DE102021123631A1

DE102021123631A1 - Trocknungsvorrichtung zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trockneranlage

Info

Publication number: DE102021123631A1
Application number: DE102021123631.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Feuerriegel
Original assignee: LUEBBERS ANLAGEN und UMWELTTECHNIK GmbH; Luebbers Anlagen- und Umwelttechnik GmbH
Current assignee: LUEBBERS ANLAGEN und UMWELTTECHNIK GmbH; Luebbers Anlagen- und Umwelttechnik GmbH
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023036386A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trocknungsvorrichtung zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trockneranlage, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Wärmepumpeneinheit zum Erhitzen des Prozessgases aufweist und der Trocknungsvorrichtung die Trockneranlage und mindestens eine externe Wärmequelle zugeordnet sind, wobei die Wärmepumpeneinheit mindestens eine Wärmepumpe mit einem Kreislauffluid, einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Gaskühler und einer Drosseleinheit aufweist, und die Wärmepumpe zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor einen Überhitzer aufweist, wobei der Überhitzer über zumindest ein Wärmeträgerfluid mit der zumindest einen zugeordneten externen Wärmequelle räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit und/oder frei von einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit verbindbar und/oder beheizbar ist, sodass das Kreislauffluid nach einem Austritt aus dem Verdampfer mittels des Überhitzers überhitzbar, das überhitzte Kreislauffluid anschließend mittels des Kompressors komprimierbar und mittels des Gaskühlers zum Erhitzen des Prozessgases nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trocknungsvorrichtung zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trockneranlage, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Wärmepumpeneinheit zum Erhitzen des Prozessgases aufweist und der Trocknungsvorrichtung die Trockneranlage und mindestens eine externe Wärmequelle zugeordnet sind, wobei die Wärmepumpeneinheit mindestens eine Wärmepumpe mit einem Kreislauffluid, einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Gaskühler und einer Drosseleinheit aufweist.
Wärmepumpen werden zur dezentralen und energieeffizienten Energieversorgung bevorzugt unter geringen CO₂-Emissionen und Nutzung von klimaneutralem Strom eingesetzt. Kleinere Wärmepumpen mit beispielsweise wenigen Hundert Kilowatt Wärmeabgabe werden zur dezentralen Wohnraumbeheizung und Brauchwasser-Erwärmung mit einem örtlich jeweils moderaten Wärmebedarf auf niedrigem Temperaturniveau von unter 80 °C betrieben, wobei häufig eine konstante Wärmequelle, wie natürliche Erdwärme, genutzt wird.
Dagegen benötigen industrielle Trocknungsprozesse große Wärmemengen von mehreren Megawatt auf hohem Temperaturniveau von über 100 °C. Derart hohe Temperaturen werden häufig durch Verbrennungsprozesse unter Nutzung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen auf Kohlenstoffbasis unter entsprechenden Emissionen an Treibhausgasen erzeugt. Um diese Verbrennungsprozesse zumindest teilweise durch Wärmepumpen zu ersetzen, sind besonders ausgeführte Hochtemperatur-Wärmepumpen notwendig. Für industrielle Prozesse werden üblicherweise transkritisch betriebene Wärmepumpen mit einer Wärmeabgabe des Kreislauffluids, beispielsweise Kohlendioxid, bei überkritischem Druck mit einem Gaskühler als Wärmeübertragung für Temperaturbereiche bis zu 100 °C eingesetzt.
Aus der EP 2 321 589 B1 ist eine transkritische Hochtemperaturwärmepumpe zum Erwärmen eines Fluids auf ein Temperaturniveau bis zu 150 °C mit Kohlendioxid als Kältemittel bekannt, bei der mittels mindestens einem inneren Wärmeübertragers der Hochtemperaturwärmepumpe der Kaltdampf aus dem Verdampfer vor dem Eintritt in den Kompressor überhitzt wird. Hierbei wird mittels des inneren Wärmeaustauschers die Wärme des transkritischen Kreislaufgases mit einem Temperaturniveau von über 40 °C von der wärmeabgebenden Hochdruckseite der Hochtemperaturwärmepumpe des Gaskühlers mittels des inneren Wärmeaustauschers an den Kaltdampf übertragen, welcher den Verdampfer der Niederdruckseite verlässt. Durch diese thermische Verbindung der wärmeabgebenden, transkritischen Hochdruckseite über den inneren Wärmeaustauscher mit der wärmeaufnehmenden, kalten Verdampferseite besteht einen regelungstechnische Abhängigkeit zwischen der Wärmeabgabe der warmen Seite und der Überhitzung des Kaltdampfes der kalten Seite der Hochtemperaturwärmepumpe, welche sich nachteilig auf die Stabilität des Betriebes des Kreislaufprozesses auswirkt. Hierbei führt jede prozesstechnische Veränderung und/oder Schwankung in der Abnahmeleistung der Nutzwärme an der wärmeabgebenden Seite zu einer direkten Auswirkung auf die Überhitzung des Kreisprozessgases vor dessen Kompression. Vor allem führt die Wärmeübertragung von der transkritischen und wärmeabgebenden Hochdruckseite auf die kalte Niederdruckseite innerhalb der Hochtemperaturwärmepumpe direkt zu einem Verlust an Nutzwärme-Leistung, da ein Teil der zuvor durch Kompression erzeugten Nutzwärme unmittelbar durch Wärmeübertragung an den Kaltdampf verschwendet wird, wodurch ein Anteil von circa 15 bis 20 % der gesamten Wärmeabgabe als Nutzwärme verloren geht.
Aus der EP 3 542 114 B1 wird ein Trocknungssystem mit einer Trocknungsanlage und einer Wärmepumpenanordnung beansprucht, wobei die Wärmepumpenanordnung mit einer Wärmepumpe in einem Fluidnetzwerk mit physikalisch miteinander verbundenen Schleifen, in denen ein sekundäres Fluid zirkuliert, mittels Wärmeaustauschern mit mindestens zwei Wärmequellen und mindestens einer Wärmesenke verbunden ist. Hierbei wird ein Wärmeaustauscher vor der Trocknungsanlage zur Taupunktentfeuchtung des eintretenden Prozessgases und ein zweiter Wärmeaustauscher nach der Trocknungsanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas der Trocknungsanlage eingesetzt, während nach der Taupunktentfeuchtung eine Wärmesenke in einem Wärmeaustauscher vor der Trocknungsanlage zum Vorerwärmen des Prozessgases verwendet wird. Hierdurch wird zwar mittels der Wärmepumpe die Niedertemperatur-Abwärme aus dem Prozessgas nach Austritt aus der Trocknungsanlage der wärmeaufnehmenden Verdampfer-Seite der Wärmepumpe zugeführt und somit die Abwärme nutzbar gemacht. Jedoch wird der entsprechende Anteil der Abwärme auf tiefem Temperaturniveau durch die kälteerzeugende Seite der Wärmepumpe aufgenommen, wodurch dieser Anteil der Kälteerzeugung folglich für eine Erzeugung von Nutzkälte verloren ist, welches sich nachteilig auf eine Gesamteffizienz der Wärmepumpenanordnung auswirkt.
