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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Trocknerkombination
bestehend aus jeweils einem in Reihe geschalteten Kältetrockner
und kaltregeneriertem Adsorptionstrockner sowie einen Kombinationstrockner
zur Durchführung
des Verfahrens.
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Kältetrockner
und kaltregenerierte Adsorptionstrockner für die Trocknung von Druckluft
und Gasen (beide Bezeichnungen Gas und Druckluft werden folgend
mit derselben Bedeutung für
die Erfindung benutzt) sind seit langem bekannt. Mit Kältetrocknern
werden Drucktaupunkte von 1 °C
bis 4 °C erreicht,
die dicht über
dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, mit kaltregenerierten Adsorptionstrocknern
je nach Auslegung sehr viel tiefere Drucktaupunkte, die in Stufen
von –20°C, –40°C und –70°C genormt
sind.
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Kältetrockner
haben im Volllastbetrieb einen relativ geringen Energieverbrauch.
Im Teillastbetrieb muss die Kälteleistung
des Kältekompressors
gedrosselt werden, um ein Einfrieren des Kältetrockners zu vermeiden.
Intervallbetrieb mit Ein-/Ausschalten des Kältekompressors lässt den
Drucktaupunkt schwanken und ist ohne erhöhten Kompressorverschleiß nur bis
zu einer Einschalthäufigkeit
von etwa 8/Stunde möglich.
Als Alternative bietet sich der Einsatz eines Heißgasreglers
an, der einen Kältemittelrückfluss
am Kältekompressor
ermöglicht
und einen sehr konstanten Drucktaupunkt ergibt, jedoch im Teillastbereich
den spezifischen Energieverbrauch ganz beträchtlich erhöht. Energiesparender jedoch sehr
viel aufwendiger in der Herstellung sind Kältetrockner mit thermischem
Speicher zur Verringerung der Schalthäufigkeit im Intervallbetrieb
oder mit drehzahlgeregeltem Antrieb des Kältekompressors.
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Kaltregenerierte
Adsorptionstrockner arbeiten mit zwei mit Trockenmittel gefüllten Adsorberbehältern, von
denen der eine den Gasstrom durch Adsorption trocknet, während parallel
im zweiten die Regeneration des Trockenmittels mit einem Regenerationsgasstrom
erfolgt, der ein annähernd
auf Umgebungsdruck entspannter Teilstrom des getrockneten Gasstromes
ist. Die Dauer der Regenerationsphase ist ungefähr gleich der Dauer der Adsorptionsphase,
jedoch gegliedert in eine aktive Regenerationsphase mit Strömung der
Regenerationsluft, und eine passive Regenerationsphase ohne Strömung der
Regenerationsluft. Vor Erreichen der Aufnahmekapazität des Trockenmittels
erfolgt ein Umschalten, und beide Behälter wechseln zwischen Adsorption/Regeneration
und dazu auch zwischen Betriebsdruck/Umgebungsdruck (daher Bezeichnung
auch: Druckwechseladsorber). Die Entspannung des Teilstroms vom
Betriebsdruck auf nahezu Umgebungsdruck erhöht dessen Feuchteaufnahmefähigkeit ganz
beträchtlich,
so dass je nach Betriebsdruck der Regenerationsluftstromstrom nur
einen Bruchteil des Hauptstromes beträgt, bei einem Betriebsüberdruck von
7 bar theoretisch 1/(1+7) = 12;5%, in der Praxis 15% bis 20%, über die
gesamte Adsorptionsphase gemittelt. Die Herstellkosten dieser kaltregenerierten Adsorptionstrockner
sind zwar sehr gering, jedoch fallen zusätzlich ganz beträchtliche
Investitions- und Betriebskosten am Kompressor der Gesamtanlage zur
Erzeugung des Regenerationsluftstromes an.
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Es
gab daher Bestrebungen, zur Erzielung von Drucktaupunkten unter
0 °C die
Druckluft bzw. das Gas in einem Kältetrockner vorzutrocknen und
in einem nachgeschalteten kaltregenerierte Adsorptionstrockner auf
den erwünschten
Trocknungsgrad zu bringen. Trocknerkombinationen dieser Art sind
in dem Fachbuch „Werner
Straus-Zunker: Filtern und Trocknen" (ISBN 3-00-000388-6) 1. Auflage (1996) ab
Seite 361 beschrieben. Dieses Verfahren reduziert zwar den erforderlichen
Regenerationsgasstrom ganz beträchtlich,
z.B. auf 1/5 der ohne vorgeschalteten Kältetrockner benötigten Menge,
beseitigt jedoch nicht die zuvor beschriebenen Nachteile des Kältetrockners
bei Teillast und führt
zu beträchtlich höheren Herstellkosten,
wenn Kältetrockner
und kaltregenerierter Adsorptionstrockner jeder für sich funktionsfähig ausgerüstet hintereinander
geschaltet werden. Zu Anpassung des Adsorptionstrockners bei Teillastbetrieb
und Ausfall des Kältetrockners
wird eine lastabhängige
Steuerung mit Messung des Taupunktes am Austritt des Adsorptionstrockners
empfohlen (siehe Seiten 363 und 350 der o.g. Druckschrift).
