DE102015116331A1

DE102015116331A1 - Kühlluftnutzung im warmregenerierten Gebläseluft-Druckluftadsorptionstrockner

Info

Publication number: DE102015116331A1
Application number: DE102015116331.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Müther
Original assignee: Beko Technologies GmbH
Current assignee: Beko Technologies GmbH
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2017055206A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Adsorptionstrockner (20) mit mindestens einem ersten mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsmittelbehälter (22), einem Gebläse (24), einem Erhitzer (26), Leitungen (28) und Regelventilen (30), wobei der Adsorptionsbehälter (22) im Wechsel von Adsorption auf Regeneration umschaltbar ist und während der Regenerationsphase in einer Desorptionsphase vom Erhitzer (26) erwärmte Frischluft und in einer anschließenden Kühlphase kühle Frischluft vom Gebläse (24) in den Adsorptionsbehälter (22) geleitet wird. Es ist ein Wärmetauscher (32) vorgesehen, der mit einem Speicherbehälter (34) für ein Speichermedium verbunden ist, wobei dem Wärmetauscher (32) während der Kühlphase aus dem Adsorptionsbehälter ausströmende erwärmte Luft zugeleitet wird, deren enthaltene Wärme auf das Speichermedium übertragen wird und während der Desorptionsphase zu erwärmende Frischluft zunächst dem Wärmetauscher (32) und dann dem Erhitzer (26) zugeleitet wird, wobei die im Speichermedium gespeicherte Wärme die Frischluft erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Adsorptionstrockner mit mindestens einem ersten mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsmittelbehälter, einem Gebläse, einem Erhitzer, Leitungen und Regelventilen, wobei der Adsorptionsbehälter im Wechsel von Adsorption auf Regeneration umschaltbar ist und während der Regenerationsphase in einer Desorptionsphase vom Erhitzer erwärmte Frischluft und in einer anschließenden Kühlphase kühle Frischluft vom Gebläse in den Adsorptionsbehälter geleitet wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung während der Regenerationsphase eines mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsbehälter.
Adsorptionstrockner bzw. Adsorptionslagen dieser Art sind seit langem bekannt. Üblicherweise werden zwei parallel geschaltete, mit Adsorptionsmittel gefüllte Adsorptionsbehälter im Wechsel im Adsorptions- bzw. im Regenerationsbetrieb betrieben. Im Adsorptionsbetrieb nimmt das Adsorptionsmittel Feuchtigkeit aus der zu trocknenden Druckluft auf, wodurch diese getrocknet wird. Durch die zunehmende Aufnahme von Flüssigkeit erreicht das Adsorptionsmittel einen Zustand, in dem es gesättigt ist und keine weitere Flüssigkeit mehr aufnehmen kann. In der nachfolgenden Regenerationsphase wird das mit Feuchtigkeit beladende Adsorptionsmittel deshalb in einer Desorptionsphase durch Zuführung heißer Luft wieder getrocknet.
Während der Desorptionsphase wird Frischluft, vorzugsweise Umgebungsluft, durch ein Gebläse angesaugt und mithilfe eines Erhitzers erhitzt, bevor es in den Adsorptionsbehälter geleitet wird. In der Regel werden als Erhitzer Elektroheizkörper eingesetzt, je nach Anlagengröße mit Heizleistungen von etwa 9 bis 160 kW.
Vor einer erneuten Adsorptionsphase wird das Adsorptionsmittel anschließend durch Zuführung kalter Frischluft, vorzugsweise angesaugte Umgebungsluft, gekühlt. Dabei erwärmt sich die Kühlluft und wird anschließend in die Atmosphäre abgeleitet.
Das Grundprinzip eines solchen Adsorptionstrockners ist beispielsweise in der DE 3915673 C2 beschrieben.
