Операция, называемая вентиляцией, представляет собой этап процесса стерилизации в автоклавах с использованием давления пара. Он предназначен для удаления всего воздуха изнутри оборудования путем нагнетания пара. Хотя только в течение короткого периода времени используется большое количество пара, что делает вентиляцию дорогостоящей операцией. Целью данного исследования была оценка альтернативы процессу вентиляции с сокращением затрат энергии пара. Была адаптирована и оснащена приборами система, которая позволила изучить явление вентиляции с использованием воды для вытеснения воздуха. Предложенная альтернативная методология оказалась многообещающей и эффективной для пустой автоклава без нагрузки. Эффективность на этом этапе исследования основывалась на оценке различий показаний температуры с помощью стеклянного ртутного термометра и температур, регистрируемых термопарами, распределенными внутри автоклава.
Введение
На рынке появляется оборудование, работающее с использованием полного погружения в воду, каскада, распыления или смеси воздуха и пара, с целью обработки полужестких гибких упаковок и/или снижения потребления энергии пара. Однако автоклава, работающие под давлением пара, имеют более раннюю конструкцию и до сих пор в основном используются в пищевой промышленности, когда продукты упаковываются в металлические контейнеры.
Для идеального функционирования необходимо использовать чистый пар (без воздуха) в качестве средства нагрева (Институт пищевых комбайнов, 1990). Это условие достигается с помощью операции, называемой вентиляцией, предназначенной для полного удаления воздуха изнутри оборудования путем впрыска пара.
Удаление воздуха из автоклава происходит путем нагнетания пара с одного конца и удаления воздуха с другого конца. Удаление воздуха из автоклава имеет основополагающее значение для обеспечения единообразия и эффективности стерилизации, поскольку наличие областей со застойным воздухом действует как теплоизолятор, снижая эффективность процесса теплопередачи (Lund, 1975), что приводит к неполной обработке. . Хотя отток пара, необходимый на этом этапе, непродолжителен, он составляет 25–50% от общего количества пара, потребляемого в течение всей термической обработки (Лопес, 1981). Кроме того, ситуация ухудшается в установках, использующих множество автоклавов, где два или более агрегатов могут одновременно находиться в цикле вентиляции, что приводит к большому спросу на производство пара (Lopez, 1981).
Полная вентиляция должна быть обеспечена в ходе испытания на распределение тепла, в котором несколько датчиков температуры расположены внутри автоклава, загруженной на максимальную мощность, и все они имеют одну и ту же температуру (май 2004 г.).
После вентиляции выполняются следующие этапы: повышение температуры в автоклаве до достижения температуры обработки путем наддува оборудования паром (время вентиляции плюс время повышения температуры называется «время выхода» – CUT), стерилизация. и остыть.
История растущей стоимости барреля сырой нефти, ограничения других источников топлива, а также серьезная проблема воздействия на окружающую среду выбросов загрязняющих газов являются причинами, которые стимулируют и оправдывают изучение осуществимости альтернативной методологии для процесс вентиляции. Различные исследования по потреблению, сохранению и рекуперации энергии проводились в 70-е и 80-е годы с целью оптимизации использования пара (Лопес, 1981, Бхоумик и др., 1985, Рао и др., 1986, Дель Валье и Соул, 1987а), Дель Валле и Соул, 1987b). Большинство этих статей представляют собой примеры теоретических и экспериментальных оценок оперативного моделирования вентиляции, а также теоретической оценки и практики потребления энергии автоклавами с использованием давления пара. По практическим соображениям, учитывая существующие установки, все документы были посвящены оптимизации вентиляции традиционным способом.
Альтернативный подход, описанный в этой статье, основан на использовании воды для вытеснения воздуха вместо традиционного процесса вентиляции, используемого в автоклавах, работающих под давлением пара. Исследователи использовали горизонтальный автоклав (диаметром 0,9 × 1,5 м в длину), приспособленную для вентиляции водой, и пришли к выводу, что они сэкономили 29% общего потребления пара по сравнению с традиционной обработкой.
Эта статья представляла собой технический отчет, показывающий мало экспериментальных результатов, оставляющий без ответов многие соображения и вопросы о процессе, такие как его повторяемость, влияние начальной температуры продукта, влияние скорости и температуры вентиляционной воды, а также другие важные соображения. относительно эффективности вентиляции с использованием предложенного варианта.
