DE3941713A1 - Vorrichtung zum kuehltrocknen von gasen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühltrocknen von
Gasen, insbesondere von Druckluft, mit einem Gasführungssystem
und einer darin angeordneten Kühleinrichtung mit einer
Hauptwärmetauscheinrichtung, die von einem Kälteträger
durchströmt ist, welcher mittels eines Kühlaggregats auf eine
solche Temperatur heruntergekühlt wird, daß sich die im Gas
enthaltene Flüssigkeit bzw. Dampf in Eisform niederschlägt,
sowie mit einer Enteisungseinrichtung zum periodischen
Entfernen des Eisniederschlages.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Gase wie Luft oder
dergleichen durch Abkühlung unter deren Taupunkttemperatur zu
entfeuchten. Dies geschieht insbesondere im Zusammenhang mit
Druckluftanlagen, damit bei der weiteren Verwendung der
Druckluft kein Wasserdampf kondensieren oder die Restfeuchte in
nachgeschalteten Prozessen stören kann. Die Luft wird dabei in
Wärmetauschern durch das Kältemittel von Kühlaggregaten
gekühlt. Die Kühlung erfolgt gewöhnlich bis nahe an den
Gefrierpunkt, wobei jedoch ein Eisniederschlag zwecks
Vermeidung von Verstopfungen vermieden wird. Das dabei
anfallende Kondensat wird abgetrennt und ausgeschieden.
Es ist allerdings auch schon bekannt, das Gas so weit
herabzukühlen, daß sich der darin enthaltene Wasserdampf in
Form von Reif oder Eis auf den Wärmeaustauschflächen
niederschlägt (Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4.
Auflage, 1973, Band 3, Seiten 208, 209). Der Reif bzw. das Eis
muß dann periodisch beispielsweise durch Elektroheizung oder
mit Kältemitteldruckdampf abgetaut werden. Damit ein
kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist, sind in diesem Fall
mehrere parallel geschaltete, wechselseitig in Betrieb
befindliche Verdampfer notwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der
Energieverbrauch im Bereich der Hauptwärmetauscheinrichtung
möglichst gering ist, ohne daß hierfür in anderen
Vorrichtungsabschnitten Nachteile in Kauf genommen werden
müssen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende
Merkmale gelöst:
- a) die Kühleinrichtung weist eine der Hauptwärmetauscheinrichtung vorgeschaltete Vorwärmetauscheinrichtung auf;
- b) die Vorwärmetauscheinrichtung ist mit dem ausgangsseitigen
Gasführungssystem derart gekoppelt,
- aa) daß Wärme vom einströmenden auf das getrocknete ausströmende Gas übertragen wird und
- bb) daß die Wärmeübertragung derart begrenzt ist, daß das einströmende Gas nur auf eine Temperatur, bei der noch keine Vereisung eintritt, abgekühlt wird.
Erfindungsgemäß ist also der Hauptwärmetauscheinrichtung eine
Vorwärmetauscheinrichtung vorgeschaltet, in der das
einströmende Gas durch das ausströmende, schon getrocknete Gas
abgekühlt wird, so daß das Kühlaggregat in der
Hauptwärmetauscheinrichtung für die weitere Abkühlung nur noch
eine entsprechend geringere Energie aufwenden muß. Zwar ist es
bei Vorrichtungen, bei denen eine Abkühlung nur bis kurz
oberhalb des Gefrierpunkes erfolgt, bekannt, das getrocknete
kalte Gas zur Vorkühlung des einströmenden feuchten Gasstroms
zu benutzen. Bei Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art, bei der
in der Hauptwärmetauscheinrichtung bis weit unterhalb 0°
abgekühlt wird, würde dies jedoch unter Umständen dazu führen,
daß sich schon in der Vorwärmetauscheinrichtung Eis
niederschlagen würde mit der Folge, daß Verstopfungen entstehen.
Nach der Erfindung ist deshalb die Wärmeübertragung derart
begrenzt, daß in der Vorwärmetauscheinrichtung gerade noch
keine Vereisung eintritt, so daß der Betrieb der Vorrichtung
durch Verstopfungen nicht beeinträchtigt wird.
Die Vorwärmetauscheinrichtung kann beispielsweise als
Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet sein, wobei die Zufuhr des
ausströmenden Gases regelbar ist, und zwar in der Weise, daß
die Wärmeübertragung - wie vorstehend erläutert - begrenzt ist.
