DE19943109C1

DE19943109C1 - Druckluftkältetrockner

Info

Publication number: DE19943109C1
Application number: DE1999143109
Authority: DE
Inventors: Friedrich Uhde; Horst Schidlowski
Original assignee: KTA KAELTE und DRUCKLUFTTECHNI
Current assignee: SCHIDLOWSKI, HORST, 56412 RUPPACH-GOLDHAUSEN, DE
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: WO2001017665A1; AU6843100A

Abstract

Offenbart ist ein Druckluftkältetrockner mit einer Druckluftzuleitung 2 zum Zuführen von warmer und feuchter Druckluft, einer Druckluftableitung 4 zum Abführen von trockener Druckluft einem Luft/Luft-Wärmetauscher 6 zum Abkühlen der zugeführten Druckluft und zum Erwärmen der abgeführten Druckluft im Gegenstrom, einer Kältemaschine 14 zum Kühlen der vorgekühlten Druckluft aus dem Luft/Luft-Wärmetauscher 6, einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 zur thermischen Kopplung der Kältemaschine 14 mit der zu kühlenden Druckluft, und einer Kondensatabscheidevorrichtung 8 zum Entfeuchten der durch die Kältemaschine 14 gekühlten Druckluft. Zur Minimierung des Energieverbrauchs bei dennoch konstanter Austrittstemperatur hat der erfindungsgemäße Druckluftkältetrockner eine Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 zur Erzeugung von flüssigem Binäreis, die mittels des Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 thermisch mit der zu kühlenden Druckluft gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckluftkältetrockner ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgrund des Kompressionsprozesses enthält Druckluft immer Feuchtigkeit. Diese kann beispielsweise in chemischen Anwendungen eine gewünschte Reaktion ungünstig beeinflus sen, sie führt aber auch zu Schäden an pneumatischen Werk zeugen. Des weiteren führt Feuchtigkeit gerade in einem weitverzweigten Druckluftrohrleitungsnetz, das teilweise auch Freiluftleitungssysteme beinhaltet, besonders in kal ten Wintermonaten durch eingefrorenes Kondensat zu Störun gen. Anlagenstillstände oder Qualitätseinbrüche innerhalb der Produktion und erhebliche Folgekosten sind dann die un angenehmen und teuren Auswirkungen, die es zu vermeiden gilt.

Aus diesen Gründen werden Kältetrockner in ca. 95% aller Druckluftanlagen in der Industrie, in Betrieben und Werkstätten installiert sein. Diese Kältetrockner trocknen (entfeuchten) die aus Verdichtungsprozessen Schraubenver dichter, Kolbenverdichter etc. kommende Druckluft. Diese bekannten Kältetrockner bestehen aus einem Luft/Luft-Wärme tauscher mit Druckluftzuleitung und Druckluftableitung, einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher mit entsprechendem Kühlkreislauf, einem Kondensatabscheider mit Kondensatab leiter, sowie entsprechenden Bedien- und Steuerungsein heiten. Die in den Kältetrockner eintretende Feuchte und ca. 35°C warme Druckluft wird in Luft/Luft-Wärmetauscher durch die im Gegenstrom austretende ca. 2°C kalte Druckluft auf ca. 16°C vorgekühlt. Im Luft/Kältemittel-Wärmetauscher erfolgt dann die eigentliche Abkühlung und Entfeuchtung der Druckluft auf die voreingestellte Abkühltemperatur von ca. 3°C. Das anfallende Kondensat wird dann abgeschieden und aus dem Kältetrockner abgeleitet. Für eine gleichbleibende gute Qualität der Druckluft soll die Abkühltemperatur mög lichst konstant gehalten werden.

