DE3407176A1

DE3407176A1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturregelung des innenraumes von druckgefaessen

Info

Publication number: DE3407176A1
Application number: DE19843407176
Authority: DE
Inventors: Heinrich 4420 Coesfeld Gollenbeck; August Graeber; Manfred 4428 Rosendahl Mussinghoff
Original assignee: Maschinenbau Scholz GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenbau Scholz GmbH and Co KG
Priority date: 1984-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3407176C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung des Innenraumes von Druckgefäßen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung des Innenraumes von Druckgefäßen.
Um Gegenstände bestimmten Prozessen zu unterziehen, beispielsweise Trocknungsprozessen, Vulkanisationsprozessen etc., werden diese in ein Druckgefäß eingebracht und dort erhöhten oder erniedrigten Drücken sowie erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Um die erhöhten Temperaturen im Innenraum des Druckgefäßes zu erzielen, werden die Druckgefäße über geeignete Heizeinrichtungen aufgeheizt. Nach der Aufheizphase wird die Temperatur über einen bestimmten Zeitraum etwa konstant gehalten (Plateauphase), wonach ein Kühlvorgang eingeleitet wird. Zum Kühlen ist innerhalb des Druckgefäßes eine geeignete Kühleinrichtung vorgesehen.
Es ist bekannt, eine solche Kühleinrichtung mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, zu betreiben, und dabei das Kühlmittel von unten nach oben durch die Kühleinrichtung zu führen. Das Kühlmittel wird aus einer geeigneten Kühlmittelquelle entnommen. Da der Kühlvorgang je nach den gestellten Anforderungen in gesteuerter Weise ablaufen soll, befindet sich in der Zuführleitung von der Kühlmittelquelle zur Kühleinrichtung ein Dosierventil, das über einen geeigneten Temperaturregelkreis gesteuert wird. Der Temperaturregelkreis weist im Druckgefäß angeordnete Thermoelemente auf, die Signalwerte an einen Temperaturregler abgeben, der das Dosierventil steuert. In den Regler wird der gewünschte Kühlablauf, d.h. Kühlgradient (Grad C/min.) eingegeben, und durch Vergleich mit den Signalwerten der Thermoelemente wird das Dosierventil betätigt, um den Kühlmitteldurchsatz zu steuern.
Mit einem derartigen Verfahren bzw. einer derartigen Vorrichtung lassen sich zufriedenstellende Ergebnisse erzielen, wenn eine relativ rasche Abkühlung gewünscht wird.
Das Dosierventil ist so dimensioniert, daß es dem maximalen Kühlgradienten gerecht wird, der in der Regel bei 100 C/min. liegt. Wenn jedoch mit einer derartigen Vorrichtung ein relativ niedriger Kühlgradient, beispielsweise 0,50 C/min., gefahren werden soll, muß das groß dimensionierte Dosierventil diskontinuierlich betrieben werden, d.h. permanent geöffnet und geschlossen werden, um einer derartigen Sollgröße gerecht zu werden. Trotz alledem läßt sich hiermit nur eine sehr ungenaue Regelung erzielen, die sich der Sollkurve nur grob annähert und einen stufenförmigen Verlauf aufweist. In Folge des diskontinuierlichen Betriebes des Dosierventiles besteht ferner die Gefahr von Temperatureinbrüchen.
Mit der bekannten Vorrichtung lassen sich daher relativ niedrige Temperaturgradienten im Bereich von 0,5 - 20C/min nur sehr ungenau fahren. Derartige Temperaturgradienten werden jedoch in neuerer Zeit immer mehr gewünscht, um eine möglichst langsame Abkühlung des im Druckgefäß zu lagernden Gutes zu erreichen, damit das Auftreten von Temperaturspannungen im Gut möglichst weitgehend vermieden werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der angegebenen Art zu schaffen, mit dem bzw. der eine exaktere Temepraturregelung während der Plateauphase und der Kühlphase möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die beiden Hauptmerkmale aus, daß einerseits auch während der Plateauphase und der Kühlphase beheizt wird und daß andererseits vor die eigentliche Kühlphase eine Vorkühlphase geschaltet wird. Diese Vorkühlphase zeichnet sich dadurch aus, daß hierin Kühlmittel mit einem geringeren Durchsatz als in der Kühlphase der Kühleinrichtung zugeführt wird und daß mit der Kühlphase (Hauptkühlphase) erst dann begonnen wird, wenn der Kühlbedarf den maximal möglichen Kühlmitteldurchsatz der Vorkühlphase übersteigt.
