CN201396935Y - 一种加热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种加热系统，用于对生物反应器罐体加热，加热系统包括：蒸汽加热系统，包括：输送蒸汽的蒸汽管道；电加热系统，包括：电加热器、水泵和水路管道；加热系统还包括：热交换器；电加热器、水泵、热交换器和罐体外层的夹套之间通过水路管道依次连接；热交换器与蒸汽管道连接。本实用新型将电加热系统与蒸汽加热系统相结合，首先采用蒸汽加热，利用蒸汽加热速度快的特点，实现快速加热。然后，在罐体温度升温到稍低于用户设定温度几摄氏度时，利用电加热系统进一步对水流加热，从而罐体不易产生超温现象，达到良好控温的效果。本实用新型的加热系统可以进行自动控制，减少了人工操作，提高了温度控制的准确性和加热过程的安全性。

Description

一种加热系统

技术领域

本实用新型涉及加热系统，尤其涉及一种用于动物细胞悬浮培养过程中对反应器罐体进行加热与保温的加热系统。

背景技术

一般情况下，动物细胞培养的温度环境在36.8℃～37.2℃，低于或高于这个温度范围都会对细胞造成不利影响。目前，广泛应用于细胞培养用生物反应器的加热系统要么是电加热系统，要么是蒸汽加热系统，电加热系统与蒸汽加热系统是相互分离的。这两种加热系统都存在弊端，电加热系统因为电加热器本身的局限，加热速度较慢，势必浪费较多的时间，尤其在大容积反应器中不能满足要求。蒸汽加热系统因蒸汽的进气量不易控制，容易出现超温的情况，造成细胞的死亡。

实用新型内容

为了解决目前的用于动物细胞培养用生物反应器的电加热系统存在的加热速度较慢的问题和蒸汽加热系统存在的进气量不易控制，容易出现超温的问题，本实用新型提供了一种加热系统，用于对生物反应器罐体加热，所述加热系统包括：

蒸汽加热系统，包括：输送蒸汽的蒸汽管道；

电加热系统，包括：电加热器、水泵和水路管道；

所述加热系统还包括：热交换器；

所述电加热器、水泵、热交换器和所述罐体外层的夹套之间通过所述水路管道依次连接，形成水路循环回路；

所述热交换器与所述蒸汽管道连接。

所述电加热器上设置有进水口和排污口。

所述电加热器上设置有检测水位并根据检测的水位控制所述电加热器启动的液位开关。

所述热交换器为汽水热交换器。

所述夹套通过连接软管连接到所述水路管道。

所述加热系统还包括：

疏水阀；

冷凝水出口；

所述热交换器、疏水阀和冷凝水出口通过管路依次连接。

所述加热系统还包括：

伸入罐体内，用来测量所述罐体内的温度，并将测量的罐体温度发送出去的罐体温度传感器；

控制模块，包括用来根据所述罐体温度控制所述电加热器启动的第一控制单元。

所述蒸汽管道上设置有比例调节阀；

所述加热系统还包括：

用来测量夹套温度，并将测量的夹套温度发送出去的夹套温度传感器；

所述控制模块还包括：用来根据所述夹套温度和罐体温度的差值，通过控制所述比例调节阀的开启角度来控制蒸汽流量的第二控制单元。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型将电加热系统与蒸汽加热系统相结合，首先采用蒸汽加热，使高温的蒸汽在热交换器中与低温的水进行换热，低温的水温度升高后流经罐体外层的夹套，来为罐体加热，利用蒸汽加热速度快的特点，实现快速加热。然后，在罐体温度升温到稍低于用户设定温度几摄氏度时，利用电加热系统进一步对水流加热，从而使流经夹套的水流将罐体加热到所需的温度。利用电加热系统进行加热容易控制加热的温度，罐体不易产生超温现象，从而达到良好控温的效果。本实用新型的加热系统可以采用软件进行自动控制，减少了人工操作，提高了温度控制的准确性和加热过程的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的加热系统与生物反应器罐体的连接结构示意图；

