DE4228698C2

DE4228698C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kondensationstrocknung

Info

Publication number: DE4228698C2
Application number: DE19924228698
Authority: DE
Inventors: Rodolfo J Prof Dr Ing Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: DE4228698A1; DE4228699C2; GB9225280D0; DE4228699A1; GB2263968A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die technische Kondensationstrocknung von Schnittholz, bei denen die für die Trocknung nötige Wärme dem Trockengut über feuchte Luft oder überhitzten Dampf zugeführt wird und die vom Gut abgegebene Feuchtigkeit über das gleiche Medium wieder abge führt wird und auf dem Verdampfer einer Wärmepumpe kondensiert. Das Kondensat wird abgeleitet. Die für die Trocknung erforder liche Wärme wird durch die Wärmepumpe auf die zirkulierende Luft übertragen.

Dem Stand der Technik entsprechend werden Kondensationswärme pumpen bei der Holztrocknung eingesetzt, um einen Teilstrom der zirkulierenden feuchten Luft einer Trocknungskammer zu entfeuch ten und nachher mit der abgegebenen Wärme den gleichen Luftstrom wieder zu erwärmen. Am Ausgang des Kondensationsapparates ver mischt sich die erwärmte trockene Luft mit der restlichen zirku lierenden Luft, so daß ein vom Trocknungsfahrplan bestimmter Luftzustand am Eingang des Stapels herrscht. Dieses Verfahren wird schon lange bei der Trocknung von Holz und anderen Gütern eingesetzt, hat aber den Nachteil, daß der Energieverbrauch noch vergleichsweise groß und die Trocknungszeiten lang sind.

Aus der DE 29 42 651 C2 ist ein Kondensa tionstrockner bekannt, der bei niedrigen Luftfeuchten einen Luftaustausch mit der Umgebung ermöglicht, so daß niedrige End feuchten erreicht werden können; der Energieaufwand ist jedoch weiterhin groß.

Die DE 28 21 259 C2 beschreibt einen Vakuumkondensationstrockner, in dem der anfallende Wasserdampf von einer Vakuumstrahlpumpe verdichtet und die Kondensa tionswärme zum Teil wieder genutzt wird. Dieser Trockner verbraucht dennoch viel Ernergie und ist schwer zu steuern.

Der in den Patentansprüchen mit ihren Ausgestaltungen gekenn zeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energie verbrauch der Kondensationstrocknung zu senken und die Trocknungszeiten zu verkürzen.

Die Erfindung führt zu einer spürbaren Senkung des Energiever brauchs und der Trocknungszeiten, indem höhere Lufttemperaturen erreicht werden. Sie ist besonders bei der Kondensationstrock nung im überhitzten Dampf vorteilhaft.

In den Ansprüchen werden verschiedene Anordnungen und Rege lungsmöglichkeiten beschrieben, die einen wirtschaftlicheren Betrieb von Kondensationswärmepumpen bei unterschiedlichen Anwendungen gewährleisten. Die Kondensationstrocknung im über hitzten Dampf ist besonders wirtschaftlich, weil die vom Kälte mittelverdampfer aufgenommene Wärme hauptsächlich Latentwärme des anfallenden Kondensats ist und weil es auf beiden Seiten des Verdampfers eine sehr gute Wärmeübertragung mit Phasen wechsel gibt, die eine zusätzliche Unterkühlung des Kälte mittels verringert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeich nung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 einen Kondensationstrockner im Vertikal-Längsschnitt,

Fig. 2 einen querbelüfteten Kondensationstrockner im Verti kal-Querschnitt mit seitlich neben der Trockenkammer getrennt untergebrachter Wärmepumpe,

Fig. 3 einen Hochtemperaturtrockner im Vertikal-Querschnitt,

Fig. 4 einen Kondensationstrockner im Horizontal-Längs schnitt, in dem die Trocknungsluft mäanderförmig quer durch den Holzstapel strömt und

Fig. 5 die Zustandsänderungen der Trockenluft zu Fig. 4 in einem Mollier-Diagramm.

