EP0072836A1 - Verfahren zur verminderung von wärmeverlusten bei anlagen zum trocknen von festkörpern - Google Patents

Verfahren zur verminderung von wärmeverlusten bei anlagen zum trocknen von festkörpern

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Publication number
EP0072836A1
EP0072836A1 EP82900634A EP82900634A EP0072836A1 EP 0072836 A1 EP0072836 A1 EP 0072836A1 EP 82900634 A EP82900634 A EP 82900634A EP 82900634 A EP82900634 A EP 82900634A EP 0072836 A1 EP0072836 A1 EP 0072836A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
absorption
steam
desorber
exhaust air
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP82900634A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Hodgett
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Battelle Institut eV
Original Assignee
Battelle Institut eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battelle Institut eV filed Critical Battelle Institut eV
Publication of EP0072836A1 publication Critical patent/EP0072836A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/006—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the sorption type system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/02—Compression-sorption machines, plants, or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B23/00—Heating arrangements
    • F26B23/001—Heating arrangements using waste heat
    • F26B23/002—Heating arrangements using waste heat recovered from dryer exhaust gases
    • F26B23/005—Heating arrangements using waste heat recovered from dryer exhaust gases using a closed cycle heat pump system ; using a heat pipe system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0014—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from waste air or from vapors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing heat losses in systems for drying solid bodies, in which steam serves as a heat carrier and moist air is emitted at temperatures of more than about 65 ° C, heat being recovered from the moist exhaust air using a heat pump.
  • water is evaporated from the wet solids by introducing a stream of hot air.
  • ambient air is usually heated by heat exchange with steam or another heat transfer medium or a fossil fuel is burned directly in the air stream.
  • Heat is transferred or radiated from hot surfaces to the material to be dried.
  • the moist dryer exhaust air is partially returned to the air inlet opening of the dryer or brought to heat exchange with supply air.
  • the former method has the disadvantage that the humidity of the supply air is increased and thus the drying rate is reduced.
  • only a small proportion of the exhaust heat can be recovered.
  • the dryer supply air is heated to the desired final temperature, specifically by heat exchange with process steam, which is used to heat the surfaces.
  • the moist exhaust air which has lower temperatures after the heat exchange, can then be used to heat process water and / or space heating water before it is discharged outdoors.
  • the moist exhaust air can also be completely recirculated. Before that, however, it is first dehumidified using a heat pump, then reheated. Paper and cardboard are usually dried in direct contact with steam-heated rollers, with several such rollers on under a dryer hood are ordered. Hot air circulates under the hood and between the rollers, which supports the drying process and also removes the water vapor from the dryer. The moist dryer exhaust air is, as mentioned above, brought to heat exchange with the air supplied to the hood and thus preheats the supply air. Then it is used to heat process and / or space heating water.
  • the supply air preheated in this way is brought to its final temperature with the help of process steam, which is used to heat the roller surfaces.
  • process steam which is used to heat the roller surfaces.
  • the present invention is based on the object of reducing the heat losses in industrial dryers in which steam with a pressure of approximately 2-3 bar acts as a heat carrier and the moist air at a temperature of approximately 65-100 ° C. or higher and in particular to recover a larger proportion of heat than previously from the moist exhaust air.
  • steam with a pressure of approximately 2-3 bar acts as a heat carrier and the moist air at a temperature of approximately 65-100 ° C. or higher and in particular to recover a larger proportion of heat than previously from the moist exhaust air.
  • the process should be feasible with a minimum of design changes to conventional dryer types and additional primary energy.
  • the solution according to the invention is based on the use of a resorption heat pump with a mechanical or thermal drive.
  • Such heat pumps have already been described (E. Altenkirch, "The compression refrigeration machine with solvent circuit”, Kältetechnik 2, 1950, Issue 10, pp. 251, 179, 310; “Absorption refrigeration machine”, VEB-Verlagtechnik, Berlin 1954), their applicability for
  • the object underlying the invention was not recognized.
  • it was not recognized that such a absorption heat pump made the process steam required for the drying process possible with a minimum of effort can be generated. Both exhaust air cooling and process steam generation are made possible with optimal adaptation to the process.
  • the absorption heat pump can also be driven with any existing energy source and works at low pressure or pressure ratio, so that a higher performance figure can be achieved with low investment costs.
  • Heat pump replaced by a desorption unit and the condenser by a resorption unit.
  • a solvent circulates between the desorber and the resorber.
  • the low-refrigerant solvent is pumped from the desorber to the resorber, while the refrigerant-rich solvent is expanded from the resorber to the desorber.
  • the refrigerant vapor from the desorber is either compressed to the resorber pressure with the aid of a mechanical compressor or compressor (mechanical drive) or the compression is achieved by means of a further solvent circuit with absorber, pump, expeller and expansion device (conventional absorption heat pump) (thermal drive).
  • a combination of the two drive types is also possible.
  • a resorption heat pump When using a resorption heat pump according to the invention between the exhaust air line and the condensate line from the process steam, heat is removed by the desorber from the moist dryer exhaust air, the exhaust air partially condensing.
