DE3025050C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vakuumvorrichtung mit einer
Vakuumkammer, in welcher Kühl- und Heizfächer sowie ein
Kondensator angeordnet sind, eine Vakuumpumpe mit einer
Vakuumkammer verbunden ist, eine durch ein Kältemittel
gekühlte Lauge bzw. Sole den Fächern zugeführt wird und
die jeweiligen Verbindungsleitungen mit über eine ent
sprechende Steuer- oder Regeleinrichtung steuerbaren Ven
tilen versehen sind.
Anwendungsgebiete für Vakuumvorrichtungen sind das Trock
nen (einschließlich Gefriertrocknen), Konzentrieren bzw.
Einengen, Destillieren, Kühlen, Lösungsmittelabtrennen
und dgl. bei der Nahrungsmittelkonservierung und für an
dere feinchemische Zwecke.
Ein Anwendungsgebiet für die Erfindung ist beispielsweise
eine Vakuumvorrichtung für das Gefriertrocknen. Die fol
gende Beschreibung bezieht sich auf eine solche Vorrich
tung, doch soll die Erfindung keineswegs nur auf eine
solche Vorrichtung beschränkt sein.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen Beispiele für bisherige
Vakuumvorrichtungen für das Gefriertrocknen. In der fol
genden Beschreibung dieser bisherigen Vakuumvorrichtung
sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen
Bezugsziffern bezeichnet.
In diesen bisherigen Vakuumvorrichtungen erfolgen in an
sich bekannter Weise zunächst ein Kühlen und Einfrieren
des zu trocknenden, in die eine Vakuumkammer eingebrach
ten Guts und dann ein Kondensieren des Wasserdampfes und/
oder sonstigen Lösungsmitteldampfs (im folgenden einfach
als "Dampf" bezeichnet), der aus dem getrockneten Gut
entweicht, mittels eines in der anderen Vakuumkammer an
geordneten Kondensators, zusammen mit einer Rückgewinnung
dieses Dampfes. Da hierbei in der Anfangsphase des zwei
ten Arbeitsvorgangs eine große Dampfmenge durch den Kon
densator behandelt wird, wird dem Kondensator in der
zweiten Phase im wesentlichen eine Belastung entzogen.
Die Vakuumvorrichtung gemäß Fig. 1 ist so ausgelegt, daß
der außerhalb eines Kondensators 10 befindliche Dampf
aufgrund der Verdampfungswärme eines aus Halokohlenstoff
bestehenden Kältemittels gekühlt
wird, das von einer Kühleinheit 11 in den Kondensator 10
eingeleitet wird; infolgedessen kondensiert der gekühlte
Dampf auf dem Kondensator 10.
Im folgenden ist ein Trocknungsverfahren unter Verwendung
dieser Vorrichtung erläutert. In einem ersten Verfahrens
schritt wird das zu trocknende Gut zunächst auf eine An
zahl von Kühl- und Heizfächern 5 aufgegeben, die in eine
erste Vakuumkammer eingebaut oder auf einer in dieser
vorgesehenen, nicht dargestellten Trageinrichtung ange
ordnet sind, worauf ein Ventil 3 in einer Leitung 6 ge
schlossen wird. An diesem Punkt wird ein Ventil 13 geöff
net, das sich in einer ersten Kältemittel-Rohrleitung 15
befindet, die von einer ersten Kühleinheit 11 abgeht. Bei
dieser Kühleinheit 11 handelt es sich um eine übliche An
ordnung mit einem Kompressor bzw. Verdichter, einem Ölab
scheider, einem Kondensator und einem Zwischenkühler im
Fall einer zweistufigen Verdichtungseinheit. Außerdem
kann es sich dabei um ein Zweistufen-Kaskaden-Kühlgerät
handeln. Gleichzeitig wird ein in einer zweiten Kältemit
tel-Rohrleitung 16 befindliches Ventil 14 geschlossen,
worauf die Kühleinheit 11 in Betrieb gesetzt wird.
Das Kältemittel durchströmt dabei in der ersten Kältemit
tel-Rohrleitung 15 ein Expansionsventil 17 unter Durch
strömung der Rohrleitung 15 auf die durch den gestrichel
ten Teil angedeutete Weise, um dabei die in einem Wärme
tauscher 7 befindliche Lauge bzw. Sole als Wärmeträger
abzukühlen. Die abgekühlte Sole wird auf die durch den
ausgezogenen Teil angedeutete Weise mittels einer Pumpe 9
in einer Sole-Rohrleitung 18 umgewälzt, wodurch die Fä
cher 5 gekühlt werden. Erforderlichenfalls kann zu diesem
Zeitpunkt eine zweite Kühl- bzw. Gefriereinheit 12 zur
Kühlung der Sole in einem zweiten Wärmetauscher 8 in Be
trieb gesetzt werden. In die Sole-Rohrleitung 18 ist ein
Heizelement 21 eingeschaltet.
In diesem ersten Verfahrensschritt werden somit die Fä
cher 5 gekühlt, und das zu trocknende Gut wird zum Ein
frieren von Raumtemperatur auf eine Temperatur in der
Größenordnung von -45° C bis -50° C tiefgekühlt.
Anschließend findet das Umschalten vom ersten auf den
zweiten Verfahrensschritt statt. Zuvor wird das Ventil 13
geschlossen, und das Ventil 14 wird geöffnet, um den
Kühlmittelstrom in der Rohrleitung 15 zu beenden und das
Kältemittel durch die Rohrleitung 16 fließen zu lassen,
wie dies durch den doppelköpfigen gestrichelten Pfeil an
gedeutet ist. Hierbei wird der Dampfkondensator 10 auf
eine Temperatur im Bereich von -50° C bis -55° C abgekühlt.
In die Rohrleitung 16 ist dabei ein Expansionsventil 20
eingeschaltet.
Beim zweiten Verfahrensschritt wird der Kältemittelstrom
in der Rohrleitung 16 aufrechterhalten, während das Ven
til 3 gleichzeitig mit dem Antrieb einer Vakuumpumpe 4
geöffnet wird. Die Drücke in beiden Vakuumkammern 1 und 2
werden auf diese Weise auf eine Größe von 0,27-0,027 mbar
reduziert.
Andererseits wird die Temperatur der Fächer 5 durch Ein
schalten des Heizelementes 21 und Ingangsetzung der Pumpe
9 auf eine geeignete Temperatur erhöht, die je nach den
Eigenschaften des zu trocknenden Guts unterschiedlich
sein kann. Aufgrund dieser Temperaturerhöhung wird das im
zu trocknenden Gut enthaltene Wasser oder Lö
sungsmittel, d. h. Feuchtigkeit, verdampft, wobei die für
die Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur der Fä
cher entzogene Wärme durch das Heizelement 21 nachgelie
fert wird. Falls die geeignete bzw. vorgegebene Tempera
tur niedriger ist als Raumtemperatur, kommt es zeitweilig
vor, daß die Summe aus der für die Umwälzung der Sole er
forderlichen Energie der Pumpe und der von außen in die
Vakuumkammer eintretenden Wärme die Sublimationswärme
übersteigt. In diesem Fall wird die Kühleinheit 12 zur
Abfuhr der überschüssigen Wärme und zur Aufrechterhaltung
der Solltemperatur der Fächer 5 wirksam.
