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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Herstellung und/oder Behandlung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer beschichteten Faserstoffbahn oder einer Tissuepapierbahn. Wobei mindestens eine Trockenpartie und/oder mindestens eine kontaktlose Trockenstrecke umfasst ist und, wobei die mindestens eine Trockenpartie und/oder mindestens eine kontaktlose Trockenstrecke mindestens eine Abluft-Leitung, zur Ableitung einer feuchten Abluft, umfasst und, wobei die mindestens eine kontaktlose Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, weiter eine Zuluft-Leitung und eine Wärmepumpe (90) umfasst und, wobei die Abluft (84) teilweise oder vollständig als Wärmequelle der Wärme-pumpe (90) verwendet wird, derart, dass der Abluft (84) zumindest eine Rest-wärme entzogen wird.
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Das Dokument
DE 10 2015 219 379 A1 , offenbart eine Papiermaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Papiermaschine, wobei einem Trocknungsbereich ein Medium zum Trocknen einer Faserstoffbahn zugeführt wird und das Medium stromab des Trocknungsbereichs von dem Trocknungsbereich abgeführt und als Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeführt wird, mittels welcher das Medium stromauf des Trocknungsbereichs erwärmt wird.
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Weiterhin sind verschiedene Bauarten von Trocknungsvorrichtungen wie beispielsweise. Wärmestrahlungstrockenvorrichtungen oder Konvektionstrockenvorrichtungen bekannt. Dazu zählen in der Papierindustrie sehr oft gasbetriebene Infrarot (IR) und Lufttrocknungsvorrichtungen. Auch sind elektrisch und/oder mit Wasserstoff beheizte Infrarot (IR) Trockenabschnitte bekannt.
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Zur Trocknung des Strichauftrags von beschichteten Faserstoffbahnen oder Hygienepapieren in der Papierindustrie werden derzeit Lufttrocknungsvorrichtungen eingesetzt. Die Erzeugung von Heißluft für die Lufttrocknungsvorrichtungen erfolgt typischerweise entweder durch Dampfheizregister, vorzugsweise Hochdruck-Dampfheizregister, oder Gasbrenner. Im Falle eines Dampfeinsatzes wird auch dieser oft einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeuger, beispielsweise einem Gas- und Dampf-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) entnommen. Die heiße Luft besitzt üblicherweise eine Eintrittstemperatur von größer als 180°C, teilweise auch nur größer als 100°C und kann beispielsweise bis zu 650°C betragen. Im unteren Temperaturbereich werden heute üblicherweise Dampf-Lufterhitzer, Thermoöl-Lufterhitzer oder Gasbrenner eingesetzt, im oberen Temperaturbereich überwiegend Gasbrenner, seltener Thermoöl-Lufterhitzer.
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Die genannten bisherigen Lösungen besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen. Die Anlagen haben einen hohen Bedarf an fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas, mit den zu erwartenden Nachteilen in Bezug auf Kosten. Wobei die steigenden Beschaffungskosten und auch die immer strengeren CO2-Auflagen und CO2-Abgaben einen entscheidenden Anteil an den Herstellungskosten einnehmen. Weiter sind durch globale Krisen oft die Verfügbarkeit und auch die Reputation im Hinblick auf die Auswirkungen auf das globale Klima weitere wichtige Gesichtspunkte.
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Weiterhin ist der reine Einsatz einer Wärmepumpe innerhalb einer Trockenpartie, sozusagen ein Umluftbetrieb, eine energetisch gesehene ungünstige Anordnung, da normalerweise das, der am Anfang der Trockenpartie zugeführte Medium zur Trocknung der Papierbahn die Energie benötigt die Papierbahn zu trocknen. Eine Zuführung von überschüssiger Energie am Anfang einer Trockenpartie, um eine Wärmepumpe zu betreiben, stellt sich als wenig effizient dar.