Der Kühlkreislauf ist bei ca. 95% der hergestellten Kältetrockner für den Dauerbetrieb ausgelegt. Bei 5% der Anlagen wird mittels einer aus Quarzsand bestehenden Speichermasse um den Luft/Kältemittel-Wärmetauscher versucht, überschüssige Kälteenergie zu speichern und mit einem intermittierenden Betrieb dann elektrische Energie einzusparen. Mit den thermodynamischen Berechnungen für die Speichermasse und der Kälte- bzw. Wärmeleitung sind nur geringfügige Einsparpotentiale erreichbar, da auch eine gleichbleibende Abkühltemperatur gesichert werden muß. Aber gerade wenn beim Stillstand der Kühlanlage und dem Ausnützen der gespeicherten Kälteenergie wieder Druckluft durch den Kältetrockner strömt, kann die Druckluft nur unzureichend gekühlt und demzufolge nur eine steigende Abkühltemperatur erreicht werden. Der sich mit einer entsprechenden Temperaturdifferenz wieder einstellende Kühlkreislauf muß dann die höhere Austrittstemperatur wieder auf die eingestellte Austrittstemperatur reduzieren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckluftkältetrockner bereitzustellen, der weniger Energie verbraucht als herkömmliche Drucklufttrockner und dennoch eine konstante Austrittstemperatur der Druckluft gewähr leistet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Durch die Zwischenschaltung einer Binäreiserzeugungs vorrichtung zwischen Kältemaschine und zu kühlender Druck luft kann Kälte quasi "auf Vorrat" erzeugt werden. Durch die Verwendung von flüssigem Binäreis anstelle von festem Eis lassen sich die Probleme beim Wärmetausch von gasförmig auf fest vermeiden und es lassen sich aus dem Bereich der Kältetrockner und Drucklufttechnik bekannten Verfahrens techniken mit Rohrleitungen etc. verwenden. Da sich das Eis in Rohrleitungen pumpen läßt kann für den Wärmetausch zwi schen Binäreis und der zu kühlenden Druckluft ein herkömmlicher Luft/Kältemittel-Wärmetauscher verwendet werden, wie sie in diesem Bereich üblicherweise verwendet werden. Obwohl hier, wie im folgenden zur besseren Verständlichkeit des Sachverhalts der Begriff Luft/Kältemittel-Wärmetauscher verwendet wird, sei darauf hingewiesen, daß allgemein ein Luft/Flüssigkeit- Wärmetauscher darunter zu verstehen ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Binäreiserzeugungsvorrichtung ein Binäreisspeicher nachgeschaltet, so daß Binäreis auf Vorrat erzeugt werden kann und eine gleichbleibende Qualität und Temperatur der Druckluft gewährleistet werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher zur thermischen Kopplung der zu kühlenden Druckluft und des flüssigen Binäreis und der Luft/Luft-Wärmetauscher zum Gegenstromwärmetausch zwischen der zugeführten warmen und feuchten Druckluft und der abgeführten kalten, trocknen Druckluft baulich ineinander integriert. Auch hier lassen sich Standardbauteile verwenden, wie sie z. B. von der Firma Alfa Laval (Schweden) vertrieben werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Zufuhr von frischem Binäreis aus dem Eisspeicher oder direkt aus der Binäreiserzeugungsvorrichtung nach Art einer Heizungsregelung mittels eines drei-Wege-Mischventils gere gelt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Luft/Luft-Wärmetauscher und/oder Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher parallel geschal tet. Damit lassen sich mit standardisierten Komponenten eine Vielzahl von Leistungsstufen aufbauen.