Zudem ist allgemein bekannt, ohne Einsatz einer Wärmepumpe eine Wärmerückgewinnung mittels eines Wärmeübertragers im Abgasstrom einer Trockneranlage durch Übertragung auf einen Wärmeübertrager zum direkten Beheizen des Prozessgases vor Eintritt in die Trockneranlage durchzuführen. Nachteilig hierbei ist, dass die Abwärme des Abgases in Form von feuchter Abluft aus der Trockneranlage mit einem hohen Anteil an im Wasserdampf gespeicherter, latenter Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau anfällt und der aufgrund der höheren Temperatur rückgewinnbare Anteil an fühlbarer Wärme lediglich weniger als ein Drittel des gesamten Wärmeinhaltes des Abgases beträgt. Zudem ist der größere Anteil des Wärmeinhaltes des Abgases erst auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau von knapp unterhalb der Umgebungstemperatur zurückgewinnbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Trocknungsvorrichtung zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trockneranlage, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Wärmepumpeneinheit zum Erhitzen des Prozessgases aufweist und der Trocknungsvorrichtung die Trockneranlage und mindestens eine externe Wärmequelle zugeordnet sind, wobei die Wärmepumpeneinheit mindestens eine Wärmepumpe mit einem Kreislauffluid, einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Gaskühler und einer Drosseleinheit aufweist, und die Wärmepumpe zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor einen Überhitzer aufweist, wobei der Überhitzer über mindestens ein Wärmeträgerfluid mit der mindestens einen zugeordneten externen Wärmequelle räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit und/oder frei von einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit verbindbar und/oder beheizbar ist, sodass das Kreislauffluid nach einem Austritt aus dem Verdampfer mittels des Überhitzer überhitzbar, das überhitzte Kreislauffluid anschließend mittels des Kompressors komprimierbar und mittels des Gaskühlers zum Erhitzen des Prozessgases nutzbar ist.
Somit wird eine Trocknungsvorrichtung bereitgestellt, bei der mittels mindestens einer Wärmepumpe mit einem Überhitzer zwischen Verdampfer und Kompressor eine Überhitzung des Wärmeträgerfluids im Überhitzer mittels einer externen Wärmequelle und folglich einem von extern zugeführten Wärmestroms erfolgt, wodurch eine Wärmerückgewinnung bei hohen Leistungen von mehreren Hundert Kilowatt oder mehreren Megawatt auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau von insbesondere maximal 45 °C, bevorzugt kleiner 40 °C, ermöglicht ist. Durch den vollständig extern beheizten Überhitzer der Wärmepumpe mit gleichzeitiger Wärmerückgewinnung von externer Niedrigtemperatur-Wärme liegt vorteilhaft eine energetische und steuertechnische und/oder regelungstechnische Unabhängigkeit im Betrieb der Wärmepumpeneinheit und der Trocknungsvorrichtung vor.
Durch die externe Beheizung wird eine exakte Temperaturführung des Überhitzers vor dem Kompressor und somit eine genaue Einhaltung der vorgegebenen Betriebspunkte des Kompressors ermöglicht, wodurch Schäden an dem Kompressor verhindert und die Effizienz des Kompressors sichergestellt werden. Folglich werden unzulässige zu hohe und/oder zu niedrige Temperaturen vor dem Eintritt in den Kompressor vermieden, wobei ansonsten zu hohe unzulässige Temperaturen zu einer abnehmenden Dichte des Kreislauffluides, einer reduzierten volumetrischen Leistung der Kompression und somit zu einem Effizienzverlust des Kompressors führen würden. Durch die Vermeidung von zu geringen Temperaturen vor dem Eintritt in den Kompressor wird eine Steigerung der Leistungsaufnahme des Kompressors zum Erreichen der angestrebten Endtemperatur nach der Kompression oder bei gleichbleibender Leistungsaufnahme ein Absinken der erreichten Temperatur durch die Kompression vermieden, wodurch ansonsten die wärmeabgebende Seite der Wärmepumpe deutlich an Leistung zum Erhitzen des Prozessgases verlieren würde. Somit stellt die externe Beheizung des Überhitzers in jedem Fall eine optimale Eingangstemperatur vor dem Eintritt in den Kompressor bereit und gewährleistet eine optimale Gesamteffizienz der Wärmepumpe.
Dadurch weist die Trocknungsvorrichtung eine Wärmepumpe mit einer hohen wirtschaftlichen Effizienz auf, welche deutlich über der Effizienz bekannter Wärmepumpen liegt, da gleichzeitig sowohl die Wärmeabgabe auf der Hochdruckseite der Wärmepumpe möglichst vollständig als Nutzwärme als auch deren Wärmeaufnahme im Verdampfer der Niederdruckseite möglich vollständig als Nutzkälte verwendbar sind. Folglich wird eine hohe Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der Trocknungsvorrichtung durch gekoppelte Nutzwärme- und/oder Nutzkälte-Erzeugung bei gleichzeitig möglichst geringen CO₂-Emissionen unter Berücksichtigung der spezifischen Emissionsfaktoren der jeweils eingesetzten Energieformen ermöglicht.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, einen Überhitzer integriert in einer Wärmepumpe und/oder Wärmepumpeneinheit separat mittels einer externen Wärmequelle zu beheizen und gerade nicht die Beheizung direkt mittels eines Mediums durchzuführen, welches zuvor von der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit erhitzt wurde. Somit ist der Überhitzer für das Beheizen frei von einer direkten Verbindung und/oder einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit und/oder der Wärmepumpe. Dadurch, dass der Erhitzer mittels zumindest einem Wärmeträgerfluid aus der zumindest einen zugeordneten geeigneten externen Wärmequelle mit Wärme zum Beheizen versorgt wird, ist der Überhitzer optimal stabil und unabhängig von den restlichen Betriebszuständen des Kreislauffluides der Wärmepumpe und/oder den Betriebszuständen der Trocknungsvorrichtung betreibbar.
Folgendes Begriffliche sei erläutert:

Eine „Trocknungsvorrichtung“ ist insbesondere eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trocknungsanlage. Die Trocknungsvorrichtung weist insbesondere zumindest eine Wärmepumpeneinheit mit mindestens einer Wärmepumpe auf. Der Trocknungsvorrichtung ist insbesondere die Trockneranlage und mindestens eine externe Wärmequelle zugeordnet oder die Trocknungsvorrichtung weist diese Trockneranlage und die mindestens eine externe Wärmequelle auf. Somit kann es sich bei der Trocknungsvorrichtung auch um ein Trocknungssystem mit mehreren Vorrichtungen, Einrichtungen, Anlagen, Apparaten und/oder Komponenten handeln.
Ein „Prozessgas“ ist insbesondere ein Gas, welches einer Trockneranlage zugeführt wird. Das Prozessgas wird insbesondere vor der Trockneranlage entfeuchtet, vorgewärmt und/oder erhitzt. Das Prozessgas dient in der Trockneranlage insbesondere zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes, beispielsweise eines hygroskopischen Pulvers. Bei dem Prozessgas kann es sich insbesondere um Luft handeln.
Eine „Trockneranlage“ ist insbesondere eine Vorrichtung zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes mittels des erhitzten Prozessgases. Bei einer Trockneranlage kann es sich beispielsweise um einen Trockenturm und/oder um einen Sprühtrockner handeln. Die Trockneranlage dient insbesondere zum Trocknen von Lösungen, Suspensionen und/oder Emulsionen.
Eine „Wärmepumpeneinheit“ ist insbesondere eine Einheit, welche zumindest eine Wärmepumpe oder mehrere Wärmepumpen aufweist. Die Wärmepumpeneinheit kann zusätzlich eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung aufweisen.