  • the desorber is effective over a wide temperature range, for example between 80 - 50 oC.
  • process steam for the dryer is generated again from the condensation water of the process steam.
  • An electric motor, an engine, for example an internal combustion engine, heat engine with external combustion, or another drive unit can be used to mechanically drive the absorption heat pump.
  • the heat released from the drive or exhaust gas cooler can also be used to generate steam or to heat process water. It is also possible to drive the compressor with a Rankine cycle, the evaporator of which can be used to heat process water.
  • a blasting apparatus can also be used for compaction.
  • the heat given off by the absorption circuit absorber can also be used to generate steam or to heat the process water.
  • the thermal absorption system can work with the same solution in the absorption circuit and absorption circuit, but the concentrations are selected so that the heat from the absorber is generated at the same temperature as that prevailing in the resorber or at the highest temperature required for steam generation and overheating, so that the
  • the critical temperature of ammonia is 133 ° C lower than the required absorber temperature, and at a temperature of approximately 140 ° C the pressure for normal concentrations of ammonia in water would be 100 bar. For this reason, the ammonia / water working medium combination is not suitable for the purpose according to the invention.
  • Suitable working material combinations contain water as the refrigerant and aqueous metal salt solutions as the solvent.
  • Water has moderate pressures in the required temperature range, has good thermodynamic properties, is not chemically aggressive and is harmless.
  • Metal salt solutions can work in this temperature range under atmospheric pressure, so that low construction costs are required.
  • Halogenated hydrocarbons e.g. Trifluoroethanol can also be used as a volatile component.
  • the metal salts are e.g. Lithium salts, such as lithium bromide, lithium chloride and lithium thiocyanate or mixtures of lithium bromide and zinc bromide in question.
  • the advantages achieved by the present invention are essentially to be seen in the fact that the resorption machine achieves a high degree of efficiency over a wide temperature range, specifically as a result of the non-isothermal desorption and isothermal resorption processes and in Compared to conventional compression or absorption machines with a low pressure ratio of the machine. Compared to a multi-stage compression machine, which is normally preferred for applications with high pressure ratios, the use of a
  • Absorption machine which works over a wide temperature range, has particular advantages from the point of view of steam generation.
  • the process according to the invention is suitable for a wide range of dryer types, in particular for the cylinder dryers customary in the paper industry, suction drum and belt dryers customary in the textile industry and rotary kilns customary in the fertilizer and chemical industry or for all dryers in which steam with a Pressure of 2 to 3 bar acts as a heat transfer medium and at which moist air with a temperature of more than 65 to 70 ° C is released.
  • Figure 1 shows an embodiment of the use of the absorption heat pump according to the invention in a
  • FIG. 2 shows a mechanically driven absorption heat pump
  • FIG. 3 shows a thermally driven absorption heat pump
  • FIG. 4 use of a absorption heat pump driven by multi-stage compression
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the first section of the compression is carried out by a condenser, a pump and an evaporator and
  • Figure 7 shows another embodiment with connected absorption circuit and compressor.
  • process steam is fed into the steam cylinder 2 via line 1 and at the same time the space between the steam cylinder 2 and the hood 3 is coated with hot air.
  • the condensate from the steam cylinder 2 is removed via line 4.
  • the moist exhaust air is removed via line 6 at approx. 80 ° C.
  • the exhaust air is dehumidified according to the usual methods and serves to preheat the ambient air, which is then returned to the hood as dry supply air at 100 oC after the heat exchange with the process steam.
  • the exhaust air is then used at a temperature of approx. 74 oC for the treatment of process water and then at approx.
  • the resorption machine is inserted between the exhaust air line 6 and the condensate line 4, so that the exhaust air is connected to the desorber 7 and the condensate 4 to the resorber 8. Condensation of the moist exhaust air in the desorber 7 generates steam on the resorber side 8 and leads it back into the cylinder via line 9.
  • Part of the steam generated can also be used in the heat exchange at 10 with ambient air 11 to process the dryer supply air, which is returned to the hood 3 via line 12.
  • the supply air 11 can be heated accordingly in the heat exchange with the condensate 4.
  • the moist exhaust air leaves the desorber 7 at a temperature of approximately 50 ° C. and can be used to process water 15 or space heating water 16 using conventional heat pumps 13 and 14.
  • the absorption heat pump can be driven mechanically as well as thermally.
  • a mechanically driven absorption heat pump is shown in FIG. It consists of a resorber 8 and a desorber 7, between which a solvent circulates.
  • the solvent circuit is via lines 17, 18, 19 and 20 while the refrigerant circuit is via 21, 22, 17 and 18.
  • the compression work is ensured by a compressor 23 in the refrigerant circuit.
  • the compressor 23 can be operated by an electric motor 24, an engine or another drive unit.
  • a resorber 8 and a desorber 7 with the same solvent circuit 17, 18, 19 and 20 are also provided.
  • a conventional absorption heat pump can be used for the drive, which consists of an expeller 25, an absorber 26 with a solvent circuit 27, 28, 29 and 30.
