WO2001017665A1 - Druckluftkältetrockner - Google Patents

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WO2001017665A1
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Friedrich Uhde
Horst Schidlowski
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Kta Kalte- Und Drucklufttechnische Anlagen Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/265—Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)

Definitions

  • compressed air Due to the compression process, compressed air always contains moisture. In chemical applications, for example, this can adversely affect a desired reaction, but it also leads to damage to pneumatic tools. Furthermore, moisture leads to faults caused by frozen condensate, especially in cold winter months, especially in a widely branched compressed air pipeline network, which also includes outdoor pipeline systems. Plant downtimes or quality drops in production and considerable follow-up costs are the unpleasant and expensive effects that must be avoided.
  • the cooling circuit is designed for continuous operation in approx. 95% of the refrigeration dryers manufactured.
  • a storage mass consisting of quartz sand around the air / refrigerant heat exchanger tries to store excess cooling energy and then to save electrical energy with intermittent operation.
  • thermodynamic calculations for the storage mass and the cooling or heat conduction only slight savings potential can be achieved, since a constant cooling temperature must also be ensured. But especially when compressed air flows through the refrigeration dryer again when the cooling system is at a standstill and the stored cooling energy is used, the compressed air can only be insufficiently cooled and consequently only an increasing cooling temperature can be reached.
  • the cooling circuit that is set up again with a corresponding temperature difference must then reduce the higher outlet temperature back to the set outlet temperature.
  • the binary ice production device is followed by a binary ice storage device, so that binary ice can be generated in stock and a constant quality and temperature of the compressed air can be guaranteed.
  • the supply of fresh binary ice from the ice store or Regulated directly from the binary ice generating device in the manner of a heating control by means of a three-way mixing valve.
  • a plurality of air / air heat exchangers and / or air / liquid heat exchangers are connected in parallel. This means that a variety of performance levels can be built up using standardized components.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the invention
  • Fig. 5 is a block diagram of a fifth embodiment of the invention.
  • the actual cooling and dehumidification of the compressed air then takes place at the cooling temperature of, for example, 3 ° C.
  • the cooled compressed air which now contains Konensensat, is fed to the condensate separating device 8 via a second compressed air line 18.
  • the dry and cold Compressed air is then fed to the air / air heat exchanger via a third compressed air line 20 and heated there and delivered to the consumer via the compressed air discharge line 4.
  • the condensate is separated off via the condensate separating device 8 and discharged from the refrigeration dryer.
  • the required cooling temperature can be maintained even in intermittent operation and thus the quality of the compressed air to be generated can be maintained.
  • the binary ice production device 10 generates a flowable and bipolar refrigerant with a maximum temperature of -1 ° C.
  • the enthalpy of fusion which the binary ice exhibits, absorbs the energy (cooling load) present in the compressed air. Since the binary ice only experiences an increase in temperature when the melt delta is no longer sufficient for the cooling load, the binary ice production can operate in an energy-saving intermittent mode.
  • FIG 3 shows a third embodiment of the invention, which differs from the first embodiment in that the air / air heat exchanger 6 and the air / refrigerant heat exchanger 12 are structurally integrated in a heat exchanger device 28.
  • a very compact system is achieved and, on the other hand, conventional components can be used for the heat exchanger device 28.
  • an ice store according to the second embodiment can be connected between binary ice production device 10 and heat exchanger device 28.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the invention, which differs from the embodiment according to FIG. 2 in that the supply of liquid binary ice from the ice store 26 takes place via a control circuit 30 with a three-way mixing valve 32.
  • Binary ice generation device 10 and ice store 26 are structurally integrated.
  • the liquid binary ice from the ice store 26 is fed to the three-way mixing valve 32 via a third liquid line 34 and a pump 36.
  • the fresh binary ice is added to the binary ice circulating via the first liquid line 22 and a fourth liquid line 38 as required.
  • the entire compressed air refrigeration dryer and in particular the three-way mixing valve 32 are controlled via a control device 40. drove from fresh binary ice to the air / refrigerant heat exchanger 12 in an analogous manner to a conventional house heating system.
  • Such a control device is of course also present in the previously described embodiments, but this is not shown in the illustration.
  • Air / liquid heat exchanger (with liquid: binary ice)