Die in Fig. 1 dargestellte Vakuumvorrichtung ist jedoch
mit den vier im folgenden genannten Mängeln behaftet:
Der erste Mangel kann im folgenden Umstand gesehen wer den: da im zweiten Verfahrensschritt, d. h. in der zwei ten Arbeitsstufe der Vorrichtung die Laständerungen im Kühlzyklus einen weiten Bereich umfassen, der von einem Hochbelastungszustand in der Anfangsstufe des Trocknungs vorgangs, in welcher eine große Dampfmenge kondensiert wird, bis zu einem Niedrigbelastungszustand in der fol genden Trocknungsstufe reicht und weiterhin bis zum nahe zu belastungsfreien Zustand in der Endstufe des Trocknens reicht, wobei die höchste Belastung ein Mehrfaches, näm lich bis zum Zehnfachen der niedrigsten Belastung be trägt, so daß sie außerhalb des normalen Regelbereichs einer im Kühlzyklus wirksamen Regeleinrichtung, z. B. ei nes thermostatischen Expansionsventils liegt, ist es schwierig, den Kühlvorgang optimal ablaufen zu lassen und die Lastwechsel automatisch auszugleichen. In der zweiten Arbeitsstufe, in welcher eine Kondensationstemperatur von etwa -60° C zum Zeitpunkt hoher Belastung gefordert wird, können Störungen oder Schäden auftreten, beispielsweise eine Erstarrung des Schmieröls aufgrund der übermäßigen Abkühlung über den zulässigen Grenzwert des in dieser Ar beitsstufe stattfindenden Kühlzyklus eine Verschlechte rung oder Zersetzung des Schmieröls aufgrund übermäßiger Erwärmung des infolge übermäßiger Verdichtung aus der Kühleinheit ausgetragenen Gases, ein Blockieren infolge eines zu starken Schließens des thermostatischen Expan sionsventils, Naßkompression infolge eines zu weiten Öff nens des Expansionsventils.
Der erste Mangel kann im folgenden Umstand gesehen wer den: da im zweiten Verfahrensschritt, d. h. in der zwei ten Arbeitsstufe der Vorrichtung die Laständerungen im Kühlzyklus einen weiten Bereich umfassen, der von einem Hochbelastungszustand in der Anfangsstufe des Trocknungs vorgangs, in welcher eine große Dampfmenge kondensiert wird, bis zu einem Niedrigbelastungszustand in der fol genden Trocknungsstufe reicht und weiterhin bis zum nahe zu belastungsfreien Zustand in der Endstufe des Trocknens reicht, wobei die höchste Belastung ein Mehrfaches, näm lich bis zum Zehnfachen der niedrigsten Belastung be trägt, so daß sie außerhalb des normalen Regelbereichs einer im Kühlzyklus wirksamen Regeleinrichtung, z. B. ei nes thermostatischen Expansionsventils liegt, ist es schwierig, den Kühlvorgang optimal ablaufen zu lassen und die Lastwechsel automatisch auszugleichen. In der zweiten Arbeitsstufe, in welcher eine Kondensationstemperatur von etwa -60° C zum Zeitpunkt hoher Belastung gefordert wird, können Störungen oder Schäden auftreten, beispielsweise eine Erstarrung des Schmieröls aufgrund der übermäßigen Abkühlung über den zulässigen Grenzwert des in dieser Ar beitsstufe stattfindenden Kühlzyklus eine Verschlechte rung oder Zersetzung des Schmieröls aufgrund übermäßiger Erwärmung des infolge übermäßiger Verdichtung aus der Kühleinheit ausgetragenen Gases, ein Blockieren infolge eines zu starken Schließens des thermostatischen Expan sionsventils, Naßkompression infolge eines zu weiten Öff nens des Expansionsventils.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß bei
dieser bisherigen Vakuumvorrichtung verschiedene Schwie
rigkeiten bezüglich der erforderlichen Steuerungen zur
Vermeidung der genannten Störungen und Schäden im Spiel
sind. Außerdem kann dabei die Temperatur des Kondensators
10 wegen der variierenden Belastungen nicht genau auf ei
ne vorbestimmte Größe geregelt werden, so daß auch der
Dampfdruck, der einen die Güte und die Behandlungszeit
des zu trocknenden Gutes beeinflussenden Faktor dar
stellt, nicht genau geregelt werden kann.
Die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten verstärken
sich noch unter den im folgenden genannten Bedingungen.
Da der Dampfkondensator 10 eine Temperatur von weniger
als 0° C besitzt, kondensiert der Wasserdampf zu Eis, wel
ches in Form einer sich aufbauenden Eisschicht an den
Kondensierflächen anhaftet. Wenn daher der Wasserdampf an
der Kondensierfläche ungleichmäßig kondensiert, ver
größert sich die Dicke der Eisschicht nur in diesen Be
reichen ungleichmäßiger Kondensation, so daß sich Ein
schnürungen bilden können oder der Dampfströmungsweg
blockiert werden kann. Bei einem Trockenexpansions-Ver
dampfer ist es nötig, daß das gesamte Kühlmittel am Aus
laß nahezu vollständig zu einem zweckmäßig überhitzten
Gas verdampft ist. Wie aus den vorstehenden Ausführungen
hervorgeht, verschlechtern sich jedoch bei einer solchen
Vorrichtung Leistung und Kapazität des Kondensators, weil
sich der Wärmeübergang zwischen Kühlmittel und Verdamp
ferfläche an deren Hauptbereichen stark verschlechtert,
so daß die Verdampferfläche nicht als wirksame Konden
sierfläche zu wirken vermag. Zur Vermeidung dieser Er
scheinung müssen Gegenmaßnahmen zur Verhinderung einer
Feucht- bzw. Naßkompression durch Abtrennung oder Ver
dampfung eines Teils des Kühlmittels, welches den Kon
densator in der Strecke der Saugleitung in flüssiger Form
durchströmt, ins Auge gefaßt werden. Derartige Gegenmaß
nahmen führen aber nicht nur zu einem Verlust der Kühl
leistung, sondern erfordern auch eine außerordentlich
feinfühlige Steuerung oder Regelung der Expansionsventile
gegen sehr weite Lastschwankungen, wodurch die Arbeit der
Bedienungsperson erschwert wird.
Bei der beschriebenen Vorrichtung tritt weiterhin beim
Umschalten von der ersten auf die zweite Arbeitsstufe ein
plötzliches Umschalten von Kältemittel vom Wärmetauscher
7 auf den Kondensator 10 auf, so daß sich infolgedessen
die Belastung der Kühleinheit 11 schnell von einer nie
drigen Belastung von -45° bis -50° C auf eine große Bela
stung ändert, welche den Temperaturbereich von Raumtempe
ratur (Temperatur des Kondensators 10) bis zur Gefrier
temperatur umfaßt. Darüber hinaus muß der Kondensator in
nerhalb von 20 Minuten oder bevor die Temperatur der Fä
cher 5, die ohne Kühlwirkung bleiben, aufgrund der von
außen zugeführten Wärme ansteigt, auf eine Temperatur von
-50 bis -55° C abgekühlt werden. Diese, im Kühlzyklus auf
tretenden schnellen Lastwechsel können somit verschiedene
Störungen und Probleme aufwerfen.
Weiterhin ist der genannte Umschaltvorgang vom Energie
standpunkt aus unwirtschaftlich. Am Ende der ersten Ar
beitsstufe, wenn die Fächer auf eine Temperatur von -45
bis -50° C gekühlt worden sind, ist der Wärmetauscher 7
bereits für eine niedrigere Temperatur vorbereitet, die
im wesentlichen für den Kondensator 10 benötigt wird.