Автоклав без ящиков — это оборудование, которое изначально частично заполняется горячей водой, которая действует как подушка для банок, подаваемых сверху. Когда автоклав заполнен, сосуд закрывают и пар поступает через верхнюю часть. За счет наличия воздуха внутри оборудования он расширяется и помогает вытолкнуть воду через водосточную трубу. После того как водная подушка полностью опорожнена, обычный цикл выпуска пара продолжается до тех пор, пока давление в автоклаве не станет равным давлению насыщенного пара при соответствующей температуре ртутного термометра. В этот момент нижний вентиляционный клапан закрывается, температура поднимается до запланированного значения и начинается цикл стерилизации (Берк, 2009).
Настоящее исследование направлено на изучение альтернативной операции вентиляции, выполняемой с использованием воды, и оценку эффективности переменных, участвующих в этом процессе.
Так, [1] были установлены вертикальная пилотный автоклав паровой обработки и установка газоотводной обработки с использованием воды. В ходе альтернативного процесса вентиляции [2] изучались температура воды для вентиляции, скорость потока воды при заполнении и опорожнении автоклава, распределение температуры и давление внутри автоклава.
Материал и методы. Настройка автоклава-насоса-резервуара
Использовалась вертикальный паровой автоклав диаметром 0,61 м, высотой 0,84 м и высотой изгиба крышек 0,11 м, существующая на экспериментальном заводе подразделения операций Группы машиностроения и послеуборочной обработки – GEPC – ITAL.
Отводящая вода хранилась в сосуде, состоящем из цилиндрического корпуса из нержавеющей стали (430) с коническим дном, отверстия для поступления пара, крестовины из перфорированных трубок, отверстия для поступления воды и датчиков температуры. Температуру резервуара контролировали с помощью терморегулятора прямого действия, откалиброванного на работу в диапазоне от -20 °С до 110 °С (Spirax Sarco, модель B, тип 128, Бразилия).
К автоклаву и резервуару подключали центробежный насос (KSB Hydrobloc модель C700, Бразилия) с открытым ротором с латунным корпусом и торцевым уплотнением для температур до 90 °С. Функция насоса заключалась в том, чтобы помочь откачать воду из автоклава, а также обеспечить повторное использование воды в других процессах вентиляции. Для снятия показаний расхода воды на выходе насоса в течение заполнение и опорожнение автоклава на этапе вентиляции.
Температуру в автоклаве и резервуаре для воды измеряли с использованием 16-канальной системы сбора данных и программного обеспечения E – Val TM Ver 2.00 ELLAB A/S модель TM 9616 Roedovre, Дания), а термопары игольчатого типа (Ellab SSA TS, Дания) измеряли. калибровано по термометру ASTM.
Давление внутри автоклава контролировали с помощью вакуумметра и датчика давления (MBS 33, Danfoss, Дания). Сигнал преобразователя поступал в электронную систему сбора данных (модуль MyPcLab – Novus, Бразилия), подключенную к компьютеру с помощью программного обеспечения, позволяющего регистрировать показания давления.
Крайне важно, чтобы все соединения были должным образом герметизированы во избежание возврата очищенного воздуха в автоклав. Таким образом, Loctite 1114 был нанесен на все соединения, клапаны и выпускные отверстия на входе пара, а также в линиях воды и сжатого воздуха (последние используются на этапе охлаждения автоклава), составляющих систему «Автоклав-насос-резервуар».
Что касается стадии заполнения автоклава, то вода в резервуаре, имеющая заданную температуру, засасывается центробежным насосом после направления через трехходовой клапан. Скорость потока можно контролировать с помощью шарового клапана на нагнетании насоса и измерять ротаметром. Вода проходит через еще один трехходовой клапан, и при открытии клапана поток направляется в нижнюю часть автоклава. Когда через газоотводные и стравливающие клапаны можно наблюдать перелив, входящий автоклавный клапан закрывается, а все перепускные клапаны и насос отключаются.
