DE4027838A1 - Gastrockner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feuchtig­ keitsreduzierung von Druckluft oder Druckgas über eine als Wärmeaustauscher ausgebildete Gaskühlung sowie min­ destens ein den Wärmeaustauscher mit einem Kühlmittel versorgendes Kühlaggregat.

Derartige Vorrichtungen sind zur Verminderung der Feuchtigkeit eines Gases, wie von Druckluft bekannt, das Gas unter seinen Taupunkt abgekühlt wird und dabei durch Auskondensation einen Teil der in ihm enthaltenen Feuchtigkeit abscheidet.

Eine zur Entfeuchtung des Gases verwendete Kältema­ schine besteht dabei aus einem Kälteverdichter, in des­ sen Bereich ein Kältemittel komprimiert und an­ schließend gekühlt und verflüssigt wird sowie einer Kältemittelregulierung, die das Kältemittel einem Ver­ dampfer zuleitet. Durch den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand im Bereich des Verdampfers er­ folgt eine Abkühlung des Mediums, die eine Wärmeüber­ tragung von dem zu trocknenden Gas auf das Medium er­ möglicht. Der Verdampfer ist dazu als ein Wärmeaus­ tauscher ausgebildet, in dessen Bereich ein Wärmeüber­ gang vom Gas zum Kühlmedium stattfinden kann.

Ein wesentliches Problem beim Betrieb einer derartigen Vorrichtung liegt darin, daß sowohl die Menge als auch die Temperatur des zu trocknenden Gases erheblichen Schwankungen unterworfen sein kann. Somit unterliegt auch die Menge an abzuführender Energie starken Schwankungen, die eine Regelung im Bereich des Ver­ dichters erforderlich machen. Grundsätzlich können hier zwei verschiedene Regelungsprinzipien zur Anwendung kommen. Eine verlustarme Regelung kann mit einem regel­ baren Kälteverdichter oder durch eine Parallelschaltung von mehreren zu- und abschaltbaren einzelnen Verdich­ tern oder durch eine bedarfsabhängige Zu- oder Abschal­ tung eines einzelnen Kälteverdichters erfolgen. Eine Verlustregelung kann dabei auch als ein Heißgas- Bypaßregler ausgebildet sein, der Kältemitteldampf von einer Druckseite auf eine Saugseite des Verdichters leitet, ohne daß dieser Bypaßdampf Nutzkälteleistung erbracht hat. Darüber hinaus ist es auch möglich, mit Hilfe eines statischen Leistungsreglers und eines auto­ matischen Expansionsventils eine Regelung mit hoher Regelungskonstanz zu gewährleisten. Eine nach diesem Regelungsprinzip arbeitende Vorrichtung ist aus der US-PS 14 01 485 bekannt. Ein Nachteil der verlustarmen Regelungsverfahren, die mit der Zu- und Abschaltung von Verdichtern arbeiten, ist darin zu sehen, daß in der Regel thermische Speicher benötigt werden, um hohe Schalthäufigkeiten der Verdichter zu vermeiden. Auf­ grund der Trägheit der thermischen Speicherung unter­ liegt die Speichertemperatur jedoch Schwankungen, die eine Schwankung der Abkühltemperatur des zu entfeuchten­ den Gases zur Folge haben. Für kleinere Anlagen sind darüber hinaus regelbare Verdichter nicht verfügbar. Ein wesentlicher Nachteil der Verlustregelung dagegen ist darin zu sehen, daß unabhängig von der tatsächlich benötigten Nutzkälteleistung stets eine maximale Be­ triebsenergie benötigt wird. In Abhängigkeit von der benötigten Kälteleistung schwankt bei diesen Vorrich­ tungen nur der Wirkungsgrad, nicht jedoch der Energiebe­ darf zum Betrieb der Vorrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gat­ tungsgemäßen Art so zu verbessern, daß eine ausreichen­ de Regelgüte bei geringem Energiebedarf gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein eine Kühlleistung einstellender statischer Leistungs­ regler aus einem mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Abscheider sowie einem Primäraustauscher und einem Se­ kundäraustauscher gebildet ist und ein zum Wärmetrans­ port angeordneter Verdichter in den Kältemittelkreis­ lauf eingeschaltet ist.