  • the refrigerant circuit is 31, 29, 30, 32, 17 and 18.
  • FIGS. 4 to 8 are explained using exemplary embodiments which relate to use in paper drying plants with the following boundary conditions:
  • a multi-stage compression at 33 and 34 and absorption at 35 and 36 is used.
  • the desorber 7 is connected to the heat source exhaust air 6.
  • a heat sink of steam of 2 to 3 bar is generated in the resorber 35 and 36.
  • the resorber 35 works at a lower pressure than the resorber 36.
  • the combination water / lithium bromide is selected as the working medium. Further process parameters are as follows:
  • Compression in two stages; 0.07 bar, 0.35 bar and 1 bar.
  • the rich solution of the resorber 36 can be cooled in the heat exchanger 37 and process water or space heating water can be generated.
  • the absorption can also be carried out isothermally.
  • the embodiment shown in FIG. 5 is proposed for this purpose.
  • a single resorption container 38 is provided, within which the pressure increases or decreases in the vertical direction.
  • the poor solution is supplied from the desorber via line 39.
  • the rich solution is passed via line 40 to the desorber.
  • This resorber 38 is designed such that the vapors conducted into the resorber 38 from various compression stages 41, 42, 43 have the pressure prevailing in the respective entry region in the resorber.
  • the pressure prevailing in the resorber 38 increases due to the gravity of the solvent from top to bottom.
  • the first stage of compression can be omitted if, as shown in FIG. 6, a condenser 44, a pump 45 and an evaporator 46 are provided.
  • the evaporator 46 is arranged in front of the desorber 7 in the exhaust air duct 6.
  • the steam from desorber 7 is condensed at 44, for example against cooling towers or process or space heating water.
  • the condensate is pumped to high pressure at 45 and evaporated in the evaporator 46 with exhaust air as the heat source. It is then absorbed in the resorber 47, which operates at a lower pressure than the resorber 48.
  • the absorption can also be carried out as shown in FIG. 5.
  • the rich solution from the resorber 48 can be used to generate process water or heating water.
  • the process parameters are as follows:
  • Evaporation temperature between 65oC and 80oC
  • the particular advantage of this embodiment lies in the reduced compression work, since only one compressor 49 is provided.
  • an absorption circuit consisting of an expeller 50 and an absorber 51 is used. Furthermore, a compressor 52 is present between desorber 7 of the absorption circuit and absorber 51 of the absorption circuit. The desorption takes place between 75 ° C and 50 ° C, the resorber 53 and absorber 51 both produce process steam of 2 to 3 bar.
  • the expeller 50 is heated with high pressure steam from 10 to 15 bar.
  • the advantage of this embodiment is also the reduced compression work, since there is only one compressor 52.
  • the high pressure steam can be expanded after being used to heat the expeller 50 and can further be used for low pressure steam.
  • the rich solution of resorber 53 and the poor solution of expeller 50 can be used to generate process water or heating water.
  • the compression by the compressor 52 can also take place, as shown in FIG. 6, by a condenser, a pump and an evaporator.

Description

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Verfahren zur Verminderung von Wärmeverlusten bei Anlagen zum Trocknen von Festkörpern =================================================
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Wärmeverlusten bei Anlagen zum Trocknen von Festkörpern, bei denen Dampf als Wärmeträger dient und feuchte Luft bei Temperaturen von mehr als ca. 65 ºC abgegeben wird, wobei unter Verwendung einer Wärmepumpe Wärme aus der feuchten Abluft zurückgewonnen wird.
Bei den meisten industriellen Verfahren zur Trocknung von Feststoffen, insbesondere in der Textil-, Papier-, Keramik-, Ziegel-, Ton- und chemischen Industrie, wird Wasser aus den nassen Festkörper durch Einleitung eines Heißluftstroms verdampft. Zur Erzeugung des Heißluftstroms wird üblicherweise Umgebungsluft durch Wärmeaustausch mit Dampf oder einem anderen Wärmeübertragungsmedium erhitzt oder ein fossiler Brennstoff direkt im Luftstrom verbrannt. Zur Unterstützung des. Trocknungsvorgangs wird des Öfteren auch Wärme von heißen Oberflächen auf das zu trocknende Material geleitet oder abgestrahlt.
Bei solchen Trocknungsanlagen entstehen große Wärmeverluste einerseits durch die feuchte Abluft, die die latente Verdampfungswärme der im Trockner verdampften Feuchtigkeit enthält, welche größer ist als die fühlbare Wärme in den heißen trockenen Festkörpern, und andererseits durch die Trocknerstruktur bzw. deren Wärmeableitung und -abstrahlung.
