DE19957525A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen von Luft mittels Flüssiggas - Google Patents

Abstract

Vorrichtungen zum Trocknen von Gasen, wie Luft, weisen umfangreiche Kühlvorrichtungen auf, in denen ein zur Luftkühlung und damit -trocknung eingesetztes Kühlmittel aufwendig gekühlt werden muß. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird als Kühlmittel für eine Vorrichtung zum Trocknen von Gasen, wie Luft, Flüssiggas eingesetzt, das aus einem Flüssigtank zur Verfügung gestellt wird und der mit einem Wärmetauscher zum Kühlen des zu trocknenden Gases strömungsverbunden ist. Der Wärmetauscher dient zugleich als Verdampfer für das Flüssiggas. Der Kühlmitteldurchlauf durch den Wärmetauscher kann in Abhängigkeit von der fortwährend gemessenen Temperatur des getrockneten Gases geregelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Trocknen von wasserdampfhaltigen Gasen, wie Luft, mit einer Gasdurchleitung für das zu trocknende Gas sowie einer mit dieser in thermischem Kontakt stehenden Kühlmitteldurchleitung für ein flüssi­ ges und/oder gasförmiges Kühlmittel. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Ver­ fahren zum Trocknen eines wasserdampfhaltigen Gases.

Einrichtungen und Verfahren dieser Art sind seit langem bekannt. Ihre Wirkungs­ weise basiert auf der starken Temperaturabhängigkeit des Wasserdampfdrucks. So verringert sich der Wasserdampfgehalt in Luft im Temperaturbereich unterhalb von 25°C bei einer Temperaturminderung von 20 K um mehr als eine Größenord­ nung. Bei der Abkühlung von zunächst bei Raumtemperatur und einem Druck von 2 bar vorliegender Luft auf 3°C lassen sich so fast 90%, bei Abkühlung auf -45°C über 99,6% des ursprünglichen Wassergehaltes entfernen. Bei der technischen Umsetzung dieser Erkenntnis wird die zu trocknende Luft in thermischem Kontakt mit einem von einem Kühlmittel, etwa kaltes Gas, durchströmten Wärmetauscher gebracht und auf diese Weise abgekühlt. Das so getrocknete Gas wird daraufhin entweder unmittelbar in ein Werksnetz geleitet oder durchläuft weitere Trocknungsstufen, etwa in einer Adsorbervorrichtung.

Nachteilig bei den bekannten Trocknungsverfahren ist jedoch, daß die Herstel­ lung eines Kühlmittels entsprechend niedriger Temperatur recht aufwendig und teuer ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Trocknung von Luft effizient und zugleich kostengünstig zu gestalten.

Diese Aufgabe ist bei einem Kühlsystem der eingangs genannten Art und Zweck­ bestimmung dadurch gelöst, daß die Kühlmitteldurchleitung mit einem Vorratsbe­ hälter für Flüssiggas strömungsverbunden ist und der Wärmetauscher als Ver­ dampfer für das Flüssiggas einsetzbar ist.

Bei der Erfindung wird also die beim Verdampfen eines Flüssiggases erforderli­ che Wärme dem zu trocknenden Gas in einem Wärmetauscher, in dem eine Gas­ durchleitung und eine Kühlmitteldurchleitung miteinander in thermischem Kontakt stehen, entzogen. Die Trocknung des Gases erfolgt in bekannter Weise aufgrund der Verringerung des Wasserdampfdrucks mit dem Abkühlen des Gases.

Als preisgünstig herstellbares und leicht zu lagernde Kühlmittel empfehlen sich Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid. Diese Gase werden in flüssiger Form gela­ gert und entweder ebenfalls vollständig in flüssiger Form oder teilweise gasförmig der Kühlmitteldurchleitung des Wärmetauschers zugeführt. Anzumerken ist hier­ bei insbesondere, daß flüssiges Kohlendioxid bei Raumtemperatur unter entspre­ chendem Druck gelagert werden kann und bei Entspannung auf Normaldruck eine enorme Kältewirkung entfaltet.

