DE10311602A1

DE10311602A1 - Vorrichtung, insbesondere Wärmetauscher, und Verfahren

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Publication number: DE10311602A1
Application number: DE2003111602
Authority: DE
Original assignee: AGT THERMOTECHNIK GmbH; WTT Wilchwitzer Thermo Technik GmbH
Current assignee: Agt Thermotechnik 41812 Erkelenz De GmbH; Kelvion Brazed PHE GmbH
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-09-23
Also published as: WO2004081478A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung, insbesondere ein Wärmetauscher, zum Trocknen eines Gases sowie ein Verfahren zum Trocknen eines Gases vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Platten (25) vorgesehen ist, wobei die Platten (25) erste Spalträume (21) und zweite Spalträume (22, 23) definieren, wobei in einem ersten, einen Gas/Gas-Wärmetauscher (2.1) bildenden Spaltbereich (2) der ersten und zweiten Spalträume (21, 22, 23) eine Abkühlung des in den ersten Spalträumen (21) befindlichen Gases durch das in den zweiten Spalträumen (22) befindliche Gas vorgesehen ist, wobei in einem zweiten, einen Gas/Kältemittel-Wärmetauscher (3.1) bildenden Spaltbereich (3) der ersten und zweiten Spalträume (21, 22, 23) eine Abkühlung des in den ersten Spalträumen (21) befindlichen Gases mittels eines Kältemittels und/oder mittels eines Thermospeichers vorgesehen ist und wobei ein Abscheidebereich (4) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen eines Gases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere für Gase mit hohem Feuchtigkeitsanteil, wie beispielsweise Luft oder Druckluft mit hohem Feuchteanteil, ist es wünschensweit, die Feuchte dem Gas zu entziehen. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das den hohen Feuchteanteil aufweisende Gas derart abzukühlen, dass der Taupunkt des Gases unterschritten wird. Hierdurch lässt sich die Feuchte von dem Gas trennen. Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, das Gas nachfolgend wieder zu erwärmen und einer weiteren Verwendung zuzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere im wesentlichen als Plattenwärmetauscher vorgesehen und ist insbesondere zur Trocknung bzw. zum Trocknen von Druckluft vorgesehen. Druckluft ist ein Energieträger für Produktionsprozesse und muss definierten Reinheitskriterien genügen. Dabei steht die Forderung nach trockener und sauberer Druckluft im Vordergrund. Durch das Abkühlen der Druckluft sinkt deren Speicherfähigkeit für Wasserdampf und andere unerwünschte Bestandteile, wodurch diese Bestandteile und der Wasserdampf in flüssiger Form ausscheiden und damit aus einem Druckluftstrom abgeschieden werden können. Der Feuchtigkeitsgrad der Druckluft wird im allgemeinen mit dem Begriff Drucktaupunkt beschrieben. Dies ist die Temperatur, bei welcher die Druckluft unter dem jeweiligen Betriebsdruck gerade mit Feuchte vollständig gesättigt ist, wobei bei einem Unterschreiten der Temperatur ein Teil der Feuchte in flüssiger Form ausfällt.
Es sind allgemein Wärmetauscher bekannt, bei denen Medien unterschiedlicher thermischer Energie auf unterschiedlichen Seiten einer Wärmeübergangsfläche, beispielsweise einer Platte eines Plattenwärmetauschers, einen Wärmeübergang hervorrufen.
