Anlage zur Trocknung eines Gutes und zur Rückgewinnung der in der Abluft von Trockenanlagen enthaltenen fühlbaren und Verdampfungswärme. Bei den bisher bekannt gewordenen Trock- nungsanlagen entweicht die in der Trocken luft enthaltene fühlbare und Verdampfungs- wärme im wesentlichen unausgenützt. Vor liegende Erfindung bezweckt, diese Wärme für denTrocknungsprozess nutzbar zumachen.
Die Erfindung (Erfinder: Dipl.-Ing. Max Berchtold, Thalwil) besteht darin, dass als Einrichtung zur Wärmerückgewinnung eine Luftexpansionsmaschine und eine Kompres sionsmaschine vorgesehen sind, die mit einem Antriebsmotor gekuppelt sind und durch Rohrleitungen miteinander in Verbindung stehen, dass mindestens ein Teil der Abluft aus dem Trockenraum in der Expansionsma schine entspannt wird, in welcher durch die Entspannung die mitgeführte Feuchtigkeit der Luft kondensiert wird, und dass das Kon densat in einemWasserabscheider ausgeschie den wird, in den zur Beschleunigung der Tropfenbildung Wasser eingespritzt wird,
worauf diese Luft durch eine Leitung nach dem Kompressor gelangt, aus welchem die nun wieder verdichtete Luft durch eine Lei tung nach dem Trockenraum strömt. Dabei kann das eingespritzte Wasser vorgekühlt sein.
Die Luft wird daher nach jedem Durch gang getrocknet und wieder aufgeheizt. Die für die Kompression erforderliche Arbeit wird teilweise durch eine Expansionsmaschine und teilweise durch einen Elektromotor auf gebracht. Da es im allgemeinen nicht gelingt, die Luft im Trockner auf 100% rel. Feuch tigkeit anzureichern, zeigt es sich als vorteil haft, dem Dampf-Luft-Gemisch in einem Wärmeaustauscher soviel Wärme zu entzie hen, bis der Taupunkt erreicht ist. Die so gewonnene Wärme wird dem expandierten Dampf-Luft-Gemisch wieder zugeführt.
Das für die Wärmeübertragung erforderliche Temperaturgefälle steht dank des tieferen Temperaturniveaus der entspannten Luft zur Verfügung. Die der getrockneten Luft auf diese Weise zugeführte Wärme kommt als höhere T'empera'tur der komprimierten Luft zur Geltung; der Trockenprozess wird da durch wesentlich beschleunigt.
Die erfindungsgemässe Anlage arbeitet nach dem Prinzip der Wärmepumpe. Wärme pumpen, speziell für Kühlzwecke und auch für Heizzwecke, sind bekannt. Diese Anlagen arbeiten im allgemeinen mit einem besonderen Kältemittel (Kaltdampf), das als Arbeits medium, das heisst als Wärmeträger benützt wird. Es sind auch bereits Anlagen bekannt, die für Heizzwecke Luft als Arbeitsmedium benützen. Dies hat den Vorteil des @Vegfalles von Wärmeübertragungsflächen.
Die erfindungsgemässe Anlage arbeitet aber im Gegensatz zu den genannten Anlagen mit einem Dampf-Luft-Gemisch, also mit einem Zwei-Stoff-Gemisch. Dabei ist ferner zu be achten, dass sich die Gemischzusammenset zung im Verlaufe des Prozesses ändert. Die im Trockner mit Feuchtigkeit angereicherte Luft gelangt direkt als Arbeitsmedium in die 'VVärmepumpe. Austauscherflächen von den Abmessungen, wie sie heute bei den bekann ten Verfahren mit Rückgewinnung angewen det werden, sind bei der erfindungsgemässen Anlage nicht erforderlich.
In beiliegender Zeichnung sind Ausfüh rungsbeispiele der Anlage veranschaulicht. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anlage, Fig. 2 dieselbe in Ansicht, Fig. 3 einen Schnitt durch den Trocken raum, Fig. 4 eine Variante der Anlage nach Fig. 1 und 2.
Die schematische Darstellung Fig. 1 und die in Fig. 2 in Ansicht dargestellte Anlage stimmen überein, so dass sich die nachstehende Beschreibung auf beide Figuren bezieht.
Fig. 1 stellt schematisch die Anlage dar. Die Wirkungsweise derselben ist wie folgt: Das zu trocknende Gut gelangt von A nach B durch den Trockner Z. Die relativ trockene Heissluft strömt bei 1 in den Trok- kenraum, wo sie sich mit Dampf anreichert. Bei Punkt ? ist die Luft so stark. gesättigt, dass sie dem Gut keine weitere Feuchtigkeit entziehen kann.
