daß die eingespritzte
Flüssigkeit auf die Kondensationsfläche versprüht wird. Dabei nimmt sie an deren
Wärmeaustausch teil. Eine solche Vorrichtung bewirkt eine erheblich gesteigerte
Kondensation und verkürzt die bisher üblichen Bearbeitungszeiten teilweise bis auf
30 30e/o.
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An sich ist die Anwendung der Einspritzkondensation in der Maschinentechnik
als wirkungsvolle Maßnahme zur Dampfabscheidung bekannt und wird häufig angewendet.
Die Übertragung auf Kondensationsvorgänge unter Vakuum erforderte jedoch eine besondere
Ausbildung, bei der zusätzlich zur Einspritzkondensation eine Oberflächenkondensation
angewendet wird. Dies ist notwendig, weil im Bereich kleiner Druckwerte unterhalb
von 10 Torr bei dem Versprühen der Einspritzflüssigkeit Schwierigkeiten auftreten,
so daß dieses Verfahren allein nicht die in höheren Druckgebieten bekannte gute
Kondensationswirkung erreicht. Nach der Erfindung wird daher die eingespritzte Flüssigkeit
auf der gekühlten Kondensationsoberfläche verteilt, so daß sie zwischen den einzelnen
Kondensationselementen in Tröpfchen herabfällt, während sich gleichzeitig an der
Oberfläche dieser Kondensationselemente ein dünner Flüssigkeitsfilm ausbildet, der
durch den Wärmekontakt mit der gekühlten Kondensationsoberfläche zusätzlich abgekühlt
wird. Man kann in diesem Fall Einspritzflüssigkeiten von relativ hohen Temperaturen
zulassen, weil diese durch die Berührung mit den gekühlten Kondensationsflächen
ebenfalls gekühlt werden, so daß sich der Temperaturunterschied zwischen den abzuscheidenden
Dämpfen und dem angewendeten flüssigen Kondensationsmittel durch dessen Berührung
mit dem Oberflächenkondensator fortgesetzt vergrößert. Soweit es sich um das Abscheiden
von Wasserdämpfen wie bei der Kabel- oder Perlonschnitzeltrocknung handelt, wird
als Einspritzflüssigkeit gleichfalls Wasser verwendet.
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Eine vorteilhafte Anordnung läßt sich in der Weise aufbauen, daß
die Abscheidevorrichtung einen Kondensat- und Flüssigkeitssammelraum enthält und
daß eine Kreislauffördereinrichtung vorgesehen ist, welche den Inhalt des Sammelraumes
als Arbeitsmedium zur Einspritzdüse fördert, wobei über einen Flüssigkeitszufluß
in diesen Kreislauf wahlweise von außen weitere Einspritzflüssigkeit eingeführt
wird. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine erhebliche Verringerung des Kühlwasserbedarfes,
weil das Kühlwasser in einem Kreisprozeß zusammen mit dem abgeschiedenen Kondensat
verwendet wird, wobei jeweils nur eine geringe Flüssigkeitsmenge zusätzlich eingefüllt
werden muß.
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Durch das Abscheiden der aus dem Arbeitsgefäß abgepumpten kondensierbaren
Dämpfe würde ohne besondere Vorkehrungen der Flüssigkeitsstand im Sammelraum unzulässig
ansteigen. Man kann daher die beschriebene Anordnung dadurch verbessern, daß in
einer Kreisförderleitung der Kreislauffördereinrich-
tung ein durch ein Fühlorgan
für den Flüssigkeitsstand im Sammelraum gesteuertes Absperrventil und ein nach außen
öffnendes Überdruckventil angeordnet sind, wobei das Überdruckventil in Förderrichtung
betrachtet vor dem Absperrventil, jedoch ebenso wie dieses hinter der Förderpumpe
liegt. Das Fühlorgan kann hierbei in beliebiger, an sich bekannter Weise z. B. als
Schwimmer mit angeschlossenem Schaltkontakt ausgebildet sein. Steigt der Flüssigkeitsstand
im Sammelraum, so hebt sich ein solcher Schwimmer und betätigt den hierfür vorgesehenen
Endanschlagkontakt. Hierdurch wird der Steuerstromkreis des Absperrventils in der
Kreisförderleitung geschlossen, und das Ventil sperrt den weiteren Flüssigkeitsdurchtritt
zur Einspritzvorrichtung. Da die vorgeschaltete Flüssigkeitspumpe laufend eine bestimmte
Flüssigkeitsmenge nachliefert, erfolgt in der Kreisförderleitung zwischen Pumpenauslaßseite
und Absperrventil ein Druckanstieg, durch den das vorgeschaltete Flüssigkeitsüberdruckventil
ausgelöst wird so daß nunmehr Flüssigkeit aus dem Kreislauf nach außen abgegeben
werden kann, bis der festgelegte Flüssigkeisstand im Sammelraum wiederhergestellt
ist.
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Bei einer solchen Abscheidevorrichtung kann es außerdem vorteilhaft
sein, im Flüssigkeitszufluß ein Steuerventil anzuordnen, welches die Zuführung von
zusätzlicher Flüssigkeit in den Förderkreislauf in Abhängigkeit von der Temperatur
der Flüssigkeit im Sammelraum steuert.
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Der Abscheidevorrichtung ist eine mehrstufige Vakuumpumpe, vorzugsweise
eine Kombination von Rootspumpe und Gasballastpumpe, nachgeschaltet, die jedoch
auch durch andere bekannte Pumpvorrichtungen ersetzt werden kann. Mit Hilfe dieses
Pump aggregates wird der Anteil an nicht kondensierbaren Gasen fortgesetzt abgepumpt.