Fig. 1 zeigt einen längsbelüfteten Vakuumtrockner mit einem geschlossenen Druckbehälter 3, in dem Wasserdampfkondensator und Kältemittelverdampfer 1 unterhalb eines Ventilators 5 ange bracht sind und das anfallende Kondensat in einen Sammel behälter im unteren Teil des Druckbehälters 3 fließt. Gemäß der Erfindung ist der Kältemittelverdampfer 1 dem zirkulierenden Hauptstrom nicht ausgesetzt. Der zirkulierende Dampfstrom wird vom Kältemittelverflüssiger 2 der Wärmepumpe erwärmt, durch welchen der Hauptstrom fließt. Das untere Sammelbecken ist vom darüberliegenden Trockenraum durch die Oberfläche der die Holz stapel 7 aufnehmenden Förderwagen 6 begrenzt, läßt jedoch die nichtkondensierbare Luft vom Wasserdampfkondensator durch Fugen in den oberen Trockenraum zurückströmen. Da der rückströmende feuchte Luftstrom gegenüber dem Dampfstrom, der zwischen den Holzbrettern strömt, gering ist, ändern sich die Trocknungsbe dingungen in der Fugenzone kaum. Die Temperatur des zirkulie renden Dampfstroms kann über den zusätzlichen Luftentfeuchter 4 geregelt werden, der Wärme an die Umgebung abführt.

Fig. 2 stellt einen querbelüfteten Vakuumtrockner dar, in dem der zirkulierende Wasserdampf auf den den Kältemittelverdampfer 1 bildenden Rohren einer Wärmepumpe kondensiert, die seitlich unter den die Holzstapel 7 aufnehmenden Förderwagen 6 angeord net sind und zu denen erfindungsgemäß hauptsächlich der zu kon densierende Wasserdampf strömt. Das Kondensat tropft in das untere Sammelbecken des Druckbehälters 3, der wie vorher beim längsbelüfteten Trockner nach Fig. 1 durch die Förderwagen vom oberen Trockenraum getrennt ist. Der Kältemittelverflüssiger 2 der Wärmepumpe erwärmt den zirkulierenden Wasserdampf. Um die Korrosion der Innenwand des Druckbehälters 3 zu vermindern, kann der Wasserdampf auch über die Wand des Behälters erwärmt werden. In diesem Fall kann das Kältemittel direkt an der Außenseite der Wand kondensieren oder in einem getrennten Wärmetauscher eine Flüssigkeit erwärmen, die über den Mantel des Druckbehälters fließt und ihn dabei erwärmt.

Fig. 3 zeigt einen querdurchströmten Hochtemperaturtrockner, in dem der zirkulierende Wasserdampf von einen oder mehreren ober halb der Holzstapel 7 angeordneten Kältemittelverflüssigern 2 erwärmt wird, die auch Wärmetauscher sein können, durch die eine Flüssigkeit strömt, die in einem zentralen Kältemittelver dampfer 1, der außerhalb des Trockenbehälters 3 in einem ge sonderten Sammelbehälter bzw. -raum 8 angeordnet ist, erwärmt wird. Ein Teil des vom Trockengut (Holzbretter) verdampften Wassers kondensiert am Kältemittelverdampfer 1, der unter der Decke des getrennten Sammelbehälters 8 angebracht ist. Wenn bei der Trocknung vom Trockengut mehr Wasser verdampft als auf dem Kältemittelverdampfer 1 kondensiert, kann der Überschuß durch eine Luftklappe 9 aus dem Trockner strömen, so daß es nur zu einer begrenzten Druckerhöhung kommen kann. Diese Luftklappe vermeidet auch, daß es während der Abkühlungsphase zu einer gefährlichen Druckminderung kommt, da sie erlaubt, daß Luft in den Trockner nachströmen kann. Im unteren Teil des Sammelbe hälters 8 ist ein zusätzlicher Kältemittelverdampfer 10 ange bracht, der die Wärme des angesammelten Kondensats nutzt, um eine neue Holzcharge zu erwärmen.