Eine „Wärmepumpe“ ist insbesondere eine Maschine, welche unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir und/oder einer Wärmequelle mit niedriger Temperatur aufnimmt und zusammen mit einer Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Bei einer Wärmepumpe handelt es sich insbesondere um eine transkritisch betriebene Wärmepumpe und/oder eine Hochtemperaturwärmepumpe. Die Wärmepumpe weist insbesondere einen Verdampfer als wärmeaufnehmende Seite, nachfolgend einen Überhitzer zum Überhitzen des Kreislauffluids, einen nachfolgenden Kompressor, einen Gaskühler zur Wärmeabgabe zum Erhitzen des Prozessgases und eine Drosseleinheit in einer Kreislaufverbindung des Kreislauffluides auf.
Ein „Kreislauffluid“ ist insbesondere ein Fluid, welches innerhalb der Wärmepumpe als Wärmeträgermedium im Kreislauf geführt wird. Bei einem Kreislauffluid handelt es sich insbesondere um ein Kältemittel, wie beispielsweise Kohlendioxid. Das Kreislauffluid und/oder das Kohlendioxid wird insbesondere oberhalb des kritischen Punktes betrieben, sodass ein transkritisches Kreislauffluid vorliegt. Der kritische Punkt liegt insbesondere bei Kohlendioxid bei ungefähr +31 °C und 74 Bar. Aufgrund des transkritischen Betriebs weist dementsprechend die Wärmepumpe keinen Kondensator (Verflüssiger), sondern einen Gaskühler auf.
Ein „Verdampfer“ ist insbesondere ein Apparat und Bestandteil der Wärmepumpe, welcher das Kreislauffluid in seinen dampfförmigen Zustand umwandelt. Der Verdampfer ist insbesondere ein Wärmeübertrager, an dem Wärme aus einer externen Wärmequelle auf das Kreislauffluid übergeht, wobei das Kreislauffluid insbesondere bei niedrigem Druck verdampft. Hierbei gibt die externe Wärmequelle Energie ab, wodurch die Temperatur ihres Wärmeträgerfluides sinkt. Das Wärmeträgerfluid der externen Wärmequelle kann den Verdampfer direkt durchströmen oder die Wärme des Wärmeträgerfluides wird über einen Wärmeübertrager der externen Wärmequelle auf den Verdampfer übertragen.
Ein „Überhitzer“ ist insbesondere ein Apparat der Wärmepumpe, welcher das dampfförmige Kreislauffluid nach dem Verdampfer über seine Verdampfungstemperatur hinaus weiter erhitzt. Somit überführt der Überhitzer insbesondere das Kreislauffluid in einen überhitzten Zustand.
Ein „Kompressor“ (auch „Verdichter“ genannt) ist insbesondere ein Apparat der Wärmepumpe, welcher den Druck und die Dichte des erhitzten, transkritischen Kreislauffluides erhöht und somit dieses komprimiert. Der Verdichter führt insbesondere dem eingeschlossenen, transkritischen Kreislauffluid mechanische Arbeit zu, wodurch sich das Kreislauffluid bei der Kompression erhitzt.
Ein „Gaskühler“ ist insbesondere ein Wärmeübertrager, welcher die Wärme des heißen komprimierten Kreislauffluides nach außen außerhalb der Wärmepumpeneinheit und/oder der Wärmepumpe abgibt. Die vom Gaskühler abgegebene Wärme wird insbesondere zum Erhitzen des Prozessgases für die Trockneranlage genutzt. Prinzipiell kann der Gaskühler als Wärmeübertrager auch direkt die Wärme auf das Prozessgas übertragen. Da bei industriellen Trockneranlagen der Gasvolumenstrom des Prozessgases erheblich höher ist als der Volumenstrom des Kreislauffluides in der Wärmepumpe, ist es vorteilhafter, die wärmeabgebende Seite des Gaskühlers fluidtechnisch mit einem Wärmeübertrager im Prozessgasstrom zu verbinden. Somit stellt die Abkühlung des auf überkritische Zustandsbedingungen komprimierten Kreislauffluids durch den Gaskühler die Wärmeleistung der Wärmepumpe dar. Hierbei wird die Wärmeleistung auf der wärmeabgebenden Hochdruckseite mittels des Gaskühlers insbesondere nicht auf einem festen Temperaturplateau übertragen, sondern über einen teilweise weiten Temperaturbereich, welcher bis zur Umgebungstemperatur reichen kann.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise eine transkritisch betriebene Wärmepumpe mehrere Gaskühler aufweist, da durch Aufteilung der abzugebenden Wärme der wärmeabgebenden Seite auf mehrere Gaskühler die Temperaturdifferenzen in den einzelnen Gaskühlern besser an den Temperaturverlauf des Kreislauffluides anpassbar sind, welches während der transkritischen Abkühlung große Veränderungen in seiner spezifischen Wärmekapazität aufweist.
Eine derart ausgebildete transkritisch betriebene Wärmepumpe ist insbesondere für industrielle Trocknungsprozesse vorteilhaft, in welchen häufig das Prozessgas von einer Umgebungstemperatur bis auf für den Trocknungsprozess erforderliche Temperaturen in einem Bereich von über 100 °C bis über 200 °C erhitzt werden muss.
Eine „externe Wärmequelle“ ist insbesondere eine Quelle, welche Wärme abgibt und außerhalb der Wärmepumpeneinheit und der Wärmepumpe räumlich angeordnet ist und/oder deren Wärmeträgermedium räumlich von außerhalb der Wärmepumpeneinheit und/oder der Wärmepumpe stammt. Die externe Wärmequelle ist insbesondere frei von einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit auf den Überhitzer. Dies bedeutet, dass die externe Wärmequelle gerade nicht die direkt abgegebene Wärme des Gaskühlers ist oder diese Wärme unmittelbar zum Erhitzen des Überhitzers verwendet wird. Bevorzugt ist die Wärmequelle direkt als Wärmeträgermedium ausgebildet, beispielsweise handelt es sich bei der externen Wärmequelle um ein erwärmtes Kühlwasser oder einen erwärmten Abgasstrom. Die externe Wärmequelle weist bevorzugt eine Temperatur von maximal 45 °C auf.

In einer weiteren Ausführungsform der Trocknungsvorrichtung weist die Wärmepumpeneinheit eine zweite Wärmepumpe, eine dritte Wärmepumpe und/oder weitere Wärmepumpen auf.
Folglich kann die Wärmeleistung und/oder die Menge der abzugebenden Wärme optimal an die Erfordernisse zum Erhitzen des Prozessgases vor dem Eintritt in eine Trockneranlage angepasst werden. Durch die Integration von mehreren Hochtemperatur-Wärmepumpen in einer Wärmepumpeneinheit und in einem zugeordneten Trocknungsprozess kann beispielsweise insgesamt circa 4 MW Wärmeleistung für das Erhitzen des Prozessgases bereitgestellt werden.
Bei einer „zweiten, dritten und/oder weiteren Wärmepumpe“ handelt es sich in dem Aufbau und der Funktion vorzugsweise um eine oben definierte Wärmepumpe, wobei auch eine Kombination aus Wärmepumpen mit verschiedenen Bauweisen und Funktionen in Erwägung gezogen wird.