Gemäß der Erfindung ist alternativ dazu vorgesehen, daß die
Vorwärmetauscheinrichtung einen eingangsseitigen und einen
davon getrennten ausgangsseitigen Vorwärmetauscher aufweist,
wobei die Übertragung über ein zusätzliches
Wärmeübertragungsmedium erfolgt. Diese Ausbildung hat den
Vorteil, daß das Wärmeübertragungsmedium hinsichtlich der
Wärmeübertragungsleistung besser regelbar ist. Insbesondere
eröffnet diese Ausbildung die Möglichkeit, dem
Wärmeübertragungsmedium auch Wärme zu entziehen, wenn die
Temperaturdifferenz zwischen ein- und ausströmendem Gas nicht
groß genug ist, um das einströmende Gas bis nahe an den
Gefrierpunkt abzukühlen.
Bei einer Ausführungsform sind die Vorwärmetauscher über eine
von dem Wärmeübertragungsmedium durchströmte
Zirkulationsleitung verbunden, wobei das
Wärmeübertragungsmedium zweckmäßigerweise eine Sole ist. Eine
solche Sole kann auch für die Hauptwärmetauscheinrichtung
vorgesehen sein. Dann ist es zweckmäßig, daß diese Sole
teilweise der Sole in der Zirkulationsleitung zugemischt wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich ein Speicher in der
Zirkulationsleitung angeordnet wird, da er bei ungleichförmigem
Lastbetrieb oder bei Leerlauf energiesparend wirkt.
In die Zirkulationsleitung ist zweckmäßigerweise ein
Zwischenwärmetauscher eingebaut. Wird dieser
Zwischenwärmetauscher von außen mit Umgebungsluft beaufschlagt,
wird dem Wärmeübertragungsmedium Wärme zugeführt. Sofern dem
Wärmeübertragungsmedium wahlweise auch Wärme entzogen werden
soll, besteht die Möglichkeit, den Zwischenwärmetauscher mit
einem Kühlaggregat zu koppeln. Der Zwischenwärmetauscher kann
auch mit dem Kühlaggregat für die Hauptwärmetauscheinrichtung
verbunden sein, so daß kein zusätzliches Kühlaggregat für die
Wärmeabfuhr in der Vorwärmetauscheinrichtung erforderlich ist.
Beides ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der
Hauptwärmetauscheinrichtung das Gas nicht so weit abgekühlt
wird, um das einströmende Gas in der Vorwärmtauscheinrichtung
auf eine Temperatur kurz vor dem Vereisungspunkt abzukühlen.
Damit wahlweise - je nach Temperatur des ausströmenden Gases -
dem Wärmeübertragungsmedium auch Wärme zugeführt werden kann,
könnte vorgesehen werden, den Zwischenwärmetauscher auch mit
der Warmseite des Kühlaggregats verbindbar zu machen. Es dürfte
allerdings kostengünstiger sein, in die Zirkulationsleitung
eine besondere Heizeinrichtung einzubauen, beispielsweise in
Form eines Heizstabes oder dergleichen.
Nach der Erfindung ist desweiteren vorgeschlagen, daß eine
Regeleinrichtung zur Steuerung der Wärmezufuhr in die
Zirkulationsleitung bzw. des Kühlaggregats derart vorgesehen
ist, daß die Temperatur des getrockneten Gases nach Verlassen
der Vorwärmetauscheinrichtung wenigstens nahe 0°C liegt. Auf
diese Weise werden zuverlässig Vereisungen in einem
nachgeschalteten bzw. eingangsseitig vorgeschalteten
Gas-Gas-Wärmetauscher vermieden.
Alternativ zur Kühlung unter Zwischenschaltung einer Sole
besteht auch die Möglichkeit, zwischen den Vorwärmetauschern
ein Kühlaggregat anzuordnen, dessen Kaltseite mit dem
eingangsseitigen und dessen Warmseite mit dem ausgangsseitigen
Vorwärmetauscher verbunden sind, wobei das
Wärmeübertragungsmedium das Kältemittel ist. In diesem Fall
wird über den Kreislauf des Kältemittels eine Verbindung
zwischen den beiden Vorwärmetauschern hergestellt und Wärme von
dem eingangsseitigen zu dem ausgangsseitigen Vorwärmetauscher
transportiert. Dabei kann das Kühlaggregat auch mit der
Hauptwärmetauscheinrichtung verbunden sein, so daß für beide
Wärmetauscheinrichtungen nur ein Kühlaggregat erforderlich ist.