Dennoch ergeben sich bei diesem Umschaltvorgang trotzdem
Verluste insofern, als der so abgekühlte Wärmetauscher 7
mittels des Heizelementes 21 erwärmt werden muß, da die
Temperatur der Fächer 5 in der zweiten Arbeitsstufe er
höht werden muß, was als zusätzliche Belastung anzusehen
ist, während andererseits ein anderer, noch nicht gekühl
ter Kondensator 10 mittels der Kühleinheit 11 schnell ab
gekühlt werden muß. Weiterhin ist dabei die Verwendung
einer Vakuumpumpe 7 mit sehr hoher Evakuierleistung wäh
rend einer Zeitspanne von beispielsweise weniger als 10-
20 Minuten erforderlich, während welcher ein Temperatur
anstieg des zu trocknenden Guts auf den Fächern 5, die
bereits ohne Kühlwirkung sind, verhindert und somit
schnell ein Druck erreicht werden kann, bei dem ein An
schmilzen des zu trocknenden Guts verhindert wird.
Außerdem kann in der zweiten Arbeitsstufe dieser Vor
richtung für die Regelung der Temperatur der Fächer 5
nicht auf den Wärmetauscher 8 und auf die Kühleinheit 12
verzichtet werden. Infolgedessen erfordert diese bisheri
ge Vakuumvorrichtung hohe Einbaukosten und eine große
Aufstellfläche.
Die Vakuumvorrichtung gemäß Fig. 2 wurde mit dem Ziel
der Ausschaltung verschiedener Mängel der Vakuumvorrich
tung gemäß Fig. 1 vorgeschlagen. Diese Vakuumvorrichtung
ist so ausgelegt, daß die durch das Kältemittel im Wärme
tauscher 7 gekühlte Lauge oder Sole durch das Innere des
Kondensators 22 umgewälzt und der Dampf auf der Oberflä
che des Kondensators 22 kondensiert wird.
Im folgenden ist die Vakuumvorrichtung gemäß Fig. 2
hauptsächlich bezüglich der von der Vorrichtung gemäß Fig. 1
abweichenden Merkmale und unter Verzicht auf eine
Erläuterung der Teile, welche beide Vorrichtungen gemein
sam besitzen, beschrieben.
Zum Kühlen der Fächer 5 werden die Ventile 23 und 24 ge
öffnet, während ein Ventil 25 geschlossen und die Kühl
einheit 11 in Betrieb gesetzt wird, um die Lauge bzw.
Sole in Richtung des ausgezogen eingezeichneten Pfeils
durch eine erste Sole-Rohrleitung 26 umzuwälzen. Die
erste Arbeitsstufe ist somit abgeschlossen, wenn das zu
trocknende Gut auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt
und eingefroren worden ist.
Anschließend werden vor dem Umschalten auf die zweite Ar
beitsstufe Ventile 25 und 27 geöffnet, Ventile 23 und 24
geschlossen und eine Pumpe 28 in Gang gesetzt, um die So
le durch eine zweite Sole-Rohrleitung 29 in Richtung des
doppelköpfigen ausgezogenen Pfeils umzuwälzen und dabei
den Dampfkondensator 22 auf eine bestimmte Temperatur ab
zukühlen.
Hierauf wird zur Einleitung der zweiten Arbeitsstufe die
Vakuumpumpe 4 in Betrieb gesetzt, während das Ventil 3
geöffnet wird.
Sodann werden das Ventil 36 geöffnet und die Pumpe 9 ein
geschaltet, um weitere Sole über einen Teil der Rohrlei
tung 32 und eine Leitung 34 in Richtung des dreiköpfigen
Pfeils zu den Fächern 5 und zum Heizelement 21 zu för
dern. Wenn die Fächer 5 durch das Heizelement 21 auf eine
zweckmäßige Temperatur gebracht worden sind, nachdem in
der Vakuumkammer 1 ein vorbestimmtes Vakuum eingestellt
worden ist, wird der Dampf des Wassers und dergleichen
Feuchtigkeit in dem zu trocknenden Gut durch die Wärme
der Fächer sublimiert, und der resultierende Dampf wird
vom Dampfkondensator kondensiert und aufgefangen bzw.
eingeschlossen. Auf diese Weise ist das Verfahren auf die
zweite Arbeitsstufe umgeschaltet.
Zur Regelung der Temperatur der Fächer 5 bei einer ver
gleichsweise niedrigen Temperatur an diesem, erforderli
chenfalls zum Kühlen der Fächer, kann eine automatische
Steuerung der Ventile in der Weise vorgesehen werden, daß
beispielsweise in Abhängigkeit von Temperatursignalen die
Ventile 23 und 24 leicht geöffnet werden und außerdem das
Ventil 25 leicht geschlossen wird, wodurch die Fächer 5
mittels einer Sole gekühlt werden können, die durch
zweckmäßiges Vermischen der eine erhöhte Temperatur be
sitzenden, durch die Fächer 5 und die Pumpe 9 umgewälzten
Sole mit einer eine niedrige Temperatur besitzenden, den
Kondensator 22 und die Pumpe 28 durchströmenden Sole er
halten wird. Bei dieser Anordnung kann auf die Wärmetau
scher und die Kühleinheit 12 bei der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 verzichtet werden.
Bei dieser Vakuumvorrichtung ist es weiterhin möglich,
mäßige Lastwechsel sowie eine Regelung der Temperatur des
Kondensators 22 auf eine gewünschte Größe in der Weise
vorzusehen, daß zur Milderung der übermäßig niedrigen Be
lastung eine Last in die Sole-Umwälzleitung eingeführt
wird.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ermög
licht diese Vorrichtung sicher die Aufrechterhaltung op
timaler Bedingungen für den Kühlzyklus, so daß infolge
dessen die vorher geschilderten Störungen und Probleme im
Kühlzyklus weitgehend vermieden werden können. Anderer
seits ist diese bisherige Vorrichtung mit dem folgenden
Mangel behaftet: Wenn nämlich dann, wenn die Kühleinheit
einwandfrei arbeitet und der Wärmetauscher 7 ausreichend
gekühlt ist, an den Ventilen oder dergleichen der Pumpe
28 oder der Sole-Rohrleitung 29 Störungen auftreten, die
zu einer Unterbrechung des Soleflusses im Kondensator 22
oder zu einer Verringerung der Durchsatzmenge an Sole
führen, steigt augenblicklich die Temperatur des Konden
sators 22 und der Unterdruck an, so daß das zu trocknende
Gut in kurzer Zeit anschmilzt und nicht mehr gefrierge
trocknet werden kann.
Darüber hinaus ist diese bisherige Vorrichtung deswegen
nachteilig, daß sie zu einem beträchtlichen Grad für An
wendungszwecke die Kondensatortemperaturen im Bereich von
0° C, jedoch selten für Temperaturbereiche zwischen -50°
und -60° C eingesetzt wird. Der Grund hierfür liegt darin,
daß diese Vorrichtung deshalb als wirtschaftlich und gün
stig angesehen wird, weil aufgrund des Auftretens zweier
Arten von Kühlleistungsverlusten, die nunmehr erläutert
werden sollen, eine Kühlvorrichtung mit übermäßig großen
Abmessungen und zwangsläufig ein übermäßiger Energiever
brauch im Spiel sind.