Fig. 4 zeigt einen Kondensationstrockner, in dem die Luft mäan derfärmig durch die Holzstapel 7 von den Außenseiten horizontal strömt, so daß der Axialventilator 5 im Vergleich zu anderen Trocknern einen geringeren Luftstrom bei höheren statischen Druckerhöhungen fördert und somit einen noch besseren Wirkungs grad hat. Die in Fig. 4 dargestellte mäanderfömige Querdurch strömung der Holzstapel 7 wird durch entsprechend seitlich der Holzstapel angeordnete Luftleitelemente 11 erzwungen, die mit tels schwenkbaren Klappen 12 federnd nachgiebig an den Holzsta peln 7 anliegen. Der Kältemittelverflüssiger 2 ist zweiteilig ausgebildet und in Strömungsrichtung vor dem Ventilator angeord net. Die beiden Teile sind hier so angeordnet, daß er gleich zeitig den zirkulierenden Luftstrom in zwei verschiedenen Durch gängen bzw. Bereichen, einem inneren im mäanderförmig strömen den Teil und einem äußeren im rückströmenden Teil liegenden Teil, erwärmt. Durch den seitlich außerhalb des Kältemittelver flüssigers 2 und außerhalb des Hauptstroms angeordneten Kälte mittelverdampfer 1 strömt wiederum nur ein Teilstrom, der von einem Hilfsventilator 13 gefördert wird. Im Reversierbetrieb wird der Hilfsventilator 13 abgestellt, wodurch sich eine Klap pe 14 öffnet und ein Teil des Luftstroms vom Hauptventilator 5 durch den Kältemittelverdampfer 1 zirkuliert wird. Dadurch wird immer nur ein geringer Teilluftstrom abgekühlt, der vorher nicht durch den Kältemittelverflüssiger 2 aufgeheizt wurde, was den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zusätzlich erhöht. In Strömungs richtung vor und hinter dem Kältemittelverdampfer 1 führen je weils eine Luftklappe 15 bzw. 16 nach außen, um feuchte Luft ablassen und trockene Außenluft einlassen zu können. Auf diese Weise läßt sich auch die Lufttemperatur vorteilhaft regeln.

Fig. 5 zeigt die Zustandsänderungen der Trockenluft bei der bekannten Kondensationstrocknung und beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Fig. 4 in einem Mollier-Diagramm für feuchte Luft, wenn der Temperaturabfall in einem Holzstapel 3 K und die psychrometrische Temperaturdifferenz am Eingang des Stapels 25 K sind. Es wird angenommen, daß die Luft bis auf 75°C aufge heizt werden kann, was auf der Kältemittelseite 80°C bedeutet. Dies sind Grenzen, die in Wärmepumpen der 3. Generation ohne größeren Aufwand erreicht werden können.

Die Zustandsänderungen rechts im Bild betreffen das erfindungs gemäße Verfahren, die linken das bekannte. Hier bedeuten E Ein tritt in den Stapel, A Ausgang vom Stapel, K Ausgang vom Kälte mittelverdampfer, M₁ und M_1′ Mischungszustände im neuen Verfah ren, H Ausgang vom Kältemittelverflüssiger im bekannten Verfah ren und A_L Außenluft. Um im bekannten Verfahren eine psychrome trische Temperaturdifferenz von 25 K zu erreichen, muß die Trocknungstemperatur gesenkt und der Luftstrom durch den Kon densationsapparat vergrößert werden.