图2为本实用新型的加热系统的具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

生物反应器的蒸汽加热系统加热速度较快，能满足快速加热或大型反应器加热的需求，但蒸汽量不易控制，控温较差，易出现超温。电加热系统控温效果较好，但加热速度较慢。本实用新型的技术方案将电加热系统与蒸汽加热系统结合起来，利用蒸汽加热系统和电加热系统为生物反应器加热，互补各自的不足，又能发挥各自的优点，从而同时实现快速加热与控温的目的。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

参考图1，图1为本实用新型的加热系统与生物反应器罐体的连接结构示意图，图中各标记说明如下：

罐体1；

位于罐体外层的夹套2；

电加热器3；

水泵4；

汽水热交换器5；

蒸汽管道8；

进水口13；

蒸汽进口15；

水路管道17。

图1中包括：生物反应器罐体1、设置在罐体外层的夹套2、蒸汽加热系统、热交换器和电加热系统。

蒸汽加热系统，包括：蒸汽进口15和输送蒸汽的蒸汽管道8；

电加热系统，包括：电加热器3、水泵4、热交换器和水路管道17，电加热器3上设置有进水口13；

电加热器3、水泵4、热交换器、夹套2通过水路管道17依次连接，形成水路循环回路；

热交换器与蒸汽管道8连接。

纯化水从电加热器的进水口13进入水路管道17，依次经过水泵4、热交换器后注入罐体1的夹套2中。在夹套2中循环后，从水路管道17流到电加热器3中，开始新一轮的循环过程。

电加热器3上还设置有排污口(图中未示出)，用于将电加热器3中的污水排出。

为了实现快速加温和良好控温的目的，首先进行蒸汽加热的过程。具有一定温度的蒸汽从蒸汽进口进入蒸汽管道后，进入热交换器中。

利用进入热交换器的蒸汽和纯化水在热交换器中进行热交换，由温度较高的蒸汽将热量传递给温度较低的纯化水，使纯化水的温度升高。升温后的纯化水从水路管道中流入反应器罐体的夹套中，从夹套中循环后将罐体加热到一定温度，再经过水路管道流到电加热器中，如此循环往复。

在罐体被加热到一定温度之后，停止上述利用蒸汽加热的过程。此时，水路管道中的水流也已经到达了一定温度，在这个温度的基础上，切换到电加热方式，利用电加热器为水路管道中的水加热，通过水流在反应器罐体的夹套中循环，继续将反应器罐体加热到所需的温度。

由于蒸汽加热的过程中，在热交换器中是蒸汽和水之间进行换热，因此上述热交换器为汽水热交换器5。

为了使夹套与水路管道之间的连接实现起来更容易，进一步将夹套通过具有伸缩性的连接软管与水路管道连接。

由于在热交换器中，有一小部分高温的蒸汽从热交换器中跑出，因此，在加热系统中还包括疏水阀，设置在热交换器和冷凝水出口之间，热交换器、疏水阀和冷凝水出口通过管路连接。该疏水阀用于将进入低温的管道的一小部分高温蒸汽产生的冷凝水从冷凝水出口排出。

由于电加热器在初始启动时，其中的水位必须满足设定水位时才能启动，因此，电加热器上设置有液位开关，用来控制电加热器的初始启动，当电加热器中水位不满足液位开关设定的水位值时，液位开关控制电加热器不启动加热，当电加热器中的水位满足液位开关设定的水位值时，液位开关控制电加热器启动加热。液位开关通过控制电加热器中的水位，可以更好的保证电加热系统的安全，避免出现电加热器干烧的情况。