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Ein weiterer nachteiliger Aspekt ist, dass die Wärmepumpen in der Bereitstellung der benötigten erhöhten Energielevel unter dem Gesichtspunkt des effizientes Betriebspunktes (COP) begrenzt sind. Dies resultiert dann in einer begrenzten Aufheiztemperatur durch die Wärmepumpe.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine Kombination von Wärmepumpen mit den mit dem Stand der Technik entsprechenden Mitteln für die Aufheizung der Lufttrocknungsvorrichtungen die Nachteile beheben können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Trockenpartie einer Papiermaschine, insbesondere einer Papiermaschine für beschichtete Faserstoffbahnen und Tissuepapierbahnen, energetisch effizienter zu gestalten und für die Beheizung der Trockenpartie, innerhalb des Bilanzraums der Papierfabrik, von fossilen Brennträgern unabhängig auszuführen und auf eine in der Papierfabrik, lokal CO2-neutrale Ausführungen weiter zu verbessern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Trockenpartie in ihrer Regelbarkeit bzgl. der für die Papierbahn notwendigen Temperaturlevel zu verbessern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dem Bedarf an fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas, bei der Trocknung von gestrichenen Papieren und Tissuepapier, deutlich zu reduzieren und/oder komplett darauf zu verzichten. Die Betriebskosten werden dadurch deutlich reduziert, ebenso die Gefahr einer Abhängigkeit von einem Verbrauchsmedium oder Versorger.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung und ein Verfahren entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen
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Die erfindungsgemäße Trockenpartie zeichnet sich dadurch aus, dass die Abluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, teilweise oder vollständig wiederverwendet wird und, dass eine Zuluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, durch die Wärmepumpe teilweise oder vollständig erwärmt und/oder entfeuchtet wird und, dass die erwärmte und/oder entfeuchtete Zuluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, wieder zugeführt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass der Wärmepumpe mindestens ein Lufterhitzer nachgeschalten ist, derart, dass die Abluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, teilweise oder vollständig über den Lufterhitzer erwärmt und/oder entfeuchtet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass der mindestens eine Lufterhitzer die Abluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, teilweise erwärmt und, dass der mindestens eine Lufterhitzer zur teilweisen Erwärmung der Abluft elektrische Energie, Wasserstoff oder fossile Brennstoffe verwendet.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass der mindestens eine Lufterhitzer und die Wärmepumpe über einen separaten Wärmeträger-Kreislauf verbunden sind, derart, dass die erzeugte Wärmeenergie der Wärmepumpe an den mindestens einen Lufterhitzer und danach an die Abluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, übertragen wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die mindestens eine kontaktlose Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, derart ausgelegt ist und/oder derart geregelt wird, dass die Abluft der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, beim Austritt eine Temperatur von größer gleich 140°C und kleiner gleich 300°C, insbesondere kleiner gleich 230°C, aufweist.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Zuluft gegenüber der wiederverwendeten Abluft der kontaktlosen Trockenstrecke mit einer, vorzugsweise geringen, Temperaturerhöhung von größer gleich 20°C und kleiner gleich 80°C, insbesondere kleiner gleich 60°C, erwärmt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass ein erster Teil der Abluft der mindestens eine kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, als Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet wird, derart, dass dem ersten Teil der Abluft der mindestens eine kontaktlosen Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, eine Restwärme entzogen wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Abluft einer vor der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke angeordneten Trockenstrecke, insbesondere einer Vortrockenpartie und/oder einer kontaktlosen, elektrisch beheizten IR-Trockenstrecke, als Wärmequelle der Wärmepumpe verwendet wird, derart, dass der Abluft einer vor der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke angeordneten Trockenstrecke eine Restwärme entzogen wird.
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In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass eine vor der mindestens einen kontaktlosen Trockenstrecke angeordnete Trockenstrecke, vorzugsweise eine kontaktlose, elektrisch beheizte IR-Trockenstrecke, die Faserstoffbahn trocknet.
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Eine erfindungsgemäße kontaktlose Trockenstrecke, vorzugsweise eine Heiß-Lufttrockenstrecke, zur Verwendung in einer Papiermaschine zur Herstellung oder Behandlung einer Faserstoffbahn umfassend eine Abluft-Leitung, eine Zuluft-Leitung und eine Wärmepumpe, zeichnet sich dadurch aus, dass die Abluft-Leitung aufgeteilt ist, derart, dass ein zweiter Teil der Abluft über die Wärmepumpe erwärmt und/oder entfeuchtet wird und, ein erster Teil der Abluft über die Wärmepumpe eine Restwärme entzogen wird.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Trockenpartie für eine Papiermaschine zur Herstellung oder Behandlung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer beschichteten Faserstoffbahn oder einer Tissuepapierbahn, wobei die Trockenpartie mindestens eine kontaktlose Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, umfasst, die Trockenpartie mindestens eine erfindungsgemäße kontaktlose Trockenstrecke, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecke, umfasst.
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In einer alternativen Ausführung zeichnet sich die Anordnung in einer Trockenpartie dadurch aus, dass die Trockenpartie mindestens eine 1 ,5-fache Länge, vorzugsweise eine 2,0-fache Länge, mit mindestens einer erfindungsgemäßen kontaktlosen Trockenstrecke umfasst.