Durch den Einsatz von Binäreis gegebenenfalls mit einem Eisspeicher können Einsparpotentiale bei der zu installierenden elektrischen Energie von ca. 50% erreicht werden. Neben der Reduzierung von umweltschädigenden Kältemitteln im Kühlkreislauf, was einen um ca. 50% geringeren TEWI-Wert bedeutet, besteht auch die Möglichkeit, das umweltfreundliche Mittel wie Ammoniak und andere Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden können. Da die Binäreistechnik durch den Eisspeicher von den Druckluft führenden Rohrleitungen des eigentlichen Kältetrockners ge trennt ist, besteht keine Gefahr einer Konterminierung der Druckluft.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihre Wartungsfreundlichkeit. Im Servicefall kann die komplette Binäreiserzugungsvorrichtung vor Ort ausgetauscht werden. Dadurch, daß die Binäreiserzeugungsvorrichtung und gegenenfalls der Eisspeicher quasi in einem herkömmlichen Druckluftkältetrockner eingebaut werden können, kann die Wartung von Technikern für herkömmliche Kälteanlagen durchgeführt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten beispiel haften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vierten Ausfüh rungsform der Erfindung, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Druckluftzuleitung 2, einer Druckluftableitung 4, einem Luft/Luft-Wärmetauscher 6, einer Kondensatabscheide vorrichtung 8, einer Binäreiserzeugungsvorrichtung 10, einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 und einer Kälte maschine 14. Die über die Druckluftzuleitung 2 in den Kältetrockner eintretende feuchte und ca. 35°C warme Druck luft wird im Luft/Luft-Wärmetauscher 6 durch die im Gegen strom über die Druckluftableitung 4 austretende 3°C kalte Druckluft auf ca. 16°C vorgekühlt. Die vorgekühlte Druckluft wird über eine erste Druckluftleitung 16 dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 zugeführt. Im Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 erfolgt dann die eigentliche Abkühlung und Entfeuchtung der Druckluft auf der vorgestellten Abkühltemperatur von z. B. 3°C. Die abgekühlte und nun Konendensat enthaltende Druckluft wird über eine zweite Druckluftleitung 18 der Kondensatabscheidevorrichtung 8 zugeführt. Die trockene und kalte Druckluft wird dann über eine dritte Druckluftleitung 20 dem Luft/Luft-Wärmetauscher zugeführt und dort erwärmt und über die Druckluftableitung 4 an den Verbraucher abgegeben. Das anfallende Kondensat wird über die Kondensatabscheidevorrichtung 8 abgeschieden und aus dem Kältetrockner abgeleitet.

Das in der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erzeugte flüssige Binäreis wird über eine Flüssigkeitsleitung 22 dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 zugeführt und bewirkt die gewünschte Abkühlung der Druckluft. Die Rückführung des Binäreises in die Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erfolgt über eine zweite Flüssigkeitsleitung 24. Der Antrieb der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erfolgt über eine herkömmliche Kältemaschine 14, wie sie üblicherweise in Kältetrocknern verwendet wird, z. B. einem Kolbenverdichter etc. Als Binäreiserzeugungsvorrichtung werden vorzugsweise Anlagen der Firma Integral Energietechnik GmbH verwendet.

Durch den Einsatz der Binäreistechnik bzw. der Binär eiserzeugungsvorrichtung 10 kann die geforderte Abkühl temperatur auch im intermetierenden Betrieb aufrechterhal ten und damit auch die Qualität der zu erzeugenden Druck luft aufrechterhalten werden. Durch die Binäreiserzeugungs vorrichtung 10 wird ein fließfähiger und zweifasiger Kälte träger mit einer maximalen Temperatur von -1°C erzeugt. Die Schmelzenthalpie, die das Binäreis aufweist, nimmt die in der Druckluft vorhandene Energie (Kühllast) auf. Da das Binäreis erst eine Temperaturerhöhung erfährt, wenn die Schmelzendeltalpie nicht mehr ausreichend für die Kühllast ist, kann die Binäreiserzeugung in einem energiesparenden intermittierenden Betrieb arbeiten.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 ein Eisspeicher 26 nachgeschaltet ist, wobei der Luft/Kältemittel-Wärmetsucher 12 baulich in den Eisspeicher integriert ist. Das in der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erzeugte flüssige Binäreis wird über die erste Flüssigkeitsleitung 22 in den Eisspeicher 26 gepumpt. Die Rückführung erfolgt über die zweite Flüssigkeitsleitung 24.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß der Luft/Luft-Wärmetauscher 6 und der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 baulich in eine Wärme tauschereinrichtung 28 integriert ist. Auf diese Weise wird zum einen eine sehr kompakte Anlage erreicht und zum ande ren können für die Wärmetauschereinrichtung 28 herkömmliche Komponenten verwendet werden. Zusätzlich kann zwischen Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 und Wärmetauschereinrichtung 28 ein Eisspeicher gemäß der zweiten Ausführungsform geschaltet werden.

