DE102017004666A1

DE102017004666A1 - Druckluftsystem und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102017004666A1
Application number: DE102017004666.2A
Authority: DE
Inventors: Stephan Niemeyer
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: DE102017004666B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckluftsystem (10) zum Bereitstellen von Druckluft (14), insbesondere für Nutzfahrzeuge, umfassend:
- einen Kompressor (12) zum Erzeugen der Druckluft (14);
- einen Lufttrockner (26) mit einem regenerierbaren Trockenmittel (28) zum Trocknen der Druckluft (14),
- zumindest einen Druckluftspeicher (30,40) für die getrocknete Druckluft (14), aus dem dem Lufttrockner (26) trockene Regenerationsluft (42) zum Regenerieren des Trockenmittels (28) zuführbar ist; und
- einen Wärmeübertrager (18) mit einem Wärmespeichermedium (20), der dem Lufttrockner (26) bezüglich des Kompressors (12) und des Druckluftspeichers (30,40) fluidisch vorgeschaltet angeordnet ist, um der Druckluft (14) Wärme zu entziehen und die Wärme zumindest teilweise auf die Regenerationsluft (42) zu übertragen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb des Druckluftsystems.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Druckluftsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen.
Stand der Technik
Druckluftsysteme zum Bereitstellen von Druckluft weisen in der Technik einen breiten Anwendungsbereich auf und werden beispielsweise bei Bremssystemen von Nutzfahrzeugen oder auch für den Antrieb von Druckluftwerkzeugen und dergleichen eingesetzt. Die Druckluftsysteme weisen einen Kompressor zum Erzeugen der Druckluft auf. Ein Luftfeuchter mit einem regenerierbaren Trockenmittel dient dazu, die vom Kompressor geförderte Druckluft zu entfeuchten bzw. zu trocknen. Die Druckluftsysteme weisen in der Regel einen Regenerationsluftbehälter für Regenerationsluft auf, die intervallweise durch den Lufttrockner geführt wird. Die Regenerationsluft wird dort entspannt und durch das feuchte Trockenmittel geleitet, um dieses zu regenerieren, d. h. zu trocknen. Genutzt wird hier der Feuchtegradient zwischen trockener Regenerationsluft und dem mit Feuchte beladenen Trockenmittel. Dieser Regenerationsprozess kann zum Beispiel dann erfolgen, wenn in dem Druckluftspeicher ein vorgegebener Druckwert, der sogenannte Abschaltdruck, erreicht oder überschritten ist. Der Regenerationsluftbehälter wird häufig parallel zum Hauptvolumenstrom der Druckluft mit der im Lufttrockner getrockneten Druckluft befüllt, welche mithin als Regenerationsluft dient.
Die im Kompressor erzeugte Druckluft weist in der Regel eine Feuchte auf, die der Druckluft im Lufttrockner entzogen werden muss. Dadurch ist entweder ab einem bestimmten Beladungsgrad des Trockenmittels keine ausreichende Entfeuchtung mehr möglich oder es muss eine hinreichend große Menge an Trockenmittel im Lufttrockner vorgehalten werden. Die Intervalle zwischen zwei Regenerationen lassen sich hierbei jedoch nicht frei wählen, da eine Regeneration in der Regel erst eingeleitet wird, wenn in dem Druckluftspeicher ein ausreichender Druck herrscht bzw. es sein kann, dass eine bereits eingeleitete Regeneration durch einen plötzlich einsetzenden Druckluftbedarf, abgebrochen werden muss. Auch kann die Regenerationsluft auf Grund ihrer vergleichsweise niedrigen Temperatur in der Regel nur relativ wenig Feuchtigkeit aus dem Trockenmittel aufnehmen, sodass mit einer Regeneration die im Trockenmittel enthaltene Feuchtigkeit nicht ausreichend ausgetrieben wird. Dies birgt bei einer Vielzahl technischer Anwendungen Nachteile. Es wäre daher wünschenswert, mit einem möglichst kleinen Volumen an Regenerationsluft eine möglichst vollständige Regeneration des Trockenmittels zu erreichen.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Druckluftsystem bereitzustellen, bei dem eine effizientere Entfeuchtung der Druckluft sowie eine effizientere Regeneration des im Lufttrockner bevorrateten Trockenmittels ermöglicht ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb des Druckluftsystems anzugeben.
