DE2025999C3 - Gefriertrocknungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gefriertrocknungsanlage, die mindestens eine Vakuumgefriertrocknungskammer, in der das Gut eingefroren und getrocknet wird, eine damit verbundene Kondensatorkammer, in der im Betrieb eine niedrigere Temperatur herrscht als in der Vakuumkammer, und eine kälteerzeugende Vorrichtung zum Liefern von Kälte an die genannten Kammern umfaßt, wobei ein geschlossenes Leitungssystem für ein Wärmetransportmittel eine Pumpe und einen ersten in der Kondensatkammer angeordneten Wärmetauscher enthält und ein von diesem Leitungssystem abgezweigtes, absperrbares zweites Leitungssystem eine Pumpe, einen in der Vakuumkammer angeordneten Wärmetauscher und eine Heizvorrichtung enthält.

Bei einer aus der US-PS 24 53 033 bekannten Gefriertrocknungsanlage ist die Kälte erzeugende Vorrichtung durch eine Verdampfungs-Kondensations-Kühlmaschine gebildet, wobei ein Gas durch mehrere Kompressoren auf hohen Druck verdichtet wird, danach kondensiert wird und schließlich expandiert. Flüssiges Medium wird über das geschlossene Leitungssystem einem in der Kondensatorkammer angeordneten Verdampfer-Wärmeaustauscher zugeführt, wo es dadurch, daß der Kondensatorkammer Wärme entzogen wird, verdampft und zu den Kompressoren zurückfließt. Andererseits wird flüssiges Medium über das zweite Leitungssystem dem zweiten, in der Vakuumkammer angeordneten Verdampfer-Wärmeaustauscher zugeführt und strömt in der Gasphase wieder zu den Kompressoren zurück.

Daneben kann dem zweiten Leitungssystem öl zugeführt werden, das mit Hilfe der Heizvorrichtung Wärme zur Vakuumkammer transportiert zur Regelung der Temperatur dieser Kammer.

Die Erfindung bezweckt, eine Gefriertrocknungsan- !age obenerwähnter Art zu schaffen, bei der Verunreinigung durch Kompressoren-Schmieröl der Leitungssysteme und der Wärmeaustauscher und Hineinlecken von Luft in die Dampfleitungen niedrigen Gasdruckes (Wirkungsgradverringerung, Korrosion) verhindert und eine einfache Einstellung der Kühltemperatur erhalten wird.

Die erfindungsgemäße Gefriertrocknungsanlage weist dazu das Kennzeichen auf, daß die kälteerzeugende Vorrichtung eine Gaskältemaschine ist, deren kalter Kappe ein im geschlossenen Leitungssystem vorhandener dritter Wärmetauscher zugeordnet ist, dessen Strömungswiderstand wesentlich höher als der des ersten Wärmetauschers ist.

Gaskältemaschinen, deren Kühltemperatur leicht einstellbar ist, sind an sich bekannt, z. B. aus der DTPS 10 19 327. In solchen Maschinen durchläuft ein Arbeitsgas wie Wasserstoff oder Helium einen thermodynamisehen Kreislauf in einem geschlossenen Arbeitsraum, der einen Kompressionsraum höherer mittlerer Temperatur aufweist, der über einen Kühler, einen Regenerator und einen Gefrierer in Verbindung steht mit einem Expansionsraum niedrigerer mittlerer Temperatur, Kühlung eines Objektes geschieht durch Wärmeaustausch mit dem kalten Arbeitsgas im Expansionsraum über den Gefrierer. Solche Gaskältemaschinen werden normalerweise in der Tieftemperaturtechnik verwendet. Zum Herauslaufen der Flüssigkeit in den Leitungssystemen können einfache Umlaufpumpen ausreichen. Die Leitungssysteme und Wärmeaustauscher können nicht mehr durch Schmieröl verunreinigt werden, da der Schmierölkreis nun einen Teil der selbständig arbeitenden Gaskältemaschine bildet. Durch den Gebrauch von Flüssigkeit in beiden Leitungssystemen ist die Gefahr von Hineinlecken von Luft nicht mehr da, und eine gute Wärmeübertragung zwischen dieser Flüssigkeit und den kalten bzw. warmen Stellen, an denen sie entlanggeführt wird, ist gewährleistet.