Die Anordnung eines Primäraustauschers und eines Sekun­ däraustauschers im Bereich des statischen Leistungs­ reglers ermöglicht es, in einer Umgebung eines Nennbe­ triebspunktes durch eine Verlustregelung eine sehr hohe Regelgüte zu gewährleisten. Beim Überschreiten dieses vorgebbaren Bereiches um den Nennbetriebspunkt, erfolgt durch eine Verdampfung des Kältemittels im Bereich des Sekundäraustauschers eine langsame Abkühlung des Kälte­ mittels. Bei Unterschreiten einer vorgebbaren Tempera­ turschwelle kann der Verdichter abgeschaltet und somit die zu seinem Betrieb erforderliche Energie eingespart werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Primäraustauscher eine größere Wärmeaustauschfläche als der Sekundäraustauscher auf­ weist und über eine Primärversorgungsleitung mit dem Abscheider verbunden ist, die im Bereich des Abschei­ ders eine auf einem niedrigeren Niveau angeordnete Ein­ laßöffnung aufweist, als eine den Sekundäraustauscher mit dem Abscheider verbindende Sekundärversorgungs­ leistung mit einer Einlaßöffnung.

Durch die Anordnung der Einlaßöffnungen der Primärver­ sorgungsleitung und der Sekundärversorgungsleitung auf einem unterschiedlichen Niveau ist es mit einfachen konstruktiven Mitteln möglich, eine Füllhöhe des Ab­ scheiders mit flüssigem Kältemittel zu detektieren. Die Menge des dem Abscheider zugeführten flüssigen Kälte­ mittels ist abhängig von der im Bereich des Wärmeaus­ tauschers erfolgenden Energiezufuhr. Bei einem geringen Bedarf an Kälteleistung passiert ein größerer Anteil an unverdampften flüssigen Kältemittel den Wärmeaustau­ scher während bei Maximal-Bedarf an Kälteleistung der Kältemitteldampf am Austritt nur einen minimalen Anteil besitzt. Bei einer Auslegung des Systems derart, daß im Nennbetriebspunkt im wesentlichen die gesamte Menge des dem Wärmeaustauscher zugeführten Kältemittels verdampft wird, ist ein ansteigender Pegel an Kältemittel im Be­ reich des Abscheiders ein Indiz dafür, daß ein Bedarf an Kühlleistung unterhalb des Nennbetriebspunktes vor­ liegt. Dieser geringe Bedarf führt zu einem allmählichen Ansteigen des Pegels an Kältemittel im Bereich des Abscheiders und schließlich zu einem Zu­ tritt von flüssigem Kältemittel in den Bereich des Se­ kundäraustauschers. Dieser Zutritt von flüssigem Kälte­ mittel kann als ein Indiz für ein Unterschreiten eines vorgegebenen Bereiches um den Nennbetriebspunkt inter­ pretiert werden und führt dann zu dem allmählichen Ab­ kühlen des Kältemittels und letztlich zur Abschaltung des Verdichters.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Primäraustauscher im Bereich eines der Primärversorgungsleitung abgewandten Anschlusses mit einer Saugleitung des Verdichters verbunden ist. Hierdurch wird es ermöglicht, daß aus dem Bereich des Abscheiders kommendes und den Primäraustauscher durch­ strömendes Kältemittel dem Verdichter zugeführt und in dessen Bereich komprimiert werden kann.

Eine Ableitung von gasförmigem Kältemittel aus dem Be­ reich des Abscheiders wird dadurch ermöglicht, daß die Saugleitung des Verdichters mit dem Abscheider eine Verbindungsleitung verbunden ist, die im Bereich eines höheren Niveaus als des der Sekundärversorgungsleitung an den Abscheider angeschlossen ist.

