DE2729922A1

DE2729922A1 - Kuehlvorrichtung, insbesondere zum trocknen von gas

Info

Publication number: DE2729922A1
Application number: DE19772729922
Authority: DE
Inventors: Pieter Gerard Cazemier
Original assignee: DROOGTECH
Current assignee: DROOGTECH
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1978-01-26
Also published as: IT1080468B; NL7607760A; GB1578966A; BE856447A; FR2358185A1

Description

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Kühlvorrichtung, insbesondere zum Trocknen von Gas

Zur Trocknen eines Gases, insbesondere von Druckluft, ader fur ähnliche Zwecke werden Kühlvorrichtungen verwendet, in denen das betreffende Gaa mittels Wärmeaustausches mit einem Kühlmedium gekühlt wird, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Dieser letztere umfaßt eine Druckpumpe zum Komprimieren des Kühlmitteldampfes, einen mit einer UBrmeabgabevorrichtung versehenen Kondensator zum Verflüssigen dieses Dampfea durch Abkühlen, ein regelbares Überdruckventil zum Kühlen des Kühlmittels durch Expansion und einen mit dem überdruckventil verbundenen Verdampfer, der in Uirmeaustauschverbindung mit dem zu trocknenden Gas steht| der Auslaß des genannten Verdampfera iat wieder mit der EinlaBseite der Pumpe verbunden.

Derartige Vorrichtungen aollen wirksam bei allen möglichen Kühlbelastungen arbeiten, insbesondere in einem Laatbereich zwischen Q und 100 %. Die Temperatur des Verdampfera darf nicht unter 0° C fallen (falle in dem zu trocknenden Gas Wasserdampf vorhanden iat) denn dann würde eich EIb auf dem Verdampfer niederschlagen und die Uirmeableitungamenge würde dadurch beträchtlich verringert. Außerdem muß darauf geachtet

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uierden, daB eine genugende Überhitzung des KQhlmitteldampfes im Verdampfer stattfindet, da die Pumpe beschädigt würde, wenn flüssiges Kühlmittel die Druckpumpe erreichen würde.

Bei den gängigen Vorrichtungen dieser Art wird das überdruckventil von einem hinter dem Verdampfer angeordneten Temperaturfühler gesteuert, so daB die gewünschte Überhitzung erzielt wird. Der Nachteil einer solchen Steuerung liegt darin, daB eine stabile Funktion nur bei einer genau festgelegten Belastung erreicht wird, daB aber bei abweichenden Belastungen betrachtliche Temperaturschwankungen bei dem zu kühlenden Gas auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der genannten Art zu erstellen, die wirksam bei allen Belastungen zwischen 0 und 100 % funktionieren kann.

Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung nach der Erfindung gekennzeichnet durch einen zusätzlichen wärmeaustauscher mit einer zwischen Verdampfer und Kompressionspumpe verbundenen Primärseite und einer zwischen Kondensator und überdruckventil angeschlossenen SekundBrseite. Das überdruckventil ist so auf festen Ausgangsdruck oder feste Ausgangstemperatur eingestellt, daB die Ausgangstemperatur nicht unter der Gefriertemperatur dea im Gaa befindlichen Dampfes liegt| ferner durch eine steuerbare Ulrneableitungsvorrichtung für den Kondensator, und zwar iat alles ao angeordnet, daB auf der PrimBraeite dea Wärmeaustauschers daa

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Kühlmittel unter allen Betriebsbedingungen völlig verdampft und leicht überhitzt uiird; die Wärmeaustauschvorrichtung ist so steuerbar, daß der Wärmeaustauscher bei sich verringernder Belastung mindestens zum Teil die Aufgabe des Kondensators übernimmt.

Diese Uärmeableitungsvorrichtung, die bei einem luftgekühlten Kondensator ein Gebläse und bei einem flüssigkeitsgekQhlten Kondensator eine Umwälzpumpe ist, kann mittels eines Fühlers gesteuert werden, der auf Druck oder Temperatur des Kühlmittels anspricht, da nämlich bei gemeinsamen Auftreten von Dampf und Flüssigkeit Temperatur und Druck unzweideutig miteinander verbunden sind, und die genannte Steuervorrichtung kann entweder eine Ein-Aus-Steuerung oder eine kontinuierliche oder stufenweise Steuerung über Zwischenwerte sein.

