DE2537850A1

DE2537850A1 - Verfahren zur trocknung von schuettguetern in einem gefriertrockner

Info

Publication number: DE2537850A1
Application number: DE19752537850
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Rautenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-26
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1977-03-10
Also published as: US4081914A; DK383076A; NL7609423A

Description

Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Anwaltsakte: 46 576/sc- Essen, den 25. Aug. 1975

Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung : 1) Prof. Dr.-Ing. Robert Rautenbach, 51 Aachen, Turmstr. 46 j ; 2) Dr.-Ing. Hort Hoeck, 51 Aachen, Kaiser-Friedrich-Allee 2a ;

Verfahren zur Trocknung von Schüttgütern I in einem Gefriertrockner

j Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur

• Trocknung von Schüttgütern in einem Gefriertrockner mit Gutaufnah-| men, mit Heizplatten und mit von einem Kältemittel durchflossenem j .Eiskondensator, - wobei entweder das Gut auf den Gutaufnahmen pe-.riodisch umgelagert wird und/oder die Gutaufnahme wärmeleitend an

• die Heizplatten angeschlossen werden. - Gutaufnahmen bezeichnet dabei z. B. Schalen, die auf den Heizplatten angeordnet sind, oder

ι auch die Oberflächen der Heizplatten selbst. Bei der Gefriertrocknung wird dem gefrierzutrocknenden Gut das

!Wasser bei so niedrigen Drücken und Temperaturen entzogen, daß es aus dem gefrorenen Gut in Form von Wasserdampf absublimiert. Bei der großtechnischen Gefriertrocknung von Schüttgütern im Schalentrockner - beispielsweise von Kaffeegranulat - wird die für den !Sublimationsvorgang notwendige Sublimationswärme, wie Fig. 1 scheimatisch zeigt, dem in Schalen 2 liegenden Gut 1 über mit Dampf 4 ;beheizte Heizplatten 3 zugeführt und in einem Eiskondensator 5, dei von einem Kältemittel 6 durchflossen wird, wieder abgeführt. Der niedrige Druck wird durch eine Vakuumpumpe 7 aufrechterhalten. Neben dem hohen apparativen Aufwand, der bei den niedrigen Drücken 'und Temperaturen zu treiben ist, machen sich im Hinblick auf die jKosten insbes. die Kältekosten, d. h. die Kosten, die für die Bereitstellung des Kältemittels 6, das durch den Eiskondensator ströitjt, aufzuwenden sind, bemerkbar.

Die Kältekosten sind insbes. dann sehr hoch, wenn Güter gefriergetrocknet werden sollen, die durch eine sehr niedrige eutektische Temperatur (Temperatur, bei der ein Antauen des Gutes beginnt) gekennzeichnet sind. Beispiel hierfür sind die Säfte von Zitrusfrüch-'ten, die eine eutektische Temperatur von ca. -40 C besitzen.

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Bei herkömmlichen Gefriertrocknern liegt die Heizplattentemperatur je nach eingesetztem Gut in der Größenordnung von ca. 100 °C und wird im Verlaufe der Trocknung auf Vierte von ca. 50 ⁰C heruntergeregelt ( Kaffee). Die Temperatur des im Eiskondensator verdampfenden Kältemittels liegt bei der Gefriertrocknung von Kaffee beispielsweise bei ca. minus 40 °C.

Auf diese große Temperaturdifferenz zwischen Heizplatte und Eiskondensator kann verzichtet werden, wenn die Widerstände für den Wärme- und Stofftransport zwischen Heizplatte und Eiskondensator durch eine Reihe von gezieltem Maßnahmen gesenkt werden und gleichzeitig auf eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit bewußt verzichtet wird.

Bekannt ist, den Widerstand zwischen Heizplatte und Gut durch periodische Produktumlagerung - beispielsweise durch Vibration der Heizflächen, Einsatz von Rührorgangen, etc. - zu verringern [i»2] .