In vielen Fällen wird die feuchte Trockner-Abluft teilweise zur Lufteinlaßöffnung des Trockners zurückgeführt oder zum Wärmeaustausch mit Zuluft gebracht. Die erstere Methode hat den Nachteil, daß die Feuchtigkeit der Zuluft erhöht und damit die Trocknungsrate reduziert wird. Im zweiten Fall kann nur ein kleiner Anteil der Abluftwärme zurückgewonnen werden. Nach erfolgtem Wärmeaustausch wird die Trockner-Zuluft auf die gewünschte Endtemperatur aufgeheizt, und zwar durch Wärmeaustausch mit Prozeßdampf, der zur Aufheizung der Oberflächen herangezogen wird. Diefeuchte Abluft, die nach dem Wärmeaustausch niedrigere Temperaturen besitzt, kann anschließend zum Aufheizen von Prozeßwasser und/oder Raumheizungswasser benutzt werden, ehe sie ins Freie abgeleitet wird.
Verbesserte Trocknerleistungen werden auch erzielt, wenn durch zusätzliche Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzstrahlung der Wirkungsgrad der letzten Trocknungsstufen erhöht wird. Zu dem selben Zweck kann auch die feuchte Abluft vollständig rezirkuliert werden. Vorher wird sie jedoch unter Verwendung einer Wärmepumpe zuerst entfeuchtet, dann erneut aufgeheizt. Papier und Kartonagen werden in der Regel in direktem Kontakt mit dampfbeheizten Walzen getrocknet, wobei unter einer Trocknerhaube mehrere solcher Walzen an geordnet sind. Unter der Haube und zwischen den Walzen zirkuliert heiße Luft, die den Trocknungsprozeß unterstützt und außerdem den Wasserdampf aus dem Trockner entfernt. Die feuchte Trocknerabluft wird, wie oben erwähnt, zum Wärmeaustausch mit der zur Haube geführten Luft gebracht und heizt somit die Zuluft vor. Danach wird sie zur Aufheizung von Prozeß- und/oder Raumheizungswasser genutzt. Die so vorgeheizte Zuluft wird mit Hilfe von Prozeßdampf, der zum Heizen der WalzenOberflächen verwendet wird, auf seine Endtemperatur gebracht. Bei einer solchen Anlage werden im Winter ca. 40 % des Wärmeinhalts der Abluft (über 0 °C) als Abwärme abgeführt. Im Sommer, wenn keine Raumheizung benötigt wird, beträgt der Anteil der abgeführten Wärme ca. 80 %.
Es ist bekannt, daß diese Wärmeverluste reduziert werden können, wenn die Trocknerzuluft nicht durch Dampf, sondern mit Hilfe einer Wärmepumpe aufgeheizt wird, welche die Abluft nach dem Wärmeaustausch zwischen Abluft/Zuluft als Wärmeträger benutzt ("Einsatz einer Wärmepumpe in einer Papierfabrik", VDI-Bericht, Nr. 345, 1979, S. 95-104). Dieser Vorschlag hat keine bedeutende Auswirkung auf die Energiebilanz des Trocknungsprczesses, da zur Aufheizμng der Luft in der Trocknerhaube weniger als ca. 20 % des Gesamtenergiebedarfs nötig sind und die Hälfte davon bereits durch den Abluft-Wärmetauscher aufgebracht werden kann.
Ferner wurde bereits beschrieben, zur Verminderung der Wärmeverluste den kompletten Trockner durch eine Version zu ersetzen, bei der Dampf als direktes Wärmeübertragungsmedium dient und der während des Trocknungsvorgangs entstehende Wasserdampf verdichtet und komprimiert wird und dabei seine latente Wärme in einem Wärmetauscher an den Hauptdampfstrom abgibt. Hierdurch kann der Energiebedarf zwar drastisch reduziert werden, eine vollständige Neukonstruktion der Papiertrocknungsanlage ist jedoch erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei Industrietrocknern, in denen Dampf mit einem Druck von ca. 2 - 3 bar als Wärmeträger fungiert und die feuchte Luft mit einer Temperatur von ca. 65 - 100 ºC oder höher abgeben, die Wärmeverluste zu reduzieren und insbesondere einen größeren Anteil an Wärme als bisher aus der feuchten Abluft zurückzugewinnen. Das Verfahren sollte mit einem Minimum an konstruktiven Änderungen an üblichen Trocknertypen und zusätzlicher Primärenergie durchführbar sein.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art lösen läßt, bei dem die feuchte Abluft und das Kondenswasser aus dem Prozeßdampf zu einer Resorptionswärmepumpe geführt und der an der Resorberseite der Resorptionswärmepumpe erhaltene Dampf zum Trocknungsprozeß zurückgeführt wird. Einige vorteilhafte Ausführungsformen und -möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 17 erläutert.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Verwendung einer Resorptionswärmepumpe mit mechanischem oder thermischem Antrieb. Solche Wärmepumpen wurden bereits beschrieben (E. Altenkirch, "Die Kompressionskältemaschine mit Lösungsmittelkreislauf", Kältetechnik 2, 1950, Heft 10, S. 251, 179, 310; "Absorptionskältemaschine", VEB-Verlag Technik, Berlin 1954), deren Anwendbarkeit für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wurde jedoch nicht erkannt. Insbesondere wurde nicht erkannt, daß durch eine solche Resorptionswärmepumpe der für den Trocknungsprozeß erforderliche Prozeßdampf mit einem Minimum an Aufwand erzeugt werden kann. Sowohl Abluftkühlung als auch die Prozeßdampferzeugung werden unter optimaler Anpassung an das Verfahren ermöglicht. Die Resorptionswärmepumpe kann darüberhinaus mit beliebiger, vorhandener Energiequelle angetrieben werden und arbeitet mit niedrigem Druck bzw. Druckverhältnis, so daß mit geringen Investitionskosten höhere Leistungsziffer erzielbar sind.