Hierbei ist es nachteilig, dass zur Trocknung von Gasen ein hoher Energieaufwand getrieben werden muss sowie dass bei druckbeaufschlagten Gasen wie beispielsweise Druckluft ein vergleichsweise hoher Druckverlust auftritt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen störungsfreien und kontinuierlichen Betrieb zur Trocknung von Gasen erlaubt, wobei darüber hinaus der Energieverbrauch der Vorrichtung gering ist, ein Druckverlust bei druckbeaufschlagten Gasen gering ist und ein Taupunkt von ca. +2°C erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Insbesondere durch die Verwendung von durchgehenden ersten Spalträumen kann der Druckverlust begrenzt werden. Durch die Hintereinanderschaltung von zwei Stufen der Abkühlung ist es möglich, die Trocknung besonders vollständig durchzuführen, da ein vergleichsweise geringer Taupunkt erreichbar ist. Insbesondere mittels eines Thermospeichers ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Vorrichtung möglich.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Trocknung eines Gases. Hierbei wird das Gas in zwei Schritten auf eine Temperatur abgekühlt, die eine möglichst vollständige Trocknung erlaubt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sieht das Verfahren die Verwendung eines Thermospeichers vor, der zumindest zeitweise die thermische Energie zur ausreichenden Abkühlung des Gases liefert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet. Die Vorrichtung weist einen Eingangsstutzen 1 auf, mittels dem das zu trocknende Gas in die Vorrichtung eingeführt wird. Als Gas ist es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, Druckluft zu verwenden, weshalb im folgenden die Begriffe Druckluft und Gas weitgehend synonym verwendet werden. Jedoch ist die Vorrichtung auch zur Trocknung anderer Gase als Druckluft vorgesehen. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß insbesondere im wesentlichen als Plattenwärmetauscher vorgesehen. Hierzu sind eine Mehrzahl von Platten 25 in 1 dargestellt. Der gesamte Plattenwärmetauscher bzw. die gesamte Vorrichtung ist erfindungsgemäß mit einem speziellen Kältekautschuk gegen Schwitzwasserbildung und Energieverlust isoliert. Die Platten 25 sind erfindungsgemäß als profilierte Edelstahlplatten 25 vorgesehen, welche insbesondere mit Kupfer verlötet vorgesehen sind. Die Platten 25 sind insbesondere weitgehend parallel zueinander angeordnet und definieren insbesondere durch ihre Abstände voneinander verschiedene Spalträume. Es wird im folgenden zwischen ersten Spalträumen 21 differenziert, die primärseitig, d.h. auf der Gaseinlassseite der Vorrichtung, vorgesehen sind. Zweite Spalträume 22, 23 sind sekundärseitig, d.h. auf der Gasauslassseite der Vorrichtung, vorgesehen. Primärseitig wird das über den Eingang 1 einströmende Gas zunächst abgekühlt, wodurch transportierte Feuchtigkeit auskondensiert. Nach der mittels der Kondensation durchgeführten Trennung des Gases von seiner Feuchtigkeit wird das Gas sekundärseitig erwärmt und an einem Ausgang 6 bzw. einem Ausgangsstutzen 6 seiner weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt. Hierbei umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen drei Bereiche: in einem ersten Bereich, der im Folgenden auch als erster Spaltbereich 2 bezeichnet wird, ist ein Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 vorgesehen; in einem zweiten Spaltbereich 3 ist ein Gas/Kältemittel-Wärmetauscher vorgesehen und in einem dritten Bereich ist ein Abscheidebereich 4, insbesondere mit einem Beruhigungsraumabscheider 4, vorgesehen. Das durch den Eingang 1 einströmende Gas wird durch den ersten Spaltbereich 2 geleitet, dort abgekühlt, im zweiten Spaltbereich 3 weiter abgekühlt und mittels des Abscheidebereichs 4 von seinem Kondensat getrennt, um anschließend mittels eines oder mehrerer Rückführungskanäle 5 als nunmehr getrocknetes Gas dem ersten Spaltbereich 2 zugeführt zu werden. Das dem ersten Spaltbereich 2 zugeführte getrocknete Gas wird erfindungsgemäß in zweiten Spalträumen 22 geführt und führt durch Anwendung des Gegenstromprinzips im Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 des ersten Spaltbereichs 2 zu einer Abkühlung des durch den Eingang 1 (primärseitig) nachströmenden (noch ungetrockneten) Gases bei gleichzeitiger Erwärmung des (sekundärseitigen und) in den zweiten Spalträumen 22 befindlichen getrockneten Gases.
Der Eingangsstutzen 1 oder auch Eingang 1 der Vorrichtung ist mit den ersten Spalträumen 21 verbunden. Die ersten Spalträume 21 verlaufen erfindungsgemäß insbesondere in vertikaler Richtung, wobei der Eingang 1 im Bereich des oberen Endes der Vorrichtung vorgesehen ist. Im Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 des ersten Spaltbereichs 2 strömt das Gas bzw. die Druckluft im Gegenstrom durch speziell entwickelte Flächen und Kanäle der ersten Spalträume 21 nach unten und wird primärseitig von einer Drucklufteingangstemperatur von ca. 35°C auf ca. 17°C abgekühlt. Aus diesem Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 strömt das Gas bzw. die Druckluft ohne (primärseitige) Umlenkung senkrecht nach unten in den Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 und zwar erfindungsgemäß insbesondere auch ohne die jeweilige Spaltebene der ersten Spalträume 21 zu verlassen.