Da bei der erfindungsgemäßen Lösung auch während der Plateauphase beheizt wird, wird in der Regel auch während der Plateauphase vorgekühlt, um eine konstante Temperatur über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten zu können.
Eine durch die Motorwärme bedingte Nacherwärmung kann hierbei sehr rasch ausgeglichen werden. In jedem Falle läß sich durch das gleichzeitige Heizen und Kühlen eine sehr exakte Temperaturregulierung erreichen.
Wenn die Temperatur von der Plateauphase (beispielsweise 2000c) abgesenkt werden soll, wird mit der Vorkühlphase begonnen bzw. die bereits während der Plateauphase begonnene Vorkühlphase fortgesetzt, wobei der Kühlmitteldurchsatz erhöht wird. Durch den immer noch relativ geringen Kühlmitteldurchsatz läßt sich ein geringerer Kühlgradient, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 - 20C/min., erzielen. Dabei kommt die Ist-Kurve der Soll-Kurve sehr nahe, so daß sich eine stetige Regelung erzielen läßt.
Der Kühlmitteldurchsatz kann stetig gesteigert werden, bis die Leistungsgrenze der Vorkühlung erreicht ist. Es beginnt dann die eigentliche Kühlphase, die für einen wesentlichen höheren Kühlmitteldurchsatz ausgelegt ist.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Kühlmittel während der Vorkühlphase und der Kühlphase in getrennten Strömen geführt und getrennt voneinander dosiert wird. Dies hat den Vorteil, daß für die Kühlphase und Vorkühlphase unterschiedlich dimensionierte Dosiereinrichtungen bzw. Leitungseinrichtungen eingesetzt werden können, so daß sich die geforderte Regelung konstruktiv verwirklichen läßt. Beispielsweise wird die Dosiereinrichtung für die Vorkühlphase auf einen maximalen Kühlgradienten von 20C/min. und die Dosiereinrichtung für die Kühlphase auf einen maximalen Kühlgradienten von 100C/min. ausgelegt. Dabei läßt sich mit der Dosiereinrichtung der Vorkühlphase ohne weiteres die geforderte Feinregelung durchführen.
Als Kühlmittel wird vorzugsweise Wasser eingesetzt, wobei man den Kühlmittel strom der Vorkühlphase von oben in die Kühleinrichtung einführt, um ein möglichst rasches Ansprechen zu ermöglichen. Der Kühlmittelstrom der Kühlphase wird in bekannter Weise weiterhin von unten in die Kühleinricltung gerührt.
Eine Alternative de.t; er findungsqemüßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß man in der Vorkühlphase ein anderes Kühlmittel verwendet als in der Kühlphase. Beispielsweise kann man in der Vorkühiphase mit Kühiluft arbeiten, während in der Kühlphase mit Kühlwasser gekühlt wird. Hierbei ist es nicht unbedingt erforderlich, das Kühlmittel der Vorkühlphase von oben in die Kühleinrichtung einzuführen, da sich mit Druckluft eine rasche Beaufschlagung der Kühleinrichtung erreichen läßt. Vorzugsweise wird daher bei dieser Ausführungsform die Kühl luft auch von unten in die Kühleinrichtung eingeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft automatisch. Hierzu werden über einen geeigneten Temperaturregelkreis die Heizphase, Vorkühlphase und Kühlphase in entsprechender Weise gesteuert, wobei einerseits die Leistung der Heizeinrichtung und andererseits der Durchsatz in der Vorkühl-und Kühlphase in Abhängigkeit von Ist-Werten und Soll-Gradienten gesteuert wird. Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie zur Durchführung der Vorkühlphase eine zweite Kühlmittelzuführleitung für die Kühleinrichtung aufweist, in der eine Dosiereinrichtung (Dosierventil) für das Kühlmittel angeordnet ist. Diese Dosiereinrichtung besitzt einen maximalen Durchflußquerschnitt, der wesentlich geringer ist als der der Dosiereinrichtung in der Kühlmittelzuführleitung für die Kühlphase, wobei die beiden maximalen Durchflußquerschnitte etwa in einem Verhältnis von 1:5 - 10 stehen, vorzugsweise in einem Verhältnis von 1:7. Damit läßt sich mit der Dosiereinrichtung der Vorkühlphase ohne weiteres ein minimaler Temperaturgradient von 0,50 C / min. fahren, während sich mit der Dosiereinrichtung der Kühlphase ein maximaler Temperaturgradient von ca. 8 - 100 C/min. verwirklichen läßt. Beide Dosiereinrichtungen sowie die Heizeinrichtung sind in einen geeigneten Temperaturregelkreis geschaltet, der mit den entsprechenden Soll-Werten gespeist werden kann.