Bei dem Resorptionszyklus wird der Verdampfer einer
Wärmepumpe durch ein Desorptionsaggregat und der Kondensator durch ein Resorptionsaggregat ersetzt. Zwischen Desorber und Resorber zirkuliert ein Lösungsmittel. Das kältemittelarme Lösungsmittel wird vom Desorber zum Resorber gepumpt, während das kältemittelreiche Lösungsmittel vom Resorber zum Desorber expandiert wird. Der Kältemitteldampf aus dem Desorber wird entweder mit Hilfe eines mechanischen Kompressors bzw. Verdichters auf den Resorberdruck komprimiert (mechanischer Antrieb) oder die Verdichtung wird durch einen weiteren Lösungsmittelkreislauf mit Absorber, Pumpe, Austreiber und ExpansiσnsVorrichtung (konventionelle Absorptionswärmepumpe) erzielt (thermischer Antrieb). Eine Kombination der beiden Antriebsarten ist ebenfalls möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Einsatz einer Resorptionswärmepumpe zwischen Abluftleitung und Leitung des Kondenswassers aus dem Prozeßdampf wird durch den Desorber der feuchten Trocknerablauft Wärme entzogen, wobei die Abluft teilweise kondensiert. Der Desorber ist über einen weiten Temperaturbereich wirksam, z.B. zwischen 80 - 50 ºC. Mit dem Resorber wird aus dem Kondenswasser des Prozeßdampfs erneut Prozeßdampf für den Trockner erzeugt. Zum mechanischen Antrieb der Resorptionswärmepumpe kann ein Elektromotor, eine Kraftmaschine, z.B. eine Verbrennungsmaschine, Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung, oder ein anderes Antriebsaggregat genutzt werden. Die freiwerdende Wärme von Antriebs- oder Abgaskühler kann ebenfalls zur Dampferzeugung oder zur Aufheizung von Prozeßwasser dienen. Ferner ist es möglich, den Kompressor mit einem Rankine-Kreislauf anzutreiben, wobei dessen Verdampfer zur Aufheizung von Prozeßwasser genutzt werden kann.
Eine weitere Alternative bei Verwendung mechanischer Resorptionswärmepumpen besteht darin, daß zur Verminderung von überhitzungswärme in dem den Kompressor verlassenden Gas und zur Reduktion der Verdichtungsarbeit ein System mit mehrstufiger Kompression und Zwischenkühlung oder eine Art Entspannungszwischenkühler eingesetzt wird. Zur Verdichtung kann ferner ein Strahlapparat herangezogen werden.
Bei thermisch angetriebenen Resorptionssystemen kann die vom Absorber des Absorptionskreislaufs abgegebene Wärme ebenfalls zur Dampferzeugung oder zur Aufheizύng des Prozeßwassers dienen. Das thermische Resorptionssystem kann mit der gleichen Lösung im Resorptionskreislauf und Absorptionskreislauf arbeiten, wobei die Konzentrationen jedoch so gewählt sind, daß die Wärme vom Absorber mit der gleichen Temperatur anfällt, die im Resorber herrscht oder mit der zur Dampferzeugung und überhitzung benötigten höchsten Temperatur, damit die
Maximaltemperatur im Resorber gesenkt werden kann. In den beiden Kreisläufen können auch verschiedene Salze für die Lösungen verwendet werden, wodurch in beiden Fällen optimale Betriebsbedingungen einstellbar sind. Die Wahl der für den Temperaturbereich und das Arbeitsprinzip geeigneten Mittel , d .h . Kältemittel und Lösungsmittel, in der erfindungsgemäß verwendeten Resorptionswärmepumpe mit mechanischer Verdichtung oder thermischer Betriebsweise, ist ein wichtiger Aspekt bei der Systemauslegung. Für Resorptionswärmepumpen wurden bereits Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel vorgeschlagen. (E. Altenkirch, "Die Kompressionskältemaschine mit Lösungsmittelkreislauf" Kältetechnik 2, 1950, Heft 10, S. 251, 179, 310). Die kritische Temperatur von Ammoniak ist jedoch mit 133 ºC niedriger als die erforderliche Resorbertemperatur, und bei einer Temperatur von ca. 140 ºC würde der Druck für normale Konzentrationen von Ammoniak in Wasser 100 bar betragen. Aus diesem Grunde ist die Arbeitsmittelkombination Ammoniak/Wasser für den erfindungsgemäßen Zweck nicht geeignet.