Um ein Trocknungssystem bereitzustellen und/oder die Trockneranlage und/oder die zumindest eine externe Wärmequelle anlagentechnisch zu integrieren, weist die Trocknungsvorrichtung die Trockneranlage und/oder die zumindest eine externe Wärmequelle auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Trocknungsvorrichtung ist der Überhitzer über ein jeweiliges Wärmeträgerfluid mit einer zweiten zugeordneten externen Wärmequelle, einer dritten zugeordneten externen Wärmequelle und/oder weiteren zugeordneten externen Wärmequellen jeweils räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit verbindbar und/oder die Trocknungsvorrichtung weist eine zweite externe Wärmequelle, eine dritte externe Wärmequelle und/oder weitere externe Wärmequellen jeweils außerhalb der Wärmepumpeneinheit auf.
Somit kann eine beliebige Kombination von mehreren externen Wärmequellen zur Beheizung des Überhitzers verwendet werden, wobei deren unterschiedliche Wärmeleistungen und Temperaturniveaus, bevorzugt durch eine entsprechende Regelung von Durchflüssen und Mischpunkten, für eine optimale Beheizung des Überhitzers kombiniert werden.
Vorteilhaft wird eine jeweilige externe Wärmequelle verwendet, welche sowohl ausreichende Wärme bei geeigneter Temperatur zur Verfügung stellt, um den Überhitzer in allen relevanten Betriebszuständen ausreichend mit Wärme zu versorgen, und welche gleichzeitig geringe Fluktuationen im Temperaturniveau aufweist, um Störungen der kontinuierlichen Überhitzung im Überhitzer zu vermeiden oder zu minimieren. Hierbei liegt das Temperaturniveau der jeweiligen externen Wärmequelle bevorzugt nur wenige Kelvin oberhalb der im Überhitzer zu erreichenden Überhitzungstemperatur des Kreislauffluids, damit zu große Temperaturdifferenzen zwischen der jeweiligen Wärmequelle und dem Wärmeträgerfluid sowie zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem überhitzten Kreislauffluid am Übergang zwischen Überhitzer und Kompressor vermieden werden.
Um einen Abwärmestrom aus der Trockneranlage mit hoher Durchsatzleistung und gleichzeitig relativ niedriger Temperatur, bevorzugt von maximal 45 °C, zu nutzen, ist die zumindest eine externe Wärmequelle oder eine der externen Wärmequellen als ein Wärmeübertrager nachgeschaltet der Trockneranlage zur Wärmerückgewinnung aus einem Abgas der Trockneranlage ausgebildet, sodass Wärme aus dem Abgas mittels des Wärmeübertragers auf das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers übertragbar ist.
Bei diesem relativ niedrigen Temperaturniveau der externen Wärmequelle kann eine wirtschaftlich sinnvolle Überhitzung des Kaltdampfes im Überhitzer vor der Kompression bis circa 15 bis 20 % der gesamten Wärmeabgabe betragen, welche über den transkritischen Gaskühler oder die transkritischen Gaskühler auf der wärmeabgebenden Seite nach der Kompression übertragen wird. Somit wird aufgrund der Verwendung der externen Wärmequelle eben gerade nicht ein Teil der zuvor durch Kompression erzeugten Nutzwärme direkt durch Wärmeübertragung an den Kaltdampf innerhalb des Wärmepumpen-Kreislaufes und somit nicht der Anteil von etwa 15 bis 20 % der gesamten Wärmeabgabe verschwendet.
Bei Nutzung des Abgases der Trockneranlage über einen Abgas-Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung und Beheizung des Überhitzers kann über die wärmeabgebende Seite der Wärmepumpeneinheit mittels eines Prozessgas-Wärmeübertragers ein Erhitzen des Prozessgases auf ein Temperaturniveau von über 100 °C, bevorzugt bis auf über 120 °C, erreicht werden, welches ungefähr 50 bis 60 % derjenigen Wärmeleistung entspricht, welche erforderlich ist, um das Prozessgas von einer Umgebungstemperatur vor Eintritt in die Trockneranlage auf die für den Trocknungsprozess erforderliche Temperatur von etwa 200 °C zu erhitzen.
Unter einem „Wärmeübertrager“ (auch „Wärmetauscher“ genannt) wird insbesondre eine Vorrichtung verstanden, welche thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom übertragt. Bei einem Wärmeübertrager handelt es sich insbesondere um einen indirekten Wärmeübertrager, bei dem die beiden Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Bei einem der Stoffströme, welche den Wärmeaustauscher durchströmen, kann es sich beispielsweise um das Wärmeträgerfluid in einem Kreislauf mit dem Überhitzer oder um ein anderes Wärmeträgermedium handeln, welches in einem Kreislauf mit einem anderen Wärmeübertrager und/oder Gaskühler verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Trocknungsvorrichtung ist die zumindest eine externe Wärmequelle oder eine der externen Wärmequellen ein Erhitzer zum Erhitzen des Prozessgases vor einem Eintritt in die Trockneranlage, sodass Wärme aus einem Abwärmestrom des Erhitzers mittels eines nachgeschalteten Wärmeübertragers auf das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers übertragbar ist.
Bei dem Erhitzen des Prozessgases vor Eintritt in die Trockneranlage mittels des Erhitzers auf höhere Temperaturen, beispielsweise 200 °C, kann die dabei anfallende Abwärme zum Beheizen des Überhitzers eingesetzt werden. Hierbei weist der Abgas- und/oder Abwärmestrom, welcher den Erhitzer des Prozessgases verlässt, teilweise ähnlich hohe Wasserdampf-Anteile wie das Abgas aus der Trockneranlage auf. Somit steht neben dem Abgasstrom aus der Trockneranlage mit dem Abwärmestrom des Erhitzers eine zweite externe Wärmequelle zur Verfügung.
Um die je nach Trocknungsprozess geforderte Temperatur des Prozessgases vor Eintritt in die Trockneranlage zu erreichen und eine ausreichende externe Wärmequelle zum Beheizen des Überhitzers bereitzustellen, ist der Erhitzer zum Erhitzen des Prozessgases als indirekter Gasbrenner, als indirekter Dampf-Erhitzer und/oder als eine mit einem Brennstoff betreibbare Gasturbine ausgebildet.
Somit ist im Falle des indirekten Gasbrenners als externe nutzbare Wärmequelle die Wärme des Abgases, welche den indirekten Gasbrenner verlässt, für die Wärmeübertragung und Beheizung des Überhitzers nutzbar. Ebenso wird im Falle einer Gasturbine durch Verbrennen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes ein Abgas gebildet, welches zum Beheizen des Überhitzers nutzbar ist. Im Falle eines indirekten Dampf-Erhitzers wird entsprechend der Abwärmestrom genutzt, wobei in diesem Fall der Kondensatstrom aus dem Dampf-Erhitzer eine mögliche externe Wärmequelle zum Beheizen des Überhitzers darstellt. Aufgrund des deutlich höheren Temperaturniveaus des Kondensates gegenüber der zulässigen Temperatur des Überhitzers, kann es in diesem Fall vorteilhaft sein, zunächst einen Anteil der Kondensatwärme mit hohem Temperaturniveau mittels eines Vorkühlers auf eine andere Wärmesenke zu übertragen und anschließend mit der verbleibenden Wärme den Überhitzer zu beheizen.
In einer weiteren Ausführungsform der Trocknungsvorrichtung ist dem Erhitzer ein Vorkühler zum Übertragen von Wärme aus dem Abwärmestrom auf ein Wärmeträgermedium der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit und anschließend ein Wärmeübertrager zum Übertragen einer Restwärme des Abwärmestroms nach dem Vorkühler mittels des Wärmeträgerfluids auf den Überhitzer nachgeschaltet.