На этапе вентиляции, когда вода вытекает из нижней части автоклава, пар одновременно поступает на противоположный конец. Для этого открывают входящий паровой клапан в верхней части автоклава и выпускной клапан воды автоклава и перезапускают насос. Для опорожнения автоклава, вода проходит через трехходовой клапан, расположенный по направлению от автоклава к насосу. Вода засасывается насосом, проходя через ротаметр и трехходовой клапан, также расположенный в направлении от насоса к накопительной емкости. Чтобы избежать возврата воды, были установлены два задерживающих клапана. В случае проверки расхода пара при последующих исследованиях игольчатые клапаны можно открыть для лучшей регулировки расхода, а сферический клапан использовать для считывания показаний расходомера пара типа Vortex (OVAL Smart EX DELTA, модель VXW 1015 N52610A, Япония) можно подключить к регистратору данных.
По окончании удаления воздуха насос выключается и открывается слив автоклава для слива остатков воды. После слива всей воды из автоклава слив закрывают, штуцеры частично открывают и начинают стадию стерилизации. Во время стерилизации температура автоклава регулируется позиционирующим клапаном (Bürket, Positioner 1067, Германия), соединенным с датчиком температуры PT-100, прикрепленным к корпусу автоклава рядом с ртутным термометром. Давление в автоклаве снимается с помощью вакуумметра типа Бурдона со шкалой от -1 бар до 5 бар и делением 0,05 бар (Фармабрас, Бразилия), также прикрепленного к корпусу автоклава. Там же был установлен датчик давления (Danfoss, MBS 33, Дания), подключенный к регистратору данных для сбора данных о давлении в автоклаве.
Исследование истечения воды из автоклава без нагрузки, работающей под давлением пара
Это исследование было проведено с целью настройки системы «Автоклав-резервуар-насос», чтобы исследовать и изучить переменные обработки, а также проверить возникновение или отсутствие вентиляции автоклава с использованием предложенной методологии посредством испытаний распределения тепла.
Эксперименты по выпуску воздуха из автоклава без нагрузки проводились с использованием отводимой воды при пяти различных температурах (от комнатной температуры до 80 °C), манометра в паропроводе при давлении 3 бар и заданной температуре автоклава 121 °C.
Чтобы определить начальную температуру автоклава и параметры обработки, было запланировано несколько экспериментов с холодным оборудованием, а затем повторено с еще горячим.
На этапе вентиляции оценивались следующие переменные: температура воды, скорость потока при заполнении и опорожнении автоклава, давление в автоклаве и распределение температуры внутри автоклава. В приведенных ниже пунктах описывается методология, использованная для каждой из переменных.
Температура сбросной воды
Температура воды является важным параметром, который необходимо установить, поскольку она напрямую влияет на термический КПД процесса вентиляции. Она должна быть выше начальной температуры продукта, за исключением некоторых особых случаев, чтобы избежать охлаждения продукта. Поэтому была изучена максимально возможная температура отводящей воды для эффективного удаления воздуха из автоклава, не вызывая кавитации в центробежном насосе водоотведения.
Во всех экспериментах по вентиляции внутри резервуара для воды находились две термопары игольчатого типа (Ellab) для измерения температуры воды. Изученные температуры воды были следующими: комнатная температура (около 25 °C), 50 °C, 60 °C, 70 °C и 80 °C.
Скорость потока дренажной воды
Скорость потока вентиляционной воды очень важна для процесса, поскольку она влияет на время вентиляции. Скорости потока, соответствующие предыдущим пунктам, регистрировались при заполнении и опорожнении автоклава в процессе вентиляции.
Для регистрации значений расхода перед ротаметром устанавливалась фотокамера и перед началом вентиляции производилась видеосъемка. Из видеоролика значения скорости потока считывались каждые 20 или 10 с, в зависимости от общего времени, затраченного на заполнение или опорожнение автоклава.
Распределение температуры в автоклаве
Для регистрации температур автоклава при вентилировании в различных условиях эксплуатации шесть термопар (ТП) (Ellab) были закреплены на проволоках и распределены в разных точках автоклава, как показано на рис. 2. Высоты термопар 1, 2, 3, 4, 5 и 6 относительно дна автоклава составляли соответственно 63, 50, 40, 31 и 10 см. ТК 6 располагался под парораспределителем автоклава, показанным пунктиром.
ТК 3 и 6 располагались на вертикальной оси цилиндра, ТК 1, 2, 4 и 5 — на расстоянии около 0,15 м (половина диаметра автоклава) от вертикальной оси. ТК 5 размещался рядом с корпусом, в котором был установлен ртутный термометр.