Eine Einspeisung des den Sekundäraustauscher durchströ­ menden Kältemittels in den Kältemittelkreislauf wird dadurch gewährleistet, daß der Sekundäraustauscher mit dem der Einlaßöffnung zur Sekundärversorgungsleitung abgewandten Bereich des Abscheiders über eine Leitung verbunden ist.

Zur Durchführung einer temperaturabhängigen Ansteuerung des Verdichters wird vorgeschlagen, daß im Bereich der Sekundärversorgungsleitung ein den Verdichter ansteuern­ des Thermostat angeordnet ist.

Es ist vorgesehen, daß der Wärmeaustausch im Primär­ und Sekundär-Wärmeaustauscher erfolgt, zwischen dem in diesem Wärmeaustauschern verdampfenden Überschuß-Kälte­ mittel und den vom Verdichter kommenden heißen Kälte­ mitteldämpfer vor deren Verflüssigung im Verflüssiger.

Eine Bevorratung an Kältemittel und damit eine Puffe­ rung von schwankendem Bedarf an Kälteleistung, wird dadurch ermöglicht, daß der Verflüssiger mit einem das Kältemittel bevorratenden Sammelbehälter verbunden ist.

Zur Versorgung des Wärmeaustauschers mit Kühlmittel, wird vorgeschlagen, daß der Sammelbehälter über eine Kühlmittel-Flüssigkeitsleitung mit dem Wärmeaustauscher verbunden ist und im Bereich der Kühlmittel-Flüssig­ keitsleitung ein einen Verdampfungsdruck im Bereich des Wärmeaustauschers im wesentlichen konstant haltendes Regelventil angeordnet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Kältemittelkreislaufes und

Fig. 2 eine Gastrockenanlage mit einem statischen Leistungsregler, der ein zweigeteiltes Wärme­ austauschsystem enthält.

Eine derartige Vorrichtung zur Feuchtigkeitsreduzierung eines Gases besteht im wesentlichen aus einem vom zu trocknenden Gas durchströmten Wärmeaustauscher (1), der über einen statischen Leistungsregler (2) mit einem Verdichter (3) sowie einem Verflüssiger (4) gekoppelt ist. Der statische Leistungsregler (2) besteht im we­ sentlichen aus einem Abscheider (5), einem Primäraus­ tauscher (6) sowie einem Sekundäraustauscher (7). Der Abscheider (5) weist einen Kältemittel (8) sammelnden Innenraum (9) auf. In einem in lotrechter Richtung un­ teren Bereich des Innenraumes (9) sammelt sich flüs­ siges Kältemittel (8) und im oberen Bereich des Ab­ scheiders (5) gasförmiges Kältemittel (8). Der Ab­ scheider (5) ist über eine Leitung (10), die im oberen Bereich des Abscheiders (5) in diesen einmündet, mit einer vom Kältemittel (8) durchströmten und im Bereich des Wärmeaustauschers (1) angeordneten Austauscherlei­ tung (11) verbunden. Darüber hinaus ist der Abscheider (5) über eine Primärversorgungsleitung (12) mit dem Primäraustauscher (6) und über eine Sekundärversorgungs­ leitung (13) mit dem Sekundäraustauscher (7) verbunden. Die Primärversorgungsleitung (12) weist im Bereich des Abscheiders (5) eine Einlaßöffnung (14) auf, die auf einem niedrigeren Niveau als eine Einlaßöffnung (15) der Sekundärversorgungsleitung (13) angeordnet ist.