Dadurch kann mittels der Wärmeübertragung mittels des Vorkühlers der Gaskühler auf der wärmeabgebenden Hochdruckseite der Wärmepumpe unterstützt werden. Durch die anschließende Wärmeübertragung der Restwärme nach dem Vorkühler auf das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers werden unzulässig hohe Temperaturen des Kreislauffluids im Überhitzer vermieden. Je nach Art des Erhitzers kann hierzu der Abwärmestrom des aus dem Erhitzer austretenden Abgases oder Kondensats genutzt werden.
Für eine effiziente Wärmeübertragung ist ein Kondensat des Vorkühlers direkt das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers.
Somit kann das vorgekühlte Kondensat aus dem indirekten Dampf-Erhitzer direkt zum Beheizen des Überhitzers verwendet werden, indem das Kondensat anstelle des Kreislauffluids direkt durch den Überhitzer zur Beheizung geleitet wird. Hierbei wird der Durchfluss an vorgekühltem Kondensat an den Wärmebedarf für das Beheizen des Überhitzers angepasst, sodass der Überhitzer weder übermäßig noch zu wenig beheizt wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Trocknungsvorrichtung und/oder die Wärmepumpeneinheit eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf, sodass eine Temperatur und/oder ein Volumenstrom des jeweiligen Wärmeträgerfluids zum Beheizen des Überhitzers mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuer- und/oder regelbar ist.
Dadurch kann mittels der Steuer- und Regeleinrichtung der Trocknungsvorrichtung und/oder der Wärmepumpeneinheit eine optimale Kombination und Nutzung von mehreren externen Wärmequellen bei ausreichender Beheizung des Überhitzers und Einhalten des vorgegebenen Temperaturniveaus gewährleistet werden.
Bevorzugt werden die Temperatur und der Durchfluss des jeweiligen Wärmeträgerfluids, welches durch den Überhitzer zum Beheizen strömt, über eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Trocknungsvorrichtung derart geregelt, dass die Temperatur des im Überhitzer kontinuierlich im Überhitzungsgebiet überhitzten Kreislauffluides vor dem Eintritt in den Kompressor an einen einstellbaren Sollwert gehalten wird, um in allen Betriebszuständen sowohl zu hohe als auch zu niedrige Überhitzungstemperaturen des Kreislauffluids im Austritt aus dem Überhitzer zu vermeiden und die anschließende Kompression des überhitzten Kreislauffluids im Kompressor zur Effizienzoptimierung der Wärmepumpe am optimalen Betriebspunkt zu halten, wobei der Betriebspunkt bevorzugt durch eine weitere Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Wärmepumpeneinheit ermittelt und vorgegeben wird.
Unter einer „Steuereinrichtung“ wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, welche einen vorgegebenen Wert setzt. Unter einer „Regeleinrichtung“ wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, welche einen Messwert rückkoppelt und jeweils einen Stellwert einstellt. Somit kann mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der optimal effiziente Betriebspunkt der Wärmepumpe und eine optimale Wärmeübertragung der Wärmepumpe und/oder der anderen Komponenten der Trocknungseinrichtung eingestellt und/oder geregelt werden.
Um eine Anreicherung von Feinstaub und/oder Kondensat im Wärmeübertrager des Abwärmestroms und/oder Abgases zu vermeiden und/oder zu entfernen, weist der Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgas der Trockneranlage mindestens einen Anschluss zum Durchführen einer Reinigung, insbesondere im Clean-in-Place-Verfahren, und/oder einen Tropfenabscheider im Austritt des Abgases auf.
Durch die Reinigung vor Ort im Clean-in-Place-Verfahren kann der Wärmeübertrager nach der Reinigung sofort wieder in Betrieb genommen werden.
Vor allem bei der Trocknung von partikelhaltigen Flüssigkeiten und/oder Suspensionen zum Produzieren eines pulverförmigen Gutes, beispielsweise Milchpulver, ist mit einem erhöhten Feinstaubanteil im Abgas und/oder Kondensat zu rechnen, welches sich in dem Abgas-Wärmeaustauscher absetzen kann. Dadurch, dass der Wärmeübertrager geeignete Anschlüsse und somit eine Reinigungsmöglichkeit für eine Nassreinigung im Clean-in-Place-Verfahren (CIP) aufweist, können die Wärmeübertragungsflächen auf der Abgasseite frei von möglichen Belägen von beispielsweise chemischer oder mikrobiologischer Herkunft gehalten werden.
Ebenso können Kondensat-Tröpfchen gelöste oder suspendierte Feinpulveranteile und/oder mikrobiologische Belastungen aufweisen, sodass diese beladenen Kondensat-Tröpfchen mittels des Tropfenabscheiders am Austritt des Abgases aus dem Abluft-Wärmeübertrager entfernt werden, um einen Austrag zu verhindern.
Unter „Clean-in-Place-Verfahren“ wird insbesondere eine ortsgebundene Reinigung des Wärmeübertragers verstanden, ohne dass dieser einer wesentlichen Demontage unterzogen werden muss. Für das Clean-in-Place-Verfahren weist der Wärmeübertrager entsprechende Anschlüsse auf, durch welche dieser entsprechend gespült und/oder thermisch behandelt werden kann.
Ein „Tropfenabscheider“ (auch „Aerosolabscheider“ genannt) ist insbesondere ein Apparat zur Abscheidung von Flüssigkeitstropfen aus einem strömenden gasförmigen Medium und/oder Prozessgas. Mittels des Tropfenabscheiders werden insbesondere Kondensat-Tröpfchen aus dem Abgas nach der Trockneranlage abgeschieden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verdampfer als wärmeaufnehmende Seite der Wärmepumpe direkt mit einem erwärmten Kühlmedium als externe Wärmequelle, insbesondere nach einer Entfeuchtung einer Zuluft und/oder des Prozessgases, durchströmbar.
Durch die gekoppelte Erzeugung von Nutzwärme und Nutzkälte ist die Wärmepumpe somit besonders energieeffizient einsetzbar, da die Nutzung einer Wärmequelle (erwärmtes Kühlmedium) auf niedrigem Temperaturniveaus mittels der kalten, wärmeaufnehmenden Seite der Wärmepumpe nicht nur zum physikalischen Betrieb des Wärmepumpen-Kreisprozesses verwendet wird, sondern gleichzeitig einen Vorteil für weitere Prozesse mit Kältebedarf darstellt. Hierbei weist das erwärmte Kühlwasser als externe Wärmequelle im Zulauf zu dem Verdampfer insbesondere eine Temperatur von unter 20 °C und im Rücklauf vom Verdampfer eine Temperatur von unter 4 °C auf, sodass mit dem Rücklauf eine Nutzkälte einem anderen Prozess bereitgestellt wird. Als Nutzkälte wird generell eine Wärmeaufnahme auf einem Temperaturniveau deutlich unter Raumtemperatur verstanden, wenn diese einem industriellen und/oder wirtschaftlich erforderlichen Kühlprozess dient und somit mittels eines Wärmeübertragers und/oder direkt des Verdampfers das erwärmte Kühlmittel aus einem anderen Prozess wieder zur weiteren Nutzung im anderen Prozess abgekühlt wird. Vorteilhaft kann das erwärmte Kühlmedium hierbei den Verdampfer direkt durchströmen oder zwischen dem Kühlmedium und dem Verdampfer ist ein Wärmeübertrager geschaltet.