Der erste Kühlleistungsverlust ist ein Temperaturverlust,
der aus dem Wärmeübergang resultiert, der zweimal zwi
schen der Außenfläche des Kältemittel-Verdampfers des
Wärmetauschers 7 und der Innenfläche des Dampfkondensa
tors 22 durch die Lauge oder Sole eingeführt wird. Damit
bei dieser Vakuumvorrichtung dieselbe Kondensatortempera
tur eingestellt werden kann wie bei der Vorrichtung gemäß
Fig. 1, muß die Verdampfungstemperatur entsprechend die
sem Temperaturverlust um 6-8° C niedriger sein. Im Fall
einer zweistufigen Kompressions-Kühlvorrichtung, bei wel
cher die Verdampfungstemperatur -60° C beträgt und diese
Verdampfungstemperatur um 6-8° C weiter erniedrigt wird,
wird nämlich die Kühlleistung auf etwa 70% verringert,
woraus sich die Notwendigkeit für die Errichtung einer um
etwa 40% größeren Anlage ergibt. Zur Erzielung derselben
Kühlleistung ist es dabei auch nötig, die hierfür benö
tigte Energie um etwa 30% zu erhöhen.
Der zweite Kühlleistungsverlust wird durch eine Pumpe 28
zum Umwälzen der Lauge oder Sole vom Wärmetauscher 7 in
den Kondensator 22 verursacht. Die Kühlfähigkeit oder
-leistung des Kältemittels beruht auf der Verdampfungs
wärme. Zu diesem Zweck besitzt ein derartiges Kältemittel
eine große Kühlleistung pro kg. Da andererseits die Kühl
leistung oder -fähigkeit der Sole auf der meßbaren Wärme
beruht, besitzt die Sole eine niedrige
Kühlleistung pro kg, d. h. eine solche von weniger als
einem Zehntel der Kühlleistung des Kältemittels, wobei
der Kondensator 22, dessen Temperatur gleichmäßig sein
soll, eine Pumpe mit hoher Förderleistung benötigt und
daher die Energiemenge für die Förderung der Sole sich
erhöht, so daß beispielsweise ein Mehrfaches von 10% der
zu übertragenden Gesamt-Kühlleistung verloren geht.
Weiterhin ist diese Vorrichtung deshalb nachteilig, weil
die Temperatur sowohl des Kondensators 22 als auch des
Wärmetauschers 7 beim Umschalten des Solenstroms von der
Rohrleitung 26 auf die Rohrleitung 29 nach Abschluß der
ersten Arbeitsstufe der Temperatur eines Gemisches von
Sole in beiden Rohrleitungen (-25 bis -30° C) entspricht,
wodurch schnelle Änderungen der Belastung und der Dampf
temperatur in der Kühleinheit 11 hervorgerufen werden.
Weiterhin ist die Wärmekapazität sowohl des Kondensators
22 als auch des Wärmetauschers 7 groß, so daß es äußerst
schwierig ist, beide Einheiten in einer kurzen Zeitspanne
von etwa 20 Minuten auf eine Temperatur von etwa -50 bis
-55° C herunterzukühlen.
Bei der aus US-PS 38 44 132 bekannten Vakuumvorrichtung
ist zwar ein in diese selbst integrierter Kondensator
vorhanden, der über entsprechende Kältemittel-Zu-/Ablei
tungsvorrichtungen verfügt, der Kondensator kann jedoch
nur als Kondensator oder aber als Wärmetauscher fungie
ren. Es ist also regelmäßig das zusätzliche Vorhandensein
eines außerhalb des Kondensators installierten Wärmetau
schers erforderlich.
Aus GB-PS 12 27 678 ist die Verwendung eines Kondensators
in einer Vakuumvorrichtung bekannt, bei der die Kühlung
über durch den Kondensator geführte Rohrleitungen mittels
eines Kältemittels erfolgt.
Nachteilig ist hier, daß zur Vermeidung eines direkten
Kontaktes zwischen der Oberfläche der Kondensatorummante
lung und den Kältemittelleitungen ein weiteres Medium er
forderlich ist, das zudem nicht umgewälzt wird, sondern
steht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte Vakuumvorrichtung zu entwickeln, die einen
stabilen Betrieb, eine einfache Regelung der Kühleinhei
ten zur Kondensatorkühlung sowie des Unterdruckes durch
genaue Temperaturregelung des Kondensators zu gewährlei
sten vermag. Darüber hinaus soll der Kondensator selbst
einen in die Vakuumvorrichtung integrierten Wärmetauscher
für Kältemittel und Lauge/Sole bilden und über ein Heiz
element zum Abschmelzen des auf der Kondensierfläche ge
bildeten Eises verfügen.
Die genannte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße
Vakuumvorrichtung dadurch gelöst, daß der Kondensator
gleichzeitig einen Wärmetauscher mit Kältemittel- und
Lauge-/Soleleitungen bildet, wobei die die Lauge-/Sole
leitungen mit weiteren mit Ventilen versehenen Lauge-
/Soleleitungen von diesen durch Ventile trennbar, verbun
den ist und der Kondensator als eine Einheit einen Wärme
austausch zwischen beiden Medien einerseits sowie einem
der Medien und einem außerhalb der Kondensiereinheit be
findlichen Dampf andererseits gestattend ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vakuumvorrichtung kennzeichnet sich
in einer bevorzugten Ausgestaltung durch eine erste Vaku
umkammer, die mit einer zweiten Vakuumkammer über eine
mit einem Ventil versehene Leitung verbunden ist, die er
ste Vakuumkammer mit Kühl- und Heizfächern und die zweite
Vakuumkammer mit einem Kondensator versehen sind, an die
zweite Vakuumkammer eine Vakuumpumpe angeschlossen ist
und eine durch ein Kältemittel gekühlte Lauge oder Sole
zu den Fächern zuführbar ist, wobei der Kondensator Käl
temittel- und Soleleitungselemente aufweist und der Kon
densator einen Wärmeaustausch zwischen beiden Medien ei
nerseits sowie beiden Medien oder einem der Medien und
einem außerhalb des Kondensators befindlichen Dampf an
dererseits gestattend ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Kondensator ist als Kondensator und
Wärmetauscher ausgelegt.
Durch innerhalb der Kondensatorrippen angeordnete Lauge-
/Soleleitungen und innerhalb dieser verlaufende Kältemit
telleitungen erfolgt ein Wärmetausch sowohl zwischen Lau
ge/Sole und Kältemittel einerseits, wie auch zwischen
diesen beiden oder einem der beiden Medien mit dem außer
halb des Kondensators befindlichen Dampf. Dabei erfolgt
eine Umwälzung des Kältemittels und des Lauge-/Solemit
tels in den durch den Kondensator geführten Kältemittel-
und Lauge-/Soleleitungen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin
dung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bisheri
gen Vakuum-Gefriertrocknungsvorrichtung,
Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen
bisherigen Vakuum-Gefriertrocknungsvorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer Vakuum
vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Er
findung,
Fig. 4 eine im Längsschnitt gehaltene Vorderansicht der
zweiten Vakuumkammer bei der Vorrichtung gemäß
Fig. 3,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V . . . V in Fig. 4,
Fig. 6 eine im Längsschnitt gehaltene Teilseitenansicht
einer Ausführungsform des Kondensators,
Fig. 7 eine im Längsschnitt gehaltene Seitenansicht ei
ner abgewandelten Ausführungsform der zweiten
Vakuumkammer bei der erfindungsgemäßen Vakuum
vorrichtung,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII . . . VIII der
Fig. 7,
Fig. 9 schematische Darstellungen der verschiedenen
Wärmeaustauscharten zwischen Kältemittel, Sole
und Dampf und
Fig. 10 eine schematische Darstellung des tatsächlichen
Ablaufs des Wärmeaustauschers im Kondensator
gemäß Fig. 9.
Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert wor
den. In der folgenden Beschreibung sind die den Teilen
von Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile mit denselben Be
zugsziffern wie vorher bezeichnet.
Die in Fig. 3 dargestellte Vakuumvorrichtung gemäß der
Erfindung weist im Gegensatz zu den bisherigen Vakuumvor
richtungen keinen getrennt außerhalb der Vakuumkammer an
geordneten Wärmetauscher 7 auf, vielmehr ist ein Konden
sator 31 so ausgelegt, daß er die Funktion eines Wärme
tauschers erfüllt.
An diesen Kondensator 31 sind eine Soleleitung 32, über
welche Lauge oder Sole zu Fächern 5 gefördert wird, und
eine Kältemittelleitung 33 angeschlossen, über welche ein
Kältemittel zu einer Kühleinheit 11 gefördert wird.
Die Rohrleitung 32 ist mit Soleleitungen 34 und 35 vor
und hinter in die Leitungen eingeschalteten Ventilen 23
und 24 versehen. In diesen Leitungen 34 und 35 wird wie
derum ein Ventil 36 bzw. ein Ventil 37 angeordnet. Die
Soleleitung 35 ist weiterhin mit einer Pumpe 38 versehen.
Die Einzelheiten der Vakuumkammer 2 und des Kondensators
31 sind in Fig. 4 und den folgenden dargestellt.
Gemäß den Fig. 4 und 5 ist an der Oberseite der Vaku
umkammer 2 ein Dampfeinlaß 41 vorgesehen, an welchem die
Vakuumkammer 2 mit einer Leitung 6 verbunden ist. Zu bei
den Seiten des Dampfeinlasses sind Saugauslässe 42 ange
ordnet, die mit einer Vakuumpumpe 4 verbunden sind. Am
Boden der Vakuumkammer 2 sind ein Ablaßrohr 43 und ein
Mantel-Heizelement 44 angeordnet, von denen letzteres mit
Sole, Heißwasser oder Dampf beschickbar ist.
Bei 45 ist eine Deckelplatte angedeutet.
Der Kondensator 31 umfaßt eine Anzahl von lotrechten, pa
rallelen Kondensierplatten 47. Wie insbesondere aus Fig. 4
und 6 hervorgeht, besitzt jede Kondensierplatte 47 ei
nen ununterbrochenen, mäanderförmigen Raum 49 mit einer
Kondensierfläche 51, deren Innenseite durch mehrere Rip
pen 48 gebildet wird und deren Einlaß und Auslaß mit der
Sole-Rohrleitung 32 verbunden sind. Im Raum 49 ist eine
ununterbrochene Kältemittel-Rohrschlange 50 angeordnet,
deren Einlaß und Auslaß an die Kältemittel-Rohrleitung 33
angeschlossen sind und die durch Schweißen oder Anpressen
dicht an der Innenwand des Raums 49 an
liegt.
Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher
zwei Rohrschlangen 50 vorgesehen sind. Gemäß Fig. 5 ist
am Oberteil der äußersten Kondensierplatte 47 eine Trenn
platte 46 vorgesehen, um ein unmittelbares Absaugen von
über den Einlaß 41 eintretendem Dampf über den Saugauslaß
42 zu verhindern.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend be
schriebenen Bauteile erläutert.
Gemäß Fig. 3 ist in einem ersten Verfahrensschritt bzw.
in einer ersten Arbeitsstufe das Ventil 3 geschlossen,
wobei die Vakuumpumpe 4 angetrieben wird, die Ventile 23
und 24 der Rohrleitung 32 offen sind und die Ventile 36
und 37 in den Soleleitungen 34 und 35 geschlossen sind.
Unter diesen Bedingungen wird bei laufender Pumpe 9 die
Kühleinheit 11 in Betrieb gesetzt, so daß Kältemittel
durch die Rohrleitung 33 in Richtung des gestrichelten
Pfeils und Sole bzw. Lauge durch die Rohrleitung 33 in
Richtung des ausgezogen eingezeichneten Pfeils umgewälzt
werden. Dabei erfolgt innerhalb des Kondensators 31 ein
Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Sole, so
daß das zu trocknende Gut auf eine vorbestimmte Tempera
tur eingefroren wird. Die erste Arbeitsstufe ist abge
schlossen, wenn das Gut vollständig eingefroren worden
ist.
Im Verlauf dieser Arbeitsstufe erfolgt ein Wärmeaustausch
zwischen Kältemittel und Sole an bestimmten Stellen, die
an der Außenfläche der Kühlschlange 50 und an der Innen
fläche der Kondensierplatte 47, die durch Kontaktierung
mit der Kühlschlange 50 gekühlt wird.
Die Fig. 9a-9c veranschaulichen drei verschiedene
Arten des Wärmeaustausches zwischen Kältemittel R, Lauge
B und Dampf V. Der Pfeil an der linken Seite von Fig. 10
gibt die vorher genannte Wärmeübergangsart an. Die Rich
tung des Pfeils zeigt in die entgegengesetzte Richtung
des Wärmestroms (die Richtung des negativen Wärmeflusses)
an. Die Vakuumkammer 2 wird mittels der Vakuumpumpe 4
evakuiert, und in dieser Arbeitsstufe, bei welcher keine
Dampfkondensation auftritt, tritt kein negativer Wärme
verlust von der Außenfläche 51 der Kondensierplatte 47
auf, so daß die Kondensierplatte 47, wie erwähnt, als
Kühlrippe der Kühlschlange 50 wirkt und damit den Wärme
austausch zwischen Kältemittel und Sole beschleunigt.
Anschließend erfolgt das Umschalten auf die zweite Ar
beitsstufe. Hierbei kann je nach dem Zustand des zu
trocknenden Guts eine der beiden im folgenden beschrie
benen Maßnahmen getroffen werden.
Die erste Maßnahme eignet sich für den Fall, in welchem
das Gut bei einer besonders tiefen Temperatur vollständig
eingefroren werden kann. Wenn hierbei die Sole auch nach
Abschluß der ersten Arbeitsstufe weiterhin in der Rohr
leitung 32 umgewälzt wird und die Vakuumpumpe 4 weiterhin
läuft, wird das Ventil unter den angegebenen Bedingungen
allmählich geöffnet, um die Vakuumkammer 1 zu evakuieren.