Weitere Einzelheiten in bezug auf die Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Temperaturregelung des Innenraumes von Druckgefäßen; und Figur 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung.
Nachfolgend wird zuerst auf das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eingegangen. Hierbei ist in einem Druckgefäß 1 (Druckkessel, Autoklav) eine Kühleinrichtung 2 angeordnet. Bei dieser Kühleinrichtung handelt es sich um ein Rohrsystem, das von einem Kühlmittel (Wasser) durchströmt wird. Die Ausbildung dieser Kühleinrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung. Es können hierbei die für diese Zwecke geeigneten Wärmetauscher Verwendung finden. Um eine graduell unterschiedliche Kühlung in bestimmten erich des Druckgefäßes zu erreichen, kann die Kühleinrichtung auch flächenmäßig aufgeteilt sein, so daß sich beispielsweise im unteren, oberen, rechten oder linken Bereich des Druckgefäßes eine stärkere Kühlung erzielen läßt als in den übrigen Bereichen und umgekehrt.
Das Druckgefäß ist ferner mit einer geeigneten Heizeinrichtung 5 versehen, um den Innenraum des Druckgefäßes aufheizen zu können. Beispielsweise können für diesen Verwendungszweck bekannte Infrarotstrahler eingesetzt werden. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Heinzeinrichtung im oberen Bereich des Druckgefäßes und eine im unteren Bereich desselben angeordnet. Die Anzahl und Lage der Heizeinrichtungen kann natürlich auch von der hier dargestellten abweichen.
Ferner ist an demjenigen Ende des Druckgefäßes 1, das die Heizeinrichtung und Kühleinrichtung aufweist, ein Ventilator 3 angeordnet, mit dem die im Innenraum des Druckgefäßes befindliche Luft umgewälzt wird. Die Antriebswelle des Ventilators ist durch die Druckgefäßwand nach außen geführt und wird dort von einem geeigneten Motor 4 angetrieben.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zum Kühlen ausschließlich Kühlwasser verwendet. Dieses wird von einer geeigneten Quelle über eine erste Kühlmittelzuführleitung 6 durch die Kühleinrichtung 2 gepumpt.
Von dieser ersten Kühlmittelzuführleitung 6 zweigt eine zweite Kühlmittelzu führleitung 8 ab, die von oben in die Kühleinrichtung 2 eingeführt ist. In der ersten Kühlmittelzuführleitung 6 befindet sich ein Dosierventil 7, während in der zweiten Kühlmittelzuführleitung 8 ein Dosierventil 9 angeordnet ist. Von der ersten Kühlmittelzuführleitung 6 zweigt eine Entwässerungsleitung 10 ab. Von der Leitung 8 zweigt eine Rückführleitung 13 b.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist ferner einen Temperaturregelkreis auf, der von im Druckgefäß angeordneten Thermoelementen (nicht gezeigt) Ist-Signale empfängt und über einen Regler 12, der mit geeigneten Soll-Werten gespeist wird, die Leistung der Heizeinrichtung 5 und die beiden Dosierventile 7, 9 regelt. Bei dem hierdargestellten Ausführungsbeispiel findet als Dosierventil 7 ein lOOmm-Ventil und als Dosierventil 9 ein 15mm-Ventil Verwendung.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung funktioniert in der folgenden Weise: Wenn die Aufheizphase des Druckgefäßes beendet ist und mit der Plateauphase bzw. Kühlphase begonnen werden soll, wird die Kühlmittelzufuhr eingeschaltet. Es wird davon ausgegangen, daß zu mindest anfangs mit einem sehr niedrigen Gradienten von unter 20C pro Minute gekühlt werden soll. Während der Plateauphase und der anschließenden Vorkühlphase, bei der mit diesen niedrigen Kühlgradienten gearbeitet werden soll, wird das Kühlmittel nur über die Leitung 8 und das Dosierventil 9 (Vorkühlventil) der Kühleinrichtung zugeführt. Durch das relativ kleine Dosierventil läßt sich eine gute Feinabstimmung erreichen, wobei durch die Zuführung des Kühlmittels von oben ein rasches Ansprechverhalten gewährleistet ist. Die Heizeinrichtung wird während dieser Phasen weiterbetrieben, wodurch sich noch eine genauere Regelung erzielen läßt. Wenn die erforderliche Kühilast zu groß wird, wird die Kühlmittelzuführleitung 6 zugeschaltet, wobei das Dosierventil 7 geregelt wird. Auf diese Weise läßt sich ein relativ großer Bereich von Kühlgradienten verwirklichen und eine sehr enge Anpassung an die jeweiligen Soll-Werte erzielen.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Figur 1 im wesentlichen nur dadurch, daß hierbei in der Vorkühlphase mit Luft gekühlt wird, wobei diese Luft über eine Kühlmittelzuführleitung 20 von unten in die Kühleinrichtung 2 eingeführt wird, d.h. bei diesem Ausführungsbeispiel wird sowohl in der Vorkühlphase als auch in der Hauptkühlphase das Kühlmittel von unten in die Kühleinrichtung eingeführt. In der Kühlmittelleitung 20 ist ein Dosierventil 21 vorgesehen, das zusammen mit dem Dosierventil 7 in der Kühlmittelzuführleitung 6 von dem Temperaturregelkreis 11 geregelt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird anfangs mit Luft vorgekühlt, die über die Leitung 20 in die Kühleinrichtung 2 eingeführt wird. Nach Beendigung der Vorkühlphase wird über die Hauptkühlleitung 6 das Hauptkühlmittel eingeführt.