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Die Wärmepumpe zeichnet sich aus, dass diese zwischen einer Abluft-Leitung einer anderen Papiermaschinenpartie und/oder einer weiteren angeordneten Trockenstrecke mit noch nicht verbrauchter Wärme innerhalb eines Kondensators und in der Ausgangsleitung der Verdampfer einer Wärmepumpe geschaltet sind, welche zum Übertragen von Wärme von der durch die Abluft-Leitung ausströmenden auf die durch die Heizleitung einströmende Luft dient.
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Durch die Wärmepumpe gelingt es, die Temperatur einer verfügbaren Abluft so weit zu senken, dass die von ihr beim Trocknungsvorgang aufgenommene Feuchte mindestens zum Teil kondensiert. Andererseits wird die der durch die Ausgangsleitung strömenden Abluft entnommene Wärme auf einem höheren Niveau auf die der Trockenpartie zuströmende Luft übertragen. Dadurch wird die Erwärmung der Luft auf einen Teil der für die Trocknung erforderlichen Temperatur mit niedrigerem Energieaufwand erreicht als bei einer direkten Beheizung, wie sie bisher üblich war.
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Dadurch, dass der Abluft Feuchte in Form von Kondenswasser entnommen wird, entsteht z. B. im erwähnten Fall einer Papierfabrik eine bedeutende Einsparung an Wasserbedarf. Gleichzeitig wird die Umweltbelastung vermindert, die in vielen Fällen durch die aufsteigenden Dampfschwaden entsteht, die von der feuchten Abluft verursacht sind.
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Es ist dabei möglich, die Eingangsleitung und die Ausgangsleitung miteinander zu einem Kreislauf zu verbinden. Das wird dadurch ermöglicht, dass die Feuchte der Abluft durch Kondensation entnommen wird. Dabei wird weiter Wärme gespart. Gleichzeitig wird durch die Kreislaufschaltung eine Belästigung der Umgebung durch in der Abluft evtl. vorhandene Gerüche vermindert bzw. vermieden.
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In der Ausgangsleitung kann nach dem Verdampfer der Wärmepumpe eine zusätzliche Kühlvorrichtung geschaltet sein. Auf diese Weise kann bei einem geschlossenen Kreislauf unter Umständen die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung weiter verbessert werden. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator der Wärmepumpe kann nämlich frei nach wirtschaftlichen Erwägungen und unabhängig von der angestrebten Niedrigtemperatur der im Kreislauf strömenden Luft gewählt werden, sodass ein hoher Wirkungsgrad der Wärmeübertragung mittels der Wärmepumpe erreicht werden kann.
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Die Kühlvorrichtung kann dabei den Verdampfer einer weiteren Wärmepumpe enthalten. Dadurch kann die in der Abluft enthaltene Restwärme mit ihrer Temperatur so angehoben werden, dass sie für verschiedene Zwecke außerhalb der Trockenpartie verwendet werden kann.
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Eine optimale Ausnutzung der in der Abluft enthaltenen Restwärme wird dadurch erzielt, dass bezüglich der Luftströmung dem Verdampfer der weiteren Wärmepumpe ein Wärmeaustauscher vorgeschaltet ist, der von einem Wärmeträger durchströmt wird, der nach dem Wärmeaustauscher durch den Kondensator der weiteren Wärmepumpe geleitet wird.
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Wenn noch ein Wärmeübertrager zur direkten Übertragung von Wärme von der heißen Abluft auf die kühlere Trockenluft und eventuell, noch eine konventionelle Heizvorrichtung in der Eingangsleitung verwendet werden, kann die Vorrichtung bezüglich ihres Wärmehaushaltes weiter optimiert werden.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist- miteinander kombiniert sein können.
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Korrespondierende Elemente der Ausführungsbeispiele in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Funktionen solcher Elemente in den einzelnen Figuren entsprechen einander, sofern nichts anderes beschrieben ist und es nicht zu Widersprüchen führt. Auf eine wiederholte Beschreibung wird daher verzichtet. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die sich unterscheidenden Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele gegeneinander ausgetauscht und miteinander kombiniert werden können. Die Erfindung ist daher nicht auf die gezeigten Merkmalskombinationen der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand folgender Figuren erläutert.