Im bekannten Verfahren bewirkt ein größerer Luftstrom durch den Kältemittelverdampfer, bei gleicher Entfeuchtung, daß dieser wegen der Abkühlung der nichtkondensierbaren Luft mehr Wärme, die nachher im Verflüssiger wieder aufgeheizt werden muß, auf nimmt und somit die Wärmepumpe unnötig belastet und den Ener gieverbrauch vergrößert. Fig. 1 ist entnehmbar, daß der Unter schied der Kondensations- und der Verdampfungstemperatur im bekannten Verfahren etwas größer ist als (T_H-T_K2), während er im neuen Verfahren nur etwas größer ist als (T_E1-T_K1), was den Wirkungsgrad der Wärmepumpe im neuen Verfahren vergrößert. Schließlich werden die Trocknungszeiten bei höheren Temperatu ren geringer und es wird einfacher niedrige Endfeuchten zu er reichen.

Ein Trockner kann auch mit verschiedenen unabhängigen Wärmepum pen betrieben werden. Als Kältemittel kommen insbesondere auch die neu entwickelten Kältemittel mit den Bezeichnungen R227, R123 und R134a, und Wasser in Frage. Als Kompressoren können Kolben-, Turbo- und Schraubenverdichter eingesetzt werden.

Die beschriebene Kondensationstrocknung von Holz und anderen Gütern ermöglicht eine wesentliche Energieeinsparung gegenüber anderen Verfahren: Trockner, die eine Evakuierung der Luft zu lassen und nach dem beschriebenen Wärmepumpenverfahren arbei ten, benötigen eine elektrische Energiemenge für den Betrieb der Wärmepumpe, die nur ca. 15% des Wärmebedarfs in konven tionellen Trocknern entspricht, weil der größte Teil der Kondensationswärme genutzt wird. Die Erwärmung der Frischluft entfällt und der Wärmebedarf für die Erwärmung der Holzcharge verringert sich. Die Wärmepumpe arbeitet mit einer hohen effek tiven Leistungsziffer. Die in konventionellen Vakuumtrocknern benötigte Wärmemenge kann durch ca. 20% dieser Menge in Form von elektrischer Energie für die Wärmepumpe gedeckt werden.

Es wird somit deutlich, daß gegenüber der konventionellen Trocknung in Kammern die Trocknung in Druckbehältern auch bei gleichen Temperaturen und besonders bei großen Unterdrücken wesentliche Vorteile aufweist: der Energiebedarf ist wesentlich geringer; es können höhere Trocknungsgeschwindigkeiten erzielt werden, weil der physikalische Mechanismus der Feuchtebewegung wirkungsvoller ist; es entstehen weniger Oberflächenrisse im Trockengut, weil bei gleichen Trocknungspotentialen die Ober flächenfeuchten des Trockengutes höher gehalten werden können, und weil der Mangel an Sauerstoff Farbänderungen mindert.

Es können auch bekannte Methoden angewendet werden, um Wärme von der Außenluft, Grundwasser oder einer anderen Energiequelle über einen weiteren Kältemittelverdampfer in den Trockner zu pumpen. Besonders wenn es mehrere Kondensationstrockner gibt, lohnt es sich, am Anfang die Erwärmung und am Ende der Trock nung die Dämpfung des Holzes mit Dampf durchzuführen, der von einem bei Umgebungsdruck arbeitenden Dampfkessel produziert wird. Es wird auch möglich, daß verschiedene Kondensations trockner von zentral gelegenen Kältemittelverdichtern beauf schlagt werden, wie es in Kühlhäusern üblich ist. In größeren Trocknern und in Hochtemperaturtrocknern können auch Turbover dichter und ölfreie Verdichter verwendet werden, die höhere Temperaturen zulassen. Hier besteht auch die Möglichkeit, Was ser als Kältemittel zu verwenden.

Die nachfolgenden Tabellen zeigen die Leistungen des neuen Kondensationstrockners mit mäanderförmiger Stromführung und die bekannter Apparate der 3. Generation, die jeweils bei Atmosphä ren- bzw. Umgebungsdruck arbeiten. Die Leistungsziffern wurden mit Simulationsprogrammen berechnet, wenn in beiden Trocknern 40 mm dickes Kiefernholz von 80% auf 8% getrocknet wird. Damit der Vergleich realistisch ist, wurde für jeden Trockner in je der Phase der optimale Massenstrom bestimmt, der durch den Kon densationstrockner strömt. Die Prozentangaben geben die Lei stungen des neuen Trockners in Bezug auf die Leistungen des besten bekannten Kondensationstrockners an.