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Abstract

Offenbart ist ein Druckluftkältetrockner mit einer Druckluftzuleitung (2) zum Zuführen von warmer und feuchter Druckluft, einer Druckluftableitung (4) zum Abführen von trockener Druckluft einem Luft/Luft-Wärmetauscher (6) zum Abkühlen der zugeführten Druckluft und zum Erwärmen der abgeführten Druckluft im Gegenstrom, einer Kältemaschine (14) zum Kühlen der vorgekühlten Druckluft aus dem Luft/Luft-Wärmetauscher (6), einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) zur thermischen Kopplung der Kältemaschine (14) mit der zu kühlenden Druckluft, und einer Kondensatabscheidevorrichtung (8) zum Entfeuchten der durch die Kältemaschine (14) gekühlten Druckluft. Zur Minimierung des Energieverbrauchs bei dennoch konstanter Austrittstemperatur hat der erfindungsgemässe Druckluftkältetrockner eine Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) zur Erzeugung von flüssigem Binäreis, die mittels des Luft/Kältemittel-Wärmetauschers (12) thermisch mit der zu kühlender Druckluft gekoppelt ist.

Description

Beschreibung
Druckluftkältetrockner
Die Erfindung betrifft einen Druckluftkältetrockner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgrund des Kompressionsprozesses enthält Druckluft immer Feuchtigkeit. Diese kann beispielsweise in chemischen Anwendungen eine gewünschte Reaktion ungünstig beeinflussen, sie führt aber auch zu Schäden an pneumatischen Werkzeugen. Des weiteren führt Feuchtigkeit gerade in einem weitverzweigten Druckluftrohrleitungsnetz, das teilweise auch Freiluftleitungssysteme beinhaltet, besonders in kalten Wintermonaten durch eingefrorenes Kondensat zu Störungen. Anlagenstillstände oder Qualitätseinbrüche innerhalb der Produktion und erhebliche Folge- kosten sind dann die unangenehmen und teuren Auswirkungen, die es zu vermeiden gilt.
Aus diesen Gründen werden Kältetrockner in ca. 95% aller Druckluftanlagen in der Industrie, in Betrieben und Werkstätten installiert sein. Diese Kältetrockner trocknen (entfeuchten) die aus Verdichtungsprozessen Schraubenverdichter, Kolbenverdichter etc. kommende Druckluft. Diese bekannten Kältetrockner bestehen aus einem Luft/Luft-Wärmetauscher mit Druckluftzuleitung und Druck- luftableitung, einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher mit entsprechendem Kühlkreislauf, einem Kondensatabscheider mit Kondensatabieiter, sowie entsprechenden Bedien- und Steuerungseinheiten. Die in den Kältetrockner eintretende Feuchte und ca. 35 °C warme Druckluft wird in Luft/Luft- Wärmetauscher durch die im Gegenstrom austretende ca. 2°C kalte Druckluft auf ca. 16 °C vorgekühlt. Im Luft/Kältemittel-Wärmetauscher erfolgt dann die eigentli- che Abkühlung und Entfeuchtung der Druckluft auf die voreingestellte Abkühltemperatur von ca. 3°C. Das anfallende Kondensat wird dann abgeschieden und aus dem Kältetrockner abgeleitet. Für eine gleichbleibende gute Qualität der Druckluft soll die Abkühltemperatur möglichst konstant gehalten werden.
Der Kühlkreislauf ist bei ca. 95% der hergestellten Kältetrockner für den Dauerbetrieb ausgelegt. Bei 5% der Anlagen wird mittels einer aus Quarzsand bestehenden Speichermasse um den Luft/Kältemittel-Wärmetauscher versucht, überschüssige Kälteenergie zu speichern und mit einem intermittierenden Betrieb dann elektrische Energie einzusparen. Mit den thermodynamischen Berechnungen für die Speichermasse und der Kälte- bzw. Wärmeleitung sind nur geringfügige Einsparpotentiale erreichbar, da auch eine gleichbleibende Abkühltemperatur gesichert werden muß. Aber gerade wenn beim Stillstand der Kühlanlage und dem Ausnützen der gespeicherten Kälteenergie wieder Druckluft durch den Kältetrockner strömt, kann die Druckluft nur unzureichend gekühlt und demzufolge nur eine steigende Abkühltemperatur erreicht werden. Der sich mit einer entsprechenden Temperaturdifferenz wieder einstellende Kühlkreislauf muß dann die höhere Austrittstem- peratur wieder auf die eingestellte Austrittstemperatur reduzieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckluftkältetrockner bereitzustellen, der weniger Energie verbraucht als herkömmliche Drucklufttrockner und dennoch eine konstante Austrittstemperatur der Druckluft gewährleistet .