Wenn der Vakuumpumpen-Kopfteil zum Abstellen der Vakuum
pumpe geschlossen wurde, nachdem die Vakuumkammer in der
ersten Arbeitsstufe ein Vakuum einer vorbestimmten Größe
erreicht hatte, wird die Pumpe erneut in Betrieb gesetzt,
und das Ventil 3 wird geöffnet. Wenn in der Vakuumkammer
1 ein vorbestimmtes Vakuum erreicht ist, werden die Ven
tile 23 und 24 geschlossen, während das Ventil 37 geöff
net und die Pumpe 38 eingeschaltet wird, um die Sole
durch einen Teil der Rohrleitung 32 und die Leitung 35 in
Richtung des doppelköpfigen, ausgezogenen Pfeils zu för
dern und damit einen Solestrom durch den Kondensator 31
zirkulieren zu lassen, so daß der Kondensator 31 weiter
auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt wird. Da die
nicht gekühlte Sole, die mit der im Kondensator 31 umge
wälzten Sole vermischt werden soll, nur innerhalb der
Rohrleitung 35 vorhanden ist und ihre Wärmekapazität auf
einen niedrigen Wert reduziert werden kann, z. B. auf 2%
oder weniger der gesamten Wärmekapazität der Umwälzungen
von Kondensator 31 und Rohrleitung 32, ist der Tempera
turanstieg am Kondensator 31 beim Umschalten vernachläs
sigbar, während weiterhin die Belastung oder Last am Fach
5 gegenüber derjenigen der Kühleinheit 11 verringert
wird, so daß eine für den Kondensator erforderliche, vor
bestimmte Temperatur von z. B. -60° C augenblicklich, aus
gehend von der Temperatur am Ende der ersten Arbeitsstufe
von z. B. -50° C, erreicht werden kann.
Mit dieser ersten Maßnahme ist es möglich, das Fach 5 und
das zu trocknende Gut einem vorbestimmten Vakuum auszu
setzen, während die Kühlung von Fach und Gut mittels der
Kühleinheit 11 fortgesetzt wird. Hierdurch wird das Risi
ko dafür ausgeschaltet, daß die Temperatur des Fachs 5
ansteigt und das zu trocknende Gut beim Umschaltvorgang
schmilzt, speziell vor Erreichen einer vorbestimmten Va
kuumgröße.
Die zweite Maßnahme für das Umschalten auf die zweite Ar
beitsstufe eignet sich für den Fall, daß das zu trocknen
de Gut bei einer ziemlich hohen Temperatur vollständig
eingefroren ist und somit die Temperatur am Fach am Ende
der ersten Arbeitsstufe vergleichsweise hoch ist, d. h.
bei z. B. -40° C oder höher liegt. In diesem Fall werden
nach Abschluß der ersten Arbeitsstufe die Ventile 23 und
24 geschlossen, während das Vakuumventil 3 ebenfalls ge
schlossen wird; das Ventil 37 wird geöffnet, und die Pum
pe 38 wird bzw. ist eingeschaltet. Sodann wird wie im
vorher beschriebenen Fall Lauge bzw. Sole durch einen
Teil der Rohrleitung 32 und die Rohrleitung 35 gefördert,
um dadurch den Kondensator 31 auf eine vorbestimmte Tem
peratur abzukühlen, worauf das Ventil 3 fortlaufend ge
öffnet wird, um die Vakuumkammer 1 zu evakuieren. Wenn
das zu trocknende Gut schwierig zu schmelzen ist, braucht
das Fach 5 nicht so stark gekühlt zu werden, so daß die
erste Arbeitsstufe etwas früher als üblich beendet werden
kann und nur der Kondensator 31 zusätzlich auf eine Tem
peratur gekühlt wird, die für den Schutz der Vakuumpumpe
ausreichend ist; anschließend wird das Ventil 3 geöffnet.
Bei beiden Maßnahmen oder Verfahren wird das Ventil 36
gleichzeitig mit dem Ventil 37 geöffnet, während die Ven
tile 23 und 24 geschlossen werden. Infolgedessen wird der
andere Soleanteil durch die Pumpe 9 in Richtung des drei
köpfigen ausgezogenen Pfeils auf dieselbe Weise wie bei
der Vorrichtung gemäß Fig. 2 gefördert, der aus dem zu
trocknenden Gut sublimierte Dampf wird kondensiert und
vom Kondensator 31 aufgefangen. Hierauf erfolgt das Um
schalten auf die zweite Arbeitsstufe.
Wie erwähnt, wirkt diese Vorrichtung in der ersten Ar
beitsstufe als Wärmetauscher zum Kühlen des Faches 5 und
sie leitet den bei Abschluß der ersten Arbeitsstufe am
tiefsten abgekühlten Teil unmittelbar oder nach einer ge
ringen zusätzlichen Kühlung zu dem in der zweiten Ar
beitsstufe am tiefsten zu kühlenden Teil, d. h. zum Kon
densator 31 ab. Infolgedessen kann die Wirkungsweise der
Kühlanlage durch Ausschaltung schneller Lastschwankungen
im Vergleich zu den Vorrichtungen der bekannten Art bes
ser stabilisiert werden, so daß eindeutige Energieeinspa
rungen realisiert werden.
Bei einer Vorrichtung der bekannten Art, wie sie nach Fig. 1
beschrieben worden ist, wird die Kühlenergie des
Wärmetauschers 7, der bei Abschluß der ersten Arbeitsstu
fe am stärksten abgekühlt ist, nicht ausgenützt, wobei
ein doppelter Verlust eingeführt wird, so daß die Kühlan
lage die Belastung der anschließenden schnellen Kühlung
des bisher nicht gekühlten Kondensators 10 und die weite
re Belastung einer Erhöhung der Temperatur des Wärmetau
schers 7, welcher am Ende der ersten Arbeitsstufe die
tiefste Temperatur besitzt, bis zur Temperatur des Fachs
5, d. h. bis zur Temperatur des Elements mit der höchsten
Temperatur in der zweiten Arbeitsstufe, mittels des Heiz
elementes 21 zu verkraften hat.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird die im Wärmetau
scher 7 gespeicherte Kühlenergie für das Kühlen des Kon
densators 22 ausgenutzt, doch wirkt der nicht gekühlte
Kondensator 22 als zusätzliche Kraft. Vom wirtschaftli
chen Standpunkt aus gesehen, kann weiterhin gesagt wer
den, daß die Vorrichtung gemäß Fig. 1 zusätzlich zum
Fach 5 und zum Heizelement 21 als weitere, vor Beginn der
zweiten Arbeitsstufe zu kühlende Element drei Bauteile
umfaßt, nämlich den ersten Wärmetauscher 7, den zweiten
Wärmetauscher 8 und den Kondensator 10. Die Vorrichtung
gemäß Fig. 2 enthält zwei derartige Bauteile, nämlich
den Wärmetauscher 7 und den Kondensator 22.
Demgegenüber ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung
nur ein einziger solcher Bauteil vorhanden, nämlich der
Kondensator 31. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzu
weisen, daß der Kondensator 31 natürlich keine größere
Wärmekapazität erfordert als der Wärmetauscher 7 bei der
Vorrichtung gemäß der Fig. 1 oder Fig. 2, weil der Kon
densator 31 kein zusätzliches Hilfsmittel enthält, das
für den Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Sole un
nötig ist. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann
somit die für das Kühlen vor Beginn der zweiten Arbeits
stufe erforderliche Wärmekapazität wesentlich stärker re
duziert werden als bei den bisherigen Vorrichtungen.
Wenn in der zweiten Arbeitsstufe die am Fach 5 herrschen
de Temperatur für das zu trocknende Gut vergleichsweise
niedrig ist und aufgrund der Wärmeenergie von der Umwälz
pumpe 9 und der von außen eindringenden Wärme auch bei
abgeschaltetem Heizelement 21 über den Sollwert hinaus
ansteigen kann, kann bei dieser Vorrichtung die Tempera
tur des Fachs auf dem Sollwert gehalten werden, indem die
Ventile 24 und 23 leicht geöffnet werden oder zusätzlich,
in Abhängigkeit von einem Fachtemperatursignal, das Ven
til 36 etwas geschlossen wird, um die durch das Fach 5
umgewälzte Sole hoher Temperatur mit der dem Kondensator
31 durchströmenden Sole niedriger Temperatur zu vermi
schen.
