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Druckgastrockner
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Die Erfindung betrifft einen Druckgastrockner, der neben einem mit
einem Fremd-Kältemittel betriebenen Haupt-Wärmetauscher für die Primärkühlung des
Druckgases mit Kondensation und einem diesem in Strömungsrichtung des Druckgases
nachgeschalteten Tropfenabscheider einen dem Haupt-Wärmetauscher in Strömungsrichtung
des Druckgases vorgeschalteten Zusatz-Wärmetauscher für die Vorkühlung des Druckgases
aufweist, dem die Kälteenergie von seiten des entfeuchteten Druckgases zugeführt
ist.
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Ein solcher Druckgastrockner dient beispielsweise zur Entfeuchtung
von aus einem Verdichter mit einer relativen Feuchtigkeit von 100 % bei einer Temperatur
von 30 bis 400 C ausströmendem Druckgas; insoweit soll durch die Entfeuchtung des
Druckgases verhindert werden, daß zu den durch das Druckgas angetriebenen ~nachgeschalteten
Elementen Feuchtigkeit gelangt, welche Schäden und damit Betriebsstörungen im Bereich
der druckgasangetriebenen Elemente verursachen könnte. Ein Druckgastrockner der
angegebenen Gattung kann gleichermaßen bei der Entfeuchtung von bei der Durchführung
eines chemischen Prozesses anfallendem Druckgas zur Anwendung-kommen.
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Bei dem beschriebenen Druckgastrockner der eingangs angegebenen Bauart
kommt das Verfahren der Kältetrocknung zur Anwendung. Hierbei wird das Druckgas
zur Einstellung eines
niedrigen Taupunktes soweit wie möglich, z.B.
auf 2 bis 50C gekühlt, um es nach der mit einer Auskondensation einhergehenden Abkühlung
wieder auf Umgebungstemperatur aufzuwärmen.
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Durch die abschließende Wiederaufwärmung des Druckgases soll eine
Reifbildung insbesondere in den dem Druckgastrockner nachgeschalteten Rohrleitungen
ausgeschlossen werden. Andererseits bedeutet die Vorkühlung des Druckgases, dem
der dem Haupt-Wärmetauscher in Strömungsrichtung vorgeschaltete Zusatz-Wärmetauscher
dient, daß der Bedarf an Fremd-Kältemittel im Bereich des Hauptwärmetauschers gering
gehalten ist; damit kann für die Erzeugung von Kälteenergie im Bereich des Haupt-Wärmetauschers
beispielsweise eine Kältemaschine kleiner Leistung zur Anwendung kommen.
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Im Falle eines bekannten Druckgastrockners der fraglichen Gattung
besteht der dem Haupt-Wärmetauscher in Strömungsrichtung vorgeschaltete Zusatz-Wårmetauscher
für die Vorkühlung des Druckgases aus einem Luft-Luft-Wärmetauscher, der vom Druckgas
einerseits vor dessen Entfeuchten, andererseits, in Gegenstromrichtung dazu, nach
seinem Entfeuchten, also nach Durchtritt des Druckgases durch den Haupt-Wärmetauscher
und den ihm nachgeschalteten Tropfenabschei-der, beaufschlagt ist. Hierbei wird
dem Zusatz-Wärmetauscher die für die Vorkühlung notwendige Kälteenergie somit durch
Heranführung des entfeuchteten Druckgases zugeführt, wobei das entfeuchtete Druckgas
bei seiner Hindurchführung durch den Zusatz-Wärmetauscher gleichzeitig die gewünschte
Wiedererwärmung, wie auf etwa Umgebungstemperatur, erfährt.
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Dieser bekannte Druckgastrockner ist konstruktiv aufwendig, zumal
eine zufriedenstellende Entfeuchtung des Druckgases
hierbei die
Einschaltung eines zweiten Tropfenabscheiders zwischen dem dem Haupt-Wärmetauscher
vorgeschalteten Zusatz-Wärmetauscher und dem Haupt-Wärmetauscher selbst voraussetzt.