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die Zwischenschaltung einer Binäreiserzeugungsvorrichtung zwischen Kältemaschine und zu kühlender Druckluft kann Kälte quasi "auf Vorrat" erzeugt werden. Durch die Verwendung von flüssigem Binäreis anstelle von festem Eis lassen sich die Probleme beim Wärmetausch von gasförmig auf fest vermeiden und es lassen sich aus dem Bereich der Kältetrockner und Drucklufttechnik bekannten Verfahrenstechniken mit Rohrleitungen etc. verwenden. Da sich das Eis in Rohrleitungen pumpen läßt kann für den Wärmetausch zwischen Binäreis und der zu kühlenden Druckluft ein herkömmlicher Luft/Kältemittel-Wärmetauscher verwendet werden, wie sie in diesem Bereich üblicherweise verwendet werden. Obwohl hier, wie im folgenden zur besseren Verständlichkeit des Sachverhalts der Begriff Luft/Kältemittel-Wärmetauscher verwendet wird, sei darauf hingewiesen, daß allgemein ein Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher darunter zu verstehen ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Binäreiserzeugungsvorrichtung ein Binäreisspeicher nachgeschaltet, so daß Binäreis auf Vorrat erzeugt werden kann und eine gleichbleibende Qualität und Temperatur der Druckluft gewährleistet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher zur thermischen Kopplung der zu kühlenden Druckluft und des flüssigen Binäreis und der Luft/Luft-Wärmetauscher zum Gegenstromwärmetausch zwischen der zugeführten warmen und feuchten Druckluft und der abgeführten kalten, trocknen Druckluft baulich ineinander integriert. Auch hier lassen sich Standardbauteile verwenden, wie sie z.B. von der Firma Alfa Laval (Schweden) vertrieben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Zufuhr von frischem Binäreis aus dem Eisspeicher oder direkt aus der Binäreiserzeugungsvorrichtung nach Art einer Heizungsregelung mittels eines drei-Wege-Mischventils geregelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Luft/Luft-Wärmetauscher und/oder Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher parallel geschaltet. Damit lassen sich mit standardisierten Komponenten eine Vielzahl von Leistungsstufen aufbauen.
Durch den Einsatz von Binäreis gegebenenfalls mit einem Eisspeicher können Einsparpotentiale bei der zu installierenden elektrischen Energie von ca. 50% erreicht werden. Neben der Reduzierung von umweltschädigenden Käl- temitteln im Kühlkreislauf, was einen um ca. 50% geringeren TEWI-Wert bedeutet, besteht auch die Möglichkeit, das umweltfreundliche Mittel wie Ammoniak und andere Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden können. Da die Binäreistechnik durch den Eisspeicher von den Druckluft führenden Rohrleitungen des eigentlichen Kältetrockners getrennt ist, besteht keine Gefahr einer Konterminierung der Druckluft.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihre Wartungs- freundlichkeit . Im Servicefall kann die komplette Binäreiserzugungsvorrichtung vor Ort ausgetauscht werden. Dadurch, daß die Binäreiserzeugungsvorrichtung und gegebenenfalls der Eisspeicher quasi in einem herkömmlichen Druckluftkältetrockner eingebaut werden können, kann die Wartung von Technikern für herkömmliche Kälteanlagen durchgeführt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er- findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt :
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten beispiel- haften Ausführungs form der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine ersten Ausführungsform der Erfin- düng mit einer Druckluftzuleitung 2, einer Druckluftableitung 4, einem Luft/Luft-Wärmetauscher 6, einer Kondensatabscheidevorrichtung 8, einer Binäreiserzeugungsvorrichtung 10, einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 und einer Kältemaschine 14. Die über die Druckluftzuleitung 2 in den Kältetrockner eintretende feuchte und ca. 35°C warme Druckluft wird im Luft/Luft-Wärmetauscher 6 durch die im Gegenstrom über die Druckluftableitung 4 austretende 3°C kalte Druckluft auf ca. 16 °C vorgekühlt. Die vorgekühlte Druckluft wird über eine erste Druckluftlei- tung 16 dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 zugeführt. Im Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 erfolgt dann die eigentliche Abkühlung und Entfeuchtung der Druckluft auf der vorgestellten Abkühltemperatur von z.B. 3°C. Die abgekühlte und nun Konendensat enthaltende Druckluft wird über eine zweite Druckluftleitung 18 der Kondensatabscheidevorrichtung 8 zugeführt. Die trockene und kalte Druckluft wird dann über eine dritte Druckluftleitung 20 dem Luft/Luft-Wärmetauscher zugeführt und dort erwärmt und über die Druckluftableitung 4 an den Verbraucher abgegeben. Das anfallende Kondensat wird über die Konden- satabscheidevorrichtung 8 abgeschieden und aus dem Kältetrockner abgeleitet.
