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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung der Wasserabscheidung
und Überwachung
der Drucktaupunkttemperatur in Kälte-Drucklufttrocknern,
bei der komprimierte Luft in einer Druckluftleitung geführt wird,
mit mindestens einem Wärmetauscher
und einer Kältemaschine
sowie einem Abscheider zur Trennung von Flüssigkeitsströmen und
Gasströmen
und einem Ableiter, der das Kondensat an die Umgebung abgibt.
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Druckluft
ist komprimiertes Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid,
Kohlenwasserstoffen und vielen anderen Spurengasen. Außerdem enthält Druckluft
Fremdstoffe in Form von Wasser, Öl und
Staub. Die Reduzierung dieser Fremdstoffe wird als Aufbereitung
bezeichnet. Zur Reduzierung des Wassers werden Trockner eingesetzt.
Sie übernehmen
die Aufgabe, den absoluten Wassergehalt der Druckluft zu reduzieren,
um einen einwandfreien Prozessablauf zu gewährleisten.
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Zur
Trocknung der Druckluft, ist die Trocknung mit Kältedrucklufttrocknern am weitesten
verbreitet. Vereinfacht besteht ein solcher Trockner aus zwei physikalischen
Systemen, einem thermodynamischen und einem mechanischen System.
Mit dem thermodynamischen System, mit dem die Absenkung der Drucklufttemperatur
erfolgt, wird die Kondensation eines Teils des Wasserdampfer in
der Druckluft bewirkt und mit dem mechanischen System wird das entstandene
Wasserkondensat aus der Zweiphasenströmung entfernt.
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Das
thermodynamische System beinhaltet Wärmeaustauscher und Kältemaschine,
deren Funktion durch Temperaturfühler,
Druckfühler
und Grenzwertschalter überwacht
wird.
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Das
mechanischer System besteht in der Regel aus einem Abscheider, der
die Flüssigkeitsströmung von
der Gasströmung
trennt und einem Ableiter, der das gesammelte Kondensat über eine Druckluftschleuse
an die Umgebung abgibt. Die Füllhöhe des Ableiters
wird mit Sensoren verschiedener Bauart überwacht. Bei den bekannten
mechanischen Systemen wird also lediglich der Füllstand eines Behälters überwacht.
Die Wirkung des Abscheiders wird jedoch nicht überwacht, obwohl dieser gerade die
Trocknung, d.h. die Entfernung von flüssigem Wasser aus der Gasströmung, übernimmt.
Die Überwachung
der Trocknung selbst, kann nur durch eine Messung der Restfeuchte
nach dem Abscheider erfolgen.
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Zweckmäßig wäre hier
eine direkte Taupunkttemparaturmessung am Trocknerausgang mit einem
Taupunktspiegelhygrometer. Diese Geräte sind jedoch sehr kostenaufwendig,
deshalb werden preiswertere Lösungen
eingesetzt. Vertrauend auf die fehlerfreie und 100-%ige Trennung
der Zweiphasenströmung
und der störfreien
Abscheidung, verwenden die Trockenhersteller eine einfache und preiswerte
Temperaturmessung zur Überwachung des
mechanischen Trocknersystems.
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Nach
dem Durchströmen
des Luft/Kältemittel-Wärmeaustauschers
hat die Druckluft ihre tiefste Temperatur von ca. 0,5°C erreicht.
Bei einem thermisch gut isolierten Abscheider hat die Druckluft
am Abscheiderausgang eine Temperatur von ca. 1 °C. An dieser Stelle oder vor
dem Abscheider wird in den Trocknern die Temperatur gemessen und
vorausgesetzt, dass die Abscheidung des flüssigen Wassers aus der Gasströmung zu
100% erfolgt. Wenn das tatsächlich
der Fall ist, stimmt die tiefste Abkühltemperatur mit der Drucktaupunkttemperatur überein.
Einige Trocknerhersteller überschreiben
sogar die Temperaturanzeige für
die tiefste Abkühltemperatur
mit dem Begriff Drucktaupunkttemperatur.