Falls eine genaue Regelung der Temperatur des Kondensa
tors 31 nötig ist, kann dies wie folgt geschehen:
Ein Thermostat wird auf eine gewünschte bzw. Solltempera tur eingestellt, und das entsprechende Temperatursignal wird zu den Ventilen 23 und 24 oder zusätzlich zum Ventil 36 geleitet, so daß bei einem Abkühlen des Kondensators unter die Solltemperatur die Ventile 23 und 24 leicht ge öffnet und das Ventil 36 leicht geschlossen wird (oder offen bleibt), um dabei die Sole an der Hochtemperatur seite entsprechend zu mischen. Wenn die Temperatur des Kondensators die eingestellte bzw. Solltemperatur er reicht, werden die Ventile 23 und 24 geschlossen. Zu die sem Zeitpunkt wird die überschüssige Kühlkapazität oder -leistung durch das Heizelement 21 aufgehoben; ersicht licherweise kann diese überschüssige Kühlleistung jedoch auch für andere Zwecke ausgenutzt werden, indem zusätz lich zu den Teilen gemäß Fig. 3 ein Laugen- bzw. Sole tank vorgesehen und an der Seite des Kondensators mit der Rohrleitung 32 parallel zum Kondensator verbunden und die überschüssige Kühlleistung im Sole-Behälter gespeichert wird.
Ein Thermostat wird auf eine gewünschte bzw. Solltempera tur eingestellt, und das entsprechende Temperatursignal wird zu den Ventilen 23 und 24 oder zusätzlich zum Ventil 36 geleitet, so daß bei einem Abkühlen des Kondensators unter die Solltemperatur die Ventile 23 und 24 leicht ge öffnet und das Ventil 36 leicht geschlossen wird (oder offen bleibt), um dabei die Sole an der Hochtemperatur seite entsprechend zu mischen. Wenn die Temperatur des Kondensators die eingestellte bzw. Solltemperatur er reicht, werden die Ventile 23 und 24 geschlossen. Zu die sem Zeitpunkt wird die überschüssige Kühlkapazität oder -leistung durch das Heizelement 21 aufgehoben; ersicht licherweise kann diese überschüssige Kühlleistung jedoch auch für andere Zwecke ausgenutzt werden, indem zusätz lich zu den Teilen gemäß Fig. 3 ein Laugen- bzw. Sole tank vorgesehen und an der Seite des Kondensators mit der Rohrleitung 32 parallel zum Kondensator verbunden und die überschüssige Kühlleistung im Sole-Behälter gespeichert wird.
In der zweiten Arbeitsstufe wird der vom Dampfeinlaß 41
in die Vakuumkammer 2 eintretende Dampf an der Oberfläche
der Kondensierplatte 47 kondensiert. In drei Kanälen oder
Durchgängen an der rechten Seite von Fig. 10 sind die
Wärmeaustauschbeziehungen zwischen Kältemittel, Sole und
Dampf im Kondensator 31 mit dem Kältemitteleinlaß des
Kondensators 31 zur Kondensierplatte 47 dargestellt, bei
welcher durch Anbringung der Kühlschlange 50 an der Kon
densierplatte 47 ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwi
schen Kühlmittel und Dampf gewährleistet wird. Die Tempe
ratur der Sole am Einlaß des Kondensators 31 ist gegen
über der Temperatur am Auslaß zumindest um die Summe auf
der von außerhalb der Soleförderleitung stammenden Wärme
und der im Inneren der Leitung aufgrund der Strömungsmit
telreibung erzeugten Wärme höher. Das vom Einlaß im Mit
telteil ankommende Kältemittel ist andererseits genügend
feucht, um eine ausgezeichnete Wärmeübertragung zwischen
Kältemittel und Dampf zu gewährleisten, doch nimmt in der
letzten Hälfte, in welcher 70-75% oder mehr des Kälte
mittels verdampft sind, sein Wärmeübertragungskoeffizient
stärker ab. Die Dampfeinschlußfähigkeit der Lauge oder
Sole ist in der Nähe des Auslasses des Kondensators 31
größer als an seinem Einlaß, während im Fall des Kälte
mittels dessen Kapazität oder Fähigkeit in der Nähe des
Auslasses des Kondensators 31 abnimmt. Diese beiden ent
gegengesetzten Tendenzen ermöglichen es dem Kondensator
31 über seine Gesamtoberfläche eine gleichmäßige Dampf
einschlußfähigkeit zu erhalten.
Der Dampf wird somit an der Oberfläche der Kondensier
platte 47 kondensiert und er sinkt unter Verringerung
seiner Strömungsgeschwindigkeit nach unten ab, wobei er
an der Außenfläche der an den beiden Außenenden angeord
neten Kondensierplatten 47 weiter kondensiert wird. Der
Dampf erreicht den Gleichgewichtsdampfdruck bei der Kon
densatortemperatur am Saugauslaß 42 und er wird ausgetra
gen, während er mit nicht kondensierbaren Gasen, wie Luft,
vermischt ist.
Nach Abschluß der gesamten Arbeitsgänge wird das in der
Kältemittelleitung befindliche Ventil 13 geschlossen,
während ein nicht dargestelltes Pumpenkopfventil der Va
kuumpumpe 4 geschlossen wird und die Ventile 23 und 24
wieder geöffnet werden, um die Sole in die Leitungs
schleife der Sole-Rohrleitung, einschließlich des Fachs 5
und des Kondensators 31 zu fördern; die Ventile 35 und 36
werden geschlossen, und die Pumpe 38 wird abgestellt, wo
bei sich die Sole an der Seite der höheren Temperatur mit
derjenigen an der Seite der niedrigen Temperatur ver
mischt und damit eine Durchschnittstemperatur eingestellt
wird. Wenn diese Durchschnittstemperatur niedriger als
0° C ist, wird sie mittels des Heizelements 21 auf mehr
als 0° C erhöht. Während dieses Vorganges wird durch wei
teren Betrieb der Kühleinheit 11 für eine bestimmte Zeit
spanne das noch im Kondensator befindliche Kältemittel
durch die Kühleinheit 11 zurückgewonnen, während die an
der Oberfläche des Kondensators 31 abgesetzte Eisschicht
sich ablöst und herabfällt. Durch Erwärmung mittels des
Mantel-Heizelements 44 wird ein Teil des Eises geschmol
zen, und ein anderer Teil des Eises wird bei niedriger
Temperatur und Vakuum in einen Dampf umgewandelt, welcher
das Abschmelzen des kondensierten Eises und des abge
lösten Eises begünstigt. Das gesamte Eis kann somit
schnell und ohne die Probleme geschmolzen werden, die mit
der Einführung von Trägern, wie Wasserdampf, Wasser oder
Heißluft, von außen her in die Vakuumkammer ver
bunden sind; das geschmolzene Eis fließt über den Abfluß
ab.
In den Fig. 7 und 8 ist eine andere Ausführungsform
der zweiten Vakuumkammer 2 dargestellt. Dabei sind die
den Teilen von Fig. 4-6 entsprechenden Teile mit der
selben Bezugsziffer wie vorher bezeichnet und nur soweit
beschrieben, als sie sich von diesen Teilen unterschei
den.