Das erfindungsgemäße Druckluftsystem ist in Anspruch 1 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Druckluftsystems weist die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Druckluftsystem dient dem Bereitstellen entfeuchteter Druckluft und kann insbesondere bei Nutzfahrzeugen bzw. bei anderen mobilen Anwendungen, aber auch stationär, etwa bei Werkzeugmaschinen oder dergleichen, eingesetzt werden. Das Druckluftsystem umfasst die folgenden Komponenten:

- einen Kompressor zum Erzeugen von Druckluft;
- einen Lufttrockner mit einem regenerierbaren Trockenmittel zum Trocknen der Druckluft,
- wenigstens einen Druckluftspeicher für die getrocknete Druckluft, aus dem dem Lufttrockner (26) trockene Regenerationsluft (42) zum Regenerieren des Trockenmittels (28) zuführbar ist, und
- einen Wärmeübertrager mit einem Wärmespeichermedium, der dem Lufttrockner bezüglich des Kompressors und des Druckluftspeichers fluidisch vorgeschaltet angeordnet ist, um der Druckluft Wärme zu entziehen und die Wärme zumindest teilweise auf die Regenerationsluft zu übertragen.

Die Niveaus der Lufttemperatur zwischen gerade komprimierter Luft, d. h. der Druckluft nach dem Kompressor und vor dem Lufttrockner, und der im Regenerationsluftbehälter gespeicherten Regenerationsluft, die in der Regel beispielsweise durch Konvektion bzw. Fahrtwind abgekühlt ist, sind unterschiedlich. Die Temperatur der gerade komprimierten Druckluft ist selbst nach dem Durchgang durch einen Luftkühler höher als die der abgekühlten Regenerationsluft im Regenerationsluftbehälter. Bei dem erfindungsgemäßen Druckluftsystem kann dabei mittels des Wärmeübertragers der vom Kompressor erzeugten Druckluft Wärme entzogen werden. Darüber hinaus nimmt das Wärmespeichermedium die der Druckluft entzogene Wärme(energie) auf, speichert diese und gibt diese wieder an die Regenerationsluft ab. Durch diesen Wärmeaustausch werden zwei Effekte erreicht:

a) Durch die mittels des Wärmeentzugs erreichte Temperaturverringerung der Druckluft (nach dem Kompressor) wird bereits vor dem Eintritt in den Lufttrockner bzw. schon im Wärmeübertrager selbst ein Kondensieren und damit eine Abscheidung von in der Druckluft enthaltener Feuchtigkeit begünstigt, sodass durch den dem Wärmeübertrager nachgeschalteten Lufttrockner eine geringere Menge an Feuchtigkeit entzogen werden muss, was dazu beitragen kann, eine Zeitspanne zwischen zwei Regenerationen des Trockenmittels zu erhöhen, da die Druckluft dem Lufttrockner mit einem geringeren absoluten Feuchtegehalt zugeführt wird. Der Druckluft ist mithin im Lufttrockner weniger Wasserdampf zu entziehen, um diese zu trocknen. Ferner kann hierdurch auch die für das Trocknen der Druckluft erforderliche Menge bzw. das Volumen an Trockenmittel reduziert und der Lufttrockner somit kleiner gestaltet werden.
b) Beim Regenerieren des Trockenmittels durchströmt die dem Lufttrockner zuzuführende Regenerationsluft aus dem Regenerationsluftbehälter zunächst den Wärmetauscher, wobei zumindest ein Teil der im Wärmespeichermedium des Wärmeübertragers gespeicherten Wärmeenergie auf die Regenerationsluft übertragen wird. Die so aufgewärmte Regenerationsluft kann auf Grund der erhöhten Temperatur mehr Feuchtigkeit aus dem Trockenmittel in dem Trockenmittelbett aufnehmen. Insgesamt kann das Trockenmittel dadurch zügiger bzw. mit einem kleineren Regenerationsluftvolumen regeneriert (getrocknet) werden. Dadurch kann ggf. der Regenerationsluftbehälter mit einem kleineren Füllvolumen mithin insgesamt kompakter ausgeführt sein. Dies bietet insbesondere bei mobilen Anwendungen Vorteile.