Um besonders tiefe Arbeitstemperaturen des Wärmetauschers erreichen zu kön­ nen, ohne sich der Gefahr auszusetzen, daß die Gasdurchleitung im Lauf der Zeit einfriert, ist es zweckmäßig, der Gasdurchleitung eine Vortrocknungseinrichtung vorzuschalten, in der bereits große Teile des Wasserdampfes abgeschieden wer­ den. So sollte bei Kühlsystemen mit einer Arbeitstemperatur von -40°C ein weite­ res Kühlsystem mit einer Arbeitstemperatur von 2-3°C vorgeschaltet werden. Da­ bei können in beiden Kühlstufen beispielsweise erfindungsgemäße Kühlsysteme zum Einsatz kommen, die auf die jeweiligen Arbeitstemperaturen eingeregelt wer­ den. Anstelle einer Kühleinrichtung sind jedoch auch andere Vortrocknungsein­ richtungen einsetzbar.

Um eine gleichmäßige Trocknung zu erreichen, ist in einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung die Kühlmitteldurchleitung und/oder die Gasdurchleitung mit Mitteln versehen, die die Temperatur oder der Durchflußmenge des Gases bzw. des Kühlmittels kontrollieren.

Als besonders vorteilhaftes Mittel zur Temperatur- und/oder Durchflußkontrolle fungiert dabei ein System, bestehend aus einem oder mehreren Temperaturmeß­ geräten, einer Steuereinrichtung und einem oder mehreren Ventilen. Als Temperaturmeßgerät kommt beispielsweise ein Thermoelement zum Einsatz, das die Temperatur am Ausgang der Kühlmitteldurchleitung und/oder der Gasdurchlei­ tung laufend mißt und die Meßergebnisse der Steuereinheit zuleitet. Die Steuer­ einheit gibt gemäß einem eingegebenen oder gespeicherten Programm Steuer­ befehle an die der Kühlmitteldurchleitung und/oder der Gasdurchleitung vorge­ schalteten Ventile, die den jeweiligen Kühlmittel- bzw. Gasdurchfluß regeln.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkma­ len des Anspruchs 6 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren wird die zum Verdampfen des zugeführten Flüssiggases erforderliche Energie dem zu trocknenden Gas entzo­ gen und das in dem sich abkühlenden Gas kondensierende Wasser abgeschie­ den.

Um tiefe Arbeitstemperaturen zu erreichen, wird das zu trocknende Gas vor dem Durchlaufen des Wärmetauschers vorgetrocknet, beispielsweise in einem weite­ ren vorgeschalteten Kühlsystem.

Um stabile Werte für den Trocknungsgrad des getrockneten Gases zu erhalten, wird das Gas und/oder das Kühlmittel einer laufenden Temperaturkontrolle unter­ zogen.

Eine besonders wirkungsvolle und zugleich einfach zu realisierende Möglichkeit der Temperaturkontrolle erfolgt dadurch, daß daß die Kühlmittelzufuhr in den Wärmetauscher bei Unterschreiten einer vorgegebenen Gastemperatur gesperrt, jedoch bei Überschreiten einer anderen vorgegebenen Gastemperatur oder einer vorgegebenen Temperaturdifferenz wieder freigegeben wird. Es genügt hierbei also der Einsatz einfacher Magnetventile, die den Durchfluß in der jeweiligen Durchleitung entweder sperren oder freigeben.

In einer vorteilhaften Weiterbildung können zwei oder mehr Wärmetauscher par­ allelgeschaltet werden, wobei jeweils ein Wärmetauscher zum Trocknen der Luft bei einer vorgegebenen Arbeitstemperatur des Wärmetauschers eingesetzt wird, während ein weiterer Wärmetauscher getrocknet wird. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei Arbeitstemperaturen des Wärmetauschers von -40 bis -50°C von Vorteil, da es bei diesen tiefen Temperaturen zwangsläufig zu Eisbildungen in der Gasdurchleitung kommt. Um hierdurch verursachte Betriebsstörungen zu vermeiden, muß der Wärmetauscher zum Abtauen des Eises von Zeit zu Zeit auf Temperaturen oberhalb 0°C erwärmt werden. Mit der Parallelschaltung mehrerer Wärmetauscher gelingt jedoch ein kontinuierlicher Betrieb des Kühlsystems.