Das in der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erzeugte flüssige Binäreis wird über eine Flüssigkeitsleitung 22 dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 zugeführt und bewirkt die gewünschte Abkühlung der Druckluft. Die Rückführung des Binäreises in die Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erfolgt über eine zweite Flüssigkeitsleitung 24. Der Antrieb der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 erfolgt über eine herkömmliche Kältemaschine 14, wie sie üblicherweise in Kältetrocknern verwendet wird, z.B. einem Kolbenverdichter etc . Als Binäreiserzeugungsvorrichtung werden vorzugsweise Anlagen der Firma Integral Energietechnik GmbH verwendet .
Durch den Einsatz der Binäreistechnik bzw. der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 kann die geforderte Abkühltemperatur auch im inter etierenden Betrieb aufrechterhalten und damit auch die Qualität der zu erzeugenden Druckluft aufrechterhalten werden. Durch die Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 wird ein fließfähiger und zweifa- siger Kälteträger mit einer maximalen Temperatur von -1°C erzeugt. Die Schmelzenthalpie, die das Binäreis aufweist, nimmt die in der Druckluft vorhandene Energie (Kühllast) auf. Da das Binäreis erst eine Temperaturerhöhung erfährt, wenn die Schmelzendeltalpie nicht mehr ausreichend für die Kühllast ist, kann die Binäreiserzeugung in einem energiesparenden intermittierenden Betrieb arbeiten.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß der Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 ein Eisspeicher 26 nachgeschaltet ist, wobei der Luft/Kältemittel-Wärmetsucher 12 baulich in den Eisspeicher integriert ist. Das in der Binäreiserzeugungsvor- richtung 10 erzeugte flüssige Binäreis wird über die erste Flüssigkeitsleitung 22 in den Eisspeicher 26 gepumpt. Die Rückführung erfolgt über die zweite Flüssigkeitsleitung 24.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß der Luft/Luft-Wärmetauscher 6 und der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 baulich in eine Wärmetauschereinrichtung 28 integriert ist. Auf diese Weise wird zum einen eine sehr kompakte Anlage erreicht und zum anderen können für die Wärmetauschereinrichtung 28 herkömmliche Komponenten verwendet werden. Zusätzlich kann zwischen Binäreiserzeugungsvorrichtung 10 und Wärmetauschereinrichtung 28 ein Eisspeicher gemäß der zweiten Ausführungsform geschaltet werden.
Fig. 4 zeigt einen vierte Ausführungs form der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß die Zufuhr von flüssigem Binär- eis aus dem Eisspeicher 26 über einen Regelkreis 30 mit einem Drei-Wege-Mischventil 32 erfolgt. Binäreiserugungs- vorrichtung 10 und Eisspeicher 26 sind baulich integriert. Das flüssige Binäreis aus dem Eisspeicher 26 wird über eine dritte Flüssigkeitsleitung 34 und eine Pumpe 36 dem Dreiwege-Mischventil 32 zugeführt. In dem Dreiwege- Mischventil 32 wird das frische Binäreis je nach Bedarf dem über die erste Flüssigkeitsleitung 22 und eine vierte Flüssigkeitsleitung 38 zirkulierenden Binäreis zugefügt. Die Steuerung des gesamten Druckluftkältetrockners und insbesondere des Dreiwege-Mischventils 32 erfolgt über eine Steuereinrichtung 40. Auf diese Weise wird die Zu- fuhr von frischem Binäreis zu dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 12 in analoger Weise zu einer herkömmlichen Hausheizungsanlage geregelt. Eine derartige Steuereinrichtung ist natürlich auch bei den vorhergehend be- schriebenen Ausführungsformen vorhanden, jedoch ist diese nicht bildlich dargestellt.
Fig. 5 zeigt schließlich eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß zwei Luft/Luft-Wärmetauscher 6-1 und 6-2 parallel geschaltet sind. Ebenso umfaßt diese Aus führungsform zwei Kondensatabscheidevorrichtungen 8-1 und 8-2. Auf diese Weise lassen sich größere Anlagen aus standardisierten Komponenten zusammenstellen.
Bezugszeichenliste:
2 Druckluftzuleitung
4 Druckluftableitung 6 Luft/Luft-Wärmetauscher
8 Kondensatabscheidevorrichtung
10 Binäreiserzeugungsvorrichtung
12 Luft/Kältemittel-Wärmetauscher,
Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher (mit Flüssig- keit: Binäreis)
14 Kältemaschine
16 erste Druckluftleitung
18 zweite Druckluftleitung
20 dritte Druckluftleitung 22 erste Flüssigkeitsleitung
24 zweite Flüssigkeitsleitung
26 Eisspeicher
28 Wärmetauschereinrichtung
30 Binäreis-Regelkreis 32 Dreiwege-Mischventil
34 dritte Flüssigkeitsleitung
36 Pumpe
38 vierte Flüssigkeitsleitung
40 Steuereinrichtung

