高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統的建立

張大維，徐彩云，王德利，王 彥，甘振威

(1. 吉林大學基礎醫學院，長春 130021；2. 吉林大學生命科學院，長春 130021； 3. 吉林大學公共衛生學院，長春 130021)

目前，在滅菌方法上采用最廣泛的是高壓蒸汽滅菌法[1]。由于其產生的蒸汽容易進入微生物的細胞而引起微生物的蛋白質變性或者凝固，進而造成微生物的死亡，以達到殺死微生物的目的[2]。高壓蒸汽滅菌不僅可以殺死一般的細菌、真菌等微生物，對芽胞、孢子也有明顯的殺滅[3]。隨著生產研究過程中的要求日益增長，為此對大型自動高壓蒸汽滅菌器也提出了更高的要求[4]。而高壓蒸氣滅菌工作時，高壓蒸汽滅菌器排放的高溫氣體和液體溫度高達80℃～135℃[5]，一般設施排水管路材質為PVC材料最高耐熱溫度為80℃，排放液體溫度過高極易造成排水管路的損壞，存在較大安全隱患[6]。本研究擬通過采用熱交換器元件對排放的高溫氣體和液體進行高效熱交換，并通過在關鍵控制節點布置溫度傳感器[7]的方法對交換過程中的溫度進行精密控制，最終實現高溫排放氣體和液體安全排放，并實現能源的高效利用。

1 高壓蒸汽滅菌器熱回收系統的基本原理

高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統的基本原理如圖1所示，余熱回收系統由高壓蒸汽滅菌器、電蒸汽發生器、換熱器、循環泵、保溫水箱、過濾器、溫度傳感器、液位傳感器、閥門、排水設施等組成。

注：1：電蒸汽發生器； 2：滅菌器； 3：滅菌后廢汽；4：夾層空氣；5：純化水；6：溫度傳感器；7：過濾器；8：排水設施；9：換熱器；10：循環泵；11：自來水；12：生活用水；13：混水閥；14：保溫水箱；15：液位顯示。圖1 高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統原理圖Note. 1, Electric steam generator; 2, Sterilizer; 3, Waste steam after sterilization; 4, Interlayer of air; 5, Purified water; 6, Temperature sensor; 7, Filter; 8, Drainage facility; 9, heat exchanger; 10, Circulating pump; 11, Tap water; 12, Domestic water; 13, Mixing valve; 14, Insulated water tank; and 15, Liquid level display.Figure 1 Schematic diagram of the autoclave waste heat recovery system

圖1中，電蒸汽發生器產生高壓蒸汽輸入至滅菌器中，滅菌器滅菌后產生的廢汽與夾層空氣通過過濾器過濾后進入板式換熱器中，經板式換熱器的換熱作用后，將熱量傳輸至保溫水箱循環水中，廢水通過排水設施排出。保溫水箱中水在循環泵的作用下，依次通過板式換熱器進行熱交換，交換后的熱水一部分進入到電蒸汽發生器中，一部分通過與自來水混水后，溫度調節至適宜溫度供洗刷等生活用水。純化水水箱中的純化水通過閥門控制對保溫水箱中水容量進行實時補充。

2 關鍵輸入輸出控制節點

通過上節對高壓蒸汽滅菌器熱回收系統基本原理的分析，關鍵的控制輸入輸出節點主要為溫度控制節點，包括滅菌后廢汽與夾層空氣通過過濾器排出后溫度測量點T1，廢水排出前溫度測量點T2，保溫水箱換熱前溫度測量點T3，保溫水箱換熱后溫度測量點T4。

在余熱回收系統的控制系統選擇上，選擇在工業領域應用較廣的PLC(可編程邏輯控制)控制是一種較為理想的控制方法，其具備使用方便、功能性強、可靠性高、抗干擾能力強等優點，適用于我們的對安全性和可靠性要求較高的應用場合。選擇西門子公司的SIMATIC S7-200可編程程序控制器對整個熱回收系統的工作流程進行程序控制，S7-200內置高速計數器，PID控制器，RS-486通信/編程接口，具備點對點及多點接口的通訊協議和自由端口模式通信功能，最大可以擴展到248點數字量I/O，或35路模擬量I/O[8]。

溫度傳感器選擇在應用較多的熱電偶元件，其具備較好的魯棒性，適用于對測溫精度要求不高，但可靠性要求較高使用場所[9]。熱電偶元件可以選擇美國Omega公司生產的GJMQSS系列產品，其測量溫度范圍-29℃～120℃，測溫精度±0.5℃，模擬量信號輸出[10]。

3 控制流程圖

通過前文對高壓蒸汽滅菌器熱回收系統的原理，關鍵輸入輸出控制節點，控制系統等分析，建立如圖2所示的控制流程圖。

圖中，通過檢測蒸汽換熱前水溫T1，判斷換熱循環泵的開啟與關閉。通過檢測蒸汽換熱后水溫T2判斷換熱循環泵的高功率與低功率運行[11]。并實時輸出顯示保溫水箱換熱前后的水溫，以供操作人員判斷保溫水箱內的溫度及換熱后輸出水溫度[12]。

圖2 高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統控制流程圖Figure 2 Flow chart of controlling of the high-pressure steam sterilizer waste heat recovery system

4 高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統熱回收效率測試與分析

通過上述分析與研究，建立實驗室用高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統，并對其熱回收效率進行測試。熱回收效率計算公式[13]如下：

其中T1為蒸汽換熱前溫度，T3為保溫水箱內水換熱前溫度，T4為保溫水箱內水換熱后溫度。

通過對高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統8 h的實際工作時間各溫度控制節點的溫度進行測量分析，得到如圖3所示的熱回收系統換熱效率曲線。

圖3 高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統熱回收效率曲線Figure 3 Heat recovery efficiency curve of the autoclave waste heat recovery system

可以看到，蒸汽排出溫度T1初始在15℃左右，此時循環泵處于關閉狀態[14]。當滅菌器工作時，蒸汽排出溫度迅速升至接近100℃，此時熱回收循環泵受到穩定影響處于開啟狀態，低功率運行，開始換熱工作[15]。此時保溫水箱內水換熱前溫度T3為100℃，保溫水箱內水換熱后水溫T4開始逐漸增高，當蒸汽換熱后T4溫度超過50℃后，熱回收設備的循環泵運行，換熱后水溫T4達到最高值75℃，之后隨換熱后水溫逐漸減小。當滅菌器停止工作后，蒸汽排出溫度降低到15℃，換熱后水溫也隨之降低。在有效熱回收過程中，熱回收效率達到72%以上。

5 結論

在生物制藥、醫院、生命科學領域對高壓蒸汽滅菌消毒是常用消毒方式[16]，多篇研究表明，隨著我國對節能減排需求的提高，對余熱的回收已然成為發展趨勢[17-18]。

本研究通過對高壓蒸汽滅菌器余熱回收系統的工作原理的介紹，并對系統中的關鍵輸入輸出控制節點，控制系統及溫度傳感器選擇，控制系統流程圖等進行了詳細闡述。建立余熱回收系統，并對余熱回收系統的熱回收效率通過實驗進行測試與分析。通過余熱回收系統的建立，實現了高壓蒸汽滅菌器排放無污染，回收了部分熱能量，并加以利用，降低了設施和設備能耗，達到了節能減排的目的，在生物制藥、醫院、生命科學研究等滅菌消毒領域，具備較好的應用前景。