После того, как автоклав достиг стабильного рабочего состояния, температура, показываемая ртутным термометром, фиксировалась через заданные промежутки времени. Значения температуры, считываемые ртутным термометром, сравнивались со значениями температур, регистрируемыми термопарами. Согласно протоколам Института специалистов по термической обработке (2004 г.), для обеспечения вентиляции автоклава разница в показаниях термопар не может отличаться более чем на ±0,3 °С по сравнению с ртутным термометром. Полную вентиляцию определяют с помощью испытаний на распределение температуры при максимальной загрузке автоклава. Однако настоящее исследование носило исследовательский характер и было направлено на внесение необходимых корректировок в систему, поэтому распределение температуры определялось при пустой автоклаве.
Распределение давления в автоклаве
Давление внутри автоклава контролировалось в режиме онлайн во время вентиляции с помощью электронного регистратора MyPcLab Novus. Измерения давления проводились из ниши автоклава рядом с ртутным термометром. За давлением также можно было следить с помощью вакуумметра, расположенного рядом с корпусом автоклава.
Результаты и их обсуждение. Исследование вентиляции с использованием воды в автоклаве без нагрузки. Температура сбрасываемой воды и скорость потока
Чтобы лучше объяснить результаты вентиляции в зависимости от температуры воды, результаты будут представлены вместе с описанием скоростей наполнения и опорожнения, поскольку они напрямую связаны друг с другом.
Наполнение. Независимо от температуры воды и оборудования во всех экспериментах скорость заполнения автоклава составляла от 8 до 8,5 м3/ч, а общее время заполнения — 2 мин.
Опорожнение. Скорость опорожнения воды варьировалась в зависимости от ее температуры и от того, было ли оборудование горячим или холодным.
Показано изменение скорости опорожняющего потока во время вентиляции автоклава водой и оборудованием при комнатной температуре. В испытаниях 1 и 3 автоклав был холодный, а в испытаниях 2 и 4 — горячей. Средняя скорость потока в Тесте 1 составила 5,3 м3/ч, а время опорожнения 2,5 мин. Результаты испытаний 1–4 представлены в таблице 1. Средний расход рассчитывался без учета последнего этапа экспериментов, так как он соответствовал окончанию этапа опорожнения, т. е. имел значение 0 м3/ч. . На рис. 3 показано, что скорость потока увеличивалась на протяжении всей процедуры опорожнения.
В испытаниях, проведенных с отводимой водой при температуре 60 °C и 70 °C, не наблюдалось дальнейшей тенденции к увеличению скорости опорожнения автоклава, когда оборудование было горячим, поскольку автоклав не нагревался. вода поднималась вверх, поскольку она уже была более высокой температуры.
Пар – это элемент, который помогает насосу удалять воду из автоклава за счет уменьшения перепада давления между всасыванием насоса и автоклавом. При подаче пара в автоклав, всегда под давлением 3 бар, пар нагревает границу раздела вода–пар. Температура воды, остающейся в автоклаве, остается прежней, поскольку нагретая вода остается на поверхности из-за своей меньшей плотности. Чем больше разница между температурой пара и воды, тем большее количество пара требуется для нагрева границы раздела и, следовательно, большее количество пара будет конденсироваться.
В начале процесса опорожнения, когда в автоклаве еще много воды, температура интерфейса, которая выше, чем у оставшейся воды, не препятствует сливу воды. По мере того как количество воды в автоклаве уменьшается, граница раздела начинает влиять на скорость опорожняющего потока, поскольку вода также нагревается. Таким образом, согласно принципу Уатта (давление пара, управляющего системой, связано с самой низкой температурой (Фолмер-Джонсон, 1965)), давление пара со временем увеличивается из-за повышения температуры воды и, следовательно, увеличивает скорость истечения насоса, что объясняет, почему скорость потока была выше в конце этапа опорожнения.
Точно так же при опорожнении автоклава, чем выше температура воды, тем выше ее скорость потока за счет соответствующего давления пара. Во всех проведенных испытаниях проблем с условиями эксплуатации не возникло. Общее время вентиляции варьировалось от 2,5 мин до 1,4 мин, что соответствует тесту 1 (комнатная температура) и тесту 9 (80 °C) соответственно.