In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Prozessgases für eine Trockneranlage mittels einer zuvor beschriebenen Trocknungsvorrichtung mit folgenden Schritten:

- Betreiben mindestens einer Wärmepumpe mit einem Kreislauffluid,
- Beheizen des Überhitzers der Wärmepumpe mittels einer externen Wärmequelle räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit der Trocknungsvorrichtung und/oder frei von einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit, sodass ein überhitzts Kreislauffluid vorliegt,
- Komprimieren des überhitzten Kreislauffluids in dem Kompressor der Wärmepumpe und Wärmeübertragung der Wärme des komprimierten, überhitzten Kreislauffluides mittels des Gaskühlers der Wärmepumpe zum Erhitzen des Prozessgases.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung (Fließbild) eines erfindungsgemäßen Trocknungssystems mit einer Wärmepumpeneinheit und einem Abgas-Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgas einer Trockneranlage als externe Wärmequelle zum Beheizen eines Überhitzers der Wärmepumpeneinheit,
2 eine schematische Darstellung einer Alternative des erfindungsgemäßen Trocknungssystems mit einem Abwärmestrom aus einem Prozessgas-Erhitzer als externe Wärmequelle zum Beheizen des Überhitzers,
3 ein T-s-Diagramm aus dem Betrieb einer Wärmepumpe der Wärmepumpeneinheit des in 1 gezeigten Trocknungssystems,
4 eine weitere Alternative des Trocknungssystems mit einer weiteren externen Wärmequelle zum Beheizen des Überhitzers der Wärmepumpeneinheit und einer Zuführung eines erwärmten Kühlwassers zu einem Verdampfer der Wärmepumpeneinheit zur Bereitstellung von Nutzkälte, und
5 eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Trocknungssystems mit der kombinierten Nutzung von mehreren externen Wärmequellen.

Ein in 1 gezeigtes Trocknungssystem 1 weist eine Trockneranlage 2 und eine Wärmepumpeneinheit 3 mit einer Wärmepumpe 30 auf. Des Weiteren weist die Wärmepumpeneinheit 3 eine erste Steuer- und Regeleinheit 39 auf. Die Wärmepumpe 30 weist einen Kreislauf mit einem Kreislauffluid, einem Verdampfer 35 als wärmeaufnehmende Seite der Wärmepumpe 30, einem Überhitzer 31, einem Verdichter 32 und einem Gaskühler 33 als wärmeabgebende Seite der Wärmepumpe 30 sowie eine nachgeschaltete Drosseleinheit 34 auf. Zum Erhitzen eines Prozessgases 57 ist der Gaskühler 33 fluidtechnisch mit einem Prozessgas-Wärmeübertrager 51 verbunden. Zum Erhitzen eines Prozessgases 57 wird dieses dem Prozessgas-Wärmeübertrager 51 zugeführt. Das derart vorerhitzte Prozessgas 57 wird anschließend einem Prozessgas-Erhitzer 50 zugeführt, in dem unter Zuführung von Verbrennungsluft 53 und Brennstoff 55 das Prozessgas 57 weiter auf eine notwendige Temperatur von circa 200 °C erhitzt wird, bevor das vollständig erhitzte Prozessgas 57 der Trockneranlage 2 zugeführt wird.
Ein die Trockneranlage 2 verlassendes Abgas 61 wird mittels eines ersten Abgas-Wärmeübertrager 60 mit reiner Konvektion abgekühlt und einem nachfolgenden Abgas-Wärmeübertrager 70 mit niedrigen Temperaturniveau zur Beheizung des Überhitzers 31 zugeführt. Im Austritt des Abgas-Wärmeübertragers 70 verlässt das Abgas 61 das Trocknungssystem 1 in eine Umgebung.
Vom Abgas-Wärmeübertrager 70 wird mittels eines Wärmeträgerfluids die Abwärme auf den Überhitzer 31 übertragen, wobei der Überhitzer 31 mit einer zweiten Steuer- und Regeleinheit 79 verbunden ist. Der Abgas-Wärmeübertrager 70 ist räumlich außerhalb der Wärmepumpeneinheit 3 angeordnet und überträgt nicht direkt eine Wärme auf der wärmeabgebenden Seite mittels des Gaskühlers 33 der Wärmepumpe 30 auf den Überhitzer 31. Folglich stellt der Abgas-Wärmeübertrager 70 eine externe Wärmequelle dar. Eine zweite externe Wärmequelle wird in Form eines Vorlaufes eines erwärmten Kühlwassers 93 über einen Wärmeübertrager 40 dem Verdampfer 35 zugeführt und verlässt als Rücklauf in Form von gekühltem Kühlwasser 95 als in einem anderen Prozess nutzbare Nutzkälte das Trocknungssystem 1.
Beim Betrieb der in 1 gezeigten Wärmepumpe 30 wird Kohlendioxid als Kreislauffluid mittels einer Wärmeübertragung von dem Vorlauf des erwärmten Kühlwasser 93 über den Wärmeübertrager 40 mittels des Verdampfers 35 verdampft und anschließend mittels des Überhitzers 31 beheizt durch die externe Wärmequelle des Abgas-Wärmeübertragers 70 überhitzt. Das überhitzte Kohlendioxid wird anschließend im Verdichter 32 komprimiert und dabei erwärmt. Die Wärme des Kohlendioxids wird nachfolgend im Gaskühler 33 an das fluidtechnisch mit dem Prozessgas-Wärmeübertrager 51 verbundene Wärmeübertragungsmedium abgegeben und verlässt somit die Wärmepumpeneinheit 3. Mittels des Prozessgas-Wärmeübertragers 51 wird das Prozessgas 57 vorerhitzt und anschließend, wie oben beschrieben, mittels des Prozessgas-Erhitzers 50 auf die erforderliche Temperatur für den Trocknungsprozess in der Trockneranlage 2 weiter erhitzt.
Das zum Trocknungssystem 1 zugehörige T-s-Diagramm mit der Temperatur T (80) in °C und der spezifische Enthropie s (81)in J/kgK ist in 3 gezeigt, wobei eine erste Isobare 87 mit einem Druck von 36,7 Bar, eine zweite Isobare 88 mit einem Druck von 73,7 Bar, eine dritte Isobare 89 mit einem Druck von 100, 00 Bar und eine vierte Isobare 90 mit einem Druck von 120,00 Bar eingezeichnet sind. Im Zustandspunkt 1 (82) ist das Kohlendioxidgas dargestellt, welches den Verdampfer 35 der Wärmepumpe 3 nach Verdampfen des flüssigen Anteils vom Zustandspunkt 5 (86) als Kaltdampf verlässt. Im Überhitzer 31 wird der Kaltdampf des Kohlendioxidgases vom Zustandspunkt 1 (82) bis zum Zustandspunkt 2 (83) auf eine durch die zweite Steuer- und Regeleinheit 79 stabil geregelte Temperatur bei möglichst gleichbleibendem Druckniveau erhitzt, wobei sich der Zustand des Kohlendioxids vom gesättigten Kaltdampf des Zustandspunktes 1 (82) zum überhitzten Dampf des Zustandspunktes 2 mit einer Temperatur von knapp 40 °C entlang der ersten Isobare 87 mit einem Druck von 36,7 Bar verändert. Nach der Überhitzung im Überhitzer 31 tritt das Kohlendioxid als Kreislauffluid am Zustandspunkt 2 (83) in den Verdichter 32 ein und verlässt anschließend den Verdichter 32 am Zustandspunkt 3 (84) mit einer Temperatur von ungefähr 150 °C. Die anschließende Wärmeabgabe in dem Gaskühler 33 vom Zustandspunkt 3 (84) bis zum Zustandspunkt 4 (85) parallel zur vierten Isobare 90 entspricht der Wärmeleistung der Wärmepumpe 30 auf deren wärmeabgebender Hochdruckseite mittels des Gaskühlers 33.