- 1a bis 1f zeigen erfindungsgemäße, schematisch dargestellte Anordnungen von Heiß-Lufttrockenstrecken und derer Versorgung mit einer Wärmepumpe;
- 2a und 2b zeigen einen schematischen Querschnitt durch eine als Kompressionswärmepumpe ausgeführte Wärmepumpe.
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Die 1a bis 1f verdeutlichen, in schematisiert und stark vereinfachter Darstellung, den Grundaufbau und die Grundfunktion einer Papiermaschine 1 mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Trockenpartie 9, welche unmittelbar nach einer Streichpartie 8 folgen kann und einer Vortrockenpartie 6. Die Papiermaschine 1 stellt eine Faserstoffbahn F und eine beschichtete Faserstoffbahn FB her. Die Papiermaschine 1 ist hier nur schematisiert stark vereinfacht hinsichtlich mit den für die Erfindung relevanten Partien wiedergegeben. Zur Verdeutlichung der einzelnen Richtungen ist ein kartesisches Koordinatensystem angelegt, an welchem die einzelnen Richtungen in Einbaulage verdeutlicht werden können. Die x-Richtung verdeutlicht dabei die Erstreckung in Längsrichtung, welche auch als Maschinenlaufrichtung MD (Machine-Direction) bezeichnet wird. Die y-Richtung entspricht der Richtung senkrecht zur Maschinenrichtung und wird als Maschinenquerrichtung CD (Cross-Direction) benannt, während die z-Richtung der Höhenrichtung entspricht.
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In den 1a bis 1f werden erfindungsgemäße, schematisch dargestellte Anordnungen von einer Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 und derer Versorgung in einer Trockenpartie 9 gezeigt.
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Um einen besonders effizienten Betrieb der Papiermaschine 1 realisieren zu können, umfasst die Papiermaschine 1 mindestens eine bekannte Wärmepumpe 90 zur k teilweisen Versorgung mindestens einer kontaktlosen Trockenstrecke 9.2, mit Wärme, welche von einer Abluft-Leitung 92 aus einer Papiermaschinenpartie die notwendige Wärme entzieht. Vorzugsweise wird die Abluft 92 aus einer vorherigen Vortrockenpartie 6, einer anderen Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 oder der gleichen Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 entnommen.
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Die 1 a bis 1f zeigen eine Papiermaschine 1 mit der Vortrockenpartie 6, aus der die Faserstoffbahn F in die Streichpartie 8 und die mindestens eine nachfolgende Trockenpartie 9 eintritt. Eine einseitige und/oder beidseitige Beschichtung findet in der mindestens einen Auftragseinrichtung 8 statt und eine Trocknung in der mindestens einen Nachtrockenpartie 9. Nachfolgend werden verschiedene erfindungsgemäße Ausführungen erläutert, danach wird die beschichtete Faserstoffbahn FB in dem Stand der Technik entsprechenden nachfolgenden Papiermaschinenpartien wie einer Glätteinrichtung und/oder der Aufrollung übergeben.
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Aus der 1a ist erkennbar, dass die beschichtete Faserstoffbahn FB nach dem Auftrag einer ersten Beschichtung 8 über mindestens eine erste kontaktlose Trockenstrecke, welche als eine erste Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 ausgeführt ist. In der beispielhaften Darstellung der 1a ist erkennbar, dass ein Medium, vorzugsweise eine erste Abluft 84, aus der ersten Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 abgeführt und einer Wärmepumpe 90, und den darin enthaltenen Wärmetauscher bzw. Kondensator s einem Lufterhitzer 81, vorzugsweise einem elektrisch betriebenen Lufterhitzer 81, welcher die Abluft 82 der ersten Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 durch Be- oder Zuheizung erwärmt. Es können auch mehrere Lufterhitzer 81 in Reihe oder auch parallel geschalten sein, um die notwendige Temperatur in der Zuluft einzustellen, welche durch die Zuluft-Leitung 83 wieder in die kontaktlose Trockenstrecke 9.2, vorzugsweise in die Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2, zugeführt wird.
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Die Führung des Mediums von der kontaktlosen Trockenstrecke 9.2, insbesondere der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2, ist in der 1a durch einen Richtungspfeil in der Abluft-Leitung 84 und Zuluft-Leitung 83 veranschaulicht. Dabei wird das Medium der Trockenstrecke 9.2 beziehungsweise der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 in gasförmigem Zustand, das heißt als warme trockene Luft zugeführt, sodass das Medium in die Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 einströmt. Das Medium wird der Trockenstrecke 9.2 mit einer Temperatur T_83 zugeführt, welche beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 180 °C bis einschließlich 250 °C liegt. Beispielsweise weist das von der der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 strömende Medium einen Massenstrom von bis zu 20 Kilogramm pro Sekunde und einen Druck von bis zu 10 bar auf. Die Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 arbeitet mit einem großen Anteil des benutzten Mediums in einem sogenannten Umluftbetrieb.