Der Primäraustauscher (6) besitzt im Bereich eines der Primärversorgungsleitung (12) abgewandten Anschlusses eine ihn mit einer Saugleitung (16) des Verdichters (3) verbindende Kupplung (17) auf. Darüber hinaus ist die Saugleitung (16) über eine Verbindungsleitung (18) mit dem Abscheider (5) verbunden, die im oberen Bereich des Abscheiders (5) in diesen einmündet. Über Druckleitun­ gen (19) werden der Primäraustauscher (6) sowie der Sekundäraustauscher (7) mit im Bereich des Verdichters (3) komprimiertem Kältemittel (8) versorgt. Im Bereich eines der Sekundärversorgungsleitung (13) abgewandten Anschlusses ist der Sekundäraustauscher (7) über eine Rückströmleitung (20) mit dem Abscheider (5) verbunden und führt diesem Kältemittel (8) zu.

Im Bereich der Sekundärversorgungsleitung (13) ist ein den Verdichter (3) ansteuerndes Thermostat (21) ange­ ordnet, das meßtechnisch die Temperatur des durch die Sekundärversorgungsleitung (13) strömenden Kältemittels (8) erfaßt. Im Bereich des Verflüssigers (4) wird das zugeführte Kältemittel (8) mit Hilfe eines Kühlers (22) und eines Ventilators (23) abgekühlt und nach einer aus dieser Kühlung resultierenden Verflüssigung einem es bevorratenden Sammelbehälter (24) zugeführt. Der Sammel­ behälter (24) ist über eine Kühlmittel-Flüssigkeits­ leitung (25) mit einem Regelventil (26) verbunden, mit dessen Hilfe dem Wärmeaustauscher (1) unter Gewähr­ leistung eines im wesentlichen konstanten Verdampfungs­ druckes das Kältemittel (8) zugeführt wird.