Dadurch, daß ein dritter Wärmeaustauscher gewählt wird, der einen wesentlich höheren Strömungswiderstand hat als der erste Wärmeaustauscher, wird erreicht, daß beim Abtauen der Kondensatorkammer, wenn der warme Flüssigkeitsstrom durch die zweite Purnpvorrichtung rundgepumpt wird, dieser Flüssigkeitsstrom völlig oder nahezu völlig durch den ersten Wärmeaustauscher geht und nahezu nicht oder durchaus nicht durch den dritten Wärmeaustauscher. Der gesamte Flüssigkeitsstrom ist also zum Abtauprozeß verfügbar, was wegen eines maximalen Wärmetransportes durch die Flüssigkeit für ein schnelles Abtauen günstig ist. Da warme Flüssigkeit die kalte Stelle der Gaskältemaschine nicht passiert, ist der Nebenvorteil erhalten worden, daß unnötige Erwärmung der Gaskältemaschine vermieden wird. Während der Abtauperiode behält die Maschine also ihre niedrige Betriebstemperatur bei und ist nach wie vor betriebsfertig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. la eine schematische nicht maßgerechte Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gefriertrocknungsanlage,

Fig. Ib und Ic eine etwas andere Ausführung der Gefriertrocknungsanlage nach Fig. la zur rechten Seite der Linie I-I.

In Fig. la ist mit dem Bezugszeichen 1 ein erstes geschlossenes Leitungssystem angedeutet, in das einerseits ein Wärmeaustauscher 2 aufgenommen ist, der mit der kalten Kappe 3 einer Gaskältemaschine 4 in Wärmeaustausch steht und andererseits ein Wärmeaustauscher 5, der in einer Kondensatorkammer 6 angeordnet ist. Die Kondensatorkammer 6 ist einerseits über eine Leitung 7 mit einer Vakuumgefriertrock-

nungskammer 8 und andererseits über eine Leitung 9 angeschlossen an eine Vakuumpumpvorrichtung 10. Weiter ist sie mit einer Wasserzufuhr 6' und einer Wasserabfuhr 6" versehen. An den Stellen A und B ist an das erste Leitungssystem 1 ein zweites Leitungssystern U angeschlossen, in das ein Wärmeaustauscher 12 aufgenommen ist, der in der Vakuumgefriertrocknungskammer 8 angeordnet ist.

An üer Stelle C und D ist an das zweite Leitungssystem 11 eine Kurzschlußleitung 13 ange- ι ο schlossen, in der sich ein regelbares Absperrelement 14 befindet. Im ersten Leitungssystem 1 ist eine Pumpvorrichtung 15 vorhanden, während in das zweite Leitungssystem weiter ein regelbares Absperrelement 16, eine Heizvorrichtung 17 und eine Pumpvorrichtung 18 aufgenommen sind. An der Stelle £ist an das erste Leitungssystem 1 ein mit einem Ventil 20 versehener Expansionsbehälter 19 angeschlossen.

Die Leitungssysteme sind mit einer Flüssigkeit gefüllt, die beispielsweise All sein kann. Über der Flüssigkeit iß im Expansionsbehälter 19 befindet sich ein Gas unter Druck, beispielsweise Stickstoff.

Der Wärmeaustauscher 2 hat einen Strömungswiderstand, der wesentlich größer ist als der des Wärmeaustauschers 5.

Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende.