Er setzt zu seiner Aufstellung außerdem ein erhebliches Raumangebot voraus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Druckgastrockner der
in Rede stehenden Gattung so auszubilden, daß der konstruktive Aufwand zu seiner
Fertigung verringert und er außerdem platzsparend gebaut ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Zusatz-Wärmetauscher
für die Vorkühlung die Kälteenergie von seiten des entfeuchteten Druckgases über
ein flüssiges Wärmeträger-Zwischenmedium zugeführt ist, wobei dieser Zusatz-Wärmetauscher
als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist und dem Tropfenabscheider in
Strömungsrichtung des Druckgases ein weiterer Zusatz-Wärmetauscher in Form eines
Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers nachgeschaltet ist, die beide von dem flüssigen
Zwischenmedium beaufschlagt sind.
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Bei dem so ausgebildeten Druckgastrockner ist lediglich ein einziger
Tropfenabscheider in Gestalt des dem Haupt-Wärmetauscher nachgeschalteten Tropfenabscheiders
erforderlich. Damit ist dieser Druckgastrockner durch geringen konstruktiven Aufwand
und einen erheblich verkleinerten Platzbedarf ausgezeichnet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Zusatz-Wärmetauscher
für die Vorkühlung, der Haupt-Wärmetauscher, der Tropfenabscheider und der dem Tropfenabscheider
in Strömungsrichtung nachgeschaltete weitere Zusatz-Wärmetausher im Inneren
eines
vom Druckgas durchströmten Druckkessels angeordnet. Damit ist der Druckgastrockner
zu einer einzigen kompakten Baueinheit zusammengefaßt, womit er entsprechend platzsparend
aufgestellt werden kann. Die kompakte Bauweise bedeutet gleichzeitig, daß das Druckgas
bei seinem Durchtritt durch den Druckgastrockner hindurch lediglich kleine Druckverluste
erfährt.
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In einer Ausbildung der Erfindung ist der Druckkessel zylinderförmig
ausgebildet und in Richtung seiner Längsachse vom Druckgas durchströmt, wobei der
Zusatz-Wärmetauscher für die Vorkühlung, der Haupt-Wärmetauscher, der Tropfenabscheider
und der dem Tropfenabscheider in Strömungsrichtung nachgeschaltete weitere Zusatz-Wärmetauscher
in Längsachsrichtung hintereinander angeordnet sind und die beiden Zusatz-Wärmetauscher
über an der Außenseite des Druckkessels erstreckte Rohrleitungen mit zwischengeschalteter
Umwälzpumpe miteinander verbunden sind.
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Es kann sich auch empfehlen, daß die beiden Zusatz-Wärmetauscher
durch eine einzige Wärmerohreinheit mit nebeneinander längserstreckten Wärmerohren
gebildet sind, wobei die einen, als Verdampfer wirkenden Enden der Wärmerohre den
Zusatz-Wärmetauscher für die Vorkühlung und die ihnen abgewendeten, als Kondensator
wirkenden anderen Enden der Wärmerohre den dem Tropfenabscheider inStrömungsrichtung
nachgeschalteten Zusatz-Wärmetauscher bilden.
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Bei einer derartigen Wärmerohreinheit handelt es sich um einen statischen
Wärmetauscher, der unter geringem Aufwand den Wärmetransport zwischen einer Wärmequelle
und einer Wärmesenke ermöglicht; zu diesem Wärmetransport wird dabei ein hintereinandergeschalteter
Verdampfungs- und Kondensationsvorgang benutzt.
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Es ist jedes einzelne Wärmerohr der Wärmerohreinheit bei deren Fertigung
teilweise mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefüllt worden, welches dem flüssigen
Zwischenmedium des Druckga#rockners entspricht, von dem beide Zusatz-Wärmetauscher
beaufschlagt sind.
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Es handelt sich bei dem flüssigen Arbeitsmedium insbesondere um eine
leicht verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise Methylen-Chlorid.
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Nach der Befüllung der Wärmerohre ist in jedem von ihnen Phasen-Gleichgewicht
zwischen dem flüssigen Zwischenmedium sowie dem oberhalb der Flüssigkeit sich ausbildenden
Dampf eingestellt.