Geeignete Arbeitsmittelkombinationen enthalten Wasser als Kältemittel und wäßrige Metallsalzlösungen als Lösungsmittel. Wasser weist im erforderlichen Temperaturbereich mäßige Drücke auf, hat gute thermodynamische Eigenschaften, ist chemisch nicht aggressiv und ungefährlich. Metallsalzlösungen können in diesem Temperaturbereich unter Atmosphärendruck arbeiten, so daß geringe Konstruktionskosten erforderlich sind. Halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.B. Trifluoräthanol, sind als flüchtige Komponente ebenfalls verwendbar. Als Metallsalze kommen z.B. Lithiumsalze, wie Lithiumbromid, Lithiumchlorid und Lithiumthiocyanat oder Mischungen aus Lithiumbromid und Zinkbromid infrage.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß mit der Resorptionsmaschine ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Temperaturbereich erzielt wird, und zwar infolge der nichtisothermischen Desorptions- und isothermischen Resorptionsvorgänge und des im Vergleich zu konventionellen Kompressions- oder Absorptionsmaschinen niedrigen Druckverhältnisses der Maschine. Im Vergleich zu einer Mehrstufenkompressionsmaschine, die normalerweise für Einsatzgebiete mit hohen Druckverhältnissen bevorzugt wird, hat die Verwendung einer
Resorptionsmaschine, die über einen breiten Temperaturbereich funktioniert, unter dem Gesichtspunkt der Dampferzeugung besondere Vorteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für eine breite Palette von Trocknertypen geeignet, insbesondere für die in der Papierindustrie üblichen Zylindertrockner, in der Textilindustrie üblichen Saugtrommel- und Bandtrockner und in der Düngemittel- und chemischen Industrie üblichen Drehrohröfen bzw. für alle Trockner, in denen Dampf mit einem Druck von 2 bis 3 bar als Wärmeträger fungiert und bei denen feuchte Luft mit einer Temperatur von mehr als 65 bis 70 °C abgegeben wird.
Die Erfindung wird anhand beiliegender, lediglich einen Ausführungsweg darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung:
Figur 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einsatzes der Resorptionswärmepumpe in einer
Anlage zum Trocknen von Papier;
Figur 2 eine mechanisch angetriebene Resorptionswärmepumpe;
Figur 3 eine thermisch angetriebene Resorptionswärmepumpe; Figur 4 Einsatz einer, durch mehrstufige Kompression angetriebene Resorptionswärmepumpe;
Figur 5 isothermisch durchgeführte Resorption;
Figut 6 eine Ausführungsform, bei der der erste Abschnitt der Kompression durch einen Kondensator, eine Pumpe und einen Verdampfer vorgenommen wird und
Figur 7 eine weitere Ausführungsform mit angeschlossenem Absorptionskreislauf und Verdichter.
Bei der in Figur 1 gezeigten Anlage zum Trocknen von Papier wird über Leitung 1 Prozeßdampf in den Dampfzylinder 2 geführt und gleichzeitig wird der Raum zwischen dem Dampfzylinder 2 und der Haube 3 mit heißer Luft beschicht. Das Kondensat aus dem Dampfzylinder 2 wird über Leitung 4 entnommen. Zwischen dem Dampfzylinder 2 und der Haube 3 steht das zu trocknende Papier 5 in direktem Kontakt mit der Walzenoberfläche. Die feuchte Abluft wird über Leitung 6 bei ca. 80 ºC entnommen. Nach den üblichen Verfahren wiid die Abluft entfeuchtet und dient zum Vorwärmen der Umgebungsluft, die dann nach dem Wärmeaustausch mit dem Prozeßdampf als trockene Zuluft von 100 ºC in die Haube zurückgeführt wird. Die Abluft wird dann bei einer Temperatur von ca. 74 ºC zur Aufbereitung von Prozeßwasser und anschließend mit ca. 68 ºC zur Aufbereitung von Raumheizungswasser für Papierfabrik und letztlich bei einer Temperatur von ca. 46 ºC zum Vorheizen des Prozeßwassers herangezogen und dann mit einer Temperatur von ca. 43 °C abgeführt. In Sommermonaten, wenn Raumheizungswasser für die Papierfabrik nicht notwendig ist, ist demzufolge auch der Wärmeverlust großer. Erfindungsgemäß wird zwischen der Abluftleitung 6 und der Kondensatleitung 4 die Resorptionsmaschine eingefügt, so daß die Abluft mit dem Desorber 7 und das Kondensat 4 mit dem Resorber 8 verbunden ist. Durch Kondensation der feuchten Abluft im Desorber 7 wird an der Resorberseite 8 Dampf erzeugt und über Leitung 9 wieder in den Zylinder zurückgeführt. Ein Teil des erzeugten Dampfes kann auch im Wärmeaustausch bei 10mit Umgebungsluft 11 zur Aufbereitung der Trocknerzuluft dienen, die über Leitung 12 in die Haube 3 zurückgeführt wird. Die Zuluft 11 kann im Wärmeaustausch mit dem Kondensat 4 entsprechend aufgeheizt werden. Nach teilweiser Kondensation verläßt die feuchte Abluft mit einer Temperatur von etwa 50 ºC den Desorber 7 und kann unter, Verwendung konventioneller Wärmepumpen 13 und 14 zur Aufbereitung von Prozeßwasser 15 bzw. Raumheizungswasser 16 dienen.