Anhand der Zeichnungen sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1: In einem Blockschaltbild ein Kühlsystem zum Trocknen von Luft mithilfe von Flüssiggas in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2: In einem Blockschaltbild ein Kühlsystem zum Trocknen von Luft mithilfe von Flüssiggas in einer zweiten Ausführungsform

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Kühlsystem 1 wird etwa bei Raumtemperatur vorlie­ gende Luft zur Verringerung des Wasserdampfgehaltes auf eine Temperatur von 3°C abgekühlt. Dabei wird die zu trocknende Luft in einem elektrisch betriebenen Kompressor 2 auf einen Druck von mehreren bar komprimiert und einer Trocknungseinheit 3 zugeführt.

Die Trocknungseinheit 3 weist einen Wärmetauscher 4 auf, in dem - hier nicht gezeigte - Durchleitungen für die zu trocknende Luft und für ein Kühlmittel in thermischen Kontakt miteinander stehen. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers 4 ist die Luft auf ihren vorgesehenen Temperaturwert von 3°C abgekühlt, wobei ein Teil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs kondensiert und einem - hier ebenfalls nicht gezeigten - Abscheider zugeführt wird. Mit dem Kühlsystem 1 ge­ lingt es, den Wasserdampfgehalt von zuvor bei Raumtemperatur und Normaldruck (1 bar) vorliegender Luft um mehr als 90% abzusenken.

Das für die Kühlung der Luft im Wärmetauscher 4 als Kühlmittel eingesetzte Flüs­ siggas, etwa flüssiger Stickstoff, flüssiges Kohlendioxid oder flüssiges Argon, wird einem Flüssiggastank 5 entnommen und in einem Verdampfer 6 in den gasförmi­ gen Zustand gebracht. Der Verdampfer 6 ist - wärmetechnisch gesehen - Teil des Wärmetauschers, bei dem die zum Verdampfen des Flüssiggases erforderli­ che Energie der zu trocknenden Luft entzogen wird. Ein Teil des gasförmigen Stickstoffs wird der Kühlmittedurchleitung des Wärmetauschers 4 zugeführt und dient als Kühlmittel zum weiteren Abkühlen der zu trocknenden Luft. Alternativ hierzu kann das Kühlmittel auch unmittelbar in flüssiger Form dem Wärmetau­ scher 4 zugeführt werden, wo es ganz oder teilweise, unter gleichzeitiger Abküh­ lung der in die Gasdurchleitungen des Wärmetauschers 4 eingeleiteten Luft, in den gasförmigen Zustand übergeht. Dem Verdampfer 6 zugeordnet ist eine regel­ bare Strömungsweiche, mittels der ein Teil des Flüssiggases am Wärmetauscher 4 vorbeigeleitet werden kann. Das aus dem Wärmetauscher 4 ausströmende Kühlmittel kann in die Atmosphäre abgeblasen oder in ein Werksnetz eingespeist werden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Gasdurchleitung des Wärme­ tauschers 4 ein Thermoelement 7 nachgeschaltet, mittels dessen fortlaufend die Temperatur des getrockneten Gases gemessen wird. Über eine hier nicht ge­ zeigte Steuerungseinrichtung steht das Thermoelement mit einem Magnetventil 8 in Verbindung, mittels dessen die Zufuhr von Kühlmittel in den Wärmetauscher 4 einstellbar ist. Das Thermoelement 7 und der Wärmetauscher 8 dienen dabei da­ zu, das Verhältnis aus dem Kühlmittelanteil, der den Wärmetauscher 4 durch­ strömt, zur Gesamtmenge des dem Flüssigtank entnommenen Kühlmittels in Ab­ hängigkeit von der Temperatur des getrockneten Gases derart zu regeln, daß ein gleichmäßiger Trocknungseffekt erzielt wird.