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Es
gab auch Bestrebungen, Kältetrockner und
Adsorptionstrockner zu kombinieren. Das deutsche Gebrauchsmuster
G 92 01 713.4 betrifft eine Trocknerkombination von Kältetrockner
und warmregeneriertem Adsorptionstrockner, der in den Kältetrockner
integriert ist. In der praktischen Ausführung der für große Durchsatzleistungen ausgelegten Trocknerkombination
zeigt der Katalog DBD-500-EX des Herstellers HANKISON INTERNATIONAL
jedoch eine weitgehend getrennte Ausführung. Generell sind warmregenerierte
Adsorptionstrockner wegen der hohen Komplexität und entsprechenden Herstell- und Betriebsaufwandes
großen
Durchsatzleistungen vorbehalten, während kaltregenerierte Adsorptionstrockner
eher für
kleine Durchsatzleistungen geeignet sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Trocknerkombination
bestehend aus jeweils einem in Reihe geschalteten Kältetrockner
und kaltregeneriertem Adsorptionstrockner sowie einen integrierten
Kombinationstrockner zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile
des Kältetrockners
und des Adsorp tionstrockner beseitigt und eine für Herstellaufwand und Betriebskosten
insgesamt günstige
Lösung
schafft.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst,
in verbesserter Form in weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch
Merkmale der Unteransprüche.
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Dazu
lehrt die Erfindung, für
den Kältetrockner
auch größere Schwankungen
des Drucktaupunktes des Gasstromes an seinem Austritt zuzulassen und
zur Einhaltung eines gewünschten
konstanten Drucktaupunktes am Austritt der gesamten Trocknerkombination
den Adsorptionstrockner zeitweise höher mit Feuchte zu belasten
und dazu die Dauer der Adsorptionsphasen und der aktiven Regenerationsphasen
laufend und prozessorgesteuert anzupassen. Dadurch wird für die einfachste
Ausführung
des Kältetrockners – ohne Heißgasregler,
ohne thermischen Speicher, ohne Drehzahlregelung des Kältekompressors,
ohne andere aufwendige Maßnahmen – auch bei
sonst kritischen Teillasten ein Ein-Aus-Betrieb mit einer ausreichend
geringen Einschalthäufigkeit
möglich.
Dabei ist die Einfriergefahr bei unter 0 °C zu beachten. Durch die höhere Feuchtebelastung des
Adsorptionstrockners steigt prozessorgesteuert die erforderliche
Regenerationsgasmenge in Perioden höheren Drucktaupunktes am Austritt
des Kältetrockners
zwar geringfügig
an; dieser Nachteil ist jedoch sehr gering im Vergleich zu den Energieverlusten
bei Einsatz eines Heißgasreglers
oder den Herstellkosten, die für
die Durchführung
der anderen genannten Maßnahmen,
wie thermischer Speicher oder Drehzahlregelung, erforderlich wären. Insgesamt wird
ein Verfahren zum Betrieb einer Trocknerkombination und ein integrierter
Kombinationstrockner zur Durchführung
des Verfahrens geschaffen mit folgenden Vorteilen:
- – Im
Vergleich mit einem Adsorptionstrockner ohne vorgeschalteten Kältetrockner:
Erzielung eines Drucktaupunktespunktes von z.B. –40 °C mit wesentlich geringerem
Regenerationsluftverbrauches von z.B. nur 1/5 des reinen Adsorptionstrockners
und entsprechend niedrigeren Energieverbrauch; zusätzlich Einsparung
eines größeren Kompressors
zur Erzeugung des Regenerationsgasstromes.
- – Im
Vergleich zu einem Kältetrockner
mit nachgeschaltetem Adsorptionstrockner nach dem Stand der Technik:
Einfachster Aufbau des Kältetrockners
ohne Heißgasregler,
ohne thermischen Speicher, ohne Drehzahlregelung des Kältekompressors
mit einfachem Ein-Aus-Betrieb; kostenoptimaler Betrieb des Kombinationstrockners
auch im kritischen Teillastbereich (z.B. bei 90 % Last) mit geringem
Energieverbrauch bei geringer Schalthäufigkeit und kostengünstige Herstellung
durch Integration beider Trockner und gemeinsame Steuerung.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung wird als Messgröße die Temperatur
T1 des Gasstromes an der kältesten
Stelle am Austritt des Verdampfers des Kältetrockners in Messintervallen Dt1
als Messwert aufgenommen. Diese Temperatur T1 beschreibt den Wassergehalt
des gesättigten Gasstromes
am Eintritt in den Adsorptionstrockner. Die Größe des Gasstromes lässt sich
aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur T1 in Kenntnis des Schaltzustandes
des Kältekompressors
Ein oder Aus berechnen und mit der Feuchte und dem Gasmassenstrom
die augenblickliche Feuchtebelastung des Adsorptionstrockners zur
Anpassung der Dauer der Adsorptionsphase ermitteln. In der Steuereinheit
des Kombinationstrockners werden die seit Beginn der laufenden Adsorptionsphase
für die
aufeinander folgenden Messintervalle Dt1 ermittelten augenblicklichen
Feuchtebelastungen in einem Speicher zur Gesamtfeuchtebelastung
aufsummiert und bei Erreichen eines Grenzwertes die laufende Adsorptionsphase
beendet und auf den anderen Adsorberbehälter umgeschaltet.