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In der 1a ist ferner durch einen Richtungspfeil in einer Abluft-Leitung 84 aus der ersten Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 dargestellt, dass dem Lufterhitzer 81 das Medium beispielsweise mit einer Temperatur T_84 zugeführt wird, wobei diese Temperatur T__84 geringer als die Temperatur T_83 ist und beispielsweise 140 °C bis einschließlich 230 °C betragen kann. Die Temperatur T_84 ist somit geringer als die erste Temperatur T_83.
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In der 1a ist ferner durch einen Richtungspfeil in einer Abluft-Leitung 92 die Führung des Mediums von der kontaktlosen Trockenstrecke 9.2 zur Wärmepumpe 90 dargestellt. Der Wärmepumpe 90 wird das Medium aus der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 zugeführt. Dabei beträgt die Temperatur T_92 im Wesentlichen ähnlich wie der Temperatur T_84 und beträgt beispielsweise 140 °C bis einschließlich 230 °C betragen kann.
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Durch den Einsatz der Wärmepumpe 90 kann die gegenüber der Temperaturen T_83 geringere Temperatur T_92 genutzt werden, um dem Medium der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 weiter Wärme zu entziehen und dem Lufterhitzer 81 mittels der entzogenen Wärme und Nutzung von zusätzlicher elektrischer Energie 80 zum Betrieb der Wärmepumpe 90.
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Beispielhaft ist in 2 der Aufbau einer Wärmepumpe 90, welche beispielsweise als Kompressionswärmepumpe ausgebildet dargestellt. Diese umfasst einen ersten Wärmetauscher 93, welcher auch als kalter Wärmetauscher bezeichnet wird. Ferner umfasst die Wärmepumpe 90 einen zweiten Wärmetauscher 95, welcher auch als warmer oder heißer Wärmetauscher bezeichnet wird. Alternativ kann der zweite Wärmetauscher 95, wie in der 2b dargestellt auch ein Bestandteil des Lufterhitzers 81 oder der Wärmetausche des Lufterhitzers durch den zweiten Wärmetauscher der Wärmepumpe ersetzt werden. Dabei wird die Abluft-Leitung des Lufterhitzers 84 und die Zuluft-Leitung der Wärmepumpe 97 zusammengelegt. Die Heiz-Leitung der Wärmepumpe 91 wird dann direkt als Zuluft-Leitung des Lufterhitzers 83 ausgeführt. Ferner umfasst die Wärmepumpe 90 einen Kreislauf 99, welcher von einem Arbeitsmedium durchströmbar ist. Die Wärmetauscher 93 und 95 sind in dem Kreislauf 99 angeordnet und demzufolge von dem Arbeitsmedium durchströmbar. Die Wärmepumpe 90, im Falle einer Kompressionswärmepumpe 90, arbeitet üblicherweise mit einer Leistungszahl (Coefficient of Performance - COP) von bis zu 5. Mit der Wärmepumpe 90 ist ein besonders effizienter und somit energiegünstiger Betrieb der Papiermaschine 1 realisierbar.
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Bei der Ausgestaltung der Wärmepumpe 90 als Kompressionswärmepumpe, umfasst die Wärmepumpe 90 einen Kreislauf 99 mit einem Wärmetransportmittel und weiterhin einen Verdampfer 93, einen Kompressor 94, ein Entspannungsorgan 96 und einen Kondensator 95. Der Kondensator 95 ist mit einer Heizleitung 91 verbunden. Die Heizleitung 91 erhitzt einen Lufterhitzer 81.
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Der Wärmetauscher 95 ist beispielsweise ein Kondensator 95, mittels welchem das Arbeitsmedium kondensiert wird. Mittels des Entspannungsorgan 96 wird das Arbeitsmedium entspannt, wobei der Wärmetauscher 93 beispielsweise ein Verdampfer 93 ist, mittels welchem das Arbeitsmedium verdampft wird. Schließlich kann das Arbeitsmedium mittels des Kompressors 94 wieder verdichtet werden. Die Abluft-Leitung 92 führt durch den Verdampfer 93 der Wärmepumpe 90. Zum Antreiben des wird der Motor mit elektrischer Energie versorgt, so dass das Arbeitsmedium mittels des Kompressors 94 mithilfe von elektrischer Energie 80 beziehungsweise elektrischem Strom 80 verdichtet und dadurch erwärmt werden kann.