Der Stoffübergangswiderstand zwischen Gut und der Eisschicht im Eiskondensator kann dadurch gesenkt werden, daß die Wärmetauscherfläche zur Eiskondensation 13 sehr nah am Gut angeordnet wird, wie Fig. 2 schematisch zeigt.

Da bei dieser konstruktiven Gestaltung eines Gefriertrockners ein Abtauen der Eiskondensationsflächen 13 nicht möglich ist, wenn der Druck während des Produktionsprozesses nicht ansteigen darf, muß das Eis durch Beheizen der Wärmetauscherflächen 13 abgesprengt werden, was beispielsweise mittels elektrischem Strom geschehen kann [3].

1 H.G. Kessler; Gefriertrocknung mit Produktumlagetung; Verfahrenstechnik 8(1974), 348-354

2 G. Steinbach; Fortschritte in der Gefriertrocknung durch kontinuierliche Verfahren; CZ-Chemie-TEchnik; 2.Jahrg.(1973) , 323-327

3 Patentanmeldung, P 25 1O 758.8

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Eine der Produktumlagerung auf den Heizplatten entsprechende Maßnahme, um den Wärmeübergangswiderstand zwischen Heizplatte und Schale 9, die das Gut 8 enthält, zu steigern, besteht darin, zwischen Schale 9 und Heizplatte 11 eine sehr dünne, verformbare, wärmeleitende Schicht 10 anzuordnen, damit sich zwischen Schale 9 und Heizplatte 11 keine - zwar dünne, aber stark wärmeisolierende - Gasschicht befindet.

Setzt man die skizzierten Maßnahmen nicht zur Senkung der Trockenzeiten, was in der Regel das Hauptanliegen neuer Entwicklungen auf dem Sektor der Gefriertrocknung ist [i,2j, ein, sondern bewußt zur Senkung der Temperaturdifferenz zwischen Heizplatte und Kältemittel, so ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, zusätzlich zu dem skizzierten Vorgehen zwischen Heizplatte und Eiskondensator eine Wärmepumpe zu schalten.

Durch die Wärmepumpe wird die Wärme, die im Gefriertrockner als Sublimationswärme von der Heizplatte über das Gut zur Eiskondensationsfläche fließt, wieder vom Eiskondensator zur Heizfläche zurückgepumpt.

Diese Verfahrensweise hat insbesondere dann Vorteile, wenn Güter mit sehr niedrigen eutektischen Temperaturen getrocknet werden sollen. Neben einer wesentlichen Reduzierung der Kältekosten - Die Wärme braucht nicht bis auf Kühlwassertemperatur "hochgepumpt" werden - erreicht man durch die niedrigen treibenden Gefälle im Gefriertrockner ein schonendes Trocknen und spart zusätzlich den sonst notwendigen Heizdampf ein.

H.G, Kessler; Gefriertrocknung mit Produktumlagerung; Verfahrenstechnik 8(1974), 348-354

G. Steinbach; Fortschritte in der Gefriertrocknung durch kontinuierliche Verfahren; CZ-Chemie-Technik; 2. Jahrg. (1973) 323-327

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Fig.3 zeigt die Skizze eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gefriertrockners:

Das Gut 15 gelangt durch eine Schleuse 16 in die Subli-r mationskammer 17 und wird durch Vibration auf den Heizplatten 18 umgelagert und dabei gleichzeitig von Heizplatte zu Heizplatte 18 gefördert. Das getrocknete Gut 19 verläßt über eine Schleuse 20 die Anlage. ,

In unmittelbarer Nähe der Heizplatten 18 und 32 sind Wärmetauscherflächen 21 ebenfalls im Sublimationsraum angeordnet, auf denen der absublimierte Wasserdampf in Form von Eis 22 niedergeschlagen wird. Das Eis 2 2 wird von Zeit zu Zeit beispielsweise durch elektrisches Beheizen der Wärmetauscherflächen 21 abgesprengt und verläßt ebenfalls über Schleusen 35 die Anlage.

