DE2510758A1

DE2510758A1 - Geraete zur gefriertrocknung

Info

Publication number: DE2510758A1
Application number: DE19752510758
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Rautenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1976-09-30
Also published as: DE2510758C3; DE2510758B2

Description

2510758 Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewslei Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte:

45 479/Sch-

43 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf.789

11. März 1975

Patent- und Hxlfsgebrauchsmusteranmeldung

1) Prof. Dr.-Ing. Robert Rautenbach 51 Aachen, Turmstr. 46

2) Dipl.-Ing. Horst Hoeck

51 Aachen, Kaiser-Friedrich-Allee 2a

3) Dipl.-Ing. WoIfgang Beer 51 Aachen, Beeckstr.

Geräte zur Gefriertrocknung

Bei der Gefriertrocknung wird dem gefrorenen Gut das Wasser bei so niedrigen Drücken und Temperaturen entzogen, daß es
absublimiert.

Beispielhaft soll anhand einer einfachen Skizze (Fig. 1) das Prinzip einer Variante bekannter Gefriertrocknungsanlagen erläutert werden.

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ORIGINAL

Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Das benötigte Vakuum wird durch eine Reihenschaltung von Eiskondensator 1 und Vakuumpumpe 2 während der Gefriertrocknung aufrechterhalten.

Den Eiskondensatoren 1 fällt hierbei die Aufgabe zu, den aus dem zu trocknenden Gut 4 absublimierten Wasserdampf in die feste Form (Eis) zu überführen, damit die nachgeschaltete Vakuumpumpe 2 nur geringe Volumina - Inertgase - zu verdichten hat.

Hierbei tritt folgendes Problem auf:

In den Eiskondensatoren 1 bildet sich auf den Wärmetauscherflächen 3 eine Eisschicht mit im Zeitverlauf zunehmender Dicke, die einen wachsenden Wärmedurchgangswiderstand darstellt. Bei konstanter Kühlmitteltemperatur hat dieser wachsende Wärmedurchgangswiderstand ein fallendes Vakuum, d. h. Druckanstieg in der Gefriertrocknungskammer 4 zur Folge.

Zur Zeit wird die Eisschicht deswegen entweder mechanisch durch Abkratzen oder durch Abtauen entfernt.

Einrichtungen zur mechanischen Entfernung dieser Eisschichten sind von der apparativen Seite her aber sehr aufwendig.

Das periodische Abtauen des Eises hat sich daher insbesondere bei kontinuierlichen Großanlagen durchgesetzt.

Da man jedoch bestrebt ist, ein möglichst gleichmäßiges Vakuum aufrechtzuerhalten, muß man spezielle Vorkehrungen treffen, wenn das Eis in Eiskondensatoren durch Abtauen entfernt werden soll:

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Üblich ist es, mehrere Eiskondensatoren 1 - wie in Fig. 1 - vorzusehen, die abwechselnd abgetaut werden. Das Äbtauen kann entweder durch Heißdampf direkt oder durch erwärmtes Kältemittel indirekt, aber auch durch spezielle Abtauvorrichtungen, wie gesonderte Heizrohre erfolgen.

In jedem Fall muß aber dabei der Eiskondensator 1 durch besondere Absperrorgane 6 vom Gefriertrocknungsraum 4 getrennt und der Kältemittelfluß durch den Eiskondensator 1 unterbrochen werden.

Um auch während der Eisbildung möglichst stationäre Betriebsbedingungen zu schaffen, wird auch die Kälteleistung der Kältemaschine 7, d. h. die Kühlmitteltemperatur entsprechend der Dicke der Eisschicht geregelt, was sowohl erhöhte Investitionswie Betriebskosten hervorruft:

Da die Eisschichten beim diskontinuierlichen Betrieb der Eiskondensatoren verhältnismäßig dick werden, muß die Kältemaschine 7 so dimensioniert werden, daß immer ein genügend großes Temperaturgefälle zwischen Vakuumkammer 4 und Kühlmittel aufrechterhalten wird.

Aus konstruktiven Gründen ist es auch nicht möglich, die Kondensationsflächen 3 des Eiskondensators 1 sehr nahe an das gefrierzutrocknende Gut heranzubringen, was im Hinblick auf den Druck-

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verlust - der einem Temperaturgefälle entspricht - wünschenswert wäre.

Dies ist erst dann möglich, wenn man sich einer speziellen Wärmetauscherart bedient, die das Abtauen im herkömmlichen Sinne überflüssig macht.

Es ist bekannt, daß durch elektrischen Strom Wärme erzeugt werden kann, die man auch zum Abtauen von Eis benutzen könnte.

Da elektrische Energie jedoch die hochwertigste Energieform darstellt; das Abtauen von Eis jedoch nur minderwertige Energie - beispielsweise in Form von warmer Luft - verlangt, ist eine besondere Verfahrensweise notwendig, um das Eis mittels elektrischem Strom wirtschaftlich von den Wärmetauscherflächen eines Eiskondensators zu entfernen. Würde man das Eis mit Hilfe von elektrischem Strom einfach abtauen, wäre der Energieaufwand für großtechnische Anlagen zu hoch und viele der genannten Nachteile der konventionellen Gefriertrocknung noch nicht beseitigt, insbesondere der Zwang, bei der kontinuierlichen Gefriertrocknung einen zusätzlichen Eiskondensator vorzusehen.