Da bei dieser Ausführungsform in der Vorkühlphase mit Luft gekühlt wird, ist auch bei der dargestellten Einführung von unten ein rasches Ansprechverhalten in der Vorkühlphase gewährleistet.
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Claims

PATENTANSPRUCHE: Verfahren zur Temperaturregelung des Innenraumes von Druckgefäßen, bei dem in gesteuerter Weise die Temperatur im Druckgefäßinnenraum erhöht (Aufheizphase), auf einem ctwu konstanten Wert gehalten (Plateauphase) und anschließend durch Hindurchführung eines Kühlmittels durch eint im Druckgefäß befindliche Kühleinrichtung abgesenkt wird (Kühlphase), dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgefäßinnenraum auch während der Plateauphase und der Kühiphase beheizt wird, daß der Kühiphase eine Vorkühiphase vorgeschaltet wird, in der das gleiche oder ein anderes Kühlmittel mit einem geringeren Durchsatz als in der Kühiphase durch die Kühleinrichtung geführt wird, und daß mit der Kühlphase begonnen wird, wenn der Kühlbedarf den maximalen Kühlmitteldurchsatz der Vorkühlphase übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenrlzeichnet, daß die Vorkühiphase auf einen maximalen KühGrJradienten vun 20 C/min.

und die Kühlphase auf einen maximalen Kiihlgradienten von lO0C/min. ausgelegt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel während der Vorkühiphase und der Kühlphase in getrennten Strömen geführt und getrennt vonrinander dosiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlmittelstrom der Kühlphase von unten in die Kühleinrichtung des Druckgefäßes eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühimitteistrom der Vorkühiphase von oben in die Kühleinrichtung eingeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei dem der Kühimitteistrom der Kühiphase von unten in die Kühleinrichtung des Druckgefäßes eingerührt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühimitteistrom der Vorkühiphase ebenfalls von unten in die Kühleinrichtung eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel der Kühlphase Wasser und als Kühlmittel der Vorkühlphase Luft verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Plateauphase b eheizt und vorgekühlt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7 mit einer im Druckgefäß angeordneten Heizeinrichtung und Kühleinrichtung, die von einem Kühlmittel durchströmt wird, einer Quelle für das Kühlmittel, die über eine Zuführleitung mit der Kühleinrichtung in Verbindung steht, einer Abführleitung für das Kühlmittel und einem in der Zuführleitung angeordneten Dosierventil, wobei die Heizeinrichtung und das Dosierventil in einen Temperaturregelkreis geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Vorkühlen eine zweite Kühlmittelzuführleitung (8, 20) für die Kühleinrichtung (2) umfasst, die an die Kühlmittelquelle oder eine zweite Kühlmittelquelle angeschlossen und in der ein zweites Dosierventil (9, 21) angeordnet ist, dessen maximaler Durchflußquer- schnitt wesentlich geringer ist als der des ersten Dosierventiles (7) und das zusätzlich in den Temperaturregelkreis (11) geschaltet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlmittelzuführleitung (8) von der ersten Kühlmittelzuführleitung (6) abzweigt und von oben in die Kühleinrichtung (2) eingeführt ist und daß das zweite Dosierventil (9) oberhalb des Druckgefäßes (1) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlmittelleitung (20) an eine Kühiluftquelle angeschlosseri und von unten in die Kühleinrichtung (2) eingeführt ist, wobei das zweite Dosierventil (21) unterhalb des Druckgefäßes (1) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregelkreis (11) mindenstens ein im Druckgefäß angeordnetes Thermoelement sowie einen Temperaturregler (12) aufweist, der die Heizeinrichtung (5), das erste Dosierventil (7) und das zweite Dosierventil (9, 21) ansteuert