Beim Betrieb des Gastrockners wird dem Wärmeaustauscher (1) über einen Einlaß (27) das zu trocknende Gas, bei­ spielsweise Druckluft, zugeführt. Das Gas umströmt das Austauschersystem (11) und wird dabei abgekühlt. Beim Unterschreiten des Taupunktes wird im Gas enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert. Das getrocknete Gas wird im Bereich eines Auslasses (28) dem Wärmeaustauscher (1) entnommen und die abgeschiedene Feuchtigkeit kann separat abgeleitet werden. Über das Regelventil (26) wird dem Austauschersystem (11) ein etwa konstanter Strom von Kältemittel (8) zugeführt. In Abhängigkeit von der benötigten Kälteleistung im Bereich des Wärme­ austauschers (1) wird ein bestimmter Anteil des Kälte­ mittels (8) verdampft. Der Volumenstrom an Kältemittel (8) ist so dimensioniert, daß bei einem Betrieb des Wärmeaustauschers (1) im Bereich eines Nennbetriebs­ punktes im wesentlichen die gesamte Menge an Kältemit­ tel (8) verdampft wird. Das aus dem Wärmeaustauscher (1) austretende Kältemittel (8) wird dem Abscheider (5) zugeleitet. Flüssiges Kältemittel (8) sammelt sich in einem in lotrechter Richtung unteren Bereich des Abscheiders (5) an. Das flüssige Kältemittel (8) wird bei einem Pegelstand, der unterhalb der Einlaßöffnung (15) liegt, über die Primärversorgungsleitung (12) dem Primäraustauscher (6) zugeleitet und von diesem durch vom Verdichter (3) bereitgestelltes komprimiertes und dadurch erwärmtes Kältemittel (8) erwärmt. Das den Primäraustauscher (6) vom Verdichter (3) ausgehend durchströmende Kältemittel (8) wird dem Verflüssiger (4) und das den Primäraustauscher (6) aus der Richtung des Abscheiders (5) durchströmende Kältemittel (8) der Saugleitung (16) zugeführt. Das den Sekundäraustauscher (7) aus der Richtung des Verdichters (3) durchströmende Kältemittel (8) wird gleichfalls dem Verflüssiger (4) zugeführt. Das den Sekundäraustauscher (7) aus der Richtung des Abscheiders (5) bei einem entsprechend hohen Pegelstand von Kältemittel (8) im Bereich des Abscheiders (5) durchströmende Kältemittel (8) wird nach einer Verdampfung im Bereich des Sekundäraustau­ schers (7) in den Abscheider (5) zurückgeführt. Durch diese Verdampfung erfolgt eine allmähliche Abkühlung des Kältemittels (8), die bei Unterschreiten einer vor­ gebbaren Temperatur ein Ansprechen des Thermostates (21) sowie ein nachfolgendes Abschalten des Verdichters (3) zur Folge hat. Nach einem Abschalten des Verdich­ ters (3) werden Schwankungen im Bereich des Kältemit­ telbedarfs durch das im Bereich des Tanks (24) bereit­ gestellte Speichervolumen an Kältemittel (8) ausge­ glichen. Nach einer Abschaltung des Verdichters (3) erfolgt eine Durchströmung des Primäraustauschers (6) sowie des Sekundäraustauschers (7) über einen Schwer­ kraftumlauf aufgrund einer Thermosyphonwirkung. Der Schwerkraftkreislauf umfaßt dabei die Sekundärversor­ gungsleitung (13), den Sekundäraustauscher (7) sowie die Rückströmleitung (20). Aufgrund der Nachverdampfung im Bereich des Sekundäraustauschers (7) erfolgt bis zu einer Wiedereinschaltung des Verdichters (3) nur eine sehr geringe Temperaturabweichung in Relation zur Tempe­ ratur im Bereich des Nennbetriebspunktes.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Feuchtigkeitsreduzierung von Druck­ luft oder Druckgas über eine als Wärmeaustauscher ausgebildete Gaskühlung sowie mindestens ein den Wärmeaustauscher mit einem Kühlmittel versorgendes Kühlaggregat, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Kühlleistung einstellender statischer Leistungs­ regler (2) aus einem mit dem Wärmeaustauscher (1) verbundenen Abscheider (5) sowie einem Primäraus­ tauscher (6) und einem Sekundäraustauscher (7) ge­ bildet ist und ein zum Wärmetransport angeordneter Verdichter (3) in den Kältemittelkreislauf einge­ schaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Primäraustauscher (6) eine größere Wärmeaustauschfläche als der Sekundäraustauscher (7) aufweist und über eine Primärversorgungsleitung (12) mit dem Abscheider (5) verbunden ist, die im Bereich des Abscheiders (5) eine auf einem niedri­ geren Niveau angeordnete Einlaßöffnung (14) auf­ weist, als eine den Sekundäraustauscher (7) mit dem Abscheider (5) verbindende Sekundärversorgungslei­ tung (13) mit einer Einlaßöffnung (15).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Primäraustauscher (6) im Bereich eines der Primärversorgungsleitung (12) abgewandten Anschlusses mit einer Saugleitung (16) des Ver­ dichters (3) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Saugleitung (16) des Verdichters (3) mit dem Abscheider (5) eine Verbin­ dungsleitung (18) verbunden ist, die im Bereich eines höheren Niveaus als des der Sekundärversor­ gungsleitung (13) an den Abscheider (5) angeschlos­ sen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sekundäraustauscher mit dem der Einlaßöffnung (15) zur Sekundärversor­ gungsleitung (13) abgewandten Bereich des Abschei­ ders über eine Leitung (20) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich der Sekundär­ versorgungsleitung (13) ein den Verdichter (3) an­ steuerndes Thermostat (21) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die vom Verdichter (3) kommenden Kältemitteldämpfe vor ihrer Verflüssigung im Verflüssiger (4) sowohl den Primäraustauscher (6) als auch den Sekundäraustauscher (7) durch­ strömen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verflüssiger (4) mit einem das Kältemittel (8) bevorratenden Sammelbe­ hälter (24) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (24) über eine Kühlmittel-Flüssigkeitsleitung (25) mit dem Wärmeaustauscher (1) verbunden ist und im Be­ reich der Kühlmittel-Flüssigkeitsleitung (25) ein einen Verdampfungsdruck im Bereich des Wärmeaus­ tauschers (1) im wesentlichen konstant haltendes Regelventil (26) angeordnet ist.