Die vorbeschriebene zusätzliche Kühlmöglichkeit in der
Vorwärmetauscheinrichtung entweder durch Zwischenschaltung
einer Sole oder direkt durch ein Kühlaggregat hat zudem den
Vorteil, daß eine wirksame Kühlung des einströmenden Gases in
der Vorwärmetauscheinrichtung auch dann erreicht wird, wenn
zwischen Vor- und Hauptwärmetauscheinrichtung Gas entnommen
wird und deshalb der Volumenstrom des gefriergetrockneten Gases
durch die Vorwärmetauscheinrichtung geringer ist als der des
einströmenden Gases.
Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß eine
Regeleinrichtung zur Steuerung des Wärmestroms zwecks
Konstanthaltung der Gastemperatur am Ausgang der
Vorwärmetauscheinrichtung vorgesehen ist, insbesondere in
Abhängigkeit von der Temperatur des Gases nach Verlassen der
Vorwärmetauscheinrichtung und vor Einströmen in die
Hauptwärmetauscheinrichtung. Mit dieser Regeleinrichtung läßt
sich die Temperatur des einströmenden Gases in der
Vorwärmetauscheinrichtung auf einen Wert kurz oberhalb der
Vereisungstemperatur begrenzen, indem beispielsweise evtl.
vorhandene Heizeinrichtungen in den Regelkreis einbezogen
werden. Sofern die Vorwärmetauscheinrichtung auch Einrichtungen
enthält, mit denen dem System Wärme entzogen werden kann,
werden diese Einrichtungen ebenfalls von der Regeleinrichtung
gesteuert.
Nach der Erfindung ist schließlich auch vorgesehen, daß die
Vorwärmetauscheinrichtung eingangsseitig einen
Gas-Gas-Wärmetauscher aufweist, der einerseits vom
einströmenden und andererseits vom ausströmenden Gas
durchströmt ist. Da das ausströmende Gas bei Erreichen dieses
Wärmetauschers schon bis nahe 0°C vorgewärmt ist, kann es hier
nicht mehr zu einer Vereisung kommen. Andererseits wird dem
einströmenden Gas in diesem Bereich schon Wärme entzogen, ohne
daß hierfür Energie aufgebracht werden muß.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von zwei
Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Trocknung von Gasen
und
Fig. 2 eine etwas abgeänderte Vorrichtung zur
Trocknung von Gasen.
Zunächst werden die beiden Vorrichtungen gemeinsamen
Anlagenteile unter Verwendung derselben Bezugsziffern für
gleiche Teile beschrieben.
Beide Vorrichtungen (1, 2) weisen als Kernstück je einen
Hauptwärmetauscher (3) auf. Die Hauptwärmetauscher (3) haben
ein Mantelrohr (4), das jeweils zentrisch von einem Abschnitt
einer Zirkulationsleitung (5) durchsetzt ist. Dieser Abschnitt
ist mit außenseitig abstehenden Vorsprüngen - beispielhaft mit
(6) bezeichnet - versehen, auf denen sich Eis niederschlagen
kann. Unterhalb des unteren Endes der Zirkulationsleitung (5)
mündet das Mantelrohr (4) in einen Abscheider (7).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 strömt in der
Zirkulationsleitung (5) eine geeignete Sole, die von einer
Pumpe (8) bewegt wird. Vor der Pumpe (8) befinden sich ein
Solespeicher (9) und davor ein Wärmetauscher (10), der mit der
Kaltseite eines Kühlaggregates (11) verbunden ist. Mit Hilfe
dieses Kühlaggregates (11) wird die Sole auf Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunkts, vorzugsweise unter 20°C abgekühlt.
Dies hat zur Folge, daß sich an den Vorsprüngen (6) und dem
sich im Mantelrohr (4) erstreckenden Teil der
Zirkulationsleitung (5) Wasserdampf in Form von Reif bzw. Eis
niederschlägt und somit die in den Hauptwärmetauscher (3)
einströmende Luft getrocknet wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 gehört die
Zirkulationsleitung (5) zum Kältemittelkreislauf eines
Kühlaggregates (12), d. h. die Kühlung des Gases im Mantelrohr
(4) erfolgt direkt über das Kühlmittel des Kühlaggregats (12).