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Diese
Bezeichnung ist jedoch nur unter der Voraussetzung richtig, dass
die Abscheidung des flüssigen
Wassers vollständig
erfolgt. Eine 100-%ige Trennung von Flüssig- und Gasphase kann jedoch nicht
erreicht werden, da durch Druckschwankungen im Trockner ein Spektrum
an flüssigen
Wasserbestandteilen entsteht, welches vom Nebelteilchen bis zur
zusammenhängenden
Wandströmung
reicht. Außerdem
können
Fehler im Ableiter auftreten, die die Temperaturmessung in keiner
Weise beeinflussen, jedoch die Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase
zunichte machen. Das bedeutet, dass eine Messung der tiefsten Abkühltemperatur
keine Taupunkttemperaturmessung ohne einschränkende Voraussetzungen ist
und damit keine Überwachung
der fehlerfreien Funktion des mechanischen Trocknungsprozesses gewährleistet.
Die Notwendigkeit einer preiswerten Prozessüberwachung führt deshalb
heute zu einem Pseudoüberwachungsinstrument
und wiegt den Trockneranwender in falscher Sicherheit. Eine echte
Betriebssicherheit bietet bisher nur die Drucktaupunkt-Temperaturmessung
am Trocknerausgang.
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Nach
DE 41 16 322 A1 ist
eine Anordnung zur Messung der Taupunkttemperatur, der Betauung und
der Luftzusammensetzung bekannt, bei der ein Sensorchip beschrieben
ist, bei dem mit Hilfe mikroelektronischer Schicht- und Strukturverfahren
ein Multikomponenten Sensor aufgebracht ist.
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Ferner
ist in
DE 32 31534
A1 ein Taupunkt Messgerät
beschrieben, welches einen kapazitiven Taudetektor enthält, bei
dem die Elektroden in Schichttechnik auf einem Substrat ausgebildet
sind.
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In
DE 39 41 713 A1 ist
eine Vorrichtung zum Kühltrocknen
von Gasen beschrieben, bei der mit einem Gasdurchführungssystem
und einer darin angeordneten Kühleinrichtung
ein Kälteträger auf
eine solche Temperatur herunter gekühlt wird, dass sich die im
Gas enthaltene Flüssigkeit
in Eisform niederschlägt.
Die Kühleinrichtung
weist eine der Hauptwärmetauscheinrichtung
vorgeschaltete Formwärmetauscheinrichtung
auf. Dabei werden Taupunkttemperaturen, die weit unterhalb von 0 °C liegen,
erreicht. Eine Messung der erreichten Taupunkttemperatur ist dort
nicht vorgesehen. Die Überwachung
der Trennung von Wasser und Luft ist damit nicht möglich.
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Ferner
ist nach
US 32 25 517 eine
Methode der Gastrocknung bekannt, bei der das Gas durch eine Reihenschaltung
von Kältetrockner
und Absorptionstrockner geführt
wird. Dadurch wird eine Trocknung des Gases über einen weiten variablen
Bereich ermöglicht.
Es können
Gase für
bestimmte Anwendungen mit dem gleichen Trockner, jedoch mit unterschiedlichen
Trocknungsgrad bereit gestellt werden. Eine Messung der erreichten
Taupunkttemperatur ist hierbei nicht vorgesehen.