Fig. 4 zeigt einen vierte Ausführungsform der Erfin dung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß die Zufuhr von flüssigem Binäreis aus dem Eisspeicher 26 über einen Regelkreis 30 mit einem Drei- Wege-Mischventil 32 erfolgt. Binäreiserugungsvorrichtung 10 und Eisspeicher 26 sind baulich integriert. Das flüssige Binäreis aus dem Eisspeicher 26 wird über eine dritte Flüssigkeitsleitung 34 und eine Pumpe 36 dem Dreiwege- Mischventil 32 zugeführt. In dem Dreiwege-Mischventil 32 wird das frische Binäreis je nach Bedarf dem über die erste Flüssigkeitsleitung 22 und eine vierte Flüssigkeitsleitung 38 zirkulierenden Binäreis zugefügt. Die Steuerung des gesamten Druckluftkältetrockners und insbesondere des Dreiwege-Mischventils 32 erfolgt über eine Steuereinrichtung 40. Auf diese Weise wird die Zufuhr von frischem Binäreis zu dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 in analoger Weise zu einer herkömmlichen Hausheizungsanlage geregelt. Eine derartige Steuereinrichtung ist natürlich auch bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen vorhanden, jedoch ist diese nicht bildlich dargestellt.

Fig. 5 zeigt schließlich eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß zwei Luft/Luft-Wärmetauscher 6-1 und 6-2 parallel geschaltet sind. Ebenso umfaßt diese Aus führungsform zwei Kondensatabscheidevorrichtungen 8-1 und 8-2. Auf diese Weise lassen sich größere Anlagen aus stan dardisierten Komponenten zusammenstellen.

Bezugszeichenliste

2

Druckluftzuleitung

4

Druckluftableitung

6

Luft/Luft-Wärmetauscher

8

Kondensatabscheidevorrichtung

10

Binäreiserzeugungsvorrichtung

12

Luft/Kältemittel-Wärmetauscher, Luft/Flüssigkeit- Wärmetauscher (mit Flüssigkeit: Binäreis)

14

Kältemaschine

16

erste Druckluftleitung

18

zweite Druckluftleitung

20

dritte Druckluftleitung

22

erste Flüssigkeitsleitung

24

zweite Flüssigkeitsleitung

26

Eisspeicher

28

Wärmetauschereinrichtung

30

Binäreis-Regelkreis

32

Dreiwege-Mischventil

34

dritte Flüssigkeitsleitung

36

Pumpe

38

vierte Flüssigkeitsleitung

40

Steuereinrichtung

Claims

1. Druckluftkältetrockner mit
einer Druckluftzuleitung (2) zum Zuführen von warmer und feuchter Druckluft,
einer Druckluftableitung (4) zum Abführen von trocke ner Druckluft
einem Luft/Luft-Wärmetauscher (6) zum Abkühlen der zu geführten Druckluft und zum Erwärmen der abgeführten Druck luft im Gegenstrom,
einer Kältemaschine (14) zum Kühlen der vorgekühlten Druckluft aus dem Luft/Luft-Wärmetauscher (6),
einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) zur thermi schen Kopplung der Kältemaschine (14) mit der zu kühlenden Druckluft, und
einer Kondensatabscheidevorrichtung (8) zum Entfeuch ten der durch die Kältemaschine (14) gekühlten Druckluft,
gekennzeichnet durch
eine Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) zur Erzeugung von flüssigem Binäreis, die mittels des Luft/Kältemittel- Wärmetauscher (12) thermisch mit der zu kühlender Druckluft gekoppelt ist.

2. Druckluftkältetrockner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen der Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) nachge schalteten Eisspeicher (26) zum Zwischenspeichern des flüs sigen Binäreises.

3. Druckluftkältetrockner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) baulich in den Luft/Luft-Wärmetauscher (6) integriert ist.

4. Druckluftkältetrockner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Binäreiser zeugungsvorrichtung (10) und Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) oder zwischen Eisspeicher (26) und Luft/Kältemittel- Wärmetauscher (12) ein Dreiwege-Mischventil (32) zur Rege lung der Zufuhr von frischem Binäreis zu dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) geschaltet ist.

5. Druckluftkältetrockner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Luft/Luft-Wärmetauschern (6-1, 6-2) und/oder Kondensa tabscheidevorrichtung (8-1, 8-2) und/oder Luft/Kältemittel- Wärmetauschern (12) parallel geschaltet sind.