Vom Zustandspunkt 4 (85) wird der Hochdruck des Kohlendioxids über eine über die erste Steuer- und Regeleinheit 39 der Wärmepumpeneinheit 3 einstellbaren Drosseleinheit 34 bis zum Zustandspunkt 5 (86) annähernd isenthalp im Nassdampfgebiet entspannt. Dadurch kühlt sich das Kohlendioxid als Kreislauffluid sehr schnell ab und ein Teil des Kreislauffluides bildet flüssiges Kondensat. Der Anteil des sich bildenden Kondensats wird in einem nicht in 1 gezeigten Kondensatsammler vom verbleibenden Nassdampf getrennt und im Verdampfer 35 vom Zustandspunkt 5 (86) bis zum Zustandspunkt 1 (82) annähernd vollständig verdampft, welches einer Kälteleistung des Verdampfers 35 der wärmeaufnehmenden Seite der Wärmepumpe 30 entspricht. Der nach der Drosseleinheit 34 vom Zustandspunkt 4 (85) bis zum Zustandspunkt 5 (86) verbliebene Nassdampf tritt aus dem nicht gezeigten Kondensatsammler als gesättigter Nassdampf aus und wird mit dem gesättigten Nassdampf aus dem Verdampfer 35 zum Kaltdampf des Zustandspunktes 1 (82) vereint. Dieser Kreislaufprozess läuft kontinuierlich in der Wärmepumpe 30 während ihres Betriebes ab.
Über die Nutzung des Abgas-Wärmeübertragers 70 als externe Wärmequelle zum Beheizen des Überhitzers 31 ist ein erhitztes Prozessgas 57 mit einer Temperatur von circa 120 °C nach dem Prozessgas-Wärmeübertrager 51 erreichbar. Anschließend wird das vorerhitzte Prozessgas 57 in den Prozess-Erhitzer zur weiteren Erhitzung auf die für den Trocknungsprozess notwendige Temperatur von 200 °C erhitzt. Ein Abwärmestrom des Prozessgas-Erhitzers 50 ist mittels eines Vorkühlers 52 zur Unterstützung der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpe 30 und somit des Gaskühlers 33 nutzbar.
Somit ist für die Wärmeübertragung vom kondensierenden Abgas auf das Wärmeträgerfluid und somit des Kohlendioxids als Kreislauffluid im Überhitzer 31 eine hohe Wärmeübertragungsleistung im Bereich von 30 bis 40 °C im Abgas-Wärmeübertrager 70 erzielbar, wobei bereits bei einer geringen Abkühlung des Abgases im Wärmeübertrager 70 um lediglich 10 °C eine hohe Eigensicherung gegenüber zu hohen Temperaturen im Überhitzer 31 gewährleistet wird. Mittels des Trocknungssystems 1, des Abgas-Wärmeübertragers 70 und der Wärmepumpeneinheit 30 kann Kondensationswärme im Temperaturbereich zwischen 30 °C und 40 °C von dem kondensierenden Abgas im Abgas-Wärmeübertrager 70 an das Wärmeträgermedium übertragen und somit als Wärmeleistung zurückgewonnen und zum Überhitzen des Überhitzers 31 genutzt werden. Dies entspricht somit über der Hälfte der wegen zu niedriger Temperatur ansonsten mit dem Abgas 61 verlorengehender Abwärme.
In einer in 2 gezeigten Alternative des Trocknungssystems 2, wird auf einen Abgas-Wärmeübertrager 70 zur Beheizung des Überhitzers 31 verzichtet. Stattdessen weist das Trocknungssystem 1 zusätzlich nach dem Vorkühler 52 einen Wärmeübertrager 71 zur Beheizung des Überhitzers 31 auf. Ansonsten entspricht das in 2 gezeigte Fließschema dem zu 1 beschriebenen Aufbau. Das Prozessgas 57 wird nach einem Vorerhitzen mittels des Prozessgas-Wärmeübertragers 51, wie oben beschrieben, mittels des Prozessgas-Erhitzers 50 auf 200 °C erhitzt. Somit stellt der Prozessgas-Erhitzer 50 eine externe Wärmequelle zur Wärmeübertragung auf den Überhitzer 31 dar. Der Abwärmestrom aus dem Prozessgas-Erhitzer 50 weist teilweise ähnlich hohe Wasserdampfanteile wie das Abgas der in 1 gezeigten Trocknungsanlage auf. Der Abwärmestrom aus dem Prozessgas-Erhitzer 50 wird zunächst in einem Vorkühler 52 mit einem Teil seines Wärmeinhaltes mit höherem Temperaturniveau auf ein Wärmeträgermedium zur leistungsmäßigen Unterstützung des Gaskühlers 33 auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit 3 übertragen und anschließend wird ein Teil seiner Restwärme mittels des Wärmeübertragers 71 zum Beheizen des Überhitzers 31 auf sein zugelassenes Temperaturniveau eingesetzt. Ansonsten erfolgt der Betrieb der Wärmepumpe 30 wie oben beschrieben.
In einer weiteren in 4 gezeigten Alternative des Trocknungssystems 1 weist dieses im Vergleich zu dem in der 2 gezeigten alternativen Trocknungssystem 1 nicht einen Wärmeübertrager 71 zur Überhitzer-Beheizung auf, welcher mit dem Prozessgas-Erhitzer 50 wärmetechnisch verbunden ist, sondern es ist eine weitere externe Wärmequelle mit einem Vorlauf 97 und einem Rücklauf 99 über einen Wärmeübertrager 72 zum Beheizen des Überhitzers 31 verbunden. Bei dieser weiteren externen Wärmequelle kann es sich beispielsweise um die Wärme eines Nebenaggregates handeln, welches in räumlicher Nähe zur Trockneranlage 2 angeordnet ist. Hierbei wird die Wärme der weiteren externen Wärmequelle über den Vorlauf 97 in dem Wärmeübertrager 72 an ein Wärmeträgerfluid auf ein für den Überhitzer 31 durch die erste Steuer- und Regeleinheit 39 zugelassenes Temperaturniveau erwärmt und dieses Wärmeträgerfluid über die zweite Steuer- und Regeleinheit 79 geregelt, um den Überhitzer 31 zu beheizen. Ansonsten wird die Wärmepumpeneinheit mit der Wärmepumpe 30 und das Trocknungssystem 1 wie oben beschrieben betrieben.