Während der Regeneration des Trockenmittels wird somit das Wärmespeichermedium durch die durch den Wärmetauscher strömende Regenerationsluft abgekühlt und kann dadurch zeitlich versetzt die Druckluft abkühlen, während der Druckluftspeicher mit Druckluft befüllt wird. Grundsätzlich können die vorbeschriebenen Vorteile des Einsatzes des Wärmetauschers im Druckluftsystem mit nur einem Druckluftspeicher erreicht werden; aus diesem gemeinsamen Druckluftspeicher werden hierbei der/die Druckluftverbraucher gespeist und die Regenerationsluft entnommen. Der Druckluftspeicher ist allerdings hinsichtlich seines Volumens so zu dimensionieren, dass nicht die Gefahr besteht, dass durch eine eingeleitete Regeneration das Druckniveau unter ein vorbestimmtes kritisches Druckniveau sinkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Druckluftsystem einen weiteren Druckluftspeicher aufweisen, der als Regenerationsluftbehälter zum Bevorraten der trockenen Regenerationsluft, die dem Lufttrockner zum Regenerieren des Trockenmittels zuführbar ist, ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform hat das Druckluftsystem also zwei Druckluftbehälter, einen Druckluftspeicher für die Betriebsdruckluft und den Regenerationsluftbehälter. Dies hat den Vorteil, dass eine Regeneration des Trockenmittels vorgenommen werden kann, bis der Regenerationsluftbehälter quasi leer ist und nicht, wie bei einem System mit lediglich einem Druckluftspeicher, ein Mindestdruckniveau für einen plötzlich einsetzenden Druckluftbedarf aufrecht erhalten werden muss (z. B. für eine bestimmte Anzahl Notbremsungen). Zusammen mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wärmetauscher ergibt sich dadurch ein nochmals verbesserter Regenerationsprozess.
Das Wärmespeichermedium kann nach der Erfindung vorteilhaft zumindest ein Latentwärmespeichermedium, insbesondere auf Paraffinbasis, umfassen. Derartige Latentwärmespeichermedien funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Phasenübergang des Latentspeichermediums fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren -Schmelzen) genutzt. Als Latentspeichermedium können beispielsweise spezielle Salze oder Paraffine eingesetzt werden, die durch die Zuführung von Wärmeenergie geschmolzen werden und die dabei Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen können, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Ein Entladen des Speichermediums geht mit einem Erstarren des Speichermediums einher, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung bzw. an die Regenerationsluft abgibt. Eine Unterkühlung der Schmelze ist in der Regel jedoch unerwünscht. Daher können dem Wärmespeichermedium bevorzugt geeignete Keimbildner zugesetzt sein, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken.
Nach der Erfindung kann das Wärmespeichermedium auch ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, einen keramischen Stoff oder ein organisches Material mit einer geeigneten spezifischen Wärmespeicherkapazität umfassen. Auch kann das Wärmespeichermedium eine Kombination der vorgenannten Materialien umfassen. Die Wärmekapazität eines solchen Wärmespeichermediums ist durch die Masse desselben mitbestimmt. Der Wärmeübertrager weist dadurch eine Masse auf, die insbesondere bei mobilen Anwendungen zu berücksichtigen ist.
Nach der Erfindung kann der Lufttrockner oder der Druckluftspeicher ausgangsseitig mit dem Regenerationsluftbehälter fluidisch verbindbar sein, um dem Regenerationsluftbehälter getrocknete Druckluft als Regenerationsluft zuzuführen. Der Regenerationsluftbehälter kann dadurch mit der getrockneten Druckluft aufgeladen bzw. befüllt werden. Ein zusätzlicher Kompressor zum Erzeugen der Regenerationsluft erübrigt sich dadurch, sodass das Druckluftsystem mit einem einfachen konstruktiven Aufbau und mit einer geringen Baugröße realisiert werden kann.