In der DE 19720104 A1 ist ein Adsorptionstrockner mit Wärmerückgewinnung beschrieben, bei dem von der Druckseite des Gebläses ein Bypass zum Erhitzer führt, in dem ein über den Bypass abgezweigter Teilstrom des erwärmten gasförmigen Mediums mit dem im Erhitzer zu erwärmenden frischen gasförmigen Medium vermischt wird. Somit wird die Temperatur des dem Erhitzer zugeführten gasförmigen Mediums erhöht, wodurch die vom Erhitzer aufzubringende Leistung reduziert werden kann. Nachteilig ist allerdings, dass die Wärmerückgewinnung nur während der Desorption erfolgt, und dies auch erst dann, wenn bereits ein erster Zyklus gestartet ist, also erwärmte Druckluft rückgeführt werden kann. Hinzu kommt, dass der rückgeführte Teilstrom mit Feuchtigkeit aus dem Adsorptionsbehälter aufgeladen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Adsorptionstrockner zu schaffen, der eine möglichst günstige Wärmebilanz aufweist. Insbesondere sollen die Wärmeverluste gering gehalten werden. Der Aufbau soll dabei möglichst kostengünstig und wartungsarm sein. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung während der Regenerationsphase eines mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsbehälters vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Adsorptionstrockner gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der mit einem Speicherbehälter für ein Speichermedium verbunden ist, wobei dem Wärmetauscher während der Kühlphase aus dem Adsorptionsbehälter ausströmende erwärmte Luft zugeleitet wird, deren enthaltene Wärme auf das Speichermedium übertragen wird und während der Desorptionsphase zu erwärmende Frischluft zunächst dem Wärmetauscher und dann dem Erhitzer zugeleitet wird, wobei die im Speichermedium gespeicherte Wärme die Frischluft erwärmt.
Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung während der Regenerationsphase eines mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsbehälters eines Adsorptionstrockners vor, das gekennzeichnet ist durch die Verfahrensschritte:

– während einer Kühlphase
– Kühlen des Adsorptionsmittels mit kühler Frischluft, wobei erwärmte Frischluft aus dem Adsorptionsbehälter ausströmt,
– Übertragen der Wärme der erwärmten Frischluft mithilfe eines Wärmetauschers auf ein Speichermedium,
– während einer Desorptionsphase,
– Übertragen der Wärme des Speichermediums über den Wärmetauscher auf die zu erwärmende Frischluft,
– anschließendes weiteres Erwärmen der vorgewärmten Frischluft mithilfe eines Erhitzers auf die benötigte Prozesstemperatur.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die während der Kühlphase üblicherweise abgeführte heiße Luft über einen Wärmetauscher zu leiten und die enthaltene Wärmeenergie möglichst weitgehend auf ein Speichermedium zu übertragen. Das Speichermedium, vorzugsweise Wasser, kann dabei im Kreislauf aus einem Speicherbehälter zum Wärmetauscher und zurück gefördert werden.
Wasser hat sich als Speichermedium deshalb als besonders vorteilhaft erwiesen, da dieses eine hohe Wärmekapazität aufweist und darüber hinaus unter Umweltaspekten absolut unbedenklich ist. Das System kann drucklos ausgeführt sein und ist ausgesprochen wartungsarm. Uneinig davon ist aber auch die Verwendung von Latentwärmespeicher möglich.
In der nächstfolgenden Desorptionsphase kann die gespeicherte Wärme aus dem Speichermedium zur Erwärmung der üblicherweise aus der Umgebung angesaugten Frischluft genutzt werden. Die Frischluft kann mit Hilfe des Wärmetauschers auf bis zu 80°C vorgewärmt werden, wodurch die zur weiteren Erwärmung auf Desorptionstemperatur benötigte Energie bzw. der Energiebedarf des Erhitzers reduziert wird.