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Werden nun während des Betriebs des Druckgastrockners die einen Enden
der Wärmerohre außenseitig vom herangeführten, warmen Druckgas beaufschlagt, so
verdampft in jedem entsprechenden Rohrabschnitt ein Teil des mit seinem Dampf im
Gleichgewicht stehenden flüssigen Zwischenmediums. Der zusätzlich entstehende Dampf
strömt innerhalb der Wärmerohre zu ihren gegenüberliegenden Enden, die ihrerseits
von dem inzwischen entfeuchteten und gleichzeitig abgekühlten Druckgas umspült werden.
Hierbei kondensiert der unter der Wärmezufuhr von seiten des herangeführten warmen
Druckgases entstandene Dampf im Bereich der gegenüberliegenden Enden der Wärmerohre
unter Abgabe der vorher im Bereich der anderen Enden aufgenommenen Verdampfungswärme.
Wird für die Rückführung des Kondensats in den Bereich dieser anderen Enden der
Wärmerohre Sorge getragen, stellt sich ein zunehmend kühler werdender Flüssigkeitsstrom
an der Innenwandung jedes Wärmerohres in Richtung zu diesen anderen Rohrenden hin
ein, und es ergibt sich schließlich ein solches Temperaturniveau des flüssigen Zwischenmediums,
also eine solche Kondensations- und Verdampfungstemperatur, daß Gleichgewicht zwischen
Wärmeaufnahme im Bereich der als Verdampfer wirkenden Enden der Wärmerohre und Wärmeabgabe
im Bereich der als Kondensator wirkenden Enden der Wärmerohre besteht.
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Nach einem weiteren Merkmal sind die Wärmerohre der Wärmerohreinheit
als Kapillarkraft-Wärmerohre ausgebildet und innerhalb des Druckkessels waagerecht
angeordnet. Dabei ist jedes Wärmerohr auf der Innenseite mit einem Kapillarsystem
ausgekleidet, welches z.B. aus einem metallischen oder textilen, filzähnlichen Gewirke
besteht. Das Kapillarsystem ist auf Grund der Kapillarkräfte in der Lage, das flüssige
Zwischenmedium zu transportieren.
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In der Ruhelage der Wärmerohreinheit stellt sich in jedem Wärmerohr
ein gleichmäßiger Druck und damit eine gleichmäßige Temperatur ein, wobei entsprechend
dem Druck eine bestimmte Menge des flüssigen Zwischenmediums verdampft ist und die
Restmenge als Flüssigkeit innerhalb des Kapillarsystems vorhanden ist. Wird ein
einzelnes Wärmerohr auf der einen Seite von Druckgas im warmen Zustand und auf der
anderen Seite vorn Druckgas in erkaltetem Zustand umströmt, so verdampft das flüssige
Zwischenmedium im Bereich der warmen Seite; der Druck in diesem Teil des Wärmerohres
wird höher und der verdampfte Stoff zieht zur kalten Seite hin, wo er unter Kondensation
seine Wärme abgibt und gleichzeitig als Flüssigkeit in das Kapillarsystem eindringt.
Auf Grund der Kapillarwirkung wird die Flüssigkeit wieder zur warmen Seite hingezogen.
