高压蒸汽灭菌器余热回收系统的建立

张大维，徐彩云，王德利，王 彦，甘振威

(1. 吉林大学基础医学院，长春 130021；2. 吉林大学生命科学院，长春 130021； 3. 吉林大学公共卫生学院，长春 130021)

目前，在灭菌方法上采用最广泛的是高压蒸汽灭菌法[1]。由于其产生的蒸汽容易进入微生物的细胞而引起微生物的蛋白质变性或者凝固，进而造成微生物的死亡，以达到杀死微生物的目的[2]。高压蒸汽灭菌不仅可以杀死一般的细菌、真菌等微生物，对芽胞、孢子也有明显的杀灭[3]。随着生产研究过程中的要求日益增长，为此对大型自动高压蒸汽灭菌器也提出了更高的要求[4]。而高压蒸气灭菌工作时，高压蒸汽灭菌器排放的高温气体和液体温度高达80℃～135℃[5]，一般设施排水管路材质为PVC材料最高耐热温度为80℃，排放液体温度过高极易造成排水管路的损坏，存在较大安全隐患[6]。本研究拟通过采用热交换器元件对排放的高温气体和液体进行高效热交换，并通过在关键控制节点布置温度传感器[7]的方法对交换过程中的温度进行精密控制，最终实现高温排放气体和液体安全排放，并实现能源的高效利用。

1 高压蒸汽灭菌器热回收系统的基本原理

高压蒸汽灭菌器余热回收系统的基本原理如图1所示，余热回收系统由高压蒸汽灭菌器、电蒸汽发生器、换热器、循环泵、保温水箱、过滤器、温度传感器、液位传感器、阀门、排水设施等组成。

注：1：电蒸汽发生器； 2：灭菌器； 3：灭菌后废汽；4：夹层空气；5：纯化水；6：温度传感器；7：过滤器；8：排水设施；9：换热器；10：循环泵；11：自来水；12：生活用水；13：混水阀；14：保温水箱；15：液位显示。图1 高压蒸汽灭菌器余热回收系统原理图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

图1中，电蒸汽发生器产生高压蒸汽输入至灭菌器中，灭菌器灭菌后产生的废汽与夹层空气通过过滤器过滤后进入板式换热器中，经板式换热器的换热作用后，将热量传输至保温水箱循环水中，废水通过排水设施排出。保温水箱中水在循环泵的作用下，依次通过板式换热器进行热交换，交换后的热水一部分进入到电蒸汽发生器中，一部分通过与自来水混水后，温度调节至适宜温度供洗刷等生活用水。纯化水水箱中的纯化水通过阀门控制对保温水箱中水容量进行实时补充。

2 关键输入输出控制节点

通过上节对高压蒸汽灭菌器热回收系统基本原理的分析，关键的控制输入输出节点主要为温度控制节点，包括灭菌后废汽与夹层空气通过过滤器排出后温度测量点T1，废水排出前温度测量点T2，保温水箱换热前温度测量点T3，保温水箱换热后温度测量点T4。

在余热回收系统的控制系统选择上，选择在工业领域应用较广的PLC(可编程逻辑控制)控制是一种较为理想的控制方法，其具备使用方便、功能性强、可靠性高、抗干扰能力强等优点，适用于我们的对安全性和可靠性要求较高的应用场合。选择西门子公司的SIMATIC S7-200可编程程序控制器对整个热回收系统的工作流程进行程序控制，S7-200内置高速计数器，PID控制器，RS-486通信/编程接口，具备点对点及多点接口的通讯协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O，或35路模拟量I/O[8]。

温度传感器选择在应用较多的热电偶元件，其具备较好的鲁棒性，适用于对测温精度要求不高，但可靠性要求较高使用场所[9]。热电偶元件可以选择美国Omega公司生产的GJMQSS系列产品，其测量温度范围-29℃～120℃，测温精度±0.5℃，模拟量信号输出[10]。

3 控制流程图

通过前文对高压蒸汽灭菌器热回收系统的原理，关键输入输出控制节点，控制系统等分析，建立如图2所示的控制流程图。

图中，通过检测蒸汽换热前水温T1，判断换热循环泵的开启与关闭。通过检测蒸汽换热后水温T2判断换热循环泵的高功率与低功率运行[11]。并实时输出显示保温水箱换热前后的水温，以供操作人员判断保温水箱内的温度及换热后输出水温度[12]。

图2 高压蒸汽灭菌器余热回收系统控制流程图Figure 2 Flow chart of controlling of the high-pressure steam sterilizer waste heat recovery system

4 高压蒸汽灭菌器余热回收系统热回收效率测试与分析

通过上述分析与研究，建立实验室用高压蒸汽灭菌器余热回收系统，并对其热回收效率进行测试。热回收效率计算公式[13]如下：

其中T1为蒸汽换热前温度，T3为保温水箱内水换热前温度，T4为保温水箱内水换热后温度。

通过对高压蒸汽灭菌器余热回收系统8 h的实际工作时间各温度控制节点的温度进行测量分析，得到如图3所示的热回收系统换热效率曲线。

图3 高压蒸汽灭菌器余热回收系统热回收效率曲线Figure 3 Heat recovery efficiency curve of the autoclave waste heat recovery system

可以看到，蒸汽排出温度T1初始在15℃左右，此时循环泵处于关闭状态[14]。当灭菌器工作时，蒸汽排出温度迅速升至接近100℃，此时热回收循环泵受到稳定影响处于开启状态，低功率运行，开始换热工作[15]。此时保温水箱内水换热前温度T3为100℃，保温水箱内水换热后水温T4开始逐渐增高，当蒸汽换热后T4温度超过50℃后，热回收设备的循环泵运行，换热后水温T4达到最高值75℃，之后随换热后水温逐渐减小。当灭菌器停止工作后，蒸汽排出温度降低到15℃，换热后水温也随之降低。在有效热回收过程中，热回收效率达到72%以上。

5 结论

在生物制药、医院、生命科学领域对高压蒸汽灭菌消毒是常用消毒方式[16]，多篇研究表明，随着我国对节能减排需求的提高，对余热的回收已然成为发展趋势[17-18]。

本研究通过对高压蒸汽灭菌器余热回收系统的工作原理的介绍，并对系统中的关键输入输出控制节点，控制系统及温度传感器选择，控制系统流程图等进行了详细阐述。建立余热回收系统，并对余热回收系统的热回收效率通过实验进行测试与分析。通过余热回收系统的建立，实现了高压蒸汽灭菌器排放无污染，回收了部分热能量，并加以利用，降低了设施和设备能耗，达到了节能减排的目的，在生物制药、医院、生命科学研究等灭菌消毒领域，具备较好的应用前景。