DE102013109474A1

DE102013109474A1 - Verfahren und Einrichtung zur Regeneration des Trockenmittels eines Adsorptionslufttrockners

Info

Publication number: DE102013109474A1
Application number: DE102013109474.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kipp; Karl Hering; Christian Urra; Gert Assmann
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015028534A1

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur zur Regeneration des Trockenmittels eines einem Kompressor (1) nachgeschalteten Adsorptionslufttrockners (4), welches in mindestens einem Trocknungsbehälter (3a, 3b) untergebracht ist, den ein durch den Kompressor (1) erzeugter Druckluftstrom derart durchströmt, dass in einer Trocknungsphase das Trockenmittel einen feuchten Druckluftstrom trocknet und in einer anschließenden Regenerationsphase ein trockener Druckluftstrom das feuchte Trockenmittel durch Trocknen wieder regeneriert, wobei eine elektronische Steuereinheit (7) zur ventiltechnischen Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase vorgesehen ist, wobei die elektronische Steuereinheit (7) zur dynamischen Bestimmung des Umschaltzeitpunkts von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase den Volumenstroms (VL) der vom Kompressor (1) in den Trocknungsbehälter () einströmenden feuchten Druckluft aus der Drehzahl (nK) des Kompressors (1) sowie des die Förderleistung des Kompressors (1) angebenden Kompressorkennfelds (8) ermittelt, und dass die Steuereinheit (7) den Wassereintrags (mL) in das Trockenmittel aus dem Luft-Volumenstrom (VL) in den Trocknungsbehälter (3a; 3b) und der diesem zugeordneten Temperatur (TL) unter der Annahme, dass gesättigte Luft vorliegt, ermittelt, um bei Erreichen eines definierten Wassereintrags (mL ) in das Trockenmittel von der Trocknungsphase in die Regenerationsphase umzuschalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Regeneration des Trockenmittels eines einem Kompressor nachgeschalteten Absorptionslufttrockners, welches in mindestens einem Trocknungsbehälter untergebracht und von einem durch den Kompressor erzeugten Druckluftstrom durchströmt wird, bei welchem in einer Trocknungsphase ein feuchter Druckluftstrom des Kompressors zum Trocknen der Druckluft durch zuvor getrocknetes Trockenmittel geleitet wird und in einer anschließenden Regenerationsphase ein trockener Druckluftstrom das feuchte Trockenmittel durch Trocknen wieder regeneriert, wobei eine ventiltechnische Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit durchgeführt wird.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Druckluftsysteme von Schienenfahrzeugen. Hierbei erzeugt ein gewöhnlich in einem Zugfahrzeug angeordneter Kompressor Druckluft zum Antrieb der pneumatischen Bremsanlage und ggf. weiterer Aggregate. Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch auf Adsorptionslufttrockner anderer Fahrzeuge anwenden, welche einen Wechselbetrieb zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase ausführen.
Aus der DE 35 33 893 A1 geht ein Adsorptionslufttrockner, insbesondere für die Druckluftversorgung der Bremsanlagen von Fahrzeugen hervor, welcher in Form einer Zwei-Kammer-Variante über zwei zueinander parallel geschaltete Trocknungsbehälter mit Trocknungsmittel verfügt. Diese werden abwechselnd während der Trocknungs- und Regenerationsphase parallel zueinander betrieben, um eine permanente Druckluftversorgung mit trockener Druckluft sicherzustellen. Die Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase erfolgt hier durch einen nach einem Zeittakt schaltbaren Ventilmechanismus, welcher wechselweise die vom Kompressor kommende, feuchte Druckluft in einen der Trocknungsbehälter einführt und jeweils vom anderen Trocknungsbehälter die bei der Regeneration verwendete Teilluftmenge ableitet. Der Ventilmechanismus besteht aus einem Schaltventil mit zwei im Gegentakt arbeitenden, durch ein einziges Magnetventil steuerbaren Einzelventilen.
Die rein zeitgesteuerte Regeneration des Trockenmittels verursacht in der Praxis einen Druckluftbedarf von ca. 15 bis 25% des getrockneten Volumenstroms an Druckluft. Um sicherzustellen, dass in der Regenerationsphase das Trockenmittel maximal entwässert ist, wird die trockene Druckluft länger durch den Trocknungsbehälter geleitet, als dies tatsächlich erforderlich wäre. Hierdurch sinkt die Energieeffizienz des Absorptionslufttrockners da der Druckluftbedarf während der Regenerationsphase in der Regel überdimensioniert ist.