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Der
Kältekompressor
wird ausgeschaltet, sobald die Gefahr des Einfrierens besteht, wenn
also in einer besonderen Ausführungsform
die Temperatur T1 sich 0 °C
nähert,
also z.B. bei +1°C.
Bei folgendem Anstieg von T1 wird der Kältekompressor in einer Ausführungsform
der Erfindung zu dem Zeitpunkt wieder eingeschaltet wird, wenn unter
Beachtung technischer Grenzen ein Betriebskostenvergleich zwischen
Energie- und Wartungsaufwendungen für den Kältekompressor in Abhängigkeit
zumindest von der Schaltweise EIN/AUS/EIN einerseits und den Energie-
und Wartungsaufwendungen für
den Adsorptionstrockner in Abhängigkeit
zumindest vom Verbrauch an Regenerationsluft und Ersatz-Trockenmittelfüllung der
Adsorberbehälter
andererseits den Zeitpunkt als optimal ausweist.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird der Kältekompressor
dann wieder eingeschaltet, wenn ein erster oberer Grenzwert für T1 erreicht
wird, jedoch nur, wenn seine über
einen eingespeicherten Zeitraum Dt2 aufsummierte Anzahl von Schaltungen einen
eingespeicherten Grenzwert nicht übersteigt. Spätestens
bei Erreichen eines zweiten oberen Grenzwertes von T1 wird wieder
eingeschaltet.
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Bei
stark schwankenden Gastemperaturen am Eintritt in den Kältetrockner
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
zusätzlich
die Temperatur T2 an einer zweiten Stelle des Gasstromes, bevorzugt
am Eintritt in den Kältetrockner
gemessen und zur Bestimmung der Größe des Gasstromes und damit
der Feuchtebelastung des Adsorptionstrockners herangezogen.
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Am
Ende der Adsorptionsphase des einen Adsorberbehälters wird dieser in die Regenerationsphase
und der zweite Adsorberbehälter
in die Adsorptionsphase umgeschaltet. Die Dauer der Adsorptionsphase
bestimmt sich aus der aufsummierten Feuchtebelastung des Ad sorptionstrockners.
Für die Regeneration
wird eine bestimmte Regenerationsluftmenge benötigt, wobei nach Einschalten
des Regenerationsluftstromes je nach Systemdruck und Drosselung
in der Regenerationsluftleitung ein bestimmter Massenstrom strömt. Bei
geringer aktueller Feuchtebelastung und damit langer Adsorptionsphase
muss dieser Regenerationsluftstrom nicht über die gesamte Zeitdauer strömen, sondern
nur für
die Dauer der aktiven Phase der Renerationsphase, während der
passiven Phase strömt
kein Renerationsluftstrom. In einer besonderen Ausführungsform
lösen sich
kurze passive und aktive Phasen miteinander ab. Dies hat den Vorteil,
dass die zur Regeneration des Trockenmittels erforderliche Masse
an Regenerationsluft über
einen längeren
Zeitraum verteilt wird, also z.B. über die gesamte Länge der
Adsorptionsphase des anderen Adsorberbehälters, und damit einen geringeren
Mittelwert annimmt
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Bei
stark schwankenden Systemdrücken kann
es weiterhin vorteilhaft sein, einen weiteren Messwert aufzunehmen
und daraus prozessorgesteuert den augenblicklichen Druck P des Gasstromes
zu ermitteln und diesen zur Bestimmung der Gesamtdauer der aktiven
Phase oder der aktiven Phasen bis zum Beginn der nächsten Adsorptionsphase des
betreffenden Adsorberbehälters
heranzuziehen.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, den Adsorptionstrockner umgebar zu machen,
um ihn abzuschalten, wenn der Drucktaupunkt am Austritt des Kältetrockners
ausreichend ist.
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Die
Erfindung beinhaltet auch die Schaffung eines Kombinationstrockners
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bestehend aus einem Kältetrockner
und einem kaltregenerierten Adsorptionstrockner, wobei alle Umschaltorgane
am Kältetrockner
und am kaltregenerierten Adsorptionstrockner sowie alle Messwertaufnehmer
mit einer gemeinsamen elektronischen Steuereinheit verbunden sind
und von dieser gesteuert werden. Bevorzugt hat diese eine Eingabeschnittstelle
oder Eingabeeinheit zur Eingabe anlagenspezifischer Daten, einen
Prozessor zur Durchführung
von Messungen, Berechnungen und Steuerungen sowie einen Speicher
zur Speicherung eingegebener Daten, fester verfahrenstechnischer
Daten, Programme, Messwerte und Rechenwerte. Die elektronische Steuereinheit
schaltet zumindest den Kältekompressor
ein und aus sowie die zwei miteinander verschalteten Adsorberbehältern abwechselnd
jeweils von einer Adsorptionsphase in eine Regenerationsphase und
umgekehrt und zwischen aktiver Regenerationsphase und passiver Regenrationsphase
mit und ohne Regenerationsstrom.