Kühlung der Kondensatorkammer 6 erfolgt dadurch, daß Flüssigkeit im Leitungssystem 1 mittels der Pumpvorrichtung 15 in der mit gezogenen Pfeilen angegebenen Richtung rundgepumpt wird. Durch die Flüssigkeit bei der kalten Kappe 3 der Kühlmaschine 4 im Wärmeaustauscher 2 aufgenommene Kälte wird dabei im Wärmeaustauscher 5 der Kondensatorkammer wieder abgegeben. Zum Kühlen der Vakuumgefriertrocknungskammer 8 wird ein Teil des Flüssigkeitsstromes, der an der Gaskältemaschine entlang geführt wird, bei A angezapft und durch die Pumpvorrichtung 18 in einer ebenfalls mit gezogenen Pfeilen angegebenen Richtung durch das zweite Leitungssystem 11 und den Wärmeaustauscher 12 geführt. In diesem Wärmeaustauscher gibt die Flüssigkeit ihre Kälte der Vakuumgefriertrocknungskammer 8 ab. Während der Kühlung der Vakuumgefriertrocknungskammer 8 ist die Heizvorrichtung 17 außer Betrieb und das Absperrelement 14 völlig oder teilweise geöffnet. Ein Teil des Flüssigkeitsstromes, der vom Wärmeaustauscher 12 herrührt, wird dann an der Stelle D in die Kurzschlußleitung 13 hineintreten und sich an der Stelle C mit dem vom Absperrelement 16 durchgelassenen kalten Flüssigkeitsstrom mischen, so daß dort eine Mischtemperatur der Flüssigkeit erhalten wird. Der übrige Teil des vom Wärmeaustauscher 12 herrührenden Flüssigkeitsstrornes strömt nach B und mischt sich dort mit dem Wärmeaustauscher 5 herrührenden Flüssigkeitsstrom. Durch Regelung des Durchganges des Absperrelementes 16 bzw. 14 kann die Vakuumgefriertrocknungskammer auf die gewünschte Temperatur gebracht werden, und zwar eine Temperatur, die höher ist als die, a>if welche die Kondensatorkammer eingestellt wird. Wenn dem Wärmeaustauscher 12 viel Kälte zugeführt werden muß, kann das Absperrelement 14 geschlossen werden, so daß die gesamte von der Pumpvorrichtung 18 verdrängte Flüssigkeitsmenge zum Punkt B und von dort zum Wärmeaustauscher 2 fließt.

Nachdem die Vakuumgefriertrocknungskammer und die Kondensatorkammer je ihre Betriebstemperatur erreicht haben, werden diese Kammern mittels der damit verbundenen Vakuumpumpvorrichtung 10 evakuiert und das eigentliche Gefriertrocknen der Präparate kann erfolgen. Dazu wird die Heizvorrichtung 17 eingeschaltet, die dem zum Wärmeaustauscher 12 fließenden Flüssigkeitsstrom soviel Wärme zuführt, wie erforderlich, um das in den in der Vakuumgefriertrocknungskammer 8 vorhandenen Präparate vorhandene Eis zu Wasserdampf zu sublimieren, welcher Wasserdampf kondensiert und in der Kondensatorkammer 6 mit niedrigerer Temperatur gefriert. Nachdem einige Chargen von Präparaten auf diese Weise gefriergetrocknet sind, hat sich in der Kondensatorkammer eine große Menge Eis abgesetzt, im wesentlichen auf der Außenseite des Wärmeaustauschers 5. Die Abtauung der Kondensatorkammer kann nun auf einfache und schnelle Weise wie folgt geschehen. Die Pumpvorrichtung 15 wird ausgeschaltet. Das Absperrelement 14 wird geschlossen und das Absperrelement 16 völlig geöffnet. Durch die Pumpvorrichtung 18 wird nun die Flüssigkeit, die durch die Heizvorrichtung 17 auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt wird, über den mit gestrichelten Pfeilen angegebenen Weg rundgepumpt. Die warme Flüssigkeit steht dabei im Wärmeaustauscher 5 dem Eis in der Kondensatorkammer ihre Wärme ab. im Vergleich zum Verfahren beim Kühlen gibt es zwei wesentliche Unterschiede. Erstens durchläuft der Flüssigkeitsstrom beim Aufwärmungsverfahren die Pumpvorrichtung 15 und den Wärmeaustauscher 5 in einer Richtung, die der beim Kühlvorgang entgegengesetzt ist. Dies ist bei Umlaufpumpen kein Problem. Zweitens geht der Flüssigkeitsstrom nahezu nicht oder durchaus nicht durch den Wärmeaustauscher 2. Dies findet seine Ursache in der bereits genannten Tatsache, daß der Strömungswiderstand des Wärmeaustauschers 2 wesentlich größer ist als der des Wärmeaustauschers 5, so daß der Flüssigkeitsstrom den einfachsten Weg durch den letztgenannten Wärmeaustauscher wählt. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine Flüssigkeitsströmung durch den Wärmeaustauscher 2 mittels in die Leitungsabschnitte zwischen dem Wärmeaustauscher 2 und den Punkten A und £ aufgenommener Absperrelemente zu hemmen.