Aus der DE 35 14 473 A1 geht eine andere technische Lösung zur Regeneration des Trockenmittels bei einem Absorptionslufttrockner hervor, bei welcher mittels einer elektronischen Steuereinheit bedarfsgesteuert das Umschalten zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase erfolgt. Zur bedarfsgerechten Steuerung bestimmt ein erster Zähler in der Steuereinheit anhand von Messsignalen eines Drehzahlgebers des Kompressors und eines Druckschalters die während jeder Trocknungsphase geförderte Druckluftmenge und löst bei Erreichen eines oberen Grenzwertes ein Umschalten zwischen den Trocknungsbehältern aus. Ein zweiter Zähler der Steuereinheit dient als Zeitglied, welches den anschließenden Fluss von Regenerationsluft begrenzt. Hierdurch wird eine bessere Ausnutzung der Trocknungskapazität der Trocknungsbehälter des Absorptionslufttrockners sowie ein druckluftsparendes Regenerieren erreicht.
Allerdings bleiben bei dieser Bedarfssteuerung des Umschaltzeitpunktes von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase Informationen hinsichtlich der Sättigung des Trockenmittels mit hiervon aufgenommenen Wasser unbeachtet, was zu Lasten der Energieeffizienz geht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Regeneration des Trockenmittels eines einem Kompressor nachgeschalteten Absorptionslufttrockners zu schaffen, welcher durch einfache steuerungstechnische Maßnahmen durch Minimierung des Luftbedarfs in der Regenerationsphase eine höhere Energieeffizienz ermöglicht.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 5 gibt eine hierzu korrespondierende Einrichtung zur Regeneration des Trockenmittels an. Die jeweils nachgeordneten abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur dynamischen Bestimmung des Umschaltzeitpunkts von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase bei einem Absorptionslufttrockner von einer elektronischen Steuereinheit die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) Ermittlung des Volumenstroms der vom Kompressor in den Trocknungsbehälter einströmenden feuchten Druckluft aus der Drehzahl n_K des Kompressors sowie des die Förderleistung des Kompressors angebenden Kompressorkennfelds,
b) Ermittlung des Wassereintrags in das Trockenmittel aus dem Luft-Volumenstrom V_L in den Trocknungsbehälter und der diesem zugeordneten Temperatur T_L unter der Annahme, dass gesättigte Luft vorliegt,
c) Umschalten von der Trocknungsphase in die Regenerationsphase, wenn ein definierter Wassereintrag W_L in das Trockenmittel erreicht worden ist.

Die erfindungsgemäße Bedarfssteuerung der Umschaltung zwischen Trocknungs- und Regenerationsphase verlängert die Nutzungszeit des Trockenmittels bei Normaltemperatur. Es wird darüber hinaus eine Reduzierung des Luftbedarfs zur Regeneration des Trockenmittels erzielt. Die erfindungsgemäße Bedarfssteuerung führt zu weniger Schaltzyklen und damit zu einer geringeren mechanischen Belastung der für die Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase vorgesehenen Ventile.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sollte die Temperatur der Druckluft im Bereich des Eingangs des Trocknungsbehälters gemessen werden. An dieser Stelle lässt sich hinreichend genau die Temperatur ermitteln, welche im druckluftdurchströmten Trocknungsmittel herrscht. Es ist jedoch auch möglich, die Temperatur der in den Trocknungsbehälter einströmenden oder enthaltenen feuchten Druckluft durch einen Temperatursensor zu messen, welcher sich innerhalb des Trocknungsbehälters und innerhalb des hierin enthaltenen Trockenmittels befindet.
Der erfindungsgemäß zu ermittelnde Wassereintrag in das Trockenmittel entspricht vorzugsweise der Masse an Wasser, welche vom Trockenmittel aufgenommen wird. Diese ergibt sich rechnerisch aus dem Verhältnis von dem Volumenstrom des in den Trocknungsbehälter einströmenden feuchten Druckluft und dem Wassergehalt der gesättigten Druckluft.