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Die
Umschaltung der Adsorberbehältern
erfolgt in einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung mit zwei elektrisch gesteuerten Ablassventilen und
zwei Wechselventilen, in einer anderen Ausführungsform mit insgesamt sechs
elektrisch vorgesteuerten Membranventilen.
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Auch
die Ablassventile sind bevorzugt als vorgesteuerte Membranventile
ausgeführt,
wobei deren Betätigung-
wie üblich – bevorzugt
durch Magnetventile erfolgt. In einer besonderen Ausführungsform werden
insgesamt sechs Membranventile von zusammen zwei Magnetventilen
gesteuert, wobei jeweils drei Membranventile – und zwar jeweils eins am Eintritt
und am Austritt jedes der beiden Adsorberbehältern sowie das Ablassventil
am jeweils anderen Adsorberbehältern – von einem
gemeinsamen Magnetventil gesteuert werden.
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Die
Größe des Regenerationsluftstroms
ist durch eine austauschbar in einer Verbindungsleitung zwischen
den beiden Adsorberbehältern
angeordnete Drossel bestimmbar. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verbindungsleitung durch ein von der Steuereinheit
betätigbares
Ventil zu öffnen
und zu verschließen.
Dieses Ventil ermöglicht es,
mehrere aktive und passive Regenerationsphasen aufeinander folgen
zu lassen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Temperatursensor am Austritt des Verdampfers des
Kältetrockners
angeordnet, über
den die Temperatur T1 des Gasstromes und damit dessen Drucktaupunkt
bzw. Feuchte sowie dessen Größe über den Anstieg
oder Abfall des Messwertes nach Aus- oder Einschalten des Kältekompressors
messbar sind. Der Zusammenhang zwischen der Größe des Gasstromes und dem Anstieg
oder Abfall des Messwertes T1 nach Aus- oder Einschalten des Kältekompressors
wird über
Berechnungen und Versuche ermittelt und in die Steuereinheit eingespeichert.
In einer weiteren Ausführungsform
wird ein zweiter Temperatursensor zur Messung einer Temperatur T2
des Gasstromes an einer anderen Stelle des Kältetrockners, bevorzugt am
Eintritt in den Kältetrockner
angeordnet, dessen Messwerte für
die Bestimmung der Größe des Gasstromes
aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur T1 herangezogen werden.
Die Bestimmung der Größe des Gasstromes
ist jedoch auch mit einem Durchflusssensor möglich. Wird dieser am Ausgang
des Verdampfers des Kältetrockners
angeordnet und als thermodynamisch messender Sensor ausgeführt, dient
er auch der Bestimmung der Temperatur T1.
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Die
Wärmeabfuhr
aus dem Kondensator des Kältetrockners
ist über
ein Gebläse
zur Umgebungsluft vorgesehen, in einer anderen Ausführungsform jedoch über einen
mit dem Kondensator zusammenwirkenden Wärmetauscher, der zumindest
von einem dem Gasstrom am Austritt des Kältetrockners entnommenen Teilstrom
gekühlt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind zumindest Kältetrockner,
Adsorptionstrockner und Steuereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
Figuren zeigen folgende Schaltschemata:
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1 Kältetrockner
nach dem bekannten Stand der Technik
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2 Adsorptionstrockner
nach dem bekannten Stand der Technik
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3 Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kombinationstrockners
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4 anderes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kombinationstrockners
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5 weiteres
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kombinationstrockners
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6 Ausführungsbeispiel
für zeitlichen
Ablauf von Messungen und Schaltungen
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1 zeigt
einen Kältetrockner
(2) nach dem bekannten Stand der Technik. Das zu trocknende Gas
mit Pfeil (5) dargestellt, z.B. Druckluft, strömt über den
Eintritt (3) in den Luft-Luft-Wärmeaustauscher (10),
in dem es im Gegenstrom vom dem den Kältetrockner (2) über dessen
Austritt (4) verlassenden Gasstrom – mit Pfeil (6) bezeichnet – vorgekühlt wird.
Im folgenden Verdampfer (8) wird es auf die niedrigste
Temperatur T1 (34) – z.B.
3 °C – abgekühlt, die über den
Temperatursensor T1 (35) gemessen wird, und dabei auf den
entsprechenden Drucktaupunkt entfeuchtet. Danach strömt das Gas über Kondensatabscheider
(11) und Luft-Luft-Wärmeaustauscher
(10) dem Austritt (4) zu. Das anfallende Kondensat
wird im Kondensatabscheider (11) abgeschieden und über den
Kondensatableiter (12) abgeleitet.
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Die
Kühlleistung
erzeugt der von einem Elektromotor angetriebene Kältekompressor
(7), der das verdampfte Kältemittel dem Kondensator (9)
zutreibt, wo es wieder kondensiert und über das Expansionsventil (15)
geregelt wieder dem Verdampfer (8) zuströmt. Der
Regelmechanismus ist bekannt und wird nicht weiter erläutert. Bei
Teillast, also bei geringerem Gasstrom (5, 6),
sinkt die Temperatur T1 (34) und es kommt zum Einfrieren
des Kondensates. Eine bekannte Technik, dies zu verhindern, ist
das zeitweise Abschalten des Kältekompressors
(7), sobald eine Temperaturgrenze unterschritten wird.