Wenn die Trocknungszeiten gleich sind:

Energieverbrauch der Ventilatoren\|30%
Energieverbrauch des Kältemittelverdichters	65%
Kälteleistung des Verdichters (Größe)	75%
Energiekosten	45%
Wenn die Verdichter die gleiche Kälteleistung haben:	(Größe)
Energieverbrauch der Ventilatoren	30%
Energieverbrauch des Kältemittelverdichters	65%
Trocknungszeit	75%
Energiekosten	55%

Die Kosten sind nicht proportional der Summe der elektrischen Energiekosten, weil in den Berechnungen u. a. die Aufheizung des Holzes mit berücksichtigt ist und die Trocknungszeiten unter schiedlich sind.

Mit einer Kälteleistung von ca. 0,30 kW/m³ Holz benötigt der beste bekannte Kondensationstrockner 0,31 kWh, um bei den er wähnten Bedingungen 1 Liter Wasser zu verdampfen. In einer vor kurzem veröffentlichten Arbeit wird erwähnt, daß Kondensa tionstrockner der 3. Generation 0,30 bis 0,35 kWh elektrische Energie benötigen, so daß die berechneten Werte diesen entspre chen. ("Wirkunsgrad der Wärmepumpentrocknung - Steigerung in der 3. Generation"). H. Weiß, Internationaler Holzmarkt 4/1991).

Demgegenüber verbraucht der erfindungsgemäße Kondensations trockner nur 0,20 kWh, um ein Liter Wasser zu verdampfen.

Claims

1. Kondensationstrockner zum Trocknen von Schnittholz, in dem die von dem Trockengut an zirkulierende Luft oder überhitzten Dampf abgegebene Feuchtigkeit auf dem Verdampfer einer Wärmepumpe kondensiert und dadurch Kältemittel verdampft, das von einem Verdichter auf einen Druck verdichtet wird, der höher ist als der Sättigungsdruck des Kältemittels bei der gewünsch ten Trocknungstemperatur, dann das Kältemittel in einem im Trockner befindlichen Verflüssiger kondensiert und somit der feuchten Luft die für die Trocknung notwendige Wärme überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Kältemittelverdampfer (1) abseits vom zirkulierenden Hauptstrom der feuchten Luft oder des über hitzten Dampfes, der über das Trockengut (7) strömt, angeordnet sind und nur ein geringer Teil dieses Hauptstroms durch den oder die Kältemittelverdampfer (1) strömt, während ein oder mehrere Kältemittelverflüssiger (2) so angeordnet sind, daß der größte Teil des Hauptstroms über oder durch diese strömt und dabei erwärmt wird.

2. Kondensationstrockner zum Trocknen von Holz und anderen Gütern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom der zum Kältemittelverdampfer (1) fließt, kleiner ist als 40%, insbesondere kleiner als 20%, vorzugsweise kleiner als 10% des gesamten über das Trockengut zirkulierenden Massenstroms, und daß über 70%, insbesondere mehr als 90%, des über das Trockengut zirkulierenden Massenstroms über den Kälte mittelverflüssiger (2) strömt.

3. Kondensationstrockner nach Anspruch 1 oder 2, in dem über hitzter Dampf zirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Kältemittelverdampfer (1) strömende Teilstrom der vom Trockengut (7) verdampften Feuchtigkeit entspricht und mitgeführte Luft zum Hauptstrom zurückgeleitet wird oder von einer Vakuumpumpe abgesaugt wird.