Das Trockenmittel des Lufttrockners kann erfindungsgemäß in einer austauschbaren Trockenmittelkartusche angeordnet sein. Dadurch kann das Trockenmittel im Bedarfsfall vereinfacht ausgetauscht werden. Derlei Trockenmittelkartuschen sind am Markt kostengünstig und in unterschiedlichen Baugrößen und Bauformen vorkonfektioniert erhältlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des vorstehend erläuterten Druckluftsystems umfasst die folgenden Schritte:

- Erzeugen von Druckluft mittels des Kompressors;
- Durchführen der Druckluft durch den Wärmeübertrager, um in der Druckluft enthaltene Wärme auf das Wärmespeichermedium zu übertragen;
- Trocknen der Druckluft, indem diese durch den Lufttrockner mit dem Trockenmittel geführt wird;
- Speichern der getrockneten Druckluft in dem Druckluftbehälter; und
- Intervallweises Regenerieren des Trockenmittels des Lufttrockners (18), indem anstelle der zu trocknenden Druckluft Regenerationsluft aus dem Druckluftbehälter durch den Wärmeübertrager geführt wird, um diese zu erwärmen, und der Lufttrockner mit der erwärmten Regenerationsluft gespült wird.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeaustausch der „Rohdruckluft“ nach dem Kompressor und vor deren Eintritt in den Lufttrockner wird im günstigsten Fall deren Temperatur so weit abgesenkt, dass sich eine Kondensatbildung ergibt, sodass der absolute Wassergehalt bereits vor dem Eintritt in den Lufttrockner verringert ist.
Es kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner vorgesehen sein, die Regenerationsluft aus dem weiteren Druckluftspeicher, der als Regenerationsluftbehälter ausgebildet ist, zu entnehmen.
Das Trockenmittel kann nach der Erfindung vorzugsweise regeneriert werden, wenn ein Druck, insbesondere Überdruck, P₁, P₂ im Druckluftspeicher und/oder ein eingangsseitiger Druck des Lufttrockners gleich oder größer als ein vorgegebener Druckwert ist.
Als Regenerationsluft kann im Lufttrockner getrocknete Druckluft eingesetzt werden. Diese Druckluft kann dem Regenerationsluftbehälter unmittelbar vom Lufttrockner oder alternativ über den Druckluftspeicher zugeführt werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, aus den Patentansprüchen sowie anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. Die in der Zeichnung gezeigten Merkmale sind derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können.
In der Zeichnung zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Druckluftsystems zum Bereitstellen von Druckluft; und
2 ein Blockschaltbild mit einzelnen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben des Druckluftsystems gemäß 1 zur optimierten Entfeuchtung von Druckluft.

Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Druckluftsystem, das zur Bereitstellung von trockener oder im Wesentlichen trockener Druckluft dient, wie diese bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen als Arbeitsfluid eingesetzt wird. So kann es sich bei dem Druckluftsystem 10 beispielsweise um ein Druckluftsystem 10 eines Nutz- oder Schienenfahrzeugs handeln, das auch eine druckluftbetätigte Bremsanlage umfassen kann. Ferner kann es sich bei dem Druckluftsystem um ein stationäres Druckluftsystem handeln, das beispielsweise zum Antrieb von Werkzeugen oder anderen Maschinen und Geräten eingesetzt werden kann.