Die Vakuumkammer gemäß Fig. 7 und 8 ist zylindrisch
geformt. Dabei ist ein Zylinder 55 unter Bildung eines
zylindrischen bzw. Ringraums 56 auf einen Teil der Außen
umfangsfläche der Vakuumkammer 2 aufgesetzt. Die Innenum
fangsfläche dieses Ringraums bildet eine Kondensierfläche
57. Die Sole-Rohrleitung 32 ist am Einlaß und Auslaß die
ses Ringraums 56 angeschlossen. Innerhalb dieses Ring
raums 56 befindet sich eine Kühlschlange 58, die dicht an
der Innenumfangsfläche des Ringraums anliegt. Die Kälte
mittel-Rohrleitung 33 ist mit Einlaß und Auslaß der Kühl
schlange 58 verbunden. Die gesamte Vakuumkammer 2 ist mit
einem Isoliermantel 59 verkleidet. Anstelle der Kühl
schlange 58 kann auch ein Kältemittelrohr in einer ande
ren Form verwendet werden.
Die Vakuumkammer 2 eignet sich vorteilhaft für einen Kon
densator mit kleinem Fassungsvermögen, wobei ein Heizele
ment zur Lastregelung am Außenumfang eines Wärmetauschers
angeordnet sein kann.
Obgleich vorstehend nur einige bevorzugte Ausführungsfor
men der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, ist
die Erfindung selbstverständlich weiteren Änderungen und
Abwandlungen zugänglich, die nachstehend beschrieben sind.
Beispielsweise kann eine Vakuumkammer zur Aufnahme des
Fachs bzw. der Fächer 5 des zu trocknenden Guts nicht von
der Vakuumkammer getrennt sein, in welcher die Konden
sierfläche angeordnet ist. Das Fach 5 und der Kondensator
31 können in einer einzigen (gemeinsamen) Vakuumkammer
angeordnet sein. In diesem Fall ist jedoch die Vermeidung
eines Wärmeverlustes beim Evakuieren des Kondensators 31
unmöglich, weil dieser als Wärmetauscher zwischen Kälte
mittel und Sole in der ersten Arbeitsstufe wirkt. Da je
doch der Kondensator 31 die Luft in der Vakuumkammer, in
welcher das Fach 5 angeordnet ist, kühlt, kann vorausge
setzt werden, daß der Kondensator das Kühlen des Faches 5
und das Einfrieren des zu trocknenden Guts auf dem Fach
oder zwischen den Fächern begünstigt, so daß sich tat
sächlich kein echter Verlust einstellt.
Auch wenn die Kühlschlange 50 bzw. 58 nicht innig an der
Innenfläche der Kondensierplatte 47 anliegt (Fig. 6),
verringert sie die Wirkung aufgrund der unmittelbaren
Kühlung der Kondensierplatte mittels der Kühlschlange nur
geringfügig. Unabhängig davon gewährleistet die Erfindung
zahlreiche Vorteile, wie die Möglichkeit der Einstellung
der Kondensatortemperatur, eines stabilen und einfachen
Betriebs des Kühlsystems, Vermeidung eines Kühlleistungs
verlustes aufgrund der Nichtverwendung einer Umwälzpumpe
mit großer Förderleistung. Dasselbe gilt
auch für den Fall, daß die Kühlschlange 58 nicht eng an
der Kondensierfläche 57 gemäß Fig. 7 anliegt.
Bezüglich der Wärmeaustauschbeziehungen gemäß Fig. 9 ist
die bei c) angedeutete Beziehung am wirksamsten, bei wel
cher ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen jeweils
zwei Medien erfolgt. Unter bestimmten Bedingungen kann es
sich jedoch im Hinblick auf die Fertigungskosten des Kon
densators als vorteilhaft erweisen, von der Befestigung
der Kühlschlange an der Kondensierplatte abzugehen.
Ersichtlicherweise können das Umschalten der Ventile, die
Betätigung einer Pumpe und dergleichen mittels einer ge
eigneten automatischen Steuer- oder Regeleinrichtung oder ei
ner Steuerschaltung erfolgen, wie sie normalerweise
bei Vorrichtungen dieser Art verwendet werden.
Claims (7)
1. Vakuumvorrichtung mit einer Vakuumkammer, in welcher Kühl-
und Heizfächer sowie ein Kondensator angeordnet sind, eine
Vakuumpumpe mit einer Vakuumkammer verbunden ist, eine durch ein
Kältemittel gekühlte Lauge bzw. Sole den Fächern zugeführt wird
und die jeweiligen Verbindungsleitungen mit über eine ent
sprechende Steuer- oder Regeleinrichtung steuerbaren Ventilen ver
sehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kondensator gleichzeitig einen Wärmetauscher mit Kältemittel-
(33) und Lauge-/Soleleitungen (32, 34, 35) bildet, wobei die
Lauge-/Soleleitung (32) mit weiteren mit Ventilen (36, 37) ver
sehenen Lauge-/Soleleitungen (34, 35) von diesen durch Ventile
(23, 24) trennbar, verbunden ist und der Kondensator als eine
Einheit einen Wärmeaustausch zwischen beiden Medien einerseits
sowie einem der beiden Medien und einem außerhalb der Kondensier
einheit befindlichen Dampf andererseits gestattend ausgebildet
ist.
2. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Vakuumkammer mit einer zweiten Vakuumkammer über
eine mit einem Ventil versehene Leitung verbunden ist, die erste
Vakuumkammer mit Kühl- und Heizfächern und die zweite Vakuumkammer
mit einem Kondensator versehen sind, an die zweite Vakuumkammer
eine Vakuumpumpe angeschlossen ist und eine durch ein Kältemittel
gekühlte Lauge oder Sole zu den Fächern zuführbar ist, wobei der
Kondensator Kältemittel- und Soleleitungselemente aufweist und der
Kondensator einen Wärmeaustausch zwischen beiden Medien einerseits
sowie beiden Medien oder einem der beiden Medien und einem
außerhalb des Kondensators befindlichen Dampf andererseits
gestattend ausgebildet ist.
3. Vakuumvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator eine Anzahl von in Längs
richtung in der Vakuumkammer angeordneten Kondensatorplatten
aufweist, die jeweils mit Kältemittel- und Soleleitungen versehen
sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Soleleitung innerhalb des Kondensators aus einem in der Kondensa
torplatte gebildeten Raum besteht und daß die Kältemittelleitungen
Rohrleitungen umfassen, die in diesem als Soleleitung ausgestalte
ten Raum angeordnet sind und die mit einem Teil ihrer Außenfläche
dicht an der Innenfläche dieses Raumes angrenzend angebracht sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator eine eine Kondensierfläche
bildende Innenfläche der Umfangswand der Vakuumkammer, einen an
ihrer Außenfläche gebildeten Soleströmungsraum und eine in diesem
Raum angeordnete Kältemittelleitung umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kältemittelleitung aus einer Rohrschlange besteht, die im genann
ten Raum angeordnet ist und deren Innenfläche dicht an der Außen
fläche der die Vakuumkammer bildenden Umfangswand anliegt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in die den Kondensator enthaltene Vakuumkammer
ein Heizelement zum Schmelzen des durch den Kondensator erzeugten
Eises eingebaut ist.
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