4. Kondensationstrockner nach Anspruch 1, 2 oder 3, in dem überhitzter Dampf zirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelverdampfer (1) in einem Raum unterhalb der seitlichen Strömungsräume und den Trockengut tragenden Förder wagen (6) angeordnet ist, der Wasserdampf durch Fugen zwischen unteren Platten der Strömungsräume und Förderwagen (6) und das Kondensat von den Verdampferflächen wegströmen kann und im un teren Teil des Trockenbehälters (3) gesammelt wird und die im Dampf enthaltene Luft durch die Fugen in den oberen Trockenraum zurückströmen kann oder von einer Vakuumpumpe abgesaugt wird.

5. Kondensationstrockner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Kältemittelverflüssiger (2) der Wärmepumpe eine Flüssigkeit fließt, die dem im Trockner zirkulierenden Dampf strom die Kondensationswärme des Kältemittels über einen oder mehreren Wärmetauscher oder über die Wände überträgt.

6. Kondensationstrockner zum Trocknen von Holz und anderen Gütern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockner einen oder mehrere Ventilatoren (5) zur Zirkulation des Luftstroms oder des überhitzten Dampfstroms, und Umleitelemente (14, 15), mit denen der Strom mäanderförmig durch die Trockengutstapel (7) gelenkt wird, und einen oder mehrere Rückführkanäle (17) aufweist, durch die der Hauptstrom zum anderen Ende zurückströmt, und daß ein oder mehrere Kältemittelverflüssiger (2) in den Seitengängen oder im Rückführkanal den Hauptstrom erwärmen.

7. Kondensationstrockner gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoren (5) einen Teilstrom des geförderten Volu menstroms über den Kältemittelverdampfer (1) leiten, an dem enthaltener Wasserdampf kondensiert.

8. Kondensationstrockner gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Ventilator (13) vorgesehen ist, der den zu entfeuchtenden Teilstrom durch den Kältemittelverdampfer (1) und zurück zum Hauptstrom leitet.

9. Verfahren zur Durchführung der Trocknung von Holz und anderen Gütern mit einem Kondensationstrockner gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfeuchtigkeit oder die Holzgleichgewichtsfeuchte über die Leistung des Kältemittelverdichters geregelt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufttemperatur über Klappen (15, 16) geregelt wird, die Frischluft in die Kammer und Fortluft aus der Kammer strömen lassen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Dampfes oder der feuchten Luft über die Kondensation von Wasserdampf geregelt wird, die in einem zu sätzlichen Luftentfeuchter (4) stattfindet, der die Kondensa tionswärme an die Umgebung abgibt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Hochtemperaturtrocknern die Leistung des Kältemittel verdichters der Wärmepumpe so geregelt wird, daß die Kälte mittelverflüssiger (2) die notwendige Wärme an den Dampf-Luft strom abgeben und die vom Trocknungsfahrplan vorgeschriebene Trockentemperatur oder die Holzgleichgewichtsfeuchte zu halten, während der Kältemittelverdampfer (1) die von der Wärmepumpe benötigte Wärmemenge dem kondensierenden Wasserdampf entnimmt und der Überschuß an Wasserdampf über eine Klappe (9) nach außen abströmt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Trocknung anfallende Kondensat in einem isolierten Behälter (8) gesammelt wird, in dem ein zusätzlicher Kältemittelverdampfer (10) dem Kondensat während der Aufheizung der nächsten Charge Wärme entzieht und Kältemittel verdampft, das im Kältemittelverflüssiger (2) im Trockner wieder konden siert, und Wärme dem zirkulierenden feuchten Luftstrom, bis die Luft annähernd die Temperatur des Kondensats im Behälter (8) erreicht hat, zuführt und nach diesem Zeitpunkt der Kältemit telverdichter eingeschaltet wird und Wärme vom isolierten Be hälter (89), indem mit abnehmender Temperatur das abgekühlte Wasser mit warmem Wasser ersetzt wird, über den gleichen Kältemittelverdampfer (10) und den Kältemittelverflüssiger (2) im Trockner an den zirkulierenden feuchten Luftstrom überträgt.