Das Druckluftsystem 10 weist einen Kompressor 12 zum Erzeugen von Druckluft 14 auf. Der Kompressor 12 kann zum Beispiel in Form eines Kolbenverdichters oder eines Schraubenverdichters ausgeführt sein. Der Kompressor 12 weist einen Lufteinlass 12a auf und ist ausgangsseitig über eine erste Fluidleitung 16 mit einem Wärmeübertrager 18 verbunden. Der Wärmeübertrager 18 ist dabei vom Kompressor vorzugsweise räumlich nur geringfügig beabstandet angeordnet, um einen unerwünschten Wärmeverlust gering zu halten. Der Wärmeübertrager 18 weist ein Wärmespeichermedium 20 auf, das der Zwischenspeicherung von in der Druckluft 14 enthaltener Wärme dient. Das Wärmespeichermedium 20 kann beispielswiese ein Material mit einer vorzugsweise großen spezifischen Wärmekapazität, wie beispielsweise Metall, etwa Kupfer oder Aluminium, umfassen. Selbst biologisches Material wie etwa Kirschkerne oder Traubenkerne, sind als Wärmespeichermedium 20 vorstellbar. Besonders vorteilhaft kann es sich bei dem Wärmespeichermedium 20 auch um ein sogenanntes Latentwärmespeichermedium handeln, bei dem die Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen des Wärmespeichermediums genutzt wird. So kann beispielsweise ein Phasenübergang fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen) des Wärmespeichermediums genutzt werden. Vorstellbar ist hier beispielsweise die Verwendung von Paraffin als Wärmespeichermedium 20. Der Wärmeübertrager 18 kann für die Druckluft 14 eine oder mehrere fluidisch parallel geschaltete Druckluftkanäle 22 aufweisen, die von dem Wärmespeichermedium 20 umgeben sind. Dadurch kann die Druckluft 14 ohne einen direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 20 durch den Wärmeübertrager 18 strömen. Sofern das Wärmespeichermedium 20 durch einen Feststoff oder ein Feststoffgemisch gebildet ist, ist auch eine unmittelbare An- bzw. Umströmung des Wärmespeichermediums 20 durch die Druckluft 14 vorstellbar.
Der Wärmeübertrager 18 ist ausgangsseitig über eine zweite Fluidleitung 24 mit einem Lufttrockner 26 verbunden, um die aus dem Wärmeübertrager 18 strömende Druckluft 14 zu trocknen. Im Lufttrockner 26 ist ein regenerierbares Trockenmittel 28 angeordnet, durch welches die Trocknung der durch den Lufttrockner 26 strömenden Druckluft 14 bewirkt ist. Das Trockenmittel 28 ist hier ein regenerierbares Wasser adsorbierendes Trockenmittel. Diesbezüglich können beispielsweise Zeolithe oder Silicagel eingesetzt werden. Das Trockenmittel 28 kann in einer in 1 mit gestrichelter Linie dargestellten Trockenmittelkartusche 29 angeordnet sein, die im Lufttrockner 26 austauschbar positioniert ist.
Dem Lufttrockner 26 ist ein Druckluftspeicher 30 zum Speichern der getrockneten Druckluft 14 fluidisch nachgeschaltet angeordnet. Eine dritte Fluidleitung 32 mit einem Ventil 34 dient der fluidischen Verbindung des Lufttrockners 26 mit dem Druckluftspeicher 30. Der Druckluftspeicher 30 weist einen Druckluftauslass 36 mit einem Entnahmeventil 38 auf, um die getrocknete Druckluft 14 aus dem Druckluftspeicher 30 entnehmen zu können.
Das Adsorptionsvermögen des im Lufttrockner 26 bevorrateten Trockenmittels 28 erschöpft sich zwangsläufig während eines Betriebseinsatzes des Lufttrockners 26. Das Druckluftsystem 10 verfügt deshalb zusätzlich über einen an sich bekannten Regenerationsluftspeicher 40, in dem trockene Regenerationsluft 42 für das Regenerieren bzw. Trocknen des Trockenmittels 28 bevorratbar ist. Der Regenerationsluftspeicher 40 ist eingangsseitig über eine vierte Fluidleitung 44 mit aus dem Lufttrockner 26 strömender getrockneter Druckluft 14 befüllbar, die hier als Regenerationsluft 40 dient. Die vierte Fluidleitung 44 ist mit einem Füllventil 46 versehen. Es versteht sich, dass das Ventil 34 und das Füllventil 46 auch durch ein Mehrwegeventil gebildet sein können, durch das die aus dem Lufttrockner 26 herausgeführte Druckluft 14 wahlweise dem Druckluftspeicher 30 oder dem Regenerationsluftbehälter 40 zugeführt werden kann. Darüber hinaus kann der Regenerationsluftbehälter 40 auch unmittelbar am Druckluftspeicher 30 angeschlossen sein. Der Regenerationsluftbehälter 40 kann nach einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel zudem integraler Bestandteil des Druckluftspeichers 30 sein, um die Montage des Druckluftsystems zu vereinfachen.