为了精确控制罐体的温度，在反应器罐体上设置有罐体温度传感器，用来测量罐体内的温度，并将罐体温度发送到加热系统的控制模块。并且，在水泵的出水口处设置有夹套温度传感器，用来测量夹套温度，并将夹套温度发送到加热系统的控制模块。控制模块的一个控制单元根据夹套温度和罐体温度的差值，通过调节相应的比例调节阀控制蒸汽量来实现对罐体温度的控制。

为了达到保温的目的，在反应器罐体上设置的罐体温度传感器在电加热过程中，将罐体温度发送到控制模块的另一个控制单元后，如果该控制单元判断罐体内温度低于设定温度值，则控制电加热器启动，为罐体加温，如果判断罐体内温度符合或者超过设定温度值，则不控制电加热器启动加热。

以上将蒸汽加热和电加热联合进行加热的方式既可以手动实现，也可以利用软件自动实现。

下面通过一个具体实施方式来对蒸汽加热和电加热的过程进行详细说明。参考图2，图2为本实用新型的加热系统的具体实施方式的结构示意图。图2中的电加热系统(水路)包括：阀门BV114、电加热器3、水泵4、汽水热交换器5、阀门GLV111、连接软管6、夹套2、连接软管6、阀门BV111、阀门GLV108，以及连接这些元件的水路管道。其中的箭头为水循环的方向。纯化水从阀门BV114进入，依次流经上述元件，形成一个循环回路。电加热器上设置有排污口14，用来将电加热器3中的污水从阀门BV115排出。

蒸汽加热系统(气路)包括：阀门BV112、阀门GLV110、比例调节阀FCV102、汽水热交换器5、GLV114、疏水阀7，以及连接这些元件的蒸汽管道8。工业蒸汽从阀门BV112进入，依次流经阀门BV112、阀门GLV110、比例调节阀FCV102、汽水热交换器5，在汽水热交换器5中与纯化水换热，而部分夹带有蒸汽的冷凝水依次流经汽水热交换器5、GLV114、疏水阀7后，从冷凝水出口16排出。

电加热系统与蒸汽加热系统通过汽水热交换器5连接。

电加热器3上设置有液位开关(LS101)10，用来监测电加热器中的水位，并根据监测到的电加热器中的水位的高低来控制电加热器是否启动加热，当电加热器中的水位没有达到预设水位值时，不启动电加热器加热，当达到预设水位值时，启动电加热器加热。

下面对图2所示结构的工作过程进行说明。

打开手阀BV111、BV112和BV114。将纯化水从进水口13通过手阀BV114注入，纯化水依次流经电加热器3、水泵4、汽水热交换器5、阀门GLV111、连接软管6后流入夹套2中。夹套2和电加热器3中加满水后，开始加热过程，首先采用蒸汽加热的方式。在加热系统的控制模块的触摸屏中设定加热温度为37度，工作模式切换到自动，设定合适的PID(比例-积分-微分调节算法)参数，开启自动蒸汽加热。

蒸汽加热的过程：在气路方面，GLV110和GLV114打开，FCV102由PID调节开启一定的角度。工业蒸汽经蒸汽进口15从手阀BV112进入蒸汽管道8。

在水路循环方面，阀门GLV108、GLV111打开，水泵4开启，纯化水与蒸汽都经过汽水热交换器5，在汽水热交换器5中进行热交换。低温的纯化水吸收蒸汽的热量后温度升高，依次再经过GLV111和连接软管6后进入夹套2，在夹套2中循环，为罐体加热，再从夹套上方的连接软管6依次流经BV111、GLV108后流入电加热器3。水流经过如此往复循环，不断为罐体加热，使之温度升高。

罐体1上设置有伸入罐体内的罐体温度传感器11，在蒸汽加热的过程中，罐体温度传感器11将测量到的罐体温度通过信号线路9传送到加热系统的控制模块。

水泵4出水口处的水路管道上设置有夹套温度传感器12，用来测量水路管道内的水温，由于夹套温度传感器12至夹套2之间只有一段管道，散热量较小，因此，可以将测量到的水路管道中的水温当作夹套2的温度。当然，夹套温度传感器12也可以直接设置在夹套2上。