Entgegen der erfindungsgemäßen Bedarfssteuerung der Umschaltung von der Trocknungsphase in die Regenerationsphase unter Verwendung der vorstehend angegebenen physikalischen Parameter kann die zeitliche Dauer sowie der Volumenstrom an trockener Druckluft für die Regenerationsphase fest vorgegeben werden und anhand Erfahrungswerten festgelegt werden. Es ist jedoch auch möglich eine ähnliche Bedarfssteuerung für die Regenerationsphase auf Basis der Ermittlung des Wassergehaltes von aus dem Trocknungsbehälter ausströmender Druckluft der Regenerationsphase durchzuführen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung des Teils eines Druckluftsystems mit Kompressor und Absorptionslufttrockner, und
2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäß bedarfsgerechten Steuerung der Umschaltung von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase.
Gemäß 1 fördert ein Kompressor 1 Druckluft über ein Umschaltventil 2 wechselweise an einen von zwei Trocknungsbehältern 3a und 3b, welche Bestandteil eines Adsorptionslufttrockners 4 sind. Das Umschaltventil 2 stellt zunächst eine Verbindung zwischen dem Kompressor 1 und der Trocknungskammer 3a her, während die andere Trocknungskammer 3b nicht mit dem Kompressor 1 in Verbindung steht, sondern über das Umschaltventil 2 zur Entlüftung mit der Atmosphäre verbunden ist.
Ausgangsseitig der Trocknungsbehälter 3a und 3b stellt eine Ventilanordnung 5 eine Verbindung zu einem Vorratsdruckbehälter 6 her und dient der Umleitung eines Teils der getrockneten Druckluft durch den anderen Trocknungsbehälter 3b zur Regeneration her.
Das Umschaltventil 2 ist als elektromechanisches Ventil ausgebildet und die Ventilanordnung 5 umfasst neben einem elektromechanischen Ventil auch Drosselmittel, Rückschlagventile und dergleichen, um die vorstehend angegebene Funktion zu erfüllen. Zur Ansteuerung des Umschaltventils 2 sowie der Ventilanordnung 5 ist eine elektronische Steuereinheit 7 vorgesehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der das Trockenmittel enthaltene Trocknungsbehälter 3a in der Trocknungsphase in welcher das Trockenmittel das in der vom Kompressor 1 erzeugten feuchten Druckluft enthaltene Wasser aufnimmt. Der andere Trocknungsbehälter 3b befindet sich in der Regenerationsphase, bei welcher ein von der Ventilanordnung 5 abgezweigter trockener Druckluftteilstrom das im Trocknungsbehälter 3b enthaltene feuchte Trockenmittel durch Trocknen wieder regeneriert.
Die elektronische Steuereinheit 7 bestimmt den Umschaltzeitpunkt von Trocknungsphase zu Regenerationsphase der beiden wechselseitig betriebenen Trocknungsbehälter 3a und 3b bedarfsgerecht auf Grundlage gemessener und berechneter physikalischer Größen. Hierzu zählt auch die Temperatur der in die Trocknungsbehälter 3a und 3b einströmenden feuchten Druckluft, welche durch hieran eingangsseitig angeordnete Temperatursensoren 8a bzw. 8b ermittelt und an die Steuereinheit 7 weitergeleitet werden.
Nach 2 führt die elektronische Steuereinheit die dynamische Bestimmung des Umschaltzeitpunktes von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase durch, indem zunächst die Drehzahl n_K des Kompressors 1 gemessen wird, woraufhin anhand der in einem hinterlegten Kompressorkennfeld 8 zuordenbaren Förderleistung des Kompressors 1 der Volumenstrom V_L des Kompressors 1 ermittelt wird.