In einer weiteren Alternative des Trocknungssystems 2 werden, wie in 5 gezeigt, drei verschiedene externe Wärmequellen zum Beheizen des Überhitzers benutzt. Hierbei handelt es sich um den bereits oben beschriebenen Abgas-Wärmeübertrager 70, und den bereits oben beschriebenen Wärmeübertrager 71, welcher thermisch mit dem Prozessgas-Erhitzer 50 verbunden ist. Bei der dritten externen Wärmequelle handelt es sich um die bereits bei der 4 beschriebene weitere externe Wärmequelle mit dem Vorlauf 97 und dem Rücklauf 99 zu und von dem Wärmeübertrager 72 zur Beheizung des Überhitzers 31. Hierbei werden die externen Wärmequellen und Wärmeübertrager 70, 71 und 72 mit ihren jeweils unterschiedlichen Wärmeleistungen und Temperaturniveaus durch eine Regelung mittels der zweiten Steuer- und Regeleinheit 79 in ihren Durchflüssen und Mischpunkten optimal kombiniert, um eine ausreichende Beheizung des Überhitzers 31 bei einem durch die Steuer- und Regeleinheit 39 vorgegebenen Temperaturniveau zu gewährleisten.
Somit wird durch einen in der Wärmepumpe 30 zwischen Verdampfer 35 und Verdichter 32 integrierten Überhitzer 31 mit einer Wärmeübertragung zum Beheizen des Überhitzers 31 über eine externe Wärmequelle oder mehrere externe Wärmequellen angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit 3 eine effiziente Wärmeübertragung zum Erhitzen des Prozessgases 57 für die Trockneranlage 2 erzielt.
Bezugszeichenliste

1: Trocknungssystem
2: Trockneranlage
3: Wärmepumpeneinheit
30: Wärmepumpe
31: Überhitzer
32: Verdichter
33: Gaskühler (der wärmeabgebenden Seite)
34: Drosseleinheit
35: Verdampfer (der wärmeaufnehmenden Seite)
39: erste Steuer- und Regeleinheit
40: Wärmeübertrager
50: Prozessgas-Erhitzer
51: Prozessgas-Wärmeübertrager der Wärmesenke
52: Vorkühler
53: Verbrennungsluft
55: Brennstoff
57: Prozessgas
60: Abgas-Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung
61: Abgas
70: Abgas-Wärmeübertrager zur Überhitzer-Beheizung
71: Wärmeübertrager zur Überhitzer-Beheizung
72: Wärmeübertrager zur Überhitzer-Beheizung
79: zweite Steuer- und Regeleinheit
80: Temperatur T (in °C)
81: Spezifische Enthropie s (in J/kgK)
82: Zustandpunkt 1
83: Zustandpunkt 2
84: Zustandpunkt 3
85: Zustandpunkt 4
86: Zustandpunkt 5
87: erste Isobare
88: zweite Isobare
89: dritte Isobare
90: vierte Isobare
93: Vorlauf erwärmtes Kühlwasser
95: Rücklauf gekühltes Kühlwasser
97: Vorlauf weitere externe Wärmequelle
99: Rücklauf weitere externe Wärmequelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2321589 B1 [0004]
EP 3542114 B1 [0005]

Claims

Trocknungsvorrichtung (1) zum Bereitstellen eines Prozessgases (57) für eine Trockneranlage (2), wobei die Trocknungsvorrichtung (1) eine Wärmepumpeneinheit (3) zum Erhitzen des Prozessgases (57) aufweist und der Trocknungsvorrichtung (1) die Trockneranlage (2) und mindestens eine externe Wärmequelle (50, 70, 93, 97) zugeordnet sind, wobei die Wärmepumpeneinheit (3) mindestens eine Wärmepumpe (30) mit einem Kreislauffluid, einem Verdampfer (35), einem Kompressor (32), einem Gaskühler (33) und einer Drosseleinheit (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (30) zwischen dem Verdampfer (35) und dem Kompressor (32) einen Überhitzer (31) aufweist, wobei der Überhitzer (31) über zumindest ein Wärmeträgerfluid mit der zumindest einen zugeordneten externen Wärmequelle (50, 70, 93, 97) räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit (3) und/oder frei von einer direkten Wärmeübertragung von einer wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit (3) verbindbar und/oder beheizbar ist, sodass das Kreislauffluid nach einem Austritt aus dem Verdampfer (35) mittels des Überhitzers (31) überhitzbar, das überhitzte Kreislauffluid anschließend mittels des Kompressors (32) komprimierbar und mittels des Gaskühlers (33) zum Erhitzen des Prozessgases (57) nutzbar ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpeneinheit (3) eine zweite Wärmepumpe, eine dritte Wärmepumpe und/oder weitere Wärmepumpen aufweist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsvorrichtung (1) die Trockneranlage (2) und/oder die zumindest eine externe Wärmequelle (50, 70, 93, 97) aufweist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (31) über ein jeweiliges Wärmeträgerfluid mit einer zweiten zugeordneten externen Wärmequelle, einer dritten zugeordneten externen Wärmequelle und/oder weiteren zugeordneten externen Wärmequellen (50, 70, 93, 97) jeweils räumlich angeordnet außerhalb der Wärmepumpeneinheit (3) verbindbar ist und/oder die Trocknungsvorrichtung (1) eine zweite externe Wärmequelle, eine dritte externe Wärmequelle und/oder weitere externe Wärmequellen (50, 70, 93, 97) jeweils außerhalb der Wärmepumpeneinheit (3) aufweist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine externe Wärmequelle oder eine der externen Wärmequellen als ein Wärmeübertrager (70) nachgeschaltet der Trockneranlage (2) zur Wärmerückgewinnung aus einem Abgas (61) der Trockneranlage (2) ausgebildet ist, sodass Wärme aus dem Abgas (61) mittels des Wärmeübertragers (70) auf das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers (31) übertragbar ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine externe Wärmequelle oder eine der externen Wärmequellen ein Erhitzer (50) zum Erhitzen des Prozessgases (57) vor einem Eintritt in die Trockneranlage (2) ist, sodass Wärme aus einem Abwärmestrom des Erhitzers (50) mittels eines nachgeschalteten Wärmeübertragers (71) auf das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers (31) übertragbar ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (50) zum Erhitzen des Prozessgases (57) als indirekter Gasbrenner, als indirekter Dampf-Erhitzer und/oder als eine mit einem Brennstoff betreibbare Gasturbine ausgebildet ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Erhitzer (50) ein Vorkühler (52) zum Übertragen von Wärme aus dem Abwärmestrom auf ein Wärmeträgermedium der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpeneinheit und anschließend ein Wärmeübertrager (71) zum Übertragen einer Restwärme des Abwärmestroms nach dem Vorkühler (52) mittels des Wärmeträgerfluids auf den Überhitzer (31) nachgeschaltet ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensat des Vorkühlers (52) direkt das Wärmeträgerfluid zum Beheizen des Überhitzers (31) ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsvorrichtung (1) und/oder die Wärmepumpeneinheit (3) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (39, 79) aufweist, sodass eine Temperatur und/oder ein Volumenstrom des jeweiligen Wärmeträgerfluids zum Beheizen des Überhitzers (31) mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (39, 79) steuer- und/oder regelbar ist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (70) zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgas (61) der Trockneranlage mindestens einen Anschluss zum Durchführen einer Reinigung, insbesondere im Clean-in-Place-Verfahren, und/oder einen Tropfenabscheider im Austritt des Abgases (61) aufweist.
Trocknungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (35) als wärmeaufnehmende Seite der Wärmepumpe (3) direkt mit einem erwärmten Kühlmedium als externe Wärmequelle (93), insbesondere nach einer Entfeuchtung einer Zuluft und/oder des Prozessgases, durchströmbar ist.