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Die Förderkapazität von waagerecht angeordneten reinen Kapillarkraft-Wärmerohren
ist begrenzt. Es kann sich daher auch empfehlen, die als Kapillarkraft-Wärmerohre
ausgebildeten Wärmerohre innerhalb des Druckkessels nicht waagerecht, sondern unter
einer Rohrneigung gegenüber der Horizontalen zur Verdampferseite hin anzuordnen,
wobei ein Neigungswinkel von etwa 5 bis 80 vorzuziehen ist. Bei einer solchen Neigung
der Wärmerohre wird die Kapillarströmung des flüssigen Zwischenmediums durch die
Schwerkraft unterstützt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die
Wärmerohre der Wärmerohreinheit in ihrem mittleren Längenbereich durch ein im wesentlichen
quer zu ihrer Rohrachse verlaufendes Trennblech unter gasdichtem gegenseitigen Abschluß
der im Bereich einerseits des Verdampferteils und andererseits des Kondensatorteils
der Wärmerohreinheit erstreckten Wärmerohrabschnitte hindurchgeführt, wobei das
Trennblech außerdem die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung des Druckkessels
voneinander gasdicht trennt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der Zusatz-Wärmetauscher
für die Vorkühlung und/oder der dem Tropfenabscheider in Strömungsrichtung des Druckgases
nachgeschaltete weitere Zusatz-Wärmetauscher als Rippenrohraustauscher ausgebildet;
und zwar sorgt das flüssige Zwischenmedium für einen guten Wärmeübergang auf der
Innenseite der Zusatz-Wärmetauscher5 und es ermöglicht deren Ausbildung als Rippenrohraustauscher
eine Kompensation des schlechten Wärmeübergangs auf der Gasseite der Zusatz-Wärmetauscher
durch eine Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen. Die Ausbildung der Zusatz-Wärmetauscher
als Rippenrohraustauscher bedeutet eine weitere Verminderung des konstruktiven und
des Fertigungsaufwandes im Falle des erfindungsgemäßen Druckgastrockners.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand dreier Schaltbilder verdeutlicht.
Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild zu dem bekannten Druckgastrockner; Fig. 2 ein Schaltbild
zu einem erfindungsgemäßen Druckgastrockner in einer ersten Ausführungsform und
Fig. 3 ein Schaltbild zu einem erfindungsgemäßen Druckgastrockner in einer zweiten
Ausführungsform
In den drei Figuren ist der Strömungsweg des Druckgases
jeweils Srlchpunktiert gezeichnet und seine Strömungsrichtung durch Pfeile X kenntlich
gemacht.
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Der Druckgastrockner weist jeweils einen Haupt-Wärmetauscher 1 für
dieFrimärkühlung des Druckgases, einen diesem in Strömungsrichtung X des Druckgases
nachgeschalteten Tropfenabscheider 2 mit Kondensatableiter 2' sowie einen dem Haupt-Wärmetauscher
1 in Strömungsrichtung X vorgeschalteten Zusatz-Wärmetauscher 3 für die Vorkühlung
des Druckgases auf. Der Haupt-Wärmetauscher 1 ist übereinstimmend xxx mit einem
in Richtung der Pfeile Y durch ihn hindurchgeführten Fremd-Kältemittel betrieben;
und zwar ist der Haupt-Wärmespeicher 1 stets als Kältemittel-Verdanipfer einer Kältemaschine
4 ausgebildet, die außerdem einen Kompressor 4a, einen Kondensator 4b und ein Expansionsventil
4c umfaßt.
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Im Falle des bekannten Druckgastrockners der Fig. 1 besteht der dem
Haupt-Wärmetauscher 1 in Strömungsrichtung vorgeschaltete Zusatz-Wärmetauscher 3
für die Vorkühlun#Y%inem Luft-Luft-Wärmetauscher. Es ist zwischen diesem Zusatz-Wärmespeicher
3 und dem Haupt-Wärmetauscher 1 ein weiterer Tropfenabscheider 2a mit einem Kondensatableiter
2a' geschaltet.
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Bei diesem bekannten Druckgastrockner wird das in Strömungsrichtung
X herangeführte warme Druckgas unmittelbar mit dem vom Haupt-Wärmetauscher 1 kommenden,
erkalteten Druckgas vorgekühlt, wobei das Druckgas innerhalb des Zusatz-Wärmespeichers
3 für die Vorkühlung gleichzeitig wieder auf Umgebungstemperatur, z.B. 150C, gebracht
wird.
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Im Falle des erfindungsgemäßen Druckgastrockners der Fig. 2 und 3
ist der Zusatz-Wärmetauscher 3 für die Vorkühlung als Luft-Flilisigkeits-Wärmetauscher
ausgebildet. Hier ist dem
Tropfenabscheider 2 zudem in Strömungsrichtung
X des Druckgases ein weiterer Zusatz-Wärmetauscher5/in Form eines Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers
nachgeschaltet.