Der Regenerationsluftbehälter 38 ist ausgangsseitig über eine mit einem Auslassventil 48 versehene fünfte Fluidleitung 50 mit dem Wärmeübertrager 18 fluidisch verbindbar. Zum Durchführen der Regenerationsluft 42 durch den Wärmeübertrager 18 dient ein Regenerationsluftkanal 52. Der Regenerationsluftkanal 52 kann zu dem Druckluftkanal 22 separat ausgebildet sein, wie die in 1 veranschaulicht ist. Der Regenerationsluftkanal 52 kann gemäß 1 in einer zum Druckluftkanal 22 entsprechenden Weise vom Wärmespeichermedium 20 zumindest teilweise umgriffen sein, um die Übertragung von Wärme vom Wärmespeichermedium 22 auf die Regenerationsluft 42 zu begünstigen. Nach einer speziellen Bauart des Wärmeübertragers 18 kann auch der Druckluftkanal 22 des Wärmeübertragers als Regenerationsluftkanal 52 dienen.
Der Regenerationsluftkanal 52 bzw. der Wärmeübertrager 18 ist über eine sechste Fluidleitung 54 mit dem Lufttrockner 26 verbunden. Der Lufttrockner 26 weist einen Spülauslass 56 auf, über den die beim Regenerieren (Trocknen) des Trockenmittels 28 eingesetzte Regenerationsluft 42 aus dem Lufttrockner 28 nach außen, beispielsweise in die Umwelt, abgeführt werden kann. Der Spülauslass 56 ist vorzugsweise mit einem nicht näher gezeigten Ventil versehen. Der Lufttrockner 26 ist von der Regenerationsluft 42 während des Regenerierens des Trockenmittels 28 vorzugsweise retrograd, d. h. in einer der Hauptströmungsrichtung der zu trocknenden Druckluft 14 entgegengesetzten Strömungsrichtung, durchströmbar. Vorstellbar ist aber auch eine anterograde Durchströmung des Lufttrockners 26 durch die Regenerationsluft 42.
Die beiden Ventile 34, 46 können jeweils als (druckgesteuerte) mediumbetätigte Ventile ausgeführt sein. Ist ein Druck P₁, P₂ im Druckmittelspeicher 30 bzw. im Regenerationsluftbehälter 40 gleich oder größer als ein jeweils vorgegebener Druckwert P_max, so befinden sich die Ventile 34, 46 in ihrer Sperr- bzw. Schließstellung. Ist der Druck P₁, P₂ im Druckmittelspeicher 30 bzw. im Regenerationsluftspeicher 40 kleiner als der jeweilig vorgegebene Druckwert P_max, so befinden sich die Ventile 34, 46 in ihrer Durchlass- bzw. Öffnungsstellung. Diese Ventile dienen dazu, den Druck im Druckluftspeicher 30 auch während der Regeneration aufrecht zu erhalten.
Das dem Regenerationsluftbehälter 40 zugeordnete Ventil 48 ist vorzugsweise in Abhängigkeit von einem im Druckmittelspeicher herrschenden Druck P₁ betätigbar. Zum Erfassen des Drucks P₁ im Druckmittelspeicher 30 kann ein Drucksensor 58 dienen. Ist der Druck P₁ im Druckmittelspeicher 30 gleich oder größer als der vorgegebene Druckwert P_max, so wird das Auslassventil 48 des Regenerationsluftbehälters 38 aus seiner Schließstellung in seine Öffnungsstellung überführt, um die Regenerationsluft 40 über den Wärmetauscher 18 dem Lufttrockner 26 zuzuführen. Dies kann im einfachsten Fall pneumatisch erfolgen.
Bei dem Ventil 48 kann es sich aber auch um ein einfaches passiv betätigtes Druckventil (etwa durch Federkraft) handeln, das den Regenerationsluftpfad 42 immer dann freigibt, wenn im Regenerationsluftbehälter 40 ein hinreichend großer Druck vorliegt.