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Ferner ist es denkbar, dass die Wärmepumpe 90 als eine thermochemische Wärmepumpe ausgebildet ist. Bei der thermochemischen Wärmepumpe wird mittels Wärme, die der Wärmepumpe 90 zugeführt wird, eine chemische, Wärme aufnehmende und somit endotherme Reaktion bewirkt.
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In 1a bis 1f wird beispielhaft die Anordnung der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 mit einer Wärmepumpe 90 dargestellt. Die in der Zeichnung dargestellte Trockenpartie 9 enthält mindestens eine elektrisch beheizte Infrarot-Trockenstrecke 9.1 und mindestens eine weitere kontaktlosen Trockenstrecke 9.2, vorzugsweise eine Heiß-Luft-Trockenstrecke 9.2, welche mittels einer Wärmepumpe 90 beheizt wird. Dabei wird eine Wärmepumpe 90 mit mindestens einer Abluft-Leitung 92 von einer Papiermaschinenpartie, der gleichen kontaktlosen Trockenstrecke 9.2 oder einer anderen kontaktlosen Trockenstrecke 9.1, 9.2 versorgt.
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Während des Betriebes der Maschine wird durch die Wärmepumpe 90 die aus der Trockenstrecke 9.2 durch die Abluft-Leitung 92 ausströmende feuchte Abluft abgekühlt und die durch die Eingangsleitung 91 zuströmende trockene Luft vorgewärmt. Die beiden Luftströme führen darauf durch den Kondensator 93 bzw. den Verdampfer 93 der Wärmepumpe 90, wobei weiter Wärme von der feuchten Abluft 92 auf, die durch die Heiz-Leitung 91 strömende trockene Luft übertragen wird, und diese erhitzt wird. Die durch die Heiz-Leitung 91 strömende nunmehr heiße Trockenluft, ist durch die Wärmepumpe 90 nunmehr um eine Temperaturdifferenz von mindestens 20°K bis einschließlich 40°K erwärmt und kann optional durch den Lufterhitzer 81 durch weitere Zuheizung mittels elektrischer Energie weiter erwärmt werden, falls es sich als notwendig bzw. wirtschaftlich erweisen sollte. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass in den meisten Fällen diese zusätzliche Erhitzung entfallen kann.
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In der technischen Lösung wird eine, zwei, drei oder mehrere kontaktlose Trockenstrecken, vorzugsweise Heiß-Lufttrockenstrecken 9.2, ein, zwei, drei oder mehrere Elektro-Infrarot-Trockenstrecken 9.1 vorgeschaltet. Der Lufterhitzer 81 in der Versorgung einer Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 wird dabei mit einem von einer Wärmepumpe 90 aufgeheizten Arbeitsmedium beaufschlagt:
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Es können auch zwei, drei oder mehrere Lufterhitzer 81 vorgesehen werden, und daher kann die komplette Temperaturdifferenz dT vom Abluft-Strom 84 bis zum Zuluft-Strom 83 nicht nur durch einen Lufterhitzer überwunden werden, sondern auch nur ein entsprechender Anteil.
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Die Wärmepumpe 90 entnimmt die Wärmeenergie einem abgebendem Abluft-Strom 92 aus der Papiererzeugungs- oder Veredelungsanlage 1, vorzugsweise dem Abluft-Strom der zugeordneten Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2. Es können aber auch andere Medien-Ströme 92 mit ausreichend hoher Temperatur und Menge verwendet werden, insbesondere der Abluft-Strom 92 einer vorgeschalteten Elektro-IR-Trockenstrecke 9.1.
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Der Lufterhitzer 81 kann dabei direkt der Kondensator 95 eines Wärmepumpenkreislaufs 99 oder ein weiterer Wärmetauscher in einem dem Wärmepumpen-Kreislauf 99 nachgeschalteten Medienkreislauf sein.
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Wie in 1d und 1f dargestellt kann der zweite, dritte oder weitere Lufterhitzer 81 - sofern ein weiterer Lufterhitzer 81 erforderlich ist - dabei idealerweise ein Elektroheizregister oder mit einem Medium beaufschlagt, welches ausschließlich elektrisch beheizt oder erzeugt wird.