Durch das Ventil 3 wird ein gewisser Prozentsatz der aus dem Trockner kommenden feuchten Luft über den '\ZTärme- austauscher l1'1 ins Freie geleitet und bei Punkt 12 abgeblasen. Der Rest der Abluft strömt nach dem Passieren der Druckregu- lierklappe 4 durch den Wärmeaustauscher WI, <B>wo</B> dem Gemisch Wärme entzogen wird und die relative: Feuchtigkeit auf 100 % steigt.
Vom Austritt 5 des Wärmeaustanschers l1'. strömt das Gemisch in den Eintrittsstutzen 6 der Turbine T, wo das Gemisch unter Ar beitsleistung entspannt wird. Mit fortschrei tender Expansion sinkt der Zustand des Ge misches tiefer unter den dem jeweiligen Druck entsprechenden Taupunkt. Der im Ge- miscb. enthaltene Dampf beginnt zu konden sieren.
Die freiwerdende Verdampfungs- wärme erscheint als fühlbare Wärme des Luft-Dampf-Gemisches. Die Expansion in der Turbine erfolgt so rasch, dass sich grosse Trop fen nicht bilden können. Ans diesem Grunde wird der Turbine nach deren Austrittsstutzen 7 ein Wasserabscheider 8 zugeschaltet, in dem sich die mikroskopischen Nebeltröpfchen zu makroskopischen Tropfen zusammenballen und ausfallen.
Die Tropfenbildung im Wasserabscheider wird durch Einspritzung fein verstäubten Wassers beschleunigt. Die Wasserpumpe 151 fördert Frischwasser in die Zerstäuberdüsen 14. Bei offenem Kondenstvasserablass-Schie- ber 18 fördert die Pumpe 15= das Wasser in das Vorratsreservoir 16, aus dem das über- schiissige Kondensat und Kühlwasser durch den rberlauf 17 abfliesst.
Wird vorzugsweise mögliebst kaltes Wasser verwendet, so kann gleichzeitig mit der Beschleunigung der Tropfenbildung eine Kühlung des Gemisches herbeigeführt werden. Mit zunehmender Ab kühlung reduziert sich die bei 12 abzubla sende feuchte Luft; ebenso sinkt die bei 13 beizumischende Frischluft. Der Grenzfall für die Abkühlung ist dann erreicht, wenn die Abblaseluftmenge und die Frischluftmenge Null werden, das heisst wenn der Luftkreis lauf geschlossen ist.
Durch diese Kühlung wird die Kompres- sorleistung verkleinert; der Nutzeffekt der Anlage vergrössert sich damit. Eine Anreiche rung der feuchten Luft durch die Wasserein spritzung ist nicht zu befürchten, da der Zu stand der gasförmigen Phase ohnehin auf der Taulinie liegt. Durch feinste Verteilung des eingespritzten Wassers wird die Tropfenbil- dung und auch die Abkühlung am wirksam sten.
Im Rohr 9, zwischen Wasserabscheider und Wärmeaustauscher, werden zweckmässig Zwischenböden 9' eingebaut, welche die Luft strömungen mehrfach umlenken und damit eine vollständige Trennung der flüssigen Phase von der gasförmigen herbeiführen. Der Zustand der gasförmigen Phase liegt auf der Taulinie des Druckes im Unterdruckgebiet. Die getrocknete Luft, die noch einen Teil an dampfförmiger Feuchtigkeit aufweist, strömt bei 9" in den Wärmeaustauscher Wie, wo die sem die vorher entzogene Wärmemenge wie der zugeführt wird. Das Gemisch gelangt so dann in den Kompressor K, wo es wieder auf den Aussendruck verdichtet wird.
Damit der Wärmepumpenprozess stationär verläuft, das heisst damit der thermodynamische Kreispro zess geschlossen ist, muss der aus dem Kom pressor austretenden warmen Luft wieder das entsprechende Quantum Frischluft beige mischt werden. Der Ventilator Y fördert die erforderliche Luftmenge durch den Wärme- austauscher W1. Der Wärmeaustauscher W1 wird durch den durch das Ventil 3 ausge- sehiedenen Teil der Abluft beheizt.