夹套温度传感器12将测量的夹套2的温度传送到加热系统的控制模块。控制模块中的一个控制单元根据夹套温度传感器12和罐体温度传感器11传来的夹套温度和罐体温度的差值，设定合适的PID参数，将FCV102调整到一定角度，以调整蒸汽管道中的蒸汽量，从而将罐体1加热到一定温度值上。待罐体升温到33℃时，停止蒸汽加热，阀门GLV110、GLV114和FCV102自动关闭，切换到电加热方式。

在蒸汽加热的过程中，当蒸汽在汽水热交换器5中与低温的纯化水换热后，成为冷凝水，夹带有蒸汽的冷凝水依次经过阀门GLV114、疏水阀7后排出。

在电加热方式中，水路循环的阀门不会关闭，水流按照上述方式继续在水路管道中循环。电加热器3启动，开始为水路中33℃的水继续加热，直到升温到37℃。

在将罐体电加热到37℃后，停止加热。而罐体温度传感器11仍将实际的罐体温度发送给控制模块的另一个控制单元。另一个控制单元根据罐体温度传感器11发送过来的罐体温度控制电加热器的启动或停止，实现罐体的保温。

当另一个控制单元判断罐体温度达到设定的温度值时，停止电加热器的加热，当罐体温度低于设定的温度值时，启动电加热器进行加热。例如，当罐体达到37℃后，控制电加热器使之停止加热。当罐体温度不到37℃时，控制电加热器使之开始加热。这样，就可以达到良好的保温效果。

上文中所述的加热系统的控制模块可以是属于加热系统的一部分，用来控制罐体加热的温度，也可以独立于加热系统，属于反应器控制系统的一部分。

总之，本实用新型将电加热系统和蒸汽加热系统通过汽水热交换器连接起来，利用蒸汽加热系统升温快的特点，先进行蒸汽加热，在升温到接近设定温度时，由于蒸汽加热升温较快，不易控制，改为采用电加热，利用电加热的加热速度较慢的热点，实现良好控温的效果，既能够在较短的时间内将温度升高，提高效率，满足大容积反应器的温度需求，又能够很好的控制温度不超过设定温度值，减少超温造成的生物反应器中细胞死亡所造成的损失。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种加热系统，用于对生物反应器罐体加热，其特征在于，所述加热系统包括：

蒸汽加热系统，包括：输送蒸汽的蒸汽管道；

电加热系统，包括：电加热器、水泵和水路管道；

所述加热系统还包括：热交换器；

所述电加热器、水泵、热交换器和所述罐体外层的夹套之间通过所述水路管道依次连接，形成水路循环回路；

所述热交换器与所述蒸汽管道连接。

2.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述电加热器上设置有进水口和排污口。

3.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述电加热器上设置有检测水位并根据检测的水位控制所述电加热器启动的液位开关。

4.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述热交换器为汽水热交换器。

5.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述夹套通过连接软管连接到所述水路管道。

6.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述加热系统还包括：

疏水阀；

冷凝水出口；

所述热交换器、疏水阀和冷凝水出口通过管路依次连接。

7.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述加热系统还包括：

伸入罐体内，用来测量所述罐体内的温度，并将测量的罐体温度发送出去的罐体温度传感器；

用来根据所述罐体温度控制所述电加热器启动的第一控制单元，分别与所述罐体温度传感器和所述电加热器连接。

8.如权利要求7所述的加热系统，其特征在于，所述蒸汽管道上设置有比例调节阀；

所述加热系统还包括：

用来测量夹套温度，并将测量的夹套温度发送出去的夹套温度传感器；

用来根据所述夹套温度和罐体温度的差值，通过控制所述比例调节阀的开启角度来控制蒸汽流量的第二控制单元，分别与所述夹套温度传感器、罐体温度传感器和比例调节阀连接。

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