Im hohen Teillastbereich (z.B. bei 90 % Last, bzw. Gasstrom) muss
der Kältekompressors
(7) sofort wieder eingeschaltet werden, um einen unzulässig hohen
Anstieg von T1 (34) zu vermeiden. Dies würde jedoch
zu so häufigem
An-Aus-An-Schalten führen,
das z.B. wegen mangelhafter Schmierung die Lebensdauer des Kältekompressors
(7) beträchtlich
sinkt. Daher ist es Praxis, im Teillastbetrieb über das Heißgasregelventil (16)
Kühlleistung
abzubauen, was hohe Energieverluste und damit unnötige Betriebskosten
verursacht. An die Steuereinheit (17) sind in diesem Ausführungsbeispiel
der bekannten Technik der mit „M" gekennzeichnete
Motor des Kältekompressors
(7), das Heißgasregelventil
(16) und der Temperatursensor T1 (35) über Steuer-
und Messleitungen (18) angeschlossen
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2 zeigt
einen kaltregenerierten Adsorptionstrockner (19) nach dem
Stand der Technik. Das zu trocknende Gas, mit Pfeil (22)
dargestellt, z.B. Druckluft, strömt über den
Eintritt (20) dem Adsorptionstrockner (19) zu
und über
das Wechselventil (49) in den ersten Adsorberbehälter (25),
der mit Trockenmittel gefüllt
ist, von dort über
das zweite Wechselventil (49) zum Austritt (21)
des Adsorptionstrockner (19), den der durch Pfeil (23)
gekennzeichnete auf einen Drucktaupunkt von z.B. –40°C getrocknete
Gastrom verlässt.
Ein Teilstrom (je nach Betriebsdruck z.B. 17 %) des getrockneten
Gases strömt über die Verbindungsleitung
(57) und die Drossel (58) als Regenerationsgasstrom
(27) durch den zweiten Adsorberbehälter (26), regeneriert
bei einem nur geringfügig über Umgebungsdruck
liegenden Behälterdruck das
darin enthaltene Trockenmittel und verlasst das System über das
dem zweiten Adsorberbehälter
(26) zugeordnete Ablassventil (48). Das dem ersten
Adsorberbehälter
(25) zugeordnete Ablassventil (48) ist geschlossen
und daher schwarz dargestellt.
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Nach
ausreichender Regeneration, nach Abschluss der aktiven Regenerationsphase
(73), wird das dem zweiten Adsorberbehälter (26) zugeordnete Ablassventil
(48) geschlossen, der Behälterdruck steigt durch die
Strömung
(27) wieder auf Betriebsdruck an (Beginn der passiven Regenerationsphase (74))
und der zweite Adsorberbehälter
(26) steht für seine
nächste
Adsorptionsphase (71) bereit. Sobald das Feuchtespeichervermögen des
Trockenmittels im ersten Adsorberbehälter (25) erreicht
ist, wird das dem ersten Adsorberbehälter (25) zugeordnete
Ablassventil (48) geöffnet.
Durch den schnellen Druckabfall und die damit verbundene Strömung werden die
Kugeln (51) in den Gehäusen
(50) der beiden Wechselventile (49) in die zur
bisherigen Lage entgegengesetzte Lage bewegt, und damit jetzt der
zweite Adsorberbehälter
(26) von zu trocknendem Gas (24) durchströmt, während die
aktive Regenerationsphase (73) des ersten Adsorberbehälters (25)
beginnt. Die beiden Ablassventile (48) werden von der Steuereinheit
(29) gesteuert, wobei z.B. jeweils eine fest eingestellte
Dauer für
Adsorptionsphase (71) und aktive Regenerationsphase (73)
abgefahren werden. Diese Zeiten sind anlagenspezifisch z.B. in Abhängigkeit
von Betriebsdruck und Betriebstemperatur einzustellen. Bekannt,
jedoch sehr kostenaufwendig ist es auch, die Feuchte des getrockneten
Gasstromes zu messen und bei deren Ansteigen die Umschaltungen vorzunehmen.