Die Frischluft wird durch Ventil 13 der aus dem Kompressor kommenden verdichte ten Luft beigemischt und dieses Gemisch wird bei 1 in den Trockner Z eingeführt. Es ist auch denkbar, die Frischluft erst im Trockner beizumischen, und zwar an einer Stelle, wo die verdichtete Luft bereits durch Anreicherung mit Wasserdampf gekühlt ist. Die Differenzleistung zwischen dem Kom- pressor und der Turbine wird vom Elektro motor DZ aufgebracht.
Im Falle des geschlossenen Luftkreislau fes werden die Ventile 3 und 13, der Wärme- austauscher W1, der Ventilator Y und der Abluftstutzen 12 nicht mehr benötigt. Die Anlage vereinfacht sich dadurch; allerdings muss eine genügende Kühlwassermenge zur Verfügung stehen.
Bei ausgesprochen feuchten Trockengü tern kann unter Umständen die Luft bis zur Sättigung angereichert werden, so dass auch die Wärmeaustauscher W1 und WZ umgan gen werden können. Die Abblaseluft wird dann bei Ventil 3 direkt ins Freie ausgesto ssen. Bei dieser Schaltung wird die abgebla sene Feuchtluft mit Vorteil vor Eintritt in die Turbine durch Frischluft ersetzt. Zu die sem Zwecke ist das Ventil 19 vorgesehen.
Im allgemeinen arbeiten Trockner nach dem Gegenströmprinzip, um einen optimalen Trocknungseffekt zu erzielen. Bei tempera turempfindlichen Trockengütern, bei denen trotz Temperaturbeschränkung hohe Trock- nungsgeschwindigkeiten angestrebt werden, wird vorzugsweise eine Windführung nach Fig. 3 angewendet.
Der Bandtrockner nach Fig. 3 ist speziell für die Trocknung landwirtschaftlicher Pro dukte geeignet. Bei A wird das feuchte Gut aufgegeben. Das nasse, schwere Gut wird im Raum b von unten nach oben von relativ feuchter Luft durchströmt. Eine Feuchtig keitsaufnahme ist wegen der Nässe des Gutes noch möglich. Das nasse Gut ist so schwer, dass es von der Strömung nicht weggetragen wird. Nach dem Durchlaufen des Raumes b-c, in dem das Gut im Gegenstrom ge trocknet wird, wird das Gut mit der relativ trockenen, heissen Luft im Raum d in Berüh rung gebracht.
Bei e ist die intensivste Feuch tigkeitsaufnahme, weil das Trockengut im Raum b-c angewärmt wurde, und deshalb auch die stärkste Abkühlung der Trocken luft, so dass das trockene Gut in B vor zu hohen Temperaturen geschützt wird. Von e nach f laufen Trockengut und Trockenluft im Gleichstrom. Die Feuchtigkeitsaufnahme nimmt ab, da sich die Luft anreichert und abkühlt und das Gut trockener wird. Das leichte, trockene Gut wird durch die Strö mung auf den Transportbändern gehalten.
Der Expansionsdruck wird nach zulässi ger Trocknungstemperatur und nach Trock- nungsdauer festgelegt. Je tiefer der Druck gewählt wird, je kleiner ist die benötigte Luftmenge; je grösser die Stufenzahl der Turbine und des Kompressors wird, um so höher wird der Energieverbrauch und die Temperatur und um so rascher geht der Trocknungsvorgang vor sich.
Verbesserungen des Energieverbrauches sind möglich durch Kombination mehrerer Aggregate, was aber nur für Grossanlagen in Frage kommt. Eine weitere Verbesserungs möglichkeit ist die Trocknung unter Druck, da, dabei sowohl die Abmessungen der Turbo maschinen als auch der Übertragungsflächen erheblich kleiner ausfallen. Bei solchen An lagen reduziert sich die Trockendauer infolge der höheren Temperatur der Trockenluft. Schwierigkeiten bietet allerdings das verlust lose Ein- und Ausschleusen des Trockengutes, da der ganze Trockenraum unter erhöhtem Druck steht. Diese Schwierigkeiten können bei intermittierender Speisung vermieden w erden. Im Falle eines aufgeladenen Trocken raumes eignet sich eine Anlage nach F'ig. 4.
Eine solche Anlage kann, abgesehen vom Wegfall des Austauscheis W1 (Fig. 1) aus den gleichen Elementen wie die in Fig. 1 und beschriebene Anlage gebaut werden. Die Beimischung der Frischluft ist sinngemäss an die Stellen zu verlegen, wo der Drueli: in der Rohrleitung gleich dem Aussendruck ist.