Im Gas/Kältemittel-Wärmetauscher wird das Gas bzw. die Druckluft im Gegenstrom durch speziell entwickelte Flächen und Kanäle, insbesondere mittels verdampfenden Kältemittels, von ca. 17°C auf ca. 1°C abgekühlt. Das Kältemittel wird dabei über einen Kältemittelkreislauf mittels eines Eingangsanschlusses 8 flüssig mit einem Verdampfungsdruck von ca. 2.1 bar und einer Temperatur von ca. 1°C in die Vorrichtung eingeleitet. In dem Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 strömt das flüssige Kältemittel dem Gas bzw. der Druckluft im Gegenstrom von unten nach oben entgegen. Das Kältemittel wird dabei in mit dem Bezugszeichen 23 bezeichneten zweiten Spalträumen 23 geführt. Dies zweiten Spalträume 23 werden auch als Kältemittelspalträume 23 bezeichnet. Die Kältemittelspalträume 23 des Gas/Källtemittel-Wärmetauschers 3.1 sind von den zweiten Spalträumen 22 des Gas/Gas-Wärmetauschers getrennt. Sekundärseitig sind der Kältemittelkreis des Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 und der Lufterwärmer im Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 durch geeignete Profilierung der Platten 25 in den Spalten der zweiten Spalträumen 22, 23 gegeneinander abgedichtet. Durch die speziellen Wärmetauscherflächen und Kanäle nimmt das flüssige Kältemittel im Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 Energie von der Druckluft auf, um zu Verdampfen. Durch die Energieaufnahme des flüssigen Kältemittels zum Wechsel des Aggregatzustandes von „flüssig" zu „gasförmig" wird das Gas bzw. wird die Druckluft von ca. 17°C auf ca. 1°C abgekühlt. Das dampfförmige Kältemittel wird über einen Ausgangsanschluss 9 als überhitzter Kaltdampf von einem in 1 nicht dargestellten Kältemittelverdichter aus dem Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 abgesaugt.
Durch die primärseitige Abkühlung des Gases bzw. der Druckluft auf ca. 1°C wird der Drucktaupunkt des Gases bzw. der Druckluft auf 2°C herabgesetzt und die auskondensierende Feuchtigkeit kann in flüssiger Form im Beruhigungsraumabscheider 4 von dem Gas bzw. der Druckluft getrennt werden. Beim Abscheiden des Kondensats wird durch geeignete, in 1 jedoch nicht dargestellte Führungen für das Luft-Kondensatgemisch erreicht, dass die Wahrscheinlichkeit eines Mitreißens von Kondensattröpfchen aus dem jeweiligen Spalt der ersten Spalträume 21 verringert wird. Über einen Kondensatausgang 7 wird die Flüssigkeit durch einen geeigneten Kondensatabscheider aus der Vorrichtung abgeleitet.
Die im Abscheidebereich 4 vorhandene Druckluft bzw. das Gas mit einer Temperatur von etwa 1°C und einem Drucktaupunkt von ca. 2°C wird (nunmehr sekundärseitig) über Rückführungskanäle 5, die im Folgenden auch als Strömungskanäle 5 bezeichnet werden, in den Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 zurückgeführt. Die Führung des getrockneten Gases bzw. der getrockneten Druckluft vom Abscheidebereich 4 zum Eintritt in den Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 kann erfindungsgemäß insbesondere über einen Kanal oder eine Rohrleitung erfolgen, der bzw. die an der Anschlussplatte oder an der Endplatte des Plattenwärmetauschers beispielhaft vorgesehen ist. In diesem Gas/Gas-Wärmetauscher 2.1 strömt in den zweiten Spalträumen 22 die (sekundärseitige) kalte Druckluft bzw. das kalte Gas der (primärseitig nachströmenden) warmen Druckluft bzw. dem warmen Gas in den ersten Spalträumen 21 entgegen und wird von ca. 2°C auf ca. 27°C erwärmt. Die erwärmte und trockene Druckluft wird über den Ausgang 6 aus der Vorrichtung ausgeleitet und ist anschließend, beispielsweise zur Verwendung in einem Produktionsprozess, verwendbar.