Den Hauptwärmetauschern (3) vorgeschaltet ist eine
Vorwärmetauscheinrichtung (13, 14). Beide
Vorwärmetauscheinrichtungen (13, 14) weisen jeweils einen
eingangsseitigen Vorwärmetauscher (15) und einen
ausgangsseitigen Vorwärmetauscher (16) auf. Beide
Vorwärmetauscher (15, 16) sind über je eine Zirkulationsleitung
(17) verbunden, in dem jeweils ein Wärmeübertragungsmedium
zirkuliert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das
Wärmeübertragungsmedium eine Sole, die mit Hilfe einer Pumpe
(18) bewegt wird. Der Pumpe (18) vorgeschaltet sind ein
Solespeicher (19) und davor ein Wärmetauscher (20). Der
Wärmetauscher (20) ist mit der Kaltseite eines Kühlaggregates
(21) verbunden. Zusätzlich kann in die Zirkulationsleitung
(17) - was hier nicht näher dargestellt ist - ein Heizstab eingebaut
sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bildet die
Zirkulationsleitung (17) den Kältemittelkreislauf eines
Kühlaggregates (22) , d. h. in diesem Fall werden die
Vorwärmetauscher (15, 16) direkt von dem Kältemittel des
Kühlaggregats (22) beaufschlagt, und zwar der eingangsseitige
Vorwärmtauscher (15) mit der Kaltseite und der ausgangsseitige
Vorwärmetauscher (16) mit der Warmseite des Kühlaggregats (22).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist den beiden
Vorwärmetauschern (15, 16) ein Gas-Gas-Wärmetauscher (23)
vorgeschaltet, der einen Wärmeaustausch zwischen
eingangsseitigem und ausgangsseitigem Gas ermöglicht. Hierdurch
wird das einströmende und noch feuchte Gas vorgekühlt, bis es
in den eingangsseitigen Vorwärmetauscher (15) eintritt. In
diesem Vorwärmetauscher (15) wird das vorgekühlte (Fig. 1)
bzw. noch nicht vorgekühlte (Fig. 2) Gas durch Wärmeaustausch
mit dem sehr kalten, abströmenden Gas auf einen Wert kurz
oberhalb der Vereisungstemperatur, also wenige Grad oberhalb
des Gefrierpunktes, abgekühlt. Dabei ist eine Regeleinrichtung
für die Kühlaggregate (21, 22) vorgesehen, die deren Leistung
so regelt, daß eine Vereisung innerhalb des eingangsseitigen
Vorwärmetauschers (15) vermieden wird. Für den Fall, daß das
ausströmende Gas sehr tief abgekühlt ist, ist in die
Regeleinrichtung die schon obenerwähnte und hier nicht näher
dargestellte Heizeinrichtung miteinbezogen, d. h. die
Heizeinrichtung wird dann angeschaltet und so geregelt, daß der
Zirkulationsleitung (17) gerade soviel Wärme zugeführt wird,
daß keine Vereisung im eingangsseitigen Vorwärmetauscher (15)
eintritt.
Unterhalb der eingangsseitigen Vorwärmetauscher (15) sind
jeweils ein Abscheider (24) und eine Abzweigleitung (25)
vorgesehen. Im Abscheider (24) wird die bis dahin im System
auskondensierte Flüssigkeit aus dem Gaskreislauf entfernt. Die
Abzweigleitung (25) eröffnet die Möglichkeit, hier schon kaltes
Gas mit einem Taupunkt kurz oberhalb des Gefrierpunktes
herauszuführen, wenn hierfür eine Verwendung möglich ist.
Anschließend gelangt das schon teilgetrocknete Gas in die
Leitung (28) in den Hauptwärmetauscher (3) und wird dort auf
eine Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt abgekühlt. Dabei
setzt sich der Wasserdampf in Form von Reif oder Eis ab.
Die Ablösung der Eiskristalle kann durch Wärmeschocks mit Hilfe
von Elektroimpulsen, durch Druckstöße, beispielsweise mittels
Ultraschall, oder durch Abtauvorgänge erzeugt werden. Im
letzteren Fall empfiehlt es sich, zwei Hauptwärmetauscher (3)
parallel anzuordnen und sie alternierend zu betreiben. Die
abgelösten Eiskristalle werden in dem Abscheider (7) gesammelt
und abgeführt.