Im Anschluß daran beträgt ihre Temperatur ca. 18 ºC und wird abgeführt.
Die Resorptionswärmepumpe kann sowohl mechanisch als auch thermisch angetrieben werden. In Figur 2 wird eine mechanisch angetriebene Resorptionswärmepumpe dargestellt. Sie besteht aus einem Resorber 8 und einem Desorber 7, zwischen denen ein Lösungsmittel zirkuliert. Der Lösungsmittelkreislauf geht über Leitungen 17, 18, 19 und 20 während der Kältemittelkreislauf über 21, 22, 17 und 18 verläuft. Die Kompressionsarbeit wird durch einen Verdichter 23 im Kältemittelkreislauf gewährleistet. Der Verdichter 23 kann durch einen Elektromotor 24, eine Kraftmaschine oder ein anderes Antriebsaggregat betrieben werden. Bei der in Figur 3 gezeigten, thermisch angetriebenen Resorptionswärmepumpe ist ebenfalls ein Resorber 8 und ein Desorber 7 mit dem gleichen Lösungsmittelkreislauf 17, 18, 19 und 20 vorgesehen. Zum Antrieb kann eine konventionelle Absorptionswärmepumpe verwendet werden, die aus einem Austreiber 25, einem Absorber 26 mit einem Lösungsmittelkreislauf 27, 28, 29 und 30 besteht. Der Kältemittelkreislauf ist 31, 29, 30, 32, 17 und 18.
Die in den Figuren 4 bis 8 dargestellten Systeme sind anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die den Einsatz in Papiertrocknungsanlagen mit folgenden Randbedingungen betreffen:
Temperatur der Abluftϊ 80 °C bis 85 °C
Absolute Feuchtigkeit der Abluft: 0,14 - 0,17 kg/kgLuft Niederdruckdampf: 2 bis 3 bar Hochdruckdampf: 10 bis 15 bar
Kondertsattemperatur: 65 ºC bis 95 ºC,
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform wird mit einer mehrstufigen Verdichtung bei 33 und 34 und Resorption bei 35 und 36 gearbeitet. Der Desorber 7 ist mit der Wärmequelle Abluft 6 verbunden. Im Resorber 35 und 36 wird eine Wärmesenke von Dampf von 2 bis 3 bar erzeugt. Der Resorber 35 arbeitet dabei mit niedrigerem Druck als Resorber 36. Als Arbeitsmittel wird die Kombination Wasser/Lithiumbromid gewählt. Weitere Verfahrensparameter sind wie folgt:
Desorption: gleitend 75 °C bis 50 ºC
Resorption: in zwei Stufen; gleitend 110 ºC bis 140 ºC
Verdichtung: in zwei Stufen; 0,07 bar, 0,35 bar und 1 bar. Die reiche Lösung vom Resorber 36 kann im Wärmetauscher 37 gekühlt und Prozeßwasser bzw. Raumheizungswasser erzeugt werden.
Die Resorption kann auch isothermisch durchgeführt werden. Hierzu wird die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform vorgeschlagen. In diesem Fall ist ein einziger Resorptionsbehälter 38 vorgesehen, innerhalb dessen der Druck in vertikaler Richtung zu- bzw. abnimmt, über Leitung 39 wird die arme Lösung vom Desorber zugeführt. Die reiche Lösung wird über Leitung 40 zum Desorber geleitet. Dieser Resorber 38 ist so ausgelegt, daß die von verschiedenen Verdichtungsstufen 41, 42, 43 in den Resorber 38 geleiteten Dämpfe den im jeweiligen Eintrittsbereich im Resorber herrschenden Druck aufweisen. Der im Resorber 38 herrschende Druck nimmt bedingt durch die Schwerkraft des Lösungsmittels von oben nach unten zu.
Die erste Stufe der Verdichtung kann entfallen, wenn, wie in Figur 6 dargestellt, ein Kondensator 44, eine Pumpe 45 und ein Verdampfer 46 vorgesehen werden. Der Verdampfer 46 wird dabei vor dem Desorber 7 im Abluftkanal 6 angeordnet. Der Dampf von Desorber 7 wird bei 44 kondensiert, z.B. gegen Kühltürm oder Prozeß- bzw. Raumheizungswasser. Das Kondensat wird bei 45 auf hohen Druck gepumpt und im Verdampfer 46 mit Abluft als Wärmequelle verdampft. Es wird dann im Resorber 47, der mit niedrigerem Druck als Resorber 48 arbeitet, resorbiert. Die Resorption kann auch wie in Figur 5 dargestellt, durchgeführt werden. Ferner kann die reiche Lösung vom Resorber 48 zur Erzeugung von Prozeßwasser bzw. Heizungswasser herangezogen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel mit Wasser/Lithiumbromid sind die Verfahrensparameter wie folgt:
Verdampfungstemperatur: zwischen 65 ºC und 80 °C
Desorption: gleitend 65 °C bis 40 °C
Resorption: gleitend 110 °C bis 140 °C
Verdichtung: 0,25 bzw. 0,47 bis 1 bar
Kondensation mit Wärmesenke Kühltürm- und/oder Prozeßbzw. Raumheizungswasser: 15 bis 30 ºC.