Die Erfindung eignet sich sowohl für Adsorptionstrockner mit nur einem Adsorptionsbehälter, der im Wechsel von Adsorption auf Regeneration umschaltbar ist, sie eignet sich insbesondere aber auch für zwei oder mehr Adsorptionsbehälter oder mehr, die im Wechsel betrieben werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zusätzliche Wärmeenergie einer zweiten Wärmequelle genutzt werden, deren Wärme ebenfalls zur Vorerwärmung der Frischluft dient. Dabei kann die angesaugte Frischluft über einen zweiten Wärmetauscher unmittelbar auf die Frischluft übertragen werden. Alternativ wird die Wärme der zweiten Wärmequelle zunächst ebenfalls auf das Speichermedium übertragen, welches wiederum die Frischluft erwärmt. Das Speichermedium wird somit aus zwei Wärmequellen erwärmt, was insbesondere bei einer zyklischen Erwärmung vorteilhaft ist, da sich die Abkühlungsphasen des Speichermediums zwischen den jeweiligen Erwärmungsphasen verkürzen oder sogar aufgehoben werden können.
Es ist nicht zwingend notwendig, einen Speicherbehälter mit zusätzlichem Volumen bereitzustellen. Dies stellt lediglich eine optionale Möglichkeit dar, um das Volumen des in den Rohrleitungen vorhandenen Speichermediums zu erhöhen. Das Volumen des vorzuhaltenden Speichermediums ist insbesondere von der Leistung des Adsorptionstrockners abhängig.
Als zweite Wärmequelle bietet sich insbesondere die Nutzung der Wärme aus einer Kompressorkühlung, die zum Beispiel bei ölgeschmierten/öleinspritzgekühlten Kompressoren (Schraubenkompressoren) über einen Ölkreislauf läuft. Über eine einfache Pumpe kann eine bereits vorhandene Wärmerückgewinnung an das Speichermedium angeschlossen und die Wärmemenge gespeichert werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Wärmerückgewinnung nachrüstbar ist. Bereits installierte Adsorptionstrockner können relativ einfach mit den entsprechenden Wärmetauschern, dem Speicherbehälter und ggf. der Pumpe ausgerüstet werden.
Neben der Wärmerückgewinnung aus der Kühlphase ist es auch möglich, Wärme aus der Desorptionsphase rückzugewinnen. Dabei kann der für die Wärmerückgewinnung aus der Kühlphase vorhandene Wärmetauscher genutzt werden, denkbar ist aber auch die Verwendung eines weiteren Wärmetauschers.
Grundsätzlich eignet sich die Erfindung für Adsorptionstrockner mit verschiedenden Gebläsearten. Beispielsweise eignen sich Adsorptionstrockner mit Radialventilatoren, alternativ können aber auch Adsorptionstrockner mit Drehgebläsen, wie Seitenkanalverdichtern eingesetzt werden. Letztere arbeiten während der Kühlphase im Vakuum.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese sind lediglich als Ausführungsbeispiele zu verstehen und sollen die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken. Es zeigen:
1: Schaltbild eines erfindungsgemäßen Adsorptionstrockners mit Radialventilator in der Kühlphase,
2: Schaltbild des Adsorptionstrockners aus 1 in der Desorptionsphase,
3: Schaltbild eines erfindungsgemäßen mit Seitenkanalverdichter in der Kühlphase,
4: Schaltbild des Adsorptionstrockners aus 3 in der Desorptionsphase.
In den 1 bis 4 sind die gleichen Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Es wird zunächst jeweils die Kühlphase für die beiden verschiedenen Ausführungsvarianten gezeigt, obwohl diese im Anschluss an die diese Desorptionsphase erfolgt. Da die Wärmerückgewinnung aber in der Kühlphase erfolgt und die Wärme in der nächstfolgenden Desorptionsphase genutzt wird, erscheint diese Reihenfolge verständlicher.