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Bei beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckgastrockners
weist dieser einen vom Druckgas in Strömungsrichtung X durchströmten Druckkessel
6 auf, in dem übereinstimmend sowohl der Zusatz-Wärmetauscher 3 für die Vorkühlung,
der Haupt-Wärmetauscher 1 und der Tropfenabscheider 2 als auch der dem Tropfenabscheider
2 in Strömungsrichtung X nachgeschaltete weitere Zusatz-Wärmetauscher 5 angeordnet
sind. Der Zusatz-Wärmetauscher 3 für die Vorkühlung und der dem Tropfenabscheider
2 nachgeschaltete weitere Zusatz-WErmetauscher/sind außerdem stets als Rippenrohraustauscher
ausgebildet. Der Druckkessel 6 besitzt jeweils Zylinderform.
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Beim Druckgastrockner der Fig. 2 durchströmt das Druckgas den Druckkessel
in Richtung seiner Längsachse. Dabei sind der Zusatz-Wärmetauscher 3 für die Vorkühlung,
der Haupt-Wärmetauscher 1, der Tropfenabscheider 2 und der dem Tropfenabscheider
2 in Strömungsrichtung X nachgeschaltete weitere Zusatz-Wärmetauscher 5 in Längsachs-Richtung
hintereinander angeordnet.
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Die beiden Zusatz-Wärmetauscher 3, 5 sind über an der Außenseite des
Druckkessels 6 erstreckte Rohrleitungen 7 miteinander verbunden, durch welche das
flüssige Zwischenmedium unter Einwirkung einer Umwälzpumpe 8 in Richtung des Pfeils
Z hindurchgeführt wird.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Druckgastrockner gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel sind die beiden Zusatz-Wärmetauscher 3, 5 durch eine einzige
Wärmerohreinheit 9 mit nebeneinander längserstreckten Wärmerohren 9a gebildet. Es
stellen die in den Figuren links befindlichen Endabschnitte der Wärmerohre 9a den
Zusatz- Wärmetauscher 3 für die Vorkühaung dar, die in der Figur rechts befindlichen
Endabschnitte der Wärmerohre 9a dew dem Tropfenabscheider 2 in Strömungsrichtung
X des Druckgases
nachgeschalteten Zusatz-Wärmetauscher 5 dar.
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Die Wärmerohre 9a der Wärmerohreinheit 9 sind als Kapillarkraft-Wärmerohre
ausgebildet und innerhalb des Druckkessels 6 unter einer Rohrneigung von etwa 5
bis 80 gegenüber derHorizontalen angeordnet, wobei die linken Endabschnitte der
Wärmerohre 9a tiefer als deren rechten Rohrabschnitte sind.
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Im Bereich der links erstreckten Endabschnitte der Wärmerohre 9a
wirken die Wärmerohre 9a als Verdampfer, im Bereich der gegenüberliegenden Endabschnitte
als Kondensator. Die Wärmerohre 9a der Wärmerohreinheit 9 sind in ihrem mittleren
Längenbereich durch ein im wesentlichen quer zu ihrer Rohrachse verlaufendes Trennblech
10 hindurchgeführt, wobei die links, d.h. im Bleich des Verdampferteils, erstreckten
Rohrabschnitte und die rechts, also im Bereich des Kondensatorteils, verlaufenden
Rohrabschnitte der Wärmerohre 9a durch das Trennblech 10 gasdicht voneinander abgeschlossen
sind. Das Trennblech 10 trennt außerdem die -Eintrittsöffnung 11 und die Austrittsöffnung
12 des Druckkessels 6 für das Druckgas gasdicht voneinander ab.
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Im Falle beider Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Druckgastrockners
wird der Wärmeinhalt des heranströmenden, warmen Druckgases im Bereich des Zusatz-Wärmespeichers
für die Vorkühlung an das flüssige Zwischenmedium abgegeben und über das flüssige
Zwischenmedium in den Bereich des Zusatz-Wärmetauschers 5 transportiert. Im Bereich
des Zusatz-Wärmeb tauschers 5 werden die vom Haupt-Wärmetauscher 1 kommenden Kaltgase
wieder auf Umgebungstemperatur aufgeheizt.
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