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Kaltregenerierte
Adsorptionstrockner (19) dieser Art sind einfach aufgebaut,
verursachen jedoch durch den hohen Regenerationsluftverbrauch hohe
Betriebskosten und machen die Anschaffung eines größeren Kompressors
zur Erzeugung des Regenerationsgasstromes (27) erforderlich.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Trocknerkombination
(1), die bevorzugt als integrierter Kombinationstrockner (1)
ausgeführt
ist. Dabei sind ein Kältetrockner
(2) mit einem zur Anpassung an die aktuelle Belastung mit zu
trocknendem Gasstrom (5) ein- und ausschaltbaren Kältekompressor
(7), und einem stromabwärts des
Kältetrockners
(2) angeordneten kaltregenerierten Adsorptionstrockner
(19) mit zwei betätigbaren Ablassventilen
(48) hintereinander geschaltet. Dies ist noch bekannte
Technik, wie auch zum Stand der Technik oben beschrieben. Kältetrockner
(2) und Adsorptionstrockner (19) sind genau wie
in 1 und 2 dargestellt aufgebaut. Daher
wird hier auf deren erneute Beschreibung verzichtet. Im Unterschied zu 1 besitzt
der Kältetrockner
(2) jedoch keinen Heißgasregler
(16).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb der Trocknerkombination ist wie folgt:
- – am
Kältetrockner
(2) wird kontinuierlich oder in Messintervallen Dt1 (33)
die Temperatur T1 (34) an der kältesten stelle am Austritt
des Verdampfers (8) aufgenommen, die über den Messwert T1 den Drucktaupunkt
des Gasstromes (5) und über den
zeitlichen Verlauf von T1 (34) die Größe des Gasstromes (5)
und damit die Belastung des Adsorptionstrockners (19) mit
zu trocknendem Gasstrom (5, 22) auswertbar machen;
- – es
erfolgt eine prozessorgesteuerte Bewertung anhand gespeicherter
Daten, welche Auswirkungen die aufgenommenen Messwerte (34)
und deren zeitlicher Verlauf zur Erzielung einer insgesamt optimalen
Betriebsweise der Trocknerkombination (1) auf die einzustellende
Dauer der Adsorptionsphasen (71) und aktiven Regenerationsphasen
(73) des Adsorptionstrockners (19) sowie auf die
Dauer der Ein- und Ausschaltphasen des Kältekompressors (7)
haben, wobei auch größere Schwankungen
des Drucktaupunktes am Austritt (4) des Kältetrockners
(2) unter Beachtung der Einfriergefahr bei etwa 0 °C erlaubt
sind und zur Einhaltung eines gewünschten Drucktaupunktes am
Austritt (21) der Trocknerkombination (1) durch
die einstellbare Dauer der Adsorptionsphasen (71) und der
aktiven Regenerationsphasen (73) des Adsorptionstrockners
(19) prozessorgesteuert ausgeglichen werden;
- – die
Dauer der laufenden und/oder Beginn und Dauer der unmittelbar bevorstehenden
Adsorptions- und aktiven Regenerationsphasen (71, 72, 73)
sowie die Ein- und Ausschaltphasen des Kältekompressors (7)
werden bestimmt und/oder zuvor bestimmte Werte überprüft und korrigiert;
- – die
Adsorberbehältern
(25, 26) werden zu den dafür berechneten jeweiligen Zeitpunkten
von einer Adsorptionsphase (71) in eine Regenerationsphase
(72) und umgekehrt umge schaltet und die aktive Regenerationsphase
(73) eingeleitet oder beendet;
- – der
Kältekompressor
(7) wird zu dafür
berechneten Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet
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In
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung beinhaltet die gemeinsame elektronische Steuereinheit
(60) eine Eingabeschnittstelle (61), an die eine Eingabeeinheit
(62) z.B. zur Eingabe anlagenspezifischer Daten angeschlossen
ist, einen Prozessor (63) zur Durchführung von Messungen, Berechnungen und
Steuerungen sowie einen Speicher (64) zur Speicherung eingegebener
Daten, fester verfahrenstechnischer Daten, Programme, Messwerte
und Rechenwerte, eine Anzeigeeinheit (65) und eine Ausgabeeinheit
(66) für
Daten und Meldungen, z.B. für
Fehlermeldungen. In diesem Ausführungsbeispiel
bestehen die Umschaltorgane (46) aus zwei Wechselventilen
(49) und zwei als Membranventile (52) ausgeführten Ablassventilen
(48), die über
pneumatische Steuerleitungen (55) von zwei Magnetventilen
(53) gesteuert werden, die in der elektronischen Steuereinheit
(60) angeordnet sind. Zum Verständnis des Funktionsablaufes
wird auf 6 verwiesen.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit folgenden Unterschieden zu 3, wobei
bei identischer Ausführung
auch auf die Kennzeichnungen dieser 3 verwiesen
wird: Zusätzlich zur
Temperatur T1 (34) mit Temperatursensor T1 (35) werden
die Temperatur T2 (39) mit Temperatursensor T2 (40)
und der Druck P (43) mit Drucksensor (44) als
Messwerte (31) aufgenommen und in der gemeinsamen elektronischen
Steuereinheit (60) ausgewertet. Dies erhöht bei stark
schwankenden Betriebsdrücken
und Betriebstemperaturen die Regelgenauigkeit und senkt damit die
Betriebskosten. Insbesondere wird eine genaue Ermittlung der erforderlichen
Regenerationsluftmenge möglich.
In der Verbindungsleitung (57) ist ein Regenerationsgasventil (59)
eingebaut, das eine Einspeisung der Regenerationsluft (27)
in mehreren kurzen aktiven Phasen (73) ermöglicht.
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Ein
zusätzlicher
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
nach 3 ist die Möglichkeit,
den Adsorptionstrockner (19) über den Bypass (28)
mittels der ohne Ansteuerung dargestellten Ventile (46, 47) zu
umgehen. Dies ist vorteilhaft, wenn zeitweise (z.B. im Sommer) Gas
mit weniger niedrigem Drucktaupunkt benötigt oder der Adsorptionstrockner
(19) gewartet wird.
