DE3941713A1

DE3941713A1 - Vorrichtung zum kuehltrocknen von gasen

Info

Publication number: DE3941713A1
Application number: DE3941713A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr Seiler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1991-06-27
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: DE3941713C2; IT9068011A0; IT9068011A1; IT1241444B

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

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.