Da keine oder nahezu keine Flüssigkeit durch den zweiten Wärmeaustauscher 2 fließt, ist der ganze Flüssigkeitsstrom für Wärmetransport der Heizvorrichtung 17 zur Kondensatorkammer 6 verfügbar, was eine schnelle Abtauung fördert. Die Flüssigkeit wird auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt, wobei ein im Expansionsbehälter 19 über der Flüssigkeit befindliches Gas unter Druck, beispielsweise Stickstoff, dafür sorgt, daß die Flüssigkeit nicht zu kochen anfängt. Liegt die Betriebstemperatur der Vakuumkammer ungefähr im Temperaturbereich von -3O⁰C bis +3O⁰C und beträgt die Betriebstemperatur der Kondensatorkammer — 70° C bis —80° C, so kann bei Verwendung von RtI als Flüssigkeit bei einem Druck von 2,5 atm im Expansionsbehälter und den Leitungssystemen die R 11 auf 6O⁰C, ohne zu kochen, erhitzt werden. Bei normalem Betrieb der Anlage kann der Druck dann zwischen 1 und 1,5 atm schwanken. Sollte durch irgendeine Ursache im Betrieb der Druck in den Leitungssystemen zu stark steigen, so öffnet sich das Ventil 20. Da ein großer Flüssigkeitsstrom hoher Temperatur durch den Wärmeaustauscher 5 geführt wird, wird die sich darauf abgesetzte Eismasse vor. innen aus schnell abgetaut. Außerdem kann diese Masse auch noch vor der Außenseite dadurch abgetaut werden, daß Wasser hoher Temperatur über die Zufuhr 6' in die Kondensatorkammer geführt wird. Schmelzwasser kann über die

Abfuhr 6" aus der Kondensatorkammer wegströmen. Während des Abtauvorganges passiert die warme Flüssigkeit nicht die kalte Stelle der Gaskältemaschine. Die von dieser Maschine gelieferte Kälte geht also nicht verloren. Sind in Fig. la zwei Absperrelemente 16 und 14 vorhanden in der Leitung 11 bzw. der Kurzschlußleitung 13, in Fig. Ib und Ic ist dargestellt, daß es auch möglich ist, ein Mischventil 21 bzw. ein Verteilventil 22 zu verwenden. Zum Übrigen ist die Wirkungsweise der der in F i g. 1 dargestellten Anlage gleich. Aus dem Obenstehenden dürfte es einleuchten, daß die Erfindung eine einfache und gut funktionierende Gefriertrotknungsanlage schafft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gefriertrocknungsanlage, die mindestens eine Vakuumgefriertrocknungskammer, in das Gut eingefroren und getrocknet wird, jne damit verbundene Kondensatorkammer, in der im Betrieb eine niedrigere Temperatur herrscht als in der Vakuumkammer, und eine kälteerzeugende Vorrichtung zum Liefern von Kälte an die genannten Kammern umfaßt, wobei ein geschlossenes Lei-•ungssystem für ein Wärmetransportmittel eine Pumpe und einen ersten in der Kondensatorkammer angeordneten Wärmetauscher enthält und ein von diesem Leitungssystem abgezweigtes, absperrbares zweites. Leitungssystem eine Pumpe, einen in der Vakuumkammer angeordneten Wärmetauscher und eine Heizvorrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die kälteerzeugende Vorrichtung eine Gaskältemaschine (4) ist, deren kalter Kappe (3) ein im geschlossenen Leitungssystem vorhandener dritter Wärmetauscher (2) zugeordnet ist, dessen Strömungswiderstand wesentlich höher als der des ersten Wärmetauschers (5) ist.