Claims

Ansprüc e
1. Druckluftkältetrockner mit einer Druckluftzuleitung (2) zum Zuführen von warmer und feuchter Druckluft, einer Druckluftableitung (4) zum Abführen von trockener Druckluft einem Luft/Luft-Wärmetauscher (6) zum Abkühlen der zugeführten Druckluft und zum Erwärmen der abgeführten Druckluft im Gegenstrom, einer Kältemaschine (14) zum Kühlen der vorgekühlten Druckluft aus dem Luft/Luft-Wärmetauscher (6), einem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) zur thermischen Kopplung der Kältemaschine (14) mit der zu kühlenden Druckluft, und einer Kondensatabscheidevorrichtung (8) zum Entfeuchten der durch die Kältemaschine ( 14 ) gekühlten Druckluft, gekennzeichnet durch eine Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) zur Erzeugung von flüssigem Binäreis, die mittels des Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) thermisch mit der zu kühlender Druckluft gekoppelt ist.
2. Druckluftkältetrockner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen der Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) nachgeschalteten Eisspeicher (26) zum Zwischenspeichern des flüssigen Binäreises .
3. Druckluftkältetrockner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) baulich in den Luft/Luft-Wärmetauscher (6) integriert ist.
. Druckluftkältetrockner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Binäreiserzeugungsvorrichtung (10) und Luft/Kältemittel- Wärmetauscher (12) oder zwischen Eisspeicher (26) und Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) ein Dreiwege-Mischventil (32) zur Regelung der Zufuhr von frischem Binäreis zu dem Luft/Kältemittel-Wärmetauscher (12) geschaltet ist.
5. Druckluftkältetrockner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Luft/Luft-Wärmetauschern (6-1, 6-2) und/oder Kondensatabscheidevorrichtung (8-1, 8-2) und/oder Luft/Kältemittel- Wärmetauschern (12) parallel geschaltet sind.
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