Um die Funktion des Verdampfers bei Höchstbelastung wirksamer zu machen, ist es insbesondere möglich, eine Strömungseinengung einzubauen, in der der Druck abfällt und deshalb ein von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels abhängiger Temperaturabfall auftritt, der so gewählt wird, daß die Temperatur bei Höchstbelastung unter der obengenannten Gefriertemperatur liegt, um die Wärmeableitung zu verbessern, und zwar so, daß die Temperatur der ■it dem Gas in Berührung kommenden Flächen nicht unter die genannte Gefriertemperatur fällt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Darin zeigt

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verkörperung der Vorrichtung nach der E_rfindung,

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung eines Teils der Vorrichtung mit geänderten Elementen, und

Fig. 3 eine Darstellung eines anderen Teils einer besonderen Verkörperung dieser Vorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine ein Kühlmittel komprimierende Pumpe 1, in der Kühlmitteldampf, zum Beispiel Freon, komprimiert uiird. Der komprimierte Dampf wird durch eine Leitung 2 zu einem Kondensator geführt, der mittels Umluft durch ein Gebläse k gekühlt wird. In diesem Kondensator 3 kann komprimierter Kühlmitteldampf verflüssigt werden. Der Kondensator ist über Leitung 5 an ein Zwischengefäß 6 angeschlossen; von hier führt eine Leitung 7 zu einem Überdruckventil 6.

In Ventil 8 kann das flüssige Kühlmittel in gebremster Form expandieren, wodurch die Temperatur beträchtlich absinkt, da die Verdampfung durch Wärmeentzug aus dem Kühlmittel selbst stattfindet. Das gekühlte Gemisch wird zu einem Verdampfer 9 geleitet, in dem die Flüssigkeit völlig verdampfen kann durch Wärmeaufnahme von einem Luftstrom 1D, der gekühlt werden soll und in üJärmeaustauschverbindung zu dem genannten Verdampfer steht. Danach wird der Dampf durch eine Leitung 11 wieder zur Eingangsseite der Pumpe 1 geleitet.

Bis zu diesem Punkt entspricht die Vorrichtung nach der Erfindung den üblichen Vorrichtungen, bei denen das Überdruck-

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ventil 8 von einem hinter dem Verdampfer 10 angeordneten Temperaturfühler gesteuert wird. Dieser Fühler sorgt für eine genügende Überhitzung im Verdampfer, um zu verhindern, daB flüssiges Kühlmittel die Pumpe 1 erreicht, lilie bereits erwähnt, führt eine solche Art von Steuerung zu sehr beträchtlichen Temperatur-Bchwankungen in dem zu kühlenden Gas in dem größten Teil des Belastungsberei ch s.

Nach der Erfindung wird das Überdruckventil 8 von einem Druckfühler 12 gesteuert, der den Druck an der Ausgangsseite dieses V/entils B auf einem festen Wert hält. Da dort eine Mischung von Dampf und Flüssigkeit vorhanden ist, besteht eine feste Beziehung zwischen Druck und Temperatur, so daß durch Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks auch die Temperatur auf einem konstanten Wert gehalten uird. Dieser letztere Wert uird so gewählt, daB die Temperatur dea Verdampfers 9 nicht so stark fällt, daB der im Luftstrom 10 befindliche Wasserdampf auefriert, so daB die Wärmeableitung dadurch beträchtlich behindert würde. Ee versteht sich, daB für GasstrOme mit anderen Dampfteilen, die bei zu niedrigen Temperaturen festfrieren kOnnen, dasselbe gilt.

Bei höheren Belastungen wird das ganze durch Ventil β geleitete Kühlmittel im Verdampfer 9 verdampftJ wenn aber die Belastung abnimmt, verläBt ein Gemisch von gesättigtem Dampf und Flüssigkeit den Verdampfer 9, was aber vermieden werden muB, da sonst die Pumpe 1 beschädigt werden könnte.

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Nach der Erfindung wird ein Wärmeaustauscher 13 verwendet, dessen Primärseite 13' in Leitung 11 und dessen Sekundärseite 13 " in der Leitung 5 zwischen Kondensator 3 und Gefäß 6 liegt.

Bei höheren Belastungen sorgt der Wärmeaustauscher 13 dafür, daß die aus dem Kondensator 3 austretende Flüssigkeit noch weiter abgekühlt uird, indem sie den durch die Primärseite 13' fließenden kühleren Kühlmitteldampf aufwärmt. Die Abmessungen der verschiedenen Teile der Vorrichtung und insbesondere des Kondensators 3 und des Wärmeaustauschers 13 werden so gewählt, daß, wenn bei Höchst- oder hohen Belastungen ein Gemisch von gesättigtem Dampf und Flüssigkeit in die Primärseite 13* des Wärmeaustauschers 13 einströmt, in dem Wärmeaustauscher 13 eine völlige Verdampfung der Flüssigkeit erzielt und der Kühlmittelstrom etwas überhitzt uird.