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der reduzierten Kompressionsarbeit, da nur ein Verdich.ter 49 vorgesehen ist.
Gemäß Figur 7 wird ein Absorptionskreislauf bestehend aus einem Austreiber 50 und einem Absorber 51 verwendet. Ferner ist zwischen Desorber 7 des Resorptionskreislauf und Absorber 51 des Absorptionskreislauf ein Verdichter 52 vorhanden. Die Desorption erfolgt zwischen 75 °C und 50 °C, der Resorber 53 und Absorber 51 erzeugen beide Prozeßdampf von 2 bis 3 bar. Der Austreiber 50 wird mit Hochdruckdampf von 10 bis 15 bar beheizt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht ebenfalls in der reduzierten Kompressionsarbeit, da lediglich ein Verdichter 52 vorhanden ist. Der Hochdruckdampf kann nach der Benutzung für Aufheizung des Austreibers 50 expandiert und weiter für Niederdruckdampf eingesetzt werden. Auch hier können die reiche Lösung von Resorber 53 und die arme Lösung von Austreiber 50 zur Erzeugung von Prozeßwasser bzw. Heizungswasser dienen.
Die Kompression durch den Verdichter 52 kann auch wie in Figur 6 gezeigt, durch einen Kondensator, eine Pumpe und einen Verdampfer erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verminderung von Wärmeverlusten bei Anlagen zum Trocknen von Festkörpern, bei denen Dampf als Wärmeträger dient und feuchte Abluft bei Temperaturen von mehr als ca. 65 ºC abgegeben wird, wobei unter Verwendung einer Wärmepumpe Wärme aus der feuchten Abluft zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchte Abluft und das Kondenswasser aus dem Prozeßdampf zu einer Resorptionswärmepumpe geführt und der an der Resorberseite der Wärmepumpe erhaltene Dampf zum Trocknungsprozeß zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Dampf teilweise zur Erzeugung von heißer trockener Zuluft für die Trocknungsanläge benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Desorberseite der Resorptionswärmepumpe erhaltene feuchte Abluft in an sich bekannter Weise unter Verwendung von üblichen Wärmepumpen zur Aufbereitung von Prozeßwasser und Raumheizungswasser genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Desorber ausgetriebene Dampf im Resorptionskreislauf durch Verwendung eines mechanisch angetriebenen Verdichters auf das im Resorber herrschende Druckniveau gebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung mehrstufig durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resorption mehrstufig durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige Resorption in einem einzigen Resorber isothermisch durchgeführt wird, wobei der Druck im Resorber infolge der Schwerkraft des Lösungsmittels in vertikaler Richtung nach unten steigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Desorber und Verdichter ein Kondensator, eine Pumpe und ein Verdampfer vorgesehen werden, mit denen der erste Abschnitt der Verdichtung erfolgt, wobei der Verdampfer vor dem Desorber im feuchten Abluftkanal eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resorptiόnswärmepumpe ein Absorptionskreislauf angeschlossen wird, dessen Absorber dieselbe Temperatur wie der Desorber und dessen Austreiber denselben Druck wie der Resorber besitzt und daß im Absorptionskreislauf niedrige Konzentration an Kältemittel eingestellt wird und daß die Wärme vom Resorber und Absorber zur Aufbereitung des Prozeßdampfes genutzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Erzielung von gleichen Temperaturen, zwischen Desorber und Absorber ein Verdichter vorgesehen wird oder ein Kondensator, eine Pumpe und ein Verdampfer zwischengeschaltet werden, wobei der Verdampfer vor dem Desorber im feuchten Abluftkanal eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter durch einen Elektromotor, eine
Kraftmaschine oder ein anderes Antriebsaggregat angetrieben wird und daß die Abwärme des Antriebsaggregats zur Erzeugung von Prozeßwasser und/oder Heizungswasser genutzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme vom Kondensator zur Aufbereitung von Prozeßwasser und/oder Heizungswasser genutzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in der reichen Lösung im Resorptionskreislauf vorhandene Wärme zur Aufbereitung von Prozeßwasser und/oder Heizungswasser genutzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Resorptionskreislauf und Absorptionskreislauf gleiche Lösungen verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Resorptionskreislauf und Absorptionskreislauf verschiedene Salze für die Lösungen verwendet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittelkombination Wasser oder halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.B. Trifluoräthanol, als flüchtige Komponente (Kältemittel) und Metallsalzlösungen als Lösungsmittel verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallsalze Lithiumsalze, z.B. Lithiumbromid, Lithiumchlorid und Lithiumthiocyanat, oder eine Mischung aus Lithiumbromid und Zinkbromid verwendet werden.
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