Gegenstand der Erfindung sind Geräte zur Gefriertrocknung im Zusammenhang mit einer neuen Wärmetauscherart zur Eisbildung, die die genannten Nachteile nicht aufweisen.

Erfindungsgemäß wird das Eis nur abgesprengt, d. h. es wird nur eine sehr kleine Zone - diejenige die der Wärmetauscherwand am nächsten ist - angetaut. Die so gelöste Eisschicht

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kann dann durch die Schwerkraft, aber auch zusätzlich durch den Dampfdruck der getauten und erwärmten Eiszone von der Wärmetauscherwand wegtransportiert werden.

Weiterhin wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß durch den elektrischen Strom, der das Tauen der dünnen Eisschicht in Wandnähe bewirkt, nicht die gesamte Wärmetauscherwand des Eiskondensators auf eine Temperatur über dem Gefrierpunkt erhöht werden muß.

In Fig. 2 und 3 ist beispielhaft der Schnitt durch die Wärmetauscherwand einer bevorzugten Ausführung der neuen Wärmetauscherart skizziert.

Das Kühlmittel 8 sorgt für das notwendige Temperaturgefälle zur Eisbildung. Die Wärmetauscherstützwand 9 - beispielsweise aus Stahl - sorgt für die notwendige Festigkeit des Apparates. Eine dünne Schicht elektrisch isolierenden Materials 10 befindet sich zwischen der Wärmetauscherstützwand 9 und einer elektrisch leitenden Schicht 11, durch die ein Strom geleitet werden kann, ohne daß er auch durch die Wärmetauscherstützwand 9 fließt.

Die elektrisch leitende Schicht 11 könnte beispielsweise eine aufgedampfte, dünne, metallische Schicht sein, oder auch aus dünnen Folien bzw. einem Netz dünner Drähte bestehen. Direkt an der elektrisch leitenden Schicht 11 oder nur durch eine weitere dünne Schutzschicht 12 - Fig. 3 - getrennt, bildet sich aufgrund des Temperaturgefälles zwischen Dampfraum 14 und Kühlmittel 8 die Eisschicht 13.

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Ein kurzer Stromfluß durch die elektrisch leitende Schicht 11 reicht nun aus, diese über den Gefrierpunkt zu erwärmen und dadurch die Eisschicht anzutauen und abzusprengen. Wesentlich ist hierbei, daß die elektrisch leitende Schicht 11 im Verhältnis zur Wärmetauscherstützwand 9 sehr dünn ist. Aufgrund der Trägheit des Wärmeleitungsvorganges wird sich die wesentlich dickere Wärmetauscherstützschicht 9 während des Stromflusses nur unwesentlich erwärmen, so daß das Kühlmittel 8 nur eine geringe zusätzliche Wärmemenge abzuführen hat und während des Absprengens der Eisschicht 13 weiter strömen kann.

Vorteilhaft ist es erfindungsgemäß hierbei, in einem Eiskondensator alles Eis nicht gleichzeitig von allen Wärmetauscherwänden abzusprengen, sondern nacheinander einzelne Teilflächen vom Eis zu befreien. Es sollte darauf geachtet werden, daß zwischen der Ansaugstelle der Vakuumpumpe und abzusprengender Teilfläche stets eine noch kalte Teüfläche Wasserdampfstöße auffängt, was durch Umschalten der Zuleitung - beispielsweise durch eine Klappe - zur Vakuumpumpe erreicht werden kann.

Außerdem kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Wärmetauscherwand mit Rippen - Fig. 4 zu versehen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmetauseherart hat wesentliche Veränderungen herkömmlicher Gefriertrocknungsgeräte mit den entsprechenden Vorteilen zur Folge:

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Der Eiskondensator kann quasi-kontinuierlich betrieben werden.

Der geringe Aufwand an Energie für das Absprengen des Eises erlaubt es, die Eisschicht schon dann abzusprengen, wenn sie im Vergleich zur konventionellen Verfahrensweise noch sehr dünn ist. Dünne Eisschichten bedeuten niedrigen Wärmedurchgangswiderstand, was höhere Kühlmitteltemperaturen und somit erniedrigten Energiebedarf zuläßt.

Dünne Eisschichten, die periodisch entfernt werden, bringen geringere Schwankungen im Vakuum mit sich als dies beim Anwachsen einer dicken Eisschicht der Fall ist.

Da die Eiskondensatoren nicht mehr periodisch vom Vakuumraum zum Abtauen getrennt werden müssen, ist es möglich, die Eiskondensatoren, d. h. die Wärmetauscherflächen zur Eisbildung, sehr nahe an das gefrierzutrocknende Gut heranzubringen und so lange Strömungswege - Druckabfall - zu vermeiden.