Bei geringeren Belastungen und besondere bei Null-Last nimmt der Flüssigkeitegehalt auf der Primärseite 13* von Wärmeaustauscher 13 zu, so daß mehr lilärme zum V/erdampfen der Flüssigkeit ausgetauscht uird. Bei steigendem Flüssigkeitsgehalt ateigt der Wärmeableitungskoeffizient an, uenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht zu niedrig ist; dadurch vergrößert sich die Wärmeableitung im Wärmeaustauscher 13. Die abgeleitete Wärme kommt vom komprimierten Dampf auf der Sekundärseite 13·' dieses Wärmeaustauschers 13, so daß der letztere die Arbeit des Kondensators 3 ergänzt. Ist auf der Sekundärseite 13·' ein Gemisch von ge-

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sättigtem Dampf und Flüssigkeit vorhanden, ist auch der Wärmeableitungskoeffizient auf dieser Seite groß, so daB ein sehr wirksamer Wärmeaustausch stattfindet. Aber bei fortschreitender Kondensierung des Kühlmitteldampfes nimmt dieser Koeffizient ab, so daB dann die Gefahr besteht, daB ungenügende Überhitzung auf der Primärseite auftritt und Kühlmitteldampf dann die Pumpe 1 erreicht.

Um dies zu verhindern, ist die Wirkung des Kondensators 3 nach der Erfindung so herabgesetzt, daB der Wärmeaustauscher 13 immer mehr seine Aufgabe übernimmt, um eine genügende Überhitzung des Kühlmittels auf der Primärseite 13' unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen. Zu diesem Zweck uiird ein Regler Ht verwendet, der den Betrieb von Gebläse <» steuern kann und der in der Verkörperung von Fig. 1 alt dem Druckfühler 15 in der Leitung 2 verbunden ist, der den Druck auf der Druckseite von Pumpe 1 bestimmen kann. Fällt nun bei abnehmender Belastung die Temperatur auf der Sekundärseite 13" wegen der zunehmenden Wärmeableitung ab, dann fällt auch der Druck bei Fühler 15. Gebläse k wird dann abgeschaltet, so daB der Einfluß von Kondensator 3 entsprechend abnimmt. Der Regler 1<t kann zum Beispiel als Ein- und Ausschaltregler funktionieren oder man kann auch eine kontinuierliche oder stufenweise Geschwindigkeitsregulierung des Gebläaemotors erzielen.

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Auf diese üJeise wird ein beträchtlicher Teil der UJärme bei Null-Last intern ausgetauscht, und Kondensator 3 braucht nur den von Pumpe 1 gelieferten EnergieüberschuB zu entfernen. Bei so geringen Belastungen ist der Flüssigkeitsgehalt auf der Primär- υιέ Sekundärseite des Wärmeaustauschers groB, so daß auch der üJärmeableitungskoeffizient groG ist und eine sehr günstige interne Wärmeableitung stattfindet. Nimmt die Belastung weiter zu, nimmt der Flüssigkeitsgehalt auf der Primärseite 13* ab, so daß die interne Wärmeableitung geringer uird und Kondensator 3 immer mehr benutzt werden muß. Kondensator ist so ausgelegt, daß er die erforderliche Kondensation bei Höchstbelastung liefern kann.

Anstelle des Druckfühlers kann auch ein Temperaturfühler 16 verwendet werden, wie in Fig. 2 gezeigt, der zum Beispiel mit Teil 11* von Leitung 11 zwischen dem Wärmeaustauscher 13 und der Pumpe 1 verbunden ist. Anstatt das Gebläse k zu steuern, kann der Regler 1*f auch zur Betätigung von Drosselventilen zum Begrenzen des Luftstroms zu und/oder von Gebläse k benutzt werden. Geschieht die Kühlung nicht durch Luft, sondern mit einem anderen Kühlmittel, kann eine regelbare Umwälzpumpe oder ein regelbares Drosselventil für dieses andere Kühlmittel verwendet werden.

Die Funktion der obengenannten Vorrichtung kann weiter verbessert werden, wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Strömungs-

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einengung 17 zwischen Überdruckventil β und Verdampfer 9 eingebaut yird. An einem solchen Engpaß fällt der Druck ab, und zwar umso mehr, je stärker der Kühlmittelstram hierdurch ist, und ein Druckabfall ist van einem entsprechenden Temperaturabfall begleitet. Dieser Engpaß ist so berechnet, daß bei Null-Last in Verdampfer 9 die Bedingung erfüllt wird, daß die Temperatur des Luftstrorae 1D über dem Gefrierpunkt des darin enthaltenen Wasserdampfes bleibt. Bei höherer Belastung ist der Kühlmittelstrom durch diesen Engpaß 17 stärker, so daß die Temperatur in Verdampfer 9 entsprechend fällt, biegen des größeren Temperaturgefälles gegenüber dem Luftstrom 10 wird die Wärmeableitung entsprechend verbessert. Es ist klar, daß der Engpaß 17 so eingestellt sein muß, daß bei der höchsten Belastung, bei der der größere Temperaturabfall auftritt, die Temperatur in Strom 1D nicht unter die Gefriertemperatur des darin enthaltenen Dampfes fällt.