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Eine
direkte Messung der Taupunkttemperatur zur Ermittlung des unmittelbaren
Zustands von Druckluft ist mit den bekannten Anordnungen nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben mit der der unmittelbare Zustand der Druckluft bezüglich seiner
Taupunkttemperatur direkt gemessen werden kann.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung
der Aufgabe dadurch, dass in der Druckluftleitung am Ausgang ein
Betauungssensor zur Detektion von Wassertröpfchen angeordnet ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit
der Platzierung eines Sensors an einer thermodynamisch optimalen
Position innerhalb des Drucklufttrockners wird der unmittelbare
Zustand der Druckluft bezüglich
seiner Taupunkttemperatur direkt gemessen. Der Sensor verändert sein
elektrisches Signal bei Beaufschlagung mit Flüssigkeit. Diese Beaufschlagung
kann entweder durch Wassertröpfchen in
einer Zweiphasenströmung
erfolgen oder, bei aktiver Abkühlung
der sensitiven Oberfläche
mittels einer Wärmepumpe
(Peltierelement), durch entstehendes Kondensat. Die Sensoren sind
preiswert bei großer
Stückzahl
mit mikroelektronischen Prozessen herstellbar.
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Die
erfindungsgemäßen Sensoren
können
in einem passiven oder aktiven Betriebsmodul als Detektoren für den Ein-
und Durchbruch von flüssigem Wasser
hinter dem Abscheider eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht
es, dass mit einem Betauungssensor, eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser,
in unter Druck stehenden Gasen detektiert wird und der Betauungseffekt
in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Das Erkennungssystem
des Sensors ist ein chemo-elektrischer Transducer, der das Vorhandensein von
Wassertröpfchen
in ein elektrisches Signal umwandelt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
sieht vor, dass in die Ebene der Wassertröpfchen ein Temperatursensor
platziert wird, der die Temperatur des Kondensates, bzw. – wenn kein
Kondensat vorhanden ist – die
Temperatur der Sensoroberfläche,
die unter bestimmten Bedingungen auch die Temperatur des Gases darstellt,
misst.
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Treten
zu kleine elektrische Messsignale auf, kann auf dem Sensorchip eine
Signalvorverarbeitung, vorzugsweise eine Kapazitäts-Frequenz-Wandlung mit integriert
werden. Das Erkennungssystem für
die Wassertröpfchen
wird so realisiert, dass die Betauungskinetik sowohl eine schlagartige
elektrische Signaländerung
bei Erreichen einer bestimmten Kondensatmenge bewirkt bzw. die kontinuierliche
Anlagerung der Wassertröpfchen
auch ein kontinuierlich veränderliches
Signal erzeugt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weist eine Reihe von Vorteilen auf. Hierzu zählen z.B., dass die Betauungssensoren
sich preiswert und in großer
Stückzahl
mit mikroelektronischen Prozessen herstellen lassen und dass mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
eines Betauungssensors an einer thermodynamisch optimalen Position
innerhalb des Drucklufttrocknern der Zustand der Druckluft bezüglich seiner
Taupunkttemparatur unmittelbar gemessen werden kann. Die Beaufschlagung
des Betauungssensors mit einem Wassertröpfchen, der sein elektrisches
Signal dabei verändert,
kann entweder durch Wassertröpfchen
in einer Zweiphasenströmung
oder bei aktiver Abkühlung
der sensitiven Oberfläche
mittels einer Wärmepumpe
(Peltierelement) durch entstehendes Kondensat erfolgen.
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Die
Betauungssensoren können
passiv als Melder für
einen Ein- und Durchbruch der Flüssigkeit (Wasser)
hinter dem Abscheider eingesetzt werden.
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Die
Verwendung als aktiver Betauungssensor setzt die Definition einer
festen Temperaturdifferenz zwischen der konstanten Temperatur der
Druckluft am Messort und der zulässigen
Drucktaupunkttemperatur voraus. In diesem Fall kann man auf die Wärmepumpenregelung,
wie sie bei Tauspiegelhygometern üblich sind, verzichten. Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
geht man davon aus, dass es zu keiner Schwankung der Temperatur
der Druckluft und der zulässigen
Drucktaupunkttemperatur kommt. Dies gilt für den Fall konstanter Druckluftentnahme,
konstanter Eintrittstemperatur der Druckluft und konstanter Kälteleistung.