Nach Messung der Temperatur T_L der vom Kompressor 1 erzeugten feuchten, gesättigten Druckluft wird anhand einer Temperatur-Wassergehalt-Kennlinie 9 der Wassergehalt W in Form der Konzentration von Wasser pro Volumeneinheit Druckluft ermittelt. Aus dem zuvor ermittelten Volumenstrom V_L und dem Wassergehalt W_L lässt sich durch die formelmäßigen physikalischen Zusammenhänge die Masse des Wassers im Trockenmittel als Wassereintrag m_L berechnen. Erreicht der Wassereintrag m_L einen vorbestimmten Maximalwert, so erfolgt ein Start der Regeneration durch Umschalten des sich aktuell in der Trocknungsphase befindlichen Trocknungsbehälters 3a (oder 3b) in die Regenerationsphase. Anderenfalls wird die Trocknungsphase solange weitergeführt, bis der definierte Wassereintrag erreicht ist.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es ist auch denkbar, dass die nachfolgend beanspruchte Lösung auch Abwandlungen hiervon mit umfasst. So ist es beispielsweise auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration des Trockenmittels eines Absorptionslufttrockners bei einem Einkammertrockner oder dergleichen anzuwenden.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
2: Umschaltventil
3: Trocknungsbehälter
4: Absorptionslufttrockner
5: Ventilanordnung
6: Vorratsluftbehälter
7: Steuereinheit
8: Kompressorkennfeld
9: Temperatur-Wassergehalt-Kennlinie
n_K: Drehzahl des Kompressors
V_L: Volumenstrom von Kompressor
T_L: Temperatur der Druckluft (gesättigt)
m_L: Wassereintrag
W_L: Wassergehalt des Trockenmittels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3533893 A1 [0003]
DE 3514473 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Regeneration des Trockenmittels eines einem Kompressor (1) nachgeschalteten Adsorptionslufttrockners (4), welches in mindestens einem Trocknungsbehälter (3a, 3b) untergebracht von einem durch den Kompressor (1) erzeugten Druckluftstrom durchströmt wird, bei welchem in einer Trocknungsphase ein feuchter Druckluftstrom zum Trocknen der Druckluft durch zuvor getrocknetes Trockenmittel geleitet wird, und in einer anschließenden Regenerationsphase ein trockener Druckluftstrom das feuchte Trockenmittel durch Trocknen wieder regeneriert wird, wobei eine ventiltechnische Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit (7) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der elektronischen Steuereinheit (7) zur dynamischen Bestimmung des Umschaltzeitpunkts von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Ermittlung des Volumenstroms (V_L) der vom Kompressor (1) in den Trocknungsbehälter (3a; 3b) einströmenden feuchten Druckluft aus der Drehzahl (n_K) des Kompressors (1) sowie des die Förderleistung des Kompressors (1) angebenden Kompressorkennfelds (8), b) Ermittlung des Wassereintrags (m_L) in das Trockenmittel aus dem Luft-Volumenstrom (V_L) in den Trocknungsbehälter (3a; 3b) und der diesem zugeordneten Temperatur (T_L) unter der Annahme, dass gesättigte Luft vorliegt, c) Umschalten von der Trocknungsphase in die Regenerationsphase, wenn ein definierter Wassereintrag (m_L) in das Trockenmittel erreicht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_L) der Druckluft am Eingang des Trocknungsbehälters (3a; 3b) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassereintrag (m_L) der Masse an Wasser entspricht, die vom Trockenmittel aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Dauer und der Volumenstrom (V_L) an trockener Druckluft in der Regenerationsphase fest vorgegeben werden.
Einrichtung zur Regeneration des Trockenmittels eines einem Kompressor (1) nachgeschalteten Adsorptionslufttrockners (4), welches in mindestens einem Trocknungsbehälter (3a, 3b) untergebracht ist, den ein durch den Kompressor (1) erzeugter Druckluftstrom derart durchströmt, dass in einer Trocknungsphase das Trockenmittel einen feuchten Druckluftstrom trocknet und in einer anschließenden Regenerationsphase ein trockener Druckluftstrom das feuchte Trockenmittel durch Trocknen wieder regeneriert, wobei eine elektronische Steuereinheit (7) zur ventiltechnischen Umschaltung zwischen Trocknungsphase und Regenerationsphase vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (7) zur dynamischen Bestimmung des Umschaltzeitpunkts von der Trocknungsphase zur Regenerationsphase den Volumenstroms (V_L) der vom Kompressor (1) in den Trocknungsbehälter () einströmenden feuchten Druckluft aus der Drehzahl (n_K) des Kompressors (1) sowie des die Förderleistung des Kompressors (1) angebenden Kompressorkennfelds (8) ermittelt, und dass die Steuereinheit (7) den Wassereintrags (m_L) in das Trockenmittel aus dem Luft-Volumenstrom (V_L) in den Trocknungsbehälter (3a; 3b) und der diesem zugeordneten Temperatur (T_L) unter der Annahme, dass gesättigte Luft vorliegt, ermittelt, um bei Erreichen eines definierten Wassereintrags (m_L) in das Trockenmittel von der Trocknungsphase in die Regenerationsphase umzuschalten.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Bereich des Trocknungsbehälters (3a; 3b) angeordneter Temperatursensor (8a; 8b) die Temperatur hierin einströmender feuchter Druckluft misst.