Das in Fig. 2 gezeigte, für tiefe Arbeitstemperaturen (-40°C bis -50°C) konzipierte Kühlsystem 1' unterscheidet sich vom Kühlsystem 1 durch eine der Trocknungs­ einheit 3 zugeschaltete weitere Trocknungseinheit 9. Beiden Trocknungseinheiten 3, 9 sind Wärmetauscher 4 zugeordnet. Die zusätzliche Trocknungseinheit 9 dient zum einen in der unten beschriebenen Weise zum Vorkühlen der in der als Hauptkühleinheit eingesetzten Trocknungseinheit 3 eingeführten Luft, zum anderen tritt die Trocknungseinheit 9 im Wechsel mit der Trocknungseinheit 3 als Hauptkühleinheit auf.

Hierzu wird die Kühlmittelzufuhr in die Trocknungseinheit 9 derart begrenzt, daß im Wärmetauscher der Trocknungseinheit 9 eine Arbeitstemperatur von knapp über dem Gefrierpunkt des Wassers erzielt wird. Die durch diese Trocknungsein­ heit strömende Luft wird auf diese Weise gekühlt und somit getrocknet. Nach Durchlaufen der Trocknungseinheit 9 wird die so vorgetrocknete Luft der Trocknungseinheit 3 zugeleitet, in der die weitere Abkühlung auf -40°C bis -50°C erfolgt. Nach einer gewissen Zeit erfolgt ein Wechsel in der Funktion der beiden Trocknungseinheiten: Die komprimierte Luft wird zunächst in der Trocknungsein­ heit 3 vorgekühlt und dann der Trocknungseinheit 9 zur Abkühlung auf -40°C bis -50°C zugeleitet. In der jeweils als Vorkühler fungierende Trocknungeinheit herrscht eine Temperatur von knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser, etwa 2°C bis 3°C. Etwaige Eis- und Wasserreste, die sich bei einer tieferen Ar­ beitstemperatur gebildet haben, schmelzen ab bzw. verdunsten. Auf diese Weise wird eine den Durchfluß behindernde Eisbildung in den Gasdurchleitungen der Wärmetauscher der Trocknungseinheiten 3, 9 wirksam und dauerhaft vermieden. Zugleich wird durch den Wechsel der Trocknungseinheiten 3, 9 eine kontinuierli­ che Lufttrocknung ermöglicht.

Die Zuleitung von Luft in die beiden Trocknungseinheiten 3, 9 kann mittels einer - hier nicht gezeigten - Strömungsweiche eingestellt werden. Somit kann Luft auch ohne den Umweg über die Trocknungseinheit 9 unmittelbar aus dem Kompressor 2 in die Trocknungseinheit 3 geleitet werden. Durch entsprechende Drosselung der Kühlmittelzufuhr in den Wärmetauscher 4 bzw. Erhöhung der durch den Wärmetauscher 4 geführten Luftmenge kann die Trocknungseinheit 3 auf eine fast beliebig einstellbare Arbeitstemperatur gebracht werden. Weiterhin wird die Temperatur des getrockneten Gases mittels eines Thermoelements 7 laufend gemessen und die so bestimmte Temperatur als Stellparameter eines den Durch­ fluß von Kühlmittel und/oder Gas regelnden Regelkreises eingesetzt. Der für eine bestimmte Temperatur erforderliche Kühlmitteldurchfluß wird - wie im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 - in einer hier nicht gezeigten Steuerungseinrichtung berechnet und durch Betätigen eines dem Wärmetauscher 4 vorgeschalteten Ma­ gnetventils 8 eingestellt. Andere Stell- und Regelgrößen sind ebenfalls möglich. So kann auch anstelle des Kühlmittelzuflusses oder ergänzend hierzu der Gas­ durchfluß durch ein entsprechendes Ventil eingestellt werden.

In der Vortrocknungseinheit 9 wird der Wasserdampfgehalt der im Kompressor 2 komprimierten Luft bereits um 85-95% reduziert. Die Trocknungseinheit 3 dient zur weiteren Reduzierung des Wasserdampfgehaltes auf Werte unter 1-0,1% des Wasserdampfgehaltes der bei Normalbedingungen vorliegenden Luft. Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung sind be­ sonders vorteilhaft in Betrieben einsetzbar, die über ein Versorgungsnetz für Flüssiggas verfügen. In diesem Falle entstehen durch die Lufttrocknung keine zusätzlichen Kosten, da die zum Erwärmen des üblicherweise bei höheren Tem­ peraturen als der Lagertemperatur eingesetzten Flüssiggases erforderliche Hei­ zenergie der zu trocknenden Luft entnommen werden kann.