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Auf diese Art und Weise lässt sich die Beschichtungstrocknung der beschichteten Faserstoffbahn FB komplett ohne Einsatz von fossilen Brennstoffen, durch die Wärmepumpe 90 sehr wirtschaftlich und durch den Einsatz der Elektro-IR-Trockenstrecke 9.1 mit kurzem Bauraum, dies ist besonders vorteilhaft für Nachrüstungen oder Modernisierungen. Weiterhin vorteilhaft ist durch den Einsatz der Elektro-IR-Trockenstrecke 9.1 die Möglichkeit eine Feuchtequerprofilierung CD der Faserstoffahn F zu betreiben, was sich auch technologisch vorteilhaft gestalten lässt.
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Der Vorteil einer Kombination aus Wärmepumpe 90 und Lufterhitzer 81 und nachfolgenden weiteren Lufterhitzern 81 - im Vergleich zu einer ausschließlichen Beheizung über eine Wärmepumpe 90 - liegt neben der höheren erreichbaren Temperatur in der besseren Regelung der Prozess-Temperatur. Die Wärmepumpe 90 kann konstant oder COP-optimiert betrieben werden, die resultierenden Temperaturschwankungen im Prozess werden durch den nachgeschalteten zweiten, dritten oder weiteren Lufterhitzer 81 ausgeregelt.
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Eine Regelung des Trocknungsprozesses in der Nachtrockenpartie 9 kann aber auch durch eine Leistungsregelung der Elektro-IR-Trockenstrecke 9.1 erreicht werden.
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Alternativ kann die Wärmepumpe 90 auch zur Abdeckung einer Grundlast verwendet werden, so dass der zweite, dritte oder weitere Lufterhitzer 81 nur zur Abdeckung von Spitzenlasten notwendig wird.
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Der kontaktlose Heiß-Luft-Trockenstrecke 9.2, beispielsweise ein Schwebetrockner, wird im Temperaturbereich T_83= 180°C-250°C betrieben. Die typische Temperaturdifferenz zwischen Zuluft-Strom 83 und Abluft-Strom 84 der kontaktlosen Heiß-Luft-Trockenstrecke 9.2 liegt bei 30K, mit Schwankungen zwischen 20-40K.
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Der Heiß-Luft-Trockenstrecke 9.2 vorgeschaltet, vorzugsweise bei mehreren Heiß-Luft-Trockenstrecken 9.2 optional auch zwischengeschaltet (wie in 1c dargestellt) - werden ein oder mehrere Elektro-IR-Trockenstrecken 9.1 installiert. Die Elektro-IR-Trockenstrecken 9.1 sind idealerweise mit einer Feuchtequerprofilierungsmöglichkeit in CD-Richtung für die zu trocknende beschichtete Faserstoffbahn FB ausgestattet.
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Aus der Abluft-Leitung 92 der kontaktlosen Trockenstrecke 9.2, vorzugsweise der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2, wird direkt mittels des Verdampfers einer Wärmepumpe - alternativ auch über einen Zwischenkreislauf eines Wärmeträgermediums - die Wärme aus dem Abluft-Strom 92 an den Wärmepumpenkreislauf übertragen.
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Über den Kondensator 93 des Wärmepumpenkreislaufs - ggf. mit Zwischenkreislauf 99 - wird die Wärme über eine Heizleitung 91 an den Lufterhitzer 81 und die Zuluft 83 der kontaktlosen Trockenstrecke 9.2 übertragen. Damit lässt sich eine Temperaturerhöhung dT von mindestens 10K, typischerweise 20-40K erreichen.
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Ein zweiter, dritter oder vierter Lufterhitzer 81 kann alternativ ein Elektroheizregister, ein Wasserstoff-Gasbrenner, oder auch ein (Hochdruck)-Dampfheizregister oder ein Thermoöl-Heizregister sein, sofern die Medien ausschließlich oder bevorzugt elektrisch erzeugt bzw. erwärmt werden, um eine CO2 Neutralität beim Betrieb der Papiermaschine 1 zu erreichen. Die Lufterhitzer 81 sind in den 1 a bis 1e mit unterschiedlichen Heizquellen dargestellt, dabei ist beispielsweise eine elektrische Beheizung mit dem Bezugszeichen 80 dargestellt oder eine Beheizung mit Wasserstoff durch 85 oder eine Beheizung mit anderen fossilen Brennstoffen bzw. Heizmitteln wie Gas mit 88 gekennzeichnet.
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Alternativ zur Entnahme der Wärme aus dem Abluftstrom 92 der gleichen kontaktlosen Trockenstrecke 9.2, kann die Wärme auch einem anderen, Wärme abgebenden, Strom, wie beispielsweise die Abluft 92 aus einer IR- Trockenstrecke 9.1 (wie in 1c dargestellt) oder einer weiteren benachbarter Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 (wie in 1d dargestellt) oder der Vortrockenpartie 6 (wie in 1b dargestellt) entnommen werden.