Расход пара на вентиляцию с использованием воды соответствует только этапу опорожнения. Таким образом, время использования пара составило 2,5 минуты при использовании воды комнатной температуры и 1,4 минуты при температуре воды 80°C. Очевидно, что следует также учитывать расход пара, необходимый для нагрева воды в баке. Однако стоит отметить, что эта вода подлежит восстановлению и может быть использована на других этапах вентиляции. Следовательно, пар расходуется на нагрев воды в резервуаре для первого выпуска воздуха, а затем только на поддержание ее температуры. Следует отметить, что температура вентиляционной воды зависит от начальной температуры продукта, которая, за исключением особых случаев, всегда выше из-за этапов, предшествующих процессу стерилизации.
Показаны рассчитанные значения объема воды, удаленной из автоклава на этапе вентиляции. Объем рассчитывался по площади под кривой зависимости расхода сбросной воды от времени (рис. 3, рис. 4), которая оставалась в пределах 0,23–0,20 м3. Учитывая точность интегрирования, эти значения соответствуют объему автоклава, который составляет 0,22 м3, при условии отсутствия остатков воды в оборудовании. Эти значения также могут служить для продолжения данного исследования в качестве параметра, указывающего на окончание стадии вентиляции.
Распределение давлений и температур при сбросе воды из автоклава
Последовательно будет представлена эволюция распределения температуры и давления в автоклаве без нагрузки. С целью проследить за давлением автоклава, наполненной водой, в нескольких экспериментах (испытания 1, 3, 5, 7 и 9) слив открывали и фиксировали давление автоклава в положении ниши в тот момент, когда насос отключили после полного заполнения автоклава. Для этого два трехходовых клапана были закрыты, изолировав таким образом автоклав от резервуара для воды, и открылся слив. После непродолжительной регистрации давления процедура вернулась к штатному режиму. Из-за создания вакуума внутри автоклава вытекания воды при открытии слива не было, за исключением избытка воды в самой сливной линии.
В тестах 2, 4, 6 и 8 слив не открывался. Перед открытием клапана паропровода и повторным запуском насоса регистрировалось только давление в автоклаве. Выбор тестов на открытие дренажа или иное, был сделан случайным образом.
Вода комнатной температуры
Как уже упоминалось, исследуемые температуры воды составляли комнатную температуру: 50 °C, 60 °C, 70 °C и 80 °C. Однако будут представлены только графики для комнатной температуры, 60 °C и 80 °C. Представлена сводка результатов, полученных для всех испытаний во время вентиляции с использованием воды в автоклаве без нагрузки. Во время теста 1, автоклав изначально был холодный, и ее слив был открыт для измерения давления в нише с сосудом, полным воды. Показано, что температура автоклава оставалась на уровне около 30 °C в течение всей операции наполнения, и температура автоклава начала повышаться по мере поступления пара через верхний конец. Термопары, обозначенные как ТС, расположенные ближе к входу пара, первыми зафиксировали повышение температуры. ТК 1 представлял собой термопару, ближайшую к входу пара, а ТК 6 — самую дальнюю (см. рис. 2). Такое поведение повторялось во всех других тестах (см. ниже), и лучше видно на рис. 6, на котором более подробно показано повышение температуры термопар в тесте 1.
Выводы
По результатам проведенных к настоящему времени исследований можно сделать вывод, что метод вентиляции с использованием воды весьма перспективен. Установка системы показала себя пригодной для вентиляции автоклава без нагрузки. По результатам видно, что:
Что касается температуры стравливающей воды, то чем выше ее значение, тем короче время опорожнения автоклава (Тест 9), то есть меньше время стравливания. Следовательно, потребление пара на этапе вентиляции будет уменьшено.
Начальная температура автоклава, холодная или горячая, влияет на расход воды во время вентиляции автоклава только тогда, когда температура воды составляет 50 °C или ниже.
Когда насос был перезапущен в начале стравливания, давление упало. В эксперименте с водой при 30 °С давление в автоклаве при запуске насоса составляло 0,19 бар; при температуре воды 80 °C это значение составляло 1,06 бар. Во всех тестах эти значения были выше, чем давление насыщенного пара при соответствующих температурах воды, Liley et al. (1984), поэтому кавитация в насосе отсутствует.
Было показано, что предложенная методика вентиляции автоклава без нагрузки эффективна в отношении разницы температур, показаний ртутного термометра, и температур, регистрируемых термопарами, расположенными внутри автоклава.