Das auf diese Weise gekühlte und getrocknete Gas strömt über
die Leitung (27) in die jeweilige Vorwärmetauscheinrichtung
(13, 14) und durchströmt dort den ausgangsseitigen
Vorwärmetauscher (16). Dabei werden die Sole (Fig. 1) bzw. das
Kältemittel (Fig. 2) in der Zirkulationsleitung (17) abgekühlt
und das ausströmende Gas aufgewärmt.
Claims (17)
1. Vorrichtung zum Kühltrocknen von Gasen, insbesondere von
Druckluft, mit einem Gasführungssystem und einer darin
angeordneten Kühleinrichtung mit einer
Hauptwärmetauscheinrichtung, die von einem Kälteträger
durchströmt ist, welcher mittels eines Kühlaggregats auf
eine solche Temperatur heruntergekühlt wird, daß sich die im
Gas enthaltene Flüssigkeit bzw. Dampf in Eisform
niederschlägt, sowie mit einer Enteisungseinrichtung zum
Entfernen des Eisniederschlages,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) die Kühleinrichtung weist eine der Hauptwärmetauscheinrichtung (3) vorgeschaltete Vorwärmetauscheinrichtung (13, 14) auf;
- b) die Vorwärmetauscheinrichtung (13, 14) ist mit dem
ausgangsseitigen Gasführungssystem (27) derart
gekoppelt,
- aa) daß Wärme vom einströmenden auf das getrocknete ausströmende Gas übertragen wird und
- bb) daß die Wärmeübertragung derart begrenzt ist, daß das einströmende Gas nur auf eine Temperatur, bei der noch keine Vereisung eintritt, abgekühlt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch (1),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmetauscheinrichtung
als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei die Zufuhr
des ausströmenden Gases regelbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch (1),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmetauscheinrichtung
(13, 14) einen eingangsseitigen und einen davon getrennten
ausgangsseitigen Vorwärmetauscher (15, 16) aufweist, wobei
die Wärmeübertragung über ein zusätzliches
Wärmeübertragungsmedium erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch (3),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmetauscher (15, 16)
über eine von dem Wärmeübertragungsmedium durchströmte
Zirkulationsleitung (17) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch (4),
dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium
eine Sole ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch (5),
dadurch gekennzeichnet, daß auch für die
Hauptwärmetauscheinrichtung eine Sole vorgesehen ist und
diese Sole teilweise der Sole in der Zirkulationsleitung
zugemischt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (4) bis (6),
dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsleitung (17)
einen Speicher (19) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (4) bis (7),
dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsleitung (17)
einen Zwischenwärmetauscher (20) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch (8),
dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwärmetauscher (20)
mit einem Kühlaggregat (21) zur Wärmeabfuhr gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch (9),
dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwärmetauscher
mit dem Kühlaggregat für die Hauptwärmetauscheinrichtung
verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (8) bis (10),
dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwärmetauscher (20)
auch mit der Warmseite des Kühlaggregats (21) zur
Wärmezufuhr verbindbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (4) bis (11),
dadurch gekennzeichnet, daß in die Zirkulationsleitung (17)
eine Heizeinrichtung eingebaut ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch (11) oder (12),
dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung zur
Steuerung der Wärmezufuhr in die Zirkulationsleitung (17)
bzw. des Kühlaggregates (22) derart vorgesehen ist, daß
die Temperatur des getrockneten Gases nach Verlassen der
Vorwärmetauscheinrichtung (13, 14) wenigstens nahe 0°C
liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch (3) oder (4),
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorwärmetauschern
(15, 16) ein Kühlaggregat (21) angeordnet ist, dessen
Kaltseite mit dem eingangsseitigen und dessen Warmseite mit
dem ausgangsseitigen Vorwärmetauscher (15, 16) verbunden
sind, wobei das Wärmeübertragungsmedium das Kältemittel ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch (14),
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlaggregat auch mit der
Hauptwärmetauscheinrichtung verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (1) bis (15),
dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung zur
Steuerung des Wärmestroms zwecks Konstanthaltung der
Gastemperatur am Ausgang der Vorwärmetauscheinrichtung
(13, 14) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (3) bis (16),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmetauscheinrichtung
(13) eingangsseitig einen Gas-Gas-Wärmetauscher (23)
aufweist, der einerseits vom einströmenden und andererseits
vom ausströmenden Gas durchströmt ist.
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