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Es
können
aber auch Betriebszustände
auftreten, bei denen diese Bedingungen nicht zutreffen. Dies ist
beispielsweise dann der Fall, wenn am Trocknerausgang aufgrund von
Leistungsschwankungen, hervorgerufen durch schwankende Druckluftentnahme,
keine konstante Gastemperatur vorhanden ist. Ebenso treten Schwankungen
bei konstanter Druckluftentnahme auf, wenn die Eintrittstemperatur
der Druckluft in den Trockner sich verändert.
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Ein
vorteilhafte erfindungsgemäß Anordnungen
sieht deshalb vor, den Sensor an der Stelle des Kälte-Drucklufttrockner
anzuordnen, an der aufgrund der im Trockner vorhandenen Leistungsregelung
der Kältemaschine
diese nur einer geringen Temperaturschwankung unterliegt. Dies ist
die Stelle, an der nach dem Stand der Technik die Temperaturmessung
vorgenommen wird, die als Drucktaupunkttemperatur unter Voraussetzung
der 100-%igen Abscheidung angegeben wird. An der Stelle der tiefsten
Abkühltemperatur
hinter dem Abscheidesystem liegt eine nahezu konstante Temperatur
von ca. 1°C
vor. Diese Temperatur bleibt auch bei Schwankungen der Druckluftentnahme
oder der Eintrittstemperatur nahezu konstant, da der Trockner durch
die interne Regelung der Kälteleistung
entsprechend ausgerüstet ist.
Wird deshalb der aktive Betauungssensor an dieser Stelle angeordnet,
so kann eine feste Temperaturdifferenz definiert werden.
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In
einem weiteren Fall kann bei Einbau eines Betauungssensors an die
Stelle der konstanten Abkühltemperatur
hinter dem Abscheidesystem auf die aktive Abkühlung der sensitiven Oberfläche verzichtet
werden, da die Taupunkttemperatur der Gastemperatur bei einer 100-%igen
Abscheidung entspricht und auch nicht unter dieser liegen kann.
Weiterhin sind Drucktaupunkttemperaturen unter 0° C in Kälte-Drucklufttrocknern der
herkömmlichen
Bauart aus physikalischen Gründen
nicht realisierbar. Jedoch anders als die bloße Messung der tiefsten Abkühltemperatur
und deren Definition als Drucktaupunkttemperatur, kann bei der Verwendung
des Betauungsfühlers
der kritische Betriebszustand eines Wasserdurchbruchs aufgrund von
Fehlern im Abscheide- oder Ableitsystem oder durch Überlastung
des Trockners festgestellt werden. Bei solchen kritischen Zuständen gelangen
nämlich
flüssige
Wassertröpfchen auf
die sensitive Oberfläche
des Betauungssensors und führen
zu einer Veränderung
des elektrischen Signals. Kritische Trocknerzustände und fehlerhafte Abscheidesysteme
sind, im Gegensatz zu einer bloßen
Messung der tiefsten Abkühltemperatur,
eindeutig zu detektieren. Da die Kosten für passive Betauungsfühler in
der gleichen Größenordnung
liegen wie die Kosten für
Temperaturfühler,
kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Betauungsfühler und
deren Anwendung in der vorgeschlagenen Anordnung, die Betriebssicherheit
des Druckluft-Kältetrockners
und das Preis-Leistungsverhältnis
einer Drucktaupunkt-Temperaturmessung am Trockner wesentlich verbessert
werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Bestandteile des Kältedrucklufttrockners,
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2 die
Betauungssensorik mit Betauungssensor,
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3 den
Signalverlauf,
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4 den
Verlauf der zeitabhängigen
Kondensation,
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5 den
aktiven Betrieb der Betauungssensoren,
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6 eine
weitere Möglichkeit
für den
Betrieb des Betauungsensors,
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7 eine
schematische Darstellung der Anordnung des Sensors und
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8 die
Anordnung des Sensors nach dem Abscheider.