Gezeigt ist jeweils ein Adsorptionstrockner 20 mit einem ersten Adsorptionsbehälter 22 und einem zweiten Adsorptionsbehälter 23. Die beiden Adsorptionsbehälter 22, 23 werden im Wechsel betrieben. Die Zirkulation der benötigten Luftströme während der Kühl- und der Desorptionsphase wird jeweils über ein Gebläse 24 bewirkt, wobei in den 1 und 2 die Verwendung eines Radialventilators und in den 3 und 4 die Verwendung eines Seitenkanalverdichters gezeigt ist. Zur Erreichung der notwendigen Prozesstemperatur während der Desorptionsphase wird ein Erhitzer 26, vorzugsweise ein Elektroheizgerät, verwendet. Über Leitungen 28 und Regelventile 30 werden Strömungsrichtungen und Strömungsmengen geregelt. Die Strömungsrichtungen in den verschiedenen Phasen sind jeweils durch Pfeilsymbole verdeutlicht.
Die 1 und 3 verdeutlichen den Ablauf der Kühlphase. Dabei wird die nach der vorangegangenen Desorptionsphase im Adsorptionsmittel gespeicherte Wärme mithilfe relativ kühler Frischluft abgeführt. Die Kühlung erfolgt im Gleichstrom zur Adsorptionsrichtung von unten nach oben. Durch diese Verfahrensführung wird eine Vorbeladung des Adsorptionsmittels durch Umgebungsfeuchte im Austrittsbereich des Adsorptionsbehälters 22, 23 verhindert, welcher maßgeblich die Trocknungsqualität beeinflusst. Im Anschluss an die Kühlphase erfolgt ein langsamer Druckaufbau im regenerierten Adsorptionsbehälter 22, 23.
In den 1 und 3 ist eine Verfahrenssituation gezeigt, bei der der zweite Adsorptionsbehälter 23 gekühlt wird, während im ersten Adsorptionsbehälter 22 die Trocknung der Druckluft stattfindet.
Vor Regenerationsbeginn findet üblicherweise eine sanfte Druckentlastung des jeweiligen Absorptionsbehälters 22, 23 auf Atmosphärendruck statt.
Aus der Umgebungsluft wird anschließend relativ kühle Frischluft angesaugt und durch den zweiten Adsorptionsbehälter 23 geleitet. Durch das Gebläse 24 entsteht ein Temperaturzugewinn, der sich bereits positiv auf den Leistungsbedarf des nachfolgenden Erhitzers 26 auswirkt (2 und 4). Bei der Verwendung eines Radialventilators (1) befindet sich dieser in Strömungsrichtung vor dem zweiten Adsorptionsbehälter 23, bei Verwendung eines Seitenkanalverdichters (3) ist dieser in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Adsorptionsbehälter 23 angeordnet.
Die während der Kühlphase erwärmte Frischluft wird im Folgenden erfindungsgemäß über den ersten Wärmetauscher 32 geführt. Dieser ist über Leitungen 28 mit einem Speicherbehälter 34 verbunden, in dem sich ein Speichermedium befindet. Die Wärme der erwärmten Frischluft wird über den ersten Wärmetauscher 32 auf das Speichermedium übertragen und die Frischluft anschließend in die Atmosphäre abgeleitet.
Die 2 und 4 verdeutlichen die nächstfolgende Desorptionsphase. Bei der Desorption verdampft die im Adsorptionsmittel aufgenommene Feuchtigkeit. Dabei erfolgt die Desorption energetisch optimiert im Gegenstromverfahren.
Erkennbar ist, dass zu erwärmende Frischluft ebenfalls aus der Umgebung angesaugt und über den ersten Wärmetauscher 32 geleitet wird. Die angesaugte Frischluft wird mithilfe der im Speichermedium gespeicherten Wärme aus der vorangegangenen Kühlphase vorgewärmt, bevor sie den Erhitzer 26 erreicht. Im Erhitzer 26 wird die vorgewärmte Frischluft weiter erwärmt, bis sie die notwenige Prozesstemperatur erreicht. Die erhitzte Frischluft wird dann dem zweiten Adsorptionsbehälter 23 zugeführt, trocknet das darin befindliche Absorptionsmittel und wird anschließend in die Atmosphäre abgeleitet.