Der Engpaß 17 hat die oben erwähnte günstige Wirkung, da das Überdruckventil B für einen konstanten Druck sorgt und somit auch für eine konstante Temperatur auf der Ausgangsseite, so daß die von Engpaß 17 bewirkte unterschiedliche Temperatur im V/erdampfer 9 eindeutig an die Belastung gebunden ist. Die Verwendung eines Bolchen auf einen festen Druck eingestellten Überdruckventils 8 ist erst dadurch möglich geworden, daß

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nach der Erfindung sichergestellt uiird, daß die v/erlangte Verdampfung und Überhitzung des Kühlmittels unter allen Betriebsbedingungen stattfindet.

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Claims

PATENTANWÄLTE Aktenzeichen: . CONRAD KÖCHLING . CONRAD-JOACHIM KÖCHLING Anm-: !ilrmB. „ , . Droogtechniek en KLÜSi* ""Haflen 2729922 Luchtbehandeling B.W. Telegramme: Patentkechling Hagen lÜestrik 17 Konten: Commarzbank AQ. Hagen (BLZ 450 400 42) 3 SIS 035 Sparta·»· Hagen 1000120« PRINSENBEEK (Niederlande) PoMachatk: Dortmund sees-4« rniinac.reDc.cn iraieaenanae./ Lfd. Nr. 6BS5/31 29. Juni 1977 CJK/Ki. Patentansprüche :

1. tine Kühlvorrichtung, insbesondere zum Trocknen eines Gases, zum Beispiel Druckluft, mittels Wärmeaustausch mit einem in geschlossenem Kreislauf zirkulierenden Kühlmittel, welcher Kreislauf eine Kompressionspumpe zum Komprimieren des Kühlmitteldampfes, einen mit einer biärmeableitvorrichtung versehenen Kondensator zum V/erflüssigen des Kuhlmittels durch Kühlen, ein steuerbares Überdruckventil zum Abkühlen des Kühlmittels durch Expansion und einen mit dem Ventil verbundenen Werdampfer umfaßt, der in liiürmeaustauschbeziehung zu dem zu kühlenden Gas steht, wobei der Ausgang des Verdampfers mit der Eingangsseite der Pumpe verbunden ist, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Wärmeaustauscher (13) mit einer zwischen Verdampfer (9) und Kompressionspumpe (1) eingeschalteten Primärseite (13') und einer zwischen Kondensator (3) und Überdruck· ventil (8) eingeschalteten Sekundärseite (13"), ferner durch ein Überdruckventil (8), das so auf einen festen Ausgangsdruck bzw. -temperatur eingestellt ist, daß die Ausgangstemperatur nicht unter der Gefriertemperatur des im Gas enthaltenen Dampfes liegt, und durch eine regelbare liiärmeableitvorrichtung (it) fur den Kondensator (3), wobei das Kühlmittel auf der

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ORIGINAL INSPECTED

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Primärseite (13¹) des Wärmeaustauschers (13) unter allen Betriebsbedingungen völlig verdampft und leicht überhitzt ist, und wobei die Wärmeableitvorrichtung (.k) so regelbar ist, daß der Wärmeaustauscher (13) bei abnehmender Belastung wenigstens zum Teil die Aufgabe des Kondensators (3) übernimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitvorrichtung (O mit einem an einen Druckfühler (15) bzui. Temperaturfühler (16) angeschlossenen Regler (14) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (1Ό die Funktion der Wgrmeableitvorrichtung CU) kontinuierlich oder stufenweise bei Zwischenwerten zwischen einem Höchst- und Tiefstwert regelbar verbunden ist.

k. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Überdruckventil (8) und Verdampfer (9) ein StrömungsengpaB (17) eingebaut ist, der so einstellbar ist, daß bei Null-Last die Temperatur des Verdampfers (9) nicht unter die Gefriertemperatur des im Gas enthaltenden Dampfes abfällt und bei Höchstbelastung die Temperatur des Kühlmittels infolge des stärkeren Druckabfalls so sehr sinkt, daß unter Beibehaltung der früheren Bedingungen die Wärmeableitung bei größeren Temperaturunterschieden entsprechend verbessert ist.

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DiPL-ING. CONRAD-JOACbUM KOCHUNG