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Die
grundlegende Anordnung für
das System eines Kälte-Drucklufttrockners
ist aus 1 ersichtlich. Hier sind die
typischen Elemente des thermodynamischen und des mechanischen Systems sowie
die Gasführung
zu erkennen. Innerhalb des thermodynamischen Systems befinden sich
der Luft/Luft-Wärmetauscher
(1), der Luft/Kältemittel-Wärmeaustauscher
(2) und die Kältemaschine (3).
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Das
mechanische Systembeinhaltet den Abscheider (4) und den
Ableiter (5) An der Position (6) besitzt die Druckluft
die niedrigste Abkühltemperatur. An
der Position (7) wäre
der günstigste
Ort für
die kontinuierliche Überwachung
der Drucktaupunkttemperatur mit einem Tauspiegelhygrometer oder
einem CCC* – Taupunktsensor.
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Das
Verfahren zum Betreiben einer Betauungssensorik mit Betauungssensoren
wird mit der 2 erläutert. Hier sind die wesentlichsten
Elemente des Betauungssensors und des Temperatursensors sichtbar.
Beide Sensoren befinden sich in unmittelbarer Nähe. Damit wird sichergestellt,
dass die Temperatur der Oberfläche
des Streufeldkondensators mit und ohne Kondensat sich von der Fläche des Temperatursensors
nicht wesentlich unterscheidet. Die Platzierung des Temperatursensors
innerhalb der Streufeldkapazität
ist ebenfalls möglich.
Will man geringste Wassertröpfchen
detektieren, die einen Durchmesser von 1 bis 10 μm besitzen, ist in der Regel
auf Grund der Größe der sich ändernden
Kapazität
eine integrierte Kapazitäts-Frequenz-Wandlung notwendig.
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Sollen
größere Kondensatmengen
messtechnisch erfasst werden, so kann das durch eine unempfindlichere
hybride bzw. externe Sinalverarbeitung vorgenommen werden.
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Das
Design des Sensors wird so gestaltet, dass die Oberfläche des
Erkennungssystems bezüglich
seiner Keimbildung bereits Wassertropfen von einem Durchmesser von
0,5 μm erfasst
und mit dem Transducer kapazitätsmäßig registriert
wird. Die Konstruktion des Transducers erlaubt dabei unterschiedliche
Signalwandlungen.
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Mit
der in 3 dargestellten Anordnung wird eine nahezu abrupte
Signaländerung
erreicht, während
bei der Anordnung gemäß 4 die
Informationen der zeitabhängigen
Kondensation der Wassertröpfchen
auch elektrisch erfasst werden. Abhängig von dem Einsatz stehen
beide Messmethoden zur Verfügung.
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Für den aktiven
Betrieb der Betauungssensoren gilt die Anordnung nach 5.
Hier wird mit der Steuereinheit dem Kühlelement eine kontinuierliche
Temperaturabsenkung eingeprägt.
Damit kann gesichert werden, dass gegenüber der Gastemperatur eine
Temperaturdifferenz definiert wird, die als Signal für die bevorstehende
Kondensation der entsprechenden Messpunkte zu verstehen ist.
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Dieses
Verfahren findet seine Anwendung in der in 7 dargestellten
Anordnung. Die Platzierung des Sensors unter der Bedingung konstanter Gastemperaturen
und Drucktaupunkttemperaturen wird hier an der gekennzeichneten
Stelle vorgenommen.
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Bei
Einsatz eines Verfahrens mit dem Betauungssensor gemäß 6 und
unter Nutzung seiner spezifischen Merkmale gemäß den 3 und 4 kann
auf die zusätzlichen
Kühlelemente
verzichtet werden. Die Anordnung ist aus der 8 an der
gekennzeichneten Stelle nach dem Abscheider sichtbar. Hier liegt
systembedingt eine nahezu konstante Gastemperatur vor.
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- 1
- Wärmetauscher
Luft
- 2
- Wärmetauscher
Luft/Kältemittel
- 3
- Kältemaschine
- 4
- Abscheider
- 5
- Ableiter
- 6,
7
- Position
des Sensors