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5 zeigt
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit folgenden Unterschieden zu 3 und 4,
wobei bei identischer Ausführung
auch auf die Kennzeichnungen dieser 3 oder 4 verwiesen
wird:
Es kommen ein Durchflusssensor (45) und ein
Temperatursensor T1 (35) zum Einsatz, die beide bevorzugt
in einem thermisch messenden Durchflusssensor vereint sind. Am Adsorp tionstrockner
(19) sind insgesamt sechs Membranventile (52)
installiert, an jedem der beiden Adsorberbehälter (25, 26)
jeweils insgesamt drei, davon zwei zum Absperren des Adsorberbehälters (25, 26)
und eines als Ablassventil (48). Jeweils drei der Membranventile
(52) sind gemeinsam über
pneumatische Steuerleitungen (55) mit einem in der elektronischen
Steuereinheit (60) angeordneten Magnetventil (53)
verbunden und von diesem gemeinsam ansteuerbar, wobei die im geschlossenen
Zustand schwarz dargestellten drei Membranventile (52)
mit dem schwarz dargestellten Magnetventil (53) und die
im offenen Zustand weiß dargestellten
drei Membranventile (52) mit dem weiß dargestellten Magnetventil
(53) verbunden sind.
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Stromabwärts des
Kondensatabscheiders (11) ist ein Koaleszenzfilter (68)
installiert, das Wassertröpfchen
aus dem Gasstrom abscheidet. Das anfallende Kondensat wird wie beim
Kondensatabscheider (11) über ein als Membranventil (52)
ausgeführten
Abschlämmventil
(70) abgeführt,
das über
ein in der elektronischen Steuereinheit (60) angeordnetes
Magnetventil (53) pneumatisch schaltbar ist. Am Austritt
(21) des Adsorptionstrockners (19) ist ein Staubfilter
(69) zur Abscheidung eventuell anfallenden Trockenmittelabriebs
eingebaut.
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In 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
für das Verfahren
zur Steuerung des Kombinationstrockners (1) dargestellt.
In der Reihenfolge von oben nach unten zeigen die schematischen
Diagramme mit dem Zeitablauf als Abszisse
- – den Schaltzustand
des Kältekompressors AN/AUS
- – einen
typischen Verlauf des Temperaturmesswertes (34) mit Darstellung
des Gefrierpunktes bei 0°C,
des unteren Grenzwertes (36), des ersten oberen Grenzwertes
(37) und des zweiten oberen Grenzwertes (38)
- – den
Schaltzustand der beiden Absorberbehälter (25, 26)
mit Adsorptionsphase (71) und Regenerationsphase (72)
aufgeteilt in aktive Regenerationsphase (73) und passive
Regenerationsphase (74).
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Bei
Erreichen des unteren Grenzwertes (36) wird der Kältekompressor
(7) auf AUS geschaltet und die Temperatur T1 (34)
beginnt zu steigen, wobei die Geschwindigkeit des Anstiegs im Zustand „AUS" und des Abfalls
im Zustand „AN", also die jeweilige
aktuelle Steigung der Kurve, neben festen Parametern vom aktuellen
Gasmengenstrom bestimmt wird. Der Messwert wird in Abständen Dt1
(38) aufgenommen und aus seiner aktuellen Größe und der
aktuellen Steigung die aktuelle Feuchtebelastung des Adsorptionstrockners
im aktuellen Zeitintervall Dt1 (38) berechnet. Die aktuellen
Feuchtebelastungen in allen Zeitintervallen Dt1 (38) seit
Beginn der aktuellen Adsorptionsphase (71) werden aufsummiert
und die Summe mit der zulässigen
Feuchtebelastung des Absorberbehälters
(25, 26) verglichen. Ist dieser vorgegebene Grenzwert
erreicht, so werden die Absorberbehälter (25, 26)
von der Adsorptionsphase (71) in die Regenerationsphase
(72) und umgekehrt umgeschaltet. Die Länge der aktiven Regenerationsphase
(73) wird von der elektronischen Steuereinheit (60)
nach eingegebenen und berechneten Daten vorgegeben, wozu bevorzugt
weitere Messwerte wie der aktueller Druck P (42) herangezogen
werden.
-
Der
Umfang der Erfindung ist nicht auf die in den Figuren erläuterten
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
-
Insgesamt
bietet die als Kombinationsfilter (1) ausgeführte Trocknerkombination
beträchtliche Vorteile
gegenüber
dem Stand der Technik, die besonders in bevorzugten Ausgestaltungsformen
zum Tragen kommen:
- – Der Regenerationsluftverbrauch
beträgt
z.B. für einen
genormten Drucktaupunkt von –20°C oder –40°C im Vergleich
zum kaltregenerierten Adsorptionstrockners nur etwa 1/5, wozu noch
Minderaufwendungen für
eingesparte Investitionen für den
Druckgaskompressor und geringere Betriebskosten durch geringere
Trockenmittelfüllung kommen.
Entsprechend gering ist der Energieverbrauch, da der Kältetrockner
im Ein-Aus-Betriebsmodus vergleichsweise sehr wenig Energie verbraucht.