Fig. 5 und 6 zeigen Prinzipskizzen erfindungsgemäßer Geräte zur kontinuierlichen Gefriertrocknung. Im Unterschied zu herkömmlichen Gefriertrocknungsgeräten werden die Wärmetauscherflächen 15 für die Eiskondensation in der Gefriertrocknungskammer 16 selber angeordnet. Da keine Absperrorgane vorgesehen werden müssen, die die Wärmetauseherflächen periodisch von

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der Gefriertrocknungskammer trennen, können die Wärmetauscherflächen 15 konstruktiv sehr nahe an dem zu trocknenden Gut 17 angeordnet werden. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß die Wärmequelle 18, die dem Gut 17 die Sublimationswärme zuführt, die Wärmetauscherflächen 15 nicht direkt durch Strahlung - beheizt.

Das abgesprengte Eis 19 kann beispielsweise durch Vibrationsförderung und anschließend mittels einer Schleuse 20 aus der Vakuumkammer transportiert und an anderer Stelle im Prozeß als zusätzliche Kältequelle eingesetzt werden.

Bei den meisten Gefriertrocknungsgeräten größerer Leistung ist es vorteilhaft, sich der neuen Wärmetauscherart zur Eiskondensation zu bedienen und die Geräte wie beschrieben auszuführen, d. h. die Wärmetauscherflächen in der Gefriertrocknungskammer anzuordnen, gleichgültig ob es sich um kontinuierliche oder diskontinuierliche Arbeitsweise handelt. Auch die Art der Zuführung der Sublimationswärme sowie die Art des Guttransportes ( z. B. in Schalen, durch Vibration oder Rührorgane) bilden keine Beschränkung für die beschriebene Gestaltung der Gefriertrockner.

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Claims

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Ansprüche

Geräte zur Gefriertrocknung, in denen der Wasserdampf als Ls auf festen Wärmetauscherflächen niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zu trocknende Gut und die Wärmetauscherflächen im selben, unter Vakuum stehenden Raum befinden und die Eisschicht auf den Wärmetauscherflächen periodisch nicht vollständig abgetaut wird, sondern durch Antauen einer sehr dünnen, der Wärmetauscherwand nahen Schicht und von der Wärmetauscherwand gelöst wird, in dem eine ebenfalls dünne, dem abzulösenden Eis nahe Schicht der Wärmetauscherwand kurzzeitig aufgeheizt wird, wobei der Fluß des Kältemittels, das die Eisbildung bewirkt hat, für den Ablösevorgang nicht unterbrochen zu werden braucht.
2. Geräte zur Gefriertrocknung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis nicht von der gesamten Wärmetauscherfläche gleichzeitig abgesprengt wird, sondern nacheinander einzelne Teilflächen vom Eis befreit werden.
3. Geräte zur Gefriertrocknung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem periodischen Absprengen des Eises von einer Teilfläche gleichzeitig der Anschluß für eine Vakuumpumpe so geregelt wird, daß immer eine kalte, gerade im Kühlbetrieb befindliche Teilfläche zwischen dem gerade saugenden

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Anschluß für die Vakuumpumpe und abzusprengender Teilfläche ist.
4. Geräte zur Gefriertrocknung mit festen Wärmetauscherflächen zur Eiskondensation nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme in der dünnen Schicht der Wärmetauscherwand, die das Ablösen der Eisschicht bewirkt, mittels elektrischem Strom erzeugt wird, beispielsweise durch ohmsche Wärme in einer besonderen Schicht oder durch den Skin-Effekt.
5. Geräte zur Gefriertrocknung mit festen Wärmetauscherflächen zur Eiskondensation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Wärmetauscherflächen aus mehreren Schichten besteht, und zwar nach Fig. 2 bis 4: Einer dicken Schicht, der Wärmetauscherstützschicht (9), die dem Kühlmittel am nächsten ist und der Wärmetauscherwand die notwendige Festigkeit verleiht, anschließend einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht (10), einer dritten elektrisch leitenden, im Vergleich zur Wärmetauscherstützschicht (9), sehr dünnen Schicht (11), durch die ein Strom geleitet werden kann, ohne daß er auch durch die Wärmetauscherstützschicht (9) fließt, und evtl. einer vierten, sehr dünnen Schutzschicht (12) , die lediglich die Aufgabe hat, Beschädigungen der elektrisch leitenden Schicht (11) zu verhindern.
6. Geräte zur Gefriertrocknung mit festen Wärmetauseherflächen zur Eiskondensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (11) eine dünne aufgedampfte, aufgalvanisierte oder aufgestrichene metallische Schicht ist.

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7. Geräte zur Gefriertrocknung mit festen Wärmetauscherflächen zur Eiskondensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (11) eine dünne, geklebte Folie ist.
8. Geräte zur Gefriertrocknung mit festen Wärmetauscherflächen zur Eiskondensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (11) aus dünnen Drähten gebildet wird, die beispielsweise netzartig angeordnet sind.

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