Das Speichermedium wird im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Pumpe 36 vom Speicherbehälter 34 zum ersten Wärmetauscher 32 und zurück gepumpt.
Die Figuren zeigen weiterhin eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung. Erkennbar ist eine zweite Wärmequelle 38, deren Wärme ebenfalls an das Speichermedium übertragen wird. Hierzu wird vorzugsweise ein weiterer, hier nicht gezeigter Wärmetauscher verwendet. Als zweite Wärmequelle 38 kommt insbesondere eine Kompressorkühlung in Frage, die beispielsweise bei ölgeschmierten/öleinspritzgekühlten Schraubenkompressoren über einen Ölkreislauf läuft. Über die Pumpe 36 kann diese Wärmerückgewinnung an das Speichermedium angeschlossen und die Wärmemenge im Speichermedium gespeichert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind auch weitere Anlagentechnologien denkbar, bei denen eine Wärmerückgewinnung aus der Kühlphase mithilfe eines Wärmetauschers sinnvoll ist.
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 3915673 C2 [0006]
DE 19720104 A1 [0007]

Claims

Adsorptionstrockner (20) mit mindestens einem ersten mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsmittelbehälter (22), einem Gebläse (24), einem Erhitzer (26), Leitungen (28) und Regelventilen (30), wobei der Adsorptionsbehälter (22) im Wechsel von Adsorption auf Regeneration umschaltbar ist und während der Regenerationsphase in einer Desorptionsphase vom Erhitzer (26) erwärmte Frischluft und in einer anschließenden Kühlphase kühle Frischluft vom Gebläse (24) in den Adsorptionsbehälter (22) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (32) vorgesehen ist, der mit einem Speicherbehälter (34) für ein Speichermedium verbunden ist, wobei dem Wärmetauscher (32) während der Kühlphase aus dem Adsorptionsbehälter ausströmende erwärmte Luft zugeleitet wird, deren enthaltene Wärme auf das Speichermedium übertragen wird und während der Desorptionsphase zu erwärmende Frischluft zunächst dem Wärmetauscher (32) und dann dem Erhitzer (26) zugeleitet wird, wobei die im Speichermedium gespeicherte Wärme die Frischluft erwärmt.
Adsorptionstrockner (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (36) vorgesehen ist, die das Speichermedium im Kreislauf vom Speicherbehälter (34) zum Wärmetauscher (32) und zurück fördert.
Adsorptionstrockner (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium Wasser ist.
Adsorptionstrockner (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Adsorptionsbehälter (23) vorgesehen ist, wobei die Adsorptionsbehälter (22, 23) im Wechsel betreibbar sind.
Adsorptionstrockner (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, über den Wärme einer zweiten Wärmequelle (38) auf die zu erwärmende Frischluft übertragen wird.
Adsorptionstrockner (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher derart angeordnet ist, dass die Wärme der zweiten Wärmequelle (38) auf das Speichermedium übertragen wird.
Adsorptionstrockner (20) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Wärmequelle (38) eine Kompressorkühlung eines Kompressors genutzt wird.
Verfahren zur Wärmerückgewinnung während einer Regenerationsphase eines mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionsbehälters (22) eines Adsorptionstrockners (20), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – während einer Kühlphase – Kühlen des Adsorptionsmittels mit kühler Frischluft, die sich im Adsorptionsbehälter erwärmt, – Übertragen der Wärme der erwärmten Frischluft mithilfe eines ersten Wärmetauschers (32) auf ein Speichermedium, – während einer Desorptionsphase, – Übertragen der Wärme des Speichermediums über den ersten Wärmetauscher (32) auf die zu erwärmende Frischluft, – anschließendes weiteres Erwärmen der vorgewärmten Frischluft mithilfe eines Erhitzers (26) auf die benötigte Prozesstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Desorption angesaugte Frischluft zusätzlich aus einer zweiten Wärmequelle (38) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium zusätzlich aus einer zweiten Wärmequelle (38) erwärmt wird.