Bei bestimmten Betriebsverhältnissen kann es zweckmäßig sein, eine Vorverdichtung
vor der Abscheidevorrichtung durch eine weitere zwischengeschaltete Pumpe, vorteilhaft
durch eine Drehkolbenpumpe, vorzunehmen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt Fig. 1 eine Abscheidevorrichtung nach
der Erfindung in teilweise schematischer Seitenansicht, Fig. 2 einen Schnitt durch
die Abscheidevorrichtung nach Fig. 1 längs der Linie 2-2.
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In Fig. 1 und 2 ist ein Arbeitsgefäß dargestellt, in dem in einem
perforierten Einsatzbehälter 2 ein zur Vakuumtrocknung bestimmtes Trockengut 3 untergebracht
ist. Über eine Anschlußleitung4 und eine Zwischenflanschverbindung 5 ist dieser
Arbeitsbehälter 1 an ein Abscheidergehäuse 6 angeschlossen, in dem ein Oberflächenkondensator
in Form einer Kühlmittelspirale 7 angeordnet ist. Diese Kühlmittelspirale 7 ist
als Verdampfer über Zuleitungen 8, 9 unter Zwischenschaltung eines Drosselventib
10 mit einem Kompressionskälteaggregat 11 in dnem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
zusammongeschaltet.
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In dem Abscheidergehäuse 6 ist eine Einspritzvorrichtung, bestehend
aus der brauseförmigen Einspritzdüse 12 und der Einspritzleitung 13, angebracht
und so ausgerichtet, daß die feinverteilte Einspritzflüssigkeit (gestrichelt angedeutet)
die Oberflächen der Rohrspirale 7 besprüht. Diese Einspritzleitung 13 ist über eine
Kreisförderleitung 14 mit dem als Sammelgefäß ausgebildeten Bodenteil 15 des Abscheidergehäuses
6 verbunden. In die Kreisförderleitungl4
ist eine Flüssigkeitspumpe
16 eingeschaltet, welche eine Rückförderung der im Bodenteil 15 abgeschiedenen Flüssigkeit
zur Einspritzvorrichtung vornimmt.
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Außerdem befindet sich in der Kreisförderleitung 14 ein elektromagnetisches
Absperrventil 17, und es sind ein Flüssigkeitsüberdruckventil 18 sowie ein mit einem
weiteren elektromagnetischen Absperrventil 19 ve rsehener Flüssigkeitszufluß 20
angeschlossen.
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Der Flüssigkeitsstand im Sammelgefäß wird durch einen Schwimmer 21
überwacht, wobei die Schwimmerstange 22 in ihrer oberen Endlage einen elektrischen
Schaltkontakt 23 betätigt, der über Stromzuführungsleitungen 24, 25 das elektromagnetische
Absperrventil 17 steuert. An das Abscheidergehäuse 6 ist eine Ansaugleitung 26 angeschlossen,
welche über ein vorgeschaltetes Drehkolbengebläse 27 zu einer Gasballastpumpe 28
üblicher Bauart führt.
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Im Bodenteil 15 ist ein Temperaturfühler 29 eingebaut, der über ein
Schaltgerät 30 das weitere elektromagnetische Absperrventil 19 derart steuert, daß
bei einer Temperaturerhöhung im Sammelgefäß von außen zusätzliche Einspritzflüssigkeit
über die Zuleitung 20 in den Flüssigkeitskreislauf eingeführt wird.
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Beim Trocknungsvorgang werden innerhalb des ersten Verfahrensschrittes
(Grobevakuierung) zunächst die Kompressionskältemaschine 11, die Drehkolbenpumpe
27 und die Gasballastpumpe 28 in Betrieb genommen und gleichzeitig die Kühlspirale
7 durch die Einspritzdüse 12 mit Flüssigkeit besprüht.
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Das Kompressionskälteaggregat arbeitet zunächst gedrosselt. Steigt
durch Abscheiden von Kondensatflüssigkeit der Flüssigkeitsstand im Bodenteil 15
unzulässig, so wird der Schaltkontakt 23 geschlossen und das elektromagnetische
Ventil 17 in seine Absperrstellung gebracht. Durch die Flüssigkeitspumpe 16 wird
dann die überschüssige Flüssigkeit durch das Flüssigkeitsüberdruckventil 18 aus
dem Kreislauf entfernt.
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Nach Abschluß der Grobtrocknung wird die Einspritzung durch Schließen
des elektromagnetischen Absperrventils 17 endgültig abgesperrt und der im Bodenteil
15 befindliche Flüssigkeitsstand über das Flüssigkeitsüberdruckventil 18 entleert.
Danach kann die Flüssigkeitspumpe 16 stillgesetzt werden. Die Kompressionskältemaschine
11 ist nunmehr mit Hilfe des Drosselventils 10 auf volle Leistung einzustellen so
daß die Kühlspirale 7 stark abgekühlt wird. Dabei frieren die letzten Wasserdampfreste
an der Oberfläche der Kühlmittelspirale 7 fest. Nachdem ein gewünschter niedriger
Wasserdampfpartialdruck im Arbeitsgefäß 1 erreicht ist, kann die Evakuierung abgebrochen
werden, und das Trockengut steht zur weiteren Verarbeitung, z. B. Imprägnieren,
bereit.