Im Trockenraum herrscht zweckmässig ein Druck von 1,5 bis 2 ata. In der Turbine expandiert das Gemisch auf den Aussendruck, so dass das Ablassventil 2', das Beimischventil 3' und die Druckregulierklappe 4' zwischen dein Wasserabscheider 8' und dem Wärmeaustau- seher hY1 eingebaut werden müssen. Bei die ser Schaltung kann die Kühlung mit dem selben Effekt durch Frischluftbeimischung ersetzt werden.
Die Wassereinspritzung dient lediglich der Tropfenbildung. ,s'1 und @9. stel- len die Schleusen für die Beschickung des Trockenraumes mit Trockengut dar.
System for drying goods and for recovering the sensible and evaporation heat contained in the exhaust air from drying systems. In the drying systems known to date, the sensible and evaporation heat contained in the drying air escapes essentially unused. The aim of the present invention is to make this heat usable for the drying process.
The invention (inventor: Dipl.-Ing.Max Berchtold, Thalwil) consists in the fact that an air expansion machine and a compression machine are provided as a device for heat recovery, which are coupled to a drive motor and are connected to each other by pipelines that at least one part the exhaust air from the drying room is expanded in the expansion machine, in which the moisture entrained in the air is condensed by the expansion, and the condensate is discharged in a water separator into which water is injected to accelerate the formation of droplets,
whereupon this air passes through a line to the compressor, from which the air, which is now compressed again, flows through a line to the drying room. The injected water can be pre-cooled.
The air is therefore dried and reheated after each pass. The work required for the compression is brought on partly by an expansion machine and partly by an electric motor. Since it is generally not possible to keep the air in the dryer at 100% rel. To enrich moisture, it is advantageous to withdraw enough heat from the steam-air mixture in a heat exchanger until the dew point is reached. The heat gained in this way is fed back into the expanded steam-air mixture.
The temperature gradient required for heat transfer is available thanks to the lower temperature level of the relaxed air. The heat supplied to the dried air in this way comes into its own as the higher temperature of the compressed air; the drying process is thereby significantly accelerated.
The system according to the invention works on the principle of the heat pump. Heat pumps, especially for cooling purposes and also for heating purposes, are known. These systems generally work with a special refrigerant (cold steam), which is used as a working medium, i.e. as a heat transfer medium. Systems are also already known which use air as the working medium for heating purposes. This has the advantage of eliminating the need for heat transfer surfaces.
In contrast to the systems mentioned, the system according to the invention works with a steam-air mixture, that is to say with a two-substance mixture. It should also be noted that the mixture composition changes in the course of the process. The air, which is enriched with moisture in the dryer, enters the heat pump directly as a working medium. Exchanger surfaces of the dimensions that are used today in the known processes with recovery are not required in the system according to the invention.
In the accompanying drawing, examples of the system are illustrated. It shows: FIG. 1 a schematic representation of the system, FIG. 2 the same in view, FIG. 3 a section through the drying room, FIG. 4 a variant of the system according to FIGS. 1 and 2.
The schematic illustration in FIG. 1 and the system shown in perspective in FIG. 2 match, so that the following description relates to both figures.
Fig. 1 shows the system schematically. The operation of the same is as follows: The material to be dried passes from A to B through the dryer Z. The relatively dry hot air flows at 1 into the drying room, where it is enriched with steam. At point? the air is so strong saturated so that it cannot extract any further moisture from the goods.
Through the valve 3 a certain percentage of the moist air coming from the dryer is led into the open air via the heat exchanger 11 and blown off at point 12. The rest of the exhaust air flows after passing the pressure regulating flap 4 through the heat exchanger WI, <B> where </B> heat is extracted from the mixture and the relative humidity rises to 100%.
From the outlet 5 of the heat exchanger l1 '. the mixture flows into the inlet connection 6 of the turbine T, where the mixture is relaxed under work performance. As the expansion progresses, the state of the mixture drops below the dew point corresponding to the respective pressure. The in the mix. The steam it contains begins to condense.
The heat of evaporation released appears as sensible heat from the air-steam mixture. The expansion in the turbine takes place so quickly that large drops cannot form. For this reason, a water separator 8 is connected to the turbine after its outlet connection 7, in which the microscopic mist droplets agglomerate into macroscopic droplets and precipitate.
The droplet formation in the water separator is accelerated by injecting finely atomized water. The water pump 151 conveys fresh water into the atomizer nozzles 14. When the condensate drain slide 18 is open, the pump 15 conveys the water into the storage reservoir 16, from which the excess condensate and cooling water flows through the overflow 17.