Im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Thermospeicher 10 ausgestattet. Der Thermospeicher 10 ist zur Aufnahme und Abgabe von thermischer Energie in Form von „Kälte" vorgesehen. Der Thermospeicher 10 kann erfindungsgemäß auch als eine Mehrzahl von Thermospeichern 10 vorgesehen sein. Mit dem oder den Thermospeicher(n) 10 wird bei niedrigem Gasvolumenstram in der Vorrichtung „Kälte" von dem Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 gespeichert. Bei höherem Gasvolumenstrom in der Vorrichtung wird die in den Thermospeichern 10 in Form von „Kälte" gespeicherte thermische Energie wieder an den Gas/Kältemittel-Wärmetauscher 3.1 abgegeben. Durch diese Speicherung von thermischer Energie in den Thermospeichern 10 ist es erfindungsgemäß möglich, den nicht dargestellten Kältemittelverdicher bei geringem oder keinem Gasvolumenstrom abzuschalten. Dadurch ist es möglich, ein hohes Maß an für den Betrieb des Kältemittelverdichters notwendigen Energie einzusparen. Zur Bereitstellung eines Maßes für die im Thermospeicher 10 gespeicherte thermische Energie ist erfindungsgemäß insbesondere ein Temperaturfühler 11 vorgesehen, dessen Messwerte an eine nicht dargestellte Steuerung weiterleitet werden können. Hierzu ist der Temperaturfühler 11 beispielsweise auf der Außenfläche des Gas/Kältemittel-Wärmetauschers 3.1 angebracht. Über die nicht dargestellte Steuerung kann der Kältemittelverdichter bei Bedarf lastabhängig ein- und ausgeschaltet werden.

1: Eingang
2: erster Spaltbereich
3: zweiter Spaltbereich
4: Abscheidebereich
5: Rückführungskanäle
6: Ausgang
7: Kondensatausgang
8: Eingangsanschlusses
9: Ausgangsanschluss
10: Thermospeicher
11: Temperaturfühler
21: erste Spalträumen
22, 23: zweite Spalträume
25: Platten
2.1: Gas/Gas-Wärmetauscher
3.1: Gas/Kältemittel-Wärmetauscher

Claims

Vorrichtung, insbesondere Wärmetauscher, zum Trocknen eines Gases mit einer Mehrzahl von Platten (25), wobei die Platten (25) erste Spalträume (21) und zweite Spalträume (22, 23) definieren, wobei in einem ersten, einen Gas/Gas-Wärmetauscher (2.1) bildenden Spaltbereich (2) der ersten und zweiten Spalträume (21, 22, 23) eine Abkühlung des in den ersten Spalträumen (21) befindlichen Gases durch das in den zweiten Spalträumen (22) befindliche Gas vorgesehen ist, wobei in einem zweiten, einen Gas/Kältemittel-Wärmetauscher (3.1) bildenden Spaltbereich (3) der ersten und zweiten Spalträume (21, 22, 23) eine Abkühlung des in den ersten Spalträumen (21) befindlichen Gases mittels eines Kältemittels und/oder mittels eines Thermospeichers (10) vorgesehen ist und wobei ein Abscheidebereich (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spaltbereich (3) dem ersten Spaltbereich (2) entlang der Strömungsrichtung des Gases in den ersten Spalträumen (21) nachgeordnet vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidebereich (4) als ein Beruhigungsraumabscheider (4) vorgesehen ist und dass sich der Abscheidebereich (4) an den zweiten Spaltbereich (3) in Strömungsrichtung des Gases in den ersten Spalträumen (21) anschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gases in den ersten Spalträumen (21) von oben nach unten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spaltbereich (2) im oberen Drittel der Vorrichtung vorgesehen ist und/oder dass der zweite Spaltbereich (3) im mittleren Drittel der Vorrichtung vorgesehen ist und/oder dass der Abscheidebereich (4) im unteren Drittel der Vorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (25) als Edelstahlplatten, insbesondere kupferverlötet, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitung des Gases in den ersten Spalträumen (21) aus dem ersten Spaltbereich (2) in den zweiten Spaltbereich (3) ohne Umlenkungen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitung des Gases aus dem Abscheidebereich (4) in den ersten Spaltbereich (2) mittels Rückführungskanäle (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der varhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Spaltbereich (3) und/oder im Abscheidebereich (4) der Vorrichtung wenigstens ein Thermospeicher (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Spaltbereich (3) und/oder im Abscheidebereich (4) der Vorrichtung wenigstens ein Temperaturfühler (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolation der Vorrichtung mittels eines Kältekautschuks vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Druckluft vorgesehen ist.
Verfahren zur Trocknung eines Gases mit folgenden Schritten: – Abkühlung des Gases mittels eines Gas/Gas-Wärmetauschers (2.1), – weitere Abkühlung des Gases mittels eines Gas/Kältemittelwärmetauschers (3.1), – Trennung von Gas und Kondensat mittels eines Beruhigungsraumabscheiders (4), – Erwärmung des Gases mittels des Gas/Gas-Wärmetauschers (2.1).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie zum Betrieb des Gas/Kältemittelwärmetauschers (3.1) von einem Thermospeicher (10) geliefert wird und wobei der Kältemittelkreislauf des Gas/Kältemittelwärmetauschers (3.1) ausgeschaltet ist.