In die Wärmetauscherplatten 21 wird flüssiges Kältemittel 23 - vorzugsweise NH, - geführt, das dort bei niedrigem Druck verdampft. Das verdampfte Kältemittel 24 wird in einem Verdichter 25 verdichtet. Ein kleiner Teil 26 des verdichteten Kältemittels 27 wird - aus Wärmebilanzgründen zum Absorber einer Absorptionskältemaschine 33 geführt. Der größere Teil 28 des verdichteten Kältemittels 27 wird zu den Heizplatten 18 geführt, wo es kondensiert und dabei seine Kondensationswärme abgibt. Das kondensierte Kältemittel 29 wird zusammen mit flüssigem Kältemittel 30, das von der Absorptionskältemaschine 33 kommt, durch ein Drosselventil 31 geführt. Hierdurch wird der Kreislauf geschlossen, sodaß das flüssige Kältemittel 23 in den Wärmetauscherplatten 21 wieder verdampft.

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Einige Heizplatten 32 können mit Heizdampf 34 beheizt werden, wenn eine höhere Heizplattenteraperatur zum Austreiben der Restfeuchte im letzten Trocknungsabschnitt erforderlich ist. Hier wird jedoch vergleichsweise wenig Wärme umgesetzt.

Eine Vakuumpumpe 36 hält während der kontinuierlichen Gefriertrocknung - die nach dem geschilderten Prinzip auch diskontinuierlich durchgeführt werden könnte den Unterdruck aufrecht.

Liegt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels in den Wärmetauscherplatten oder - rohren 21 aus stoffbedingten gründen - beispielsweise bei minus 60 ⁰C und die Kondensationstemperatur des Kältemittels in den Heizplatten 18 bei minus 10 ⁰C , so steht für den Wärme- und Stofftransport immerhin ein treibendes Gefälle von 50 grd zur Verfügung.

Im Vergleich zur konventionellen Arbeitsweise, bei der Heizdampf zum Beheizen und Kältemittel einer Kältemaschine zum Abführen der zugeführten Wärme eingesetzt werden, sind bei einer geforderten Kältemitteltemperatur von minus 60 ⁰C zwar erhöhte Trockenzeiten bei den erfindungsgemäßen Geräten zu erwarten,die erheblichen Einsparungen bei den Kältekosten rechtfertigen die verlängerten Trockenzeiten jedoch.

Gegenstand der Erfindung ist auch,der in Fig. 3 daraestellte Apparat, der gleichzeitig Gegenstand der Hilfsgebrauchsmusteranmeldung ist.

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Claims

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Patentansprüche :

ill Verfahren zur Trocknung von Schüttgütern in einem Gefriertrockner mit Gutaufnahmen, mit Heizplatten und mit von einem Kältemittel durchflossenem Eiskondensator, - wobei entweder das Gut auf den Gutaufnahmen periodisch umgelagert wird und/ oder die Gutaufnahmen wärmeleitend an die Heizplatten angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel, welches durch die Kondensationswärme des absublimierten Wasserdampfes, der sich als Eis auf den Eiskondensationsflächen niedergeschlagen hat, verdampft wurde, verdichtet wird und daß das verdichtete Kältemittel als Heizmittel, mit welchem dem Gut über die Heizplatten zumindest ein Teil der Sublimationswärme zugeführt wird, in die Heizplatten eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .in Kombination dazu der Eiskondensator möglichst nahe an den Eisplatten angeordnet und von den Eiskondensationsflächen das Eis periodisch abgesprengt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus Wärmebilanzgründen überschüssiges, in den Eiskondensatoren verdampftes und anschließend verdichtetes Kältemittel zum Absorber der Absorptionskältemaschine geführt wird und die dadurch entstehenden Fehlmengen an Kältemittel durch flüssiges, von der Absorptionskältemaschine verflüssigtes Kältemittel gedeckt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit NH- als Kältemittel gearbeitet wird.

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L e e r s e i t e ΠΟΡΥ