If preferably cold water is used, the mixture can be cooled at the same time as the drop formation is accelerated. With increasing cooling, the moist air to be blown off at 12 is reduced; the fresh air to be admixed at 13 also falls. The limit case for cooling is reached when the amount of blown air and the amount of fresh air are zero, that is, when the air circuit is closed.
This cooling reduces the compressor output; this increases the efficiency of the system. An enrichment of the moist air by the water injection is not to be feared, since the state of the gaseous phase is on the dew line anyway. The finest distribution of the injected water makes droplet formation and cooling most effective.
In the pipe 9, between the water separator and heat exchanger, intermediate floors 9 'are expediently installed, which deflect the air flows several times and thus bring about a complete separation of the liquid phase from the gaseous phase. The state of the gaseous phase lies on the dew line of the pressure in the negative pressure area. The dried air, which still has a part of vaporous moisture, flows at 9 "into the heat exchanger Wie, where the previously extracted amount of heat is supplied to the sem. The mixture then enters the compressor K, where it is restored to the external pressure is compressed.
So that the heat pump process runs steadily, i.e. so that the thermodynamic cycle process is closed, the warm air exiting the compressor must be mixed with the appropriate quantity of fresh air. The fan Y conveys the required amount of air through the heat exchanger W1. The heat exchanger W1 is heated by the part of the exhaust air excreted through the valve 3.
The fresh air is mixed through valve 13 of the compressed air coming from the compressor and this mixture is introduced into the dryer Z at 1. It is also conceivable to mix in the fresh air only in the dryer, namely at a point where the compressed air has already been cooled by being enriched with water vapor. The differential power between the compressor and the turbine is generated by the DZ electric motor.
In the case of the closed air circuit, the valves 3 and 13, the heat exchanger W1, the fan Y and the exhaust air connection 12 are no longer required. This simplifies the system; however, a sufficient amount of cooling water must be available.
In the case of extremely moist dry goods, the air can be enriched to saturation under certain circumstances, so that the heat exchangers W1 and WZ can also be bypassed. The blow-off air is then expelled directly into the open at valve 3. With this circuit, the blown humid air is advantageously replaced by fresh air before it enters the turbine. For this purpose, the valve 19 is provided.
In general, dryers work according to the counterflow principle in order to achieve an optimal drying effect. In the case of temperature-sensitive dry goods, for which high drying speeds are sought despite temperature restrictions, a wind guide according to FIG. 3 is preferably used.
The belt dryer according to FIG. 3 is especially suitable for drying agricultural products. At A the moist good is given up. The wet, heavy goods are traversed by relatively moist air in room b from bottom to top. Moisture absorption is still possible due to the wetness of the goods. The wet cargo is so heavy that it is not carried away by the current. After passing through room b-c, in which the goods are dried in countercurrent, the goods are brought into contact with the relatively dry, hot air in room d.
At e, the most intensive moisture absorption is because the dry goods were warmed up in room b-c, and therefore also the strongest cooling of the dry air, so that the dry goods in B are protected from excessively high temperatures. From e to f, dry material and dry air run in parallel flow. The moisture absorption decreases as the air enriches and cools and the goods become drier. The light, dry material is kept on the conveyor belts by the flow.
The expansion pressure is determined according to the permissible drying temperature and the drying time. The lower the selected pressure, the smaller the amount of air required; the greater the number of stages in the turbine and the compressor, the higher the energy consumption and the temperature, and the faster the drying process.
Improvements in energy consumption are possible by combining several units, but this is only possible for large systems. Another possibility for improvement is drying under pressure, since both the dimensions of the turbo machines and the transfer areas are considerably smaller. In such systems, the drying time is reduced due to the higher temperature of the drying air. Difficulties, however, are posed by the lossless inward and outward transfer of the items to be dried, since the entire drying room is under increased pressure. These difficulties can be avoided with intermittent supply. In the case of a charged drying room, a system according to F'ig is suitable. 4th
Apart from the omission of the exchange W1 (FIG. 1), such a system can be constructed from the same elements as the system described in FIG. 1 and. The admixture of fresh air is to be relocated analogously to the points where the pressure: in the pipeline is equal to the external pressure.
A pressure of 1.5 to 2 ata is expedient in the drying room. In the turbine, the mixture expands to the external pressure, so that the discharge valve 2 ', the mixing valve 3' and the pressure regulating flap 4 'must be installed between your water separator 8' and the heat exchanger hY1. With this circuit, the cooling can be replaced by adding fresh air with the same effect.
The water injection is only used to form drops. , s'1 and @ 9. represent the locks for loading the drying room with dry goods.