Claims (10)

1. Kühlsystem zum Trocknen von wasserdampfhaltigen Gasen, wie Luft, bei dem ein Wärmetauscher (4) mit einer Gasdurchleitung für das zu trocknen­ de Gas sowie mit einer mit dieser in thermischen Kontakt stehenden Kühl­ mitteldurchleitung für ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel verse­ hen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitteldurchleitung des Wärmetauschers (4) mit einem Vorrats­ behälter (5) für Flüssiggas strömungsverbunden und der Wärmetauscher als Verdampfer für das Flüssiggas einsetzbar ist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssiggas flüssiger Stickstoff, flüssiges Argon oder flüssiges Kohlendioxid vorgese­ hen ist.

3. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasdurchleitung des Wärmetauschers (4) mit einer strö­ mungsaufwärts angeordneten Vortrocknungseinrichtung (9) strömungsver­ bunden ist.

4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlmitteldurchleitung und/oder der Gasdurchleitung des Wärmetauschers (4) Mittel (7, 8) zur Durchfluß- und/oder Temperaturkon­ trolle zugeordnet sind.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Durchfluß- und/oder Temperaturkontrolle ein der Kühlmitteldurchleitung und/oder der Gasdurchleitung des Wärmetauschers (4) vorgeschaltetes Ventil (8), vorzugsweise ein Magnetventil, ein mit der Kühlmitteldurchlei­ tung und/oder der Gasdurchleitung des Wärmetauschers (4) thermisch verbundenes Temperaturmeßgerät (7), vorzugsweise ein Thermoelement, sowie eine Steuerungseinrichtung vorgesehen sind, wobei das Ventil (8) durch die Steuereinrichtung nach einem gespeicherten und/oder eingebbaren Programm in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur regelbar ist.

6. Verfahren zum Trocken eines wasserdampfhaltigen Gases, etwa Luft, bei dem

• - das zu trocknende Gas eine Gasdurchleitung eines Wärmetau­ schers (4) und ein Flüssiggas, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, durch eine mit der Gasdurchleitung in thermischen Kontakt stehen­ den Kühlmitteldurchleitung des Wärmetauschers (4) durchströmt,
• - das Flüssiggas in dem Wärmetauscher (4) verdampft und dadurch die zum Verdampfen erforderliche Energie dem wasserdampfhalti­ gen Gases entzogen wird, wobei sich das Gas abkühlt und
• - der durch die Abkühlung kondensierende Wasserdampfanteil abge­ schieden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zum Erreichen niedrigerer Arbeitstemperaturen des Wärmetauschers (4) vor dem Zuführen zum Wärmetauscher (4) vorgetrocknet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem­ peratur des aus der Gasdurchleitung des Wärmetauschers (4) austreten­ den Gases und/oder die Temperatur des aus der Kühlmitteldurchleitung des Wärmetauschers (4) austretenden Flüssigases laufend gemessen wird, und die Menge des durch den Wärmetauscher (4) strömenden Flüs­ siggases und/oder die Menge des durch den Wärmetauscher (4) strömen­ den Gases nach einem vorbestimmten Programm geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel­ zufuhr in den Wärmetauscher (4) bei Unterschreiten einer ersten vorgege­ benen Gastemperatur gesperrt, jedoch bei Überschreiten einer zweiten vorgegebenen Gastemperatur oder einer vorgegebenen Temperaturdiffe­ renz wieder freigegeben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetauscher (4) ein zweiter Wärmetauscher (9) parallelgeschaltet wird, wobei abwechselnd ein Wärmetauscher (3, 7) zum Trocknen von Gas auf eine vorbestimmte Trocknungsstufe eingesetzt wird, während der zweite Wärmetauscher (7, 3) zum Trocknen der Gasdurchleitung dieses Wärmetauschers erwärmt wird.