- – Im
Vergleich zur bekannten Hintereinanderschaltung von Kältetrockner
und Adsorptionstrockner ermöglicht
die integrierte Ausführung
als Kombinationstrockner und die kombinierte Betriebsweise den Ein-Aus-Betriebsmodus
des Kältetrockners
ohne Lebensdauerprobleme durch zu hohe Schaltfrequenzen und ohne
energieaufwendigen Heißgasregler
oder aufwendigen thermischen Speicher, Drehzahlregelunge etc., da
der Adsorptionstrockner zur Optimierung der Gesamtbetriebsweise
nach Kostengesichtspunkten zeitweise einen Anteil der Entfeuchtungsleistung des
Kältetrockners übernehmen
kann, ohne dass der Regenerationsluftverbrauch merklich ansteigt.
- – Die
gewählte
Methode zur Bestimmung der erforderlichen Entfeuchtungsleistung
des Adsorptionstrockners macht auch den beim Stand der Technik bei
der „lastabhängigen Steuerung" üblichen aufwendigen Feuchtesensor
am Adsorptionstrockner überflüssig.
- – Der
integrierte Aufbau der Kombinationstrockners reduziert je nach Ausführungsform
den Herstellaufwand ganz beträchtlich
durch gemeinsame Steuerung, gemeinsame Messwertaufnehmer, Verzicht
auf den Heißgasregler,
gemeinsamen Kondensatableiter, gemeinsames Gehäuse usw.
- – In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sinkt der Herstellaufwand weiter
durch in die gemeinsame Steuerung integrierte Magnetventile zur
pneumatischen Steuerung von Membranventilen zur Schaltung der Adsorberbehälter und
der Kondensatablei tung.
-
Die
weitere beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationstrockners
bietet zusätzliche
Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik.
-
- 1
- Trocknerkombination,
Kombinationstrockner
- 2
- Kältetrockner
- 3
- Eintritt
Kältetrockner
- 4
- Austritt
Kältetrockner
- 5
- Pfeil
Gasstrom Eintritt
- 6
- Pfeil
Gasstrom Austritt
- 7
- Kältekompressor
- 8
- Verdampfer
- 9
- Kondensator
- 10
- Luft-Luft-Wärmeaustauscher
- 11
- Kondensatabscheider
- 12
- Kondensatableiter
- 13
- Gebläse am Kondensator
- 14
- Wärmetauscher
am Kondensator
- 15
- Expansionsventil
- 16
- Heißgasregler
- 17
- Steuereinheit
Kältetrockner
- 18
- Steuer-
und Messleitungen Kältetrockner
- 19
- kaltregenerierter
Adsorptionstrockner
- 20
- Eintritt
Adsorptionstrockner
- 21
- Austritt
Adsorptionstrockner
- 22
- Pfeil
Gasstrom Eintritt
- 23
- Pfeil
Gasstrom Austritt
- 24
- Pfeil
Adsorptionsgasstrom
- 25
- erster
Adsorberbehälter
- 26
- zweiter
Adsorberbehälter
- 27
- Pfeil
Regenerationsgasstrom
- 28
- Bypass
um Adsorptionstrockner
- 29
- Steuereinheit
Adsorptionstrockner
- 30
- Steuerleitungen
Adsorptionstrockner
- 31
- Messwert
allgemein
- 32
- Messwertaufnehmer
allgemein
- 33
- Messintervall
Dt1
- 34
- Temperatur
T1
- 35
- Temperatursensor
T1
- 36
- unterer
Grenzwert für
T1
- 37
- erster
oberer Grenzwert für
T1
- 38
- zweiter
oberer Grenzwert für
T1
- 39
- Temperatur
T2
- 40
- Temperatursensor
T2
- 41
- Zeitraum
Dt2
- 42
- Messwert
für P
- 43
- Druck
P
- 44
- Drucksensor
- 45
- Durchflusssensor/Durchflussmesswert
- 46
- Umschaltorgan
allgemein
- 47
- gesteuertes
Ventil
- 48
- Ablassventil
- 49
- Wechselventil
- 50
- Gehäuse Wechselventil
- 51
- Kugel
Wechselventil
- 52
- Membranventil
- 53
- Magnetventil
- 54
- elektrische
Steuerleitung
- 55
- pneumatische
Steuerleitung
- 56
- Mess-
und Steuerleitungen Kombinationstrockner
- 57
- Verbindungsleitung
zwischen Adsorberbehältern
- 58
- Drossel
- 59
- Regenerationsluftventil
- 60
- elektronische
Steuereinheit
- 61
- Eingabeschnittstelle
- 62
- Eingabeeinheit
- 63
- Prozessor
- 64
- Speicher
- 65
- Anzeigeeinheit
- 66
- Ausgabeeinheit
- 67
- Gehäuse Kombinationstrockner
- 68
- Koaleszenzfilter
- 69
- Staubfilter
- 70
- Abschlämmventil
- 71
- Adsorptionsphase
- 72
- Regenerationsphase
- 73
- aktive
Regenerationsphase
- 74
- passiven
Regenerationsphase
- 75
- Temperatur
T3
- 76
- Temperatursensor
T3