In einer Ausführungsform, bei der kein separater Regenerationsluftbehälter vorhanden ist, sondern auch die Regenerationsluft aus dem Druckluftspeicher 30 bezogen wird (nicht figurativ gezeigt), ist dieser Grenzdruck so zu wählen, dass durch die Regeneration keine sicherheitsrelevanten Funktionen beeinträchtigt werden, so kann dieser beispielsweise so gewählt werden, dass mit einer druckluftbetätigten Bremsanlage noch eine bestimmte Anzahl von Notbremsungen ausführbar ist.
Es versteht sich, dass das Druckluftsystem 10 auch eine elektronische Steuerungseinrichtung aufweisen kann, mittels derer zumindest ein Teil oder alle Ventile 34, 46, 48 des Druckluftsystems 10 bzw. der Kompressor 12 ansteuerbar sind.
Nachfolgend wird ein Verfahren 100 zum Betrieb des vorstehend beschriebenen Druckluftsystems 100 unter zusätzlicher Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
Im Kompressor 12 wird in einem ersten Schritt 102 Druckluft 14 erzeugt. Die Druckluft 14 wird in einem weiteren Schritt 104 durch den Wärmeübertrager 12 geführt, um in der Druckluft 14 enthaltene Wärme auf das Wärmespeichermedium 20 zu übertragen. Die Druckluft 14 wird dadurch abgekühlt, so dass ein Teil der in der Druckluft 14 enthaltenen Feuchtigkeit kondensieren kann. In einem weiteren Schritt 106 wird die Druckluft 14 getrocknet, indem diese über die zweite Fluidleitung 24 dem Lufttrockner 26 zu- und durch diesen hindurchgeführt wird. Durch das Trockenmittel 28 wird der Druckluft 14 Feuchtigkeit adsorptiv entzogen. Es versteht sich, dass die Druckluft 14 im Lufttrockner 26 zusätzlich gefiltert werden kann, um in der Druckluft 14 enthaltene weitere Verunreinigungen, wie etwa Trockenmittel 28 oder Öl, aus der Druckluft 14 abzutrennen.
Die Druckluft 14 kann in einem nachfolgenden Schritt 108 in dem Druckluftspeicher 30 gespeichert werden, um als Arbeitsfluid oder dergleichen eingesetzt werden zu können.
Ein intervallweises Regenerieren 110 des Trockenmittels 20 wird erreicht, indem in einem ersten Teilschritt 110a anstelle der zu trocknenden Druckluft 14 Regenerationsluft 42 aus dem Regenerationsluftbehälter 40 über die vierte Fluidleitung 44 und den Regenerationsluftkanal 50 durch den Wärmeübertrager 18 geführt wird, um diese zu erwärmen. Die erwärmte Regenerationsluft 42 wird in einem zweiten Teilschritt 110b über die sechste Luftleitung 52 dem Lufttrockner 26 zugeführt und der Lufttrockner 26 mit der erwärmten Regenerationsluft 42 gespült. Die Regenerationsluft 42 wird dabei über den Spülauslass 54 aus dem Lufttrockner 26 herausgeführt. Nach dem Regenerieren 110 des Trockenmittels 28 wird der Luftstrom zwischen dem Regenerationsluftbehälter 40 und dem Wärmeübertrager 18 durch das Ventil 48 unterbrochen. Der Druckluftspeicher 30 wird durch Öffnen des Ventils 34 und der Regenerationsluftbehälter durch Öffnen des Füllventils 46 mit getrockneter Druckluft 14 befüllt, bis der jeweilig vorgegebene Druckwert P_max erreicht oder überschritten ist. Der Regenerationsprozess bzw. der Trocknungsprozess der Druckluft 14 erfolgt im Wechsel. Während des Trocknungsprozesses findet bei diesem Einkammersystem mithin keine Regeneration des Trockenmittels 28 statt. Während des Regenerationsprozesses findet keine Trocknung der (vom Kompressor 12 zum Druckmittelspeicher bzw. zum Regenerationsluftbehälter zu leitenden) Druckluft 14 statt. Während des Regenerierens kann der Kompressor 12 gestoppt bzw. vom Wärmeübertrager 18 fluidisch entkoppelt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, den Kompressorantrieb durch eine Magnet- oder Viskokupplung von der Kurbelwelle des Motors zu entkoppeln. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kompressor weiter angetrieben wird, aber nicht gegen einen Gegendruck fördert. Bei Zweizylinder-Kompressoren können die Ein- und Auslassventile so geschaltet werden, dass diese abwechselnd den anderen Zylinder füllen, aber nicht in das Druckluftsystem.