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Wie in 1e dargestellt, kann alternativ zur seriellen Anordnung der drei Lufterhitzer 81 aus 1d für die Lufterhitzer 81 der Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 auch eine parallele Anordnung 87 der Lufterhitzer 81 gewählt werden.
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Wie in 1d dargestellt, kann auch eine Anordnung mit Bypass-Leitungen 86 für die weiteren Lufterhitzer 81, welche über den mindestens einen Lufterhitzer 81 angeordnet sind vorgesehen sein, um den Druckverlust zu reduzieren, wenn nicht alle Lufterhitzer 81 in Betrieb sind.
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Wie in 1f dargestellt, kann auch eine Abwandlung der Anordnung aus 1a mit einer Aufteilung der Abluft-Leitung 84 für eine gleichzeitige Nutzung eines Teils der Abluft 84 als Wärmequelle für die Wärmepumpe 90, welche hier als Abluft-Leitung 92 dargestellt ist, und des anderen Teils der Abluft 84, welche über den mindestens einen Lufterhitzer 81 erwärmt wird vorgesehen sein. Als weiteres Merkmal zeigt 1f einen separaten Wärmeträger-Kreislauf 91, 97, vorzugsweise Wasser-Kreislauf, welcher die durch die Wärmepumpe 90 erzeugte Wärme an den Lufterhitzer 81 transferiert und der Lufterhitzer 81 den anderen Teil der Abluft erwärmt und als erwärmte Zuluft 83 in die kontaktlose Trockenstrecke 9.2 zuführt.
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Die für die Wärmepumpe 90 verwendete Abluft 92 wird nach dem Entziehen der Restwärme an die Umgebung oder falls die Wärme noch ausreichen ist, an eine weitere Papiermaschinenpartie über eine Umgebungs-Leitung 98 abgeführt.
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Der Vorteil einer hybriden Lösung - im Vergleich zu einer ausschließlichen Beheizung über eine Wärmepumpe - liegt neben der höheren erreichbaren Temperatur in der Zuluft-Leitung 83 und in der besseren Regelung der Prozesstemperatur. Die Wärmepumpe 90 kann konstant oder COP-optimiert betrieben werden, die resultierenden Temperaturschwankungen im Prozess werden durch den nachgeschalteten Lufterhitzer 81 ausgeregelt.
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Alternativ kann die Wärmepumpe 90 auch zur Abdeckung einer Grundlast verwendet werden, so dass der nachgeschaltete Lufterhitzer 81 nur zur Abdeckung von Spitzenlasten notwendig wird.
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Alternativ kann die Heiß-Lufttrockenstrecke 9.2 beispielsweise als eine Hochleistungshaube an einem Yankee Trockenzylinder bei Tissuepapieren ausgeführt sein. Das bedeutet, dass die benötigte Temperaturdifferenz dT zwischen Zuluft-Strom und Abluft-Strom sich auf einschließlich 60°K bis einschließlich 80°K erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Papiermaschine
- 6
- Vortrockenpartie
- 8
- Auftragseinrichtung
- 9
- Nachtrockenpartie
- 9.1
- erste Trockenstrecke, Kontaktlose IR-Trockenstrecke
- 9.2
- zweite Trockenstrecke, Kontaktlose Heiß-Lufttrockenstrecke
- 80
- elektrische Energieversorgung
- 81
- Lufterhitzer
- 83
- Zu- / Umluft-Leitung
- 84
- Abluft-Leitung
- 85
- Wasserstoffbeheizung
- 86
- Bypass-Leitung Lufterhitzer
- 87
- Parallele Lufterhitzer Anordnung
- 88
- Fossile Brennstoff-Versorgung, vorzugsweise Gas
- 90
- Wärmepumpe
- 91
- Heiz-Leitung
- 92
- Abluft-Leitung
- 93
- Wärmetauscher, Verdampfer
- 94
- Kompressor
- 95
- Wärmetauscher, Kondensator
- 96
- Entspannungsorgan
- 97
- Zuluft-Leitung
- 98
- Umgebungs-Leitung
- 99
- Kreislauf
- F
- Faserstoffbahn
- FB
- beschichtete Faserstoffbahn
- MD
- Maschinenrichtung
- CD
- Maschinenquerrichtung
- x, y, z
- Koordinaten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219379 A1 [0002]