Nach dem Regenerieren des Trockenmittels können die Schritte 102 bis 110 im weiteren Betrieb des Druckluftsystems 100 beliebig oft wiederholt werden.

Claims

Druckluftsystem (10) zum Bereitstellen von Druckluft (14), insbesondere für Nutzfahrzeuge, umfassend: - einen Kompressor (12) zum Erzeugen der Druckluft (14); - einen Lufttrockner (26) mit einem regenerierbaren Trockenmittel (28) zum Trocknen der Druckluft (14), - zumindest einen Druckluftspeicher (30,40) für getrocknete Druckluft (14), aus dem dem Lufttrockner (26) trockene Regenerationsluft (42) zum Regenerieren des Trockenmittels (28) zuführbar ist, und - einen Wärmeübertrager (18) mit einem Wärmespeichermedium (20), der dem Lufttrockner (26) bezüglich des Kompressors (12) und des Druckluftspeichers (30,40) fluidisch vorgeschaltet angeordnet ist, um der Druckluft (14) Wärme zu entziehen und die Wärme zumindest teilweise auf die Regenerationsluft (42) zu übertragen.
Druckluftsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckluftsystem (10) zumindest einen weiteren Druckluftspeicher (40) aufweist, der als Regenerationsluftbehälter (40) zum Bevorraten der trockenen Regenerationsluft (42), die dem Lufttrockner (22) zum Regenerieren des Trockenmittels (28) zuführbar ist, ausgebildet ist.
Druckluftsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (20) zumindest ein Latentwärmespeichermedium, insbesondere auf Paraffinbasis, umfasst.
Druckluftsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (20) ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, einen keramischen Stoff oder ein organisches Material mit einer geeigneten spezifischen Wärmespeicherkapazität zum Zwischenspeichern von Wärmeenergie umfasst.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufttrockner (26) oder der Druckluftspeicher (30) ausgangsseitig mit dem Regenerationsluftbehälter (40) fluidisch verbindbar ist, um dem Regenerationsluftbehälter (40) getrocknete Druckluft (14) als Regenerationsluft (42) zuzuführen.
Druckluftsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenmittel (28) in einer austauschbaren Trockenmittelkartusche angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Druckluftsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: - Erzeugen (102) von Druckluft mittels des Kompressors; - Durchführen (104) der Druckluft durch den Wärmeübertrager (18), um in der Druckluft (14) enthaltene Wärme auf das Wärmespeichermedium (20) zu übertragen; - Trocknen (106) der Druckluft (14), indem diese durch den Lufttrockner (18) mit dem Trockenmittel (20) geführt wird; - Speichern der getrockneten Druckluft (14) in dem Druckluftbehälter (30,40); - Intervallweises Regenerieren (110) des Trockenmittels (20) des Lufttrockners (18), indem anstelle der zu trocknenden Druckluft (14) Regenerationsluft (42) aus dem Druckluftbehälter (30,40) durch den Wärmeübertrager (18) geführt wird, um diese zu erwärmen, und der Lufttrockner (26) mit der erwärmten Regenerationsluft (42) gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsluft (42) aus dem weiteren Druckluftspeicher (40), der als Regenerationsluftbehälter (40) ausgebildet ist, entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenmittel (28) regeneriert wird, wenn ein Druck P₁, P₂ im Druckluftspeicher (30) gleich oder größer als ein vorgegebener Druckwert P_max ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Regenerationsluft (42) die im Lufttrockner (26) getrocknete Druckluft (14) eingesetzt wird.