DE19949476A1 - Vorrichtung zur Trocknung feuchter Gase - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Trocknung von Gasen, die von einem Gebläse oder Kompressor erzeugt werden, sind zwischen der Gaserzeugungseinrichtung und einem Verbraucher wenigstens zwei unabhängig voneinander regelbare, auf den Verfahren der indirekten Kühlung und Erhitzung basierende Wärmeübertrager angeordnet. Bei diesen handelt es sich um Gas/Gas-Wärmeübertragersysteme, integriert in einen sogenannten warmen Behälter, Kühlmittel/Gas-Wärmeübertragersysteme, integriert in einen sogenannten kalten Behälter, und um Heizmittel/Gas-Wärmeübertragersysteme, integriert in einen sogenannten heißen Behälter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trocknung von Gasen, die von einem Gebläse oder Kompressor erzeugt werden.

Bei Gasen, die von einem Gebläse oder Kompressor erzeugt werden, wird ein angesaugtes, in der Regel feuchtes und einen Absolutdruck von etwa einem bar aufweisendes Medium in einem Gebläse oder einem Verdichter auf den gewünschten Betriebsdruck verdichtet. Bei dieser Verdichtung nimmt die Temperatur des Mediums zu, so daß trotz des höheren Druckniveaus keine Kondensation stattfinden kann. Nach dem Verdichtungsvorgang kühlt sich in der Regel das Medium auf dem Weg zum Verbraucher aufgrund des großen Temperaturgefälles zur Umgebung in den Rohrleitungen ab. Durch diese Abnahme der Temperatur kann sich in den Rohrleitungssystemen infolge Taupunktunterschreitung ein Kondensat bilden, das Korrosion oder andere Schäden in den Rohrleitungssystemen oder beim Verbraucher verursachen kann.

Da eine solche Kondensatbildung in Rohrleitungssystemen oder beim Verbraucher äußerst unerwünscht ist, stellt es eine bereits bekannte Maßnahme dar, zur Vermeidung dieser Kondensatbildung verschiedene Trocknungskonzepte einzusetzen. Diese bestehen beispielsweise in einer Nachkühlung, einer Absorptions- und Adsorptionstrocknung, einer Membrantrocknung oder einer Kältegastrocknung. Die hierfür verwendeten Systeme unterscheiden sich vorwiegend durch den für die Trocknung erforderlichen, in der Regel relativ hohen Energieaufwand und durch die erzielbare Restfeuchte des Mediums.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der energetische Aufwand für den Betrieb der Trocknungsvorrichtung sowie der Materialaufwand auf ein Minimum reduziert werden und daß sich zugleich ein bedarfsoptimierter Trocknungsgrad erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung sieht dabei die Kombination mindestens zweier verschiedener Typen von Behältern vor, die jeweils auf dem Verfahren der indirekten Kühlung oder Erhitzung basieren und die zwischen einem Gaserzeuger und einem Verbraucher angeordnet sind. Bei diesen Behältern handelt es sich insbesondere um

• - ein Gas/Gas-Wärmeübertragersystem, integriert in einen sogenannten warmen Behälter,
• - ein Kühlmittel/Gas-Wärmeübertragersystem, integriert in einen sogenannten kalten Behälter, und um
• - ein Heizmittel/Gas-Wärmeübertragersystem, integriert in einen sogenannten heißen Behälter.

Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbare Verfahren ermöglicht mittels Kühlung eine Taupunktunterschreitung des feuchten Mediums und durch eine anschließende Kondensatabscheidung und Kondensatableitung dessen Trocknung. Dabei werden mehrere voneinander getrennte, mit Flüssigkeit gefüllte isolierte Behälter als Zwischenspeicher für die Energie, die zur Trocknung erforderlich ist, verwendet und auf die erforderlichen Temperaturen gekühlt und/oder beheizt, um eine Kondensation des zu trocknenden Mediums zu verhindern. In den Behältern sind Wärmeübertragerkombinationen, bestehend aus druckbeständigen Kunststoffrohren; Kupferrohren jeglicher Bauart; Lamellenwärmeübertragern; Rohrbündelwärmeübertragern, Stahl- bzw. Edelstahlrohren, Plattenwärmeübertragern oder dergleichen als Kühler oder Erhitzer so angeordnet, daß der gewünschte Trocknungsgrad erreicht wird. Ferner ist eine Kombination der Vorrichtung nach der Erfindung mit anderen Trocknungsverfahren an geeigneter Stelle technisch realisierbar.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Gas/Gas- Wärmeübertragersystems, integriert in einen sogenannten warmen Behälter,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Kühlmittel/Gas- Wärmeübertragersystems, integriert in einen sogenannten kalten Behälter,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Heizmittel/Gas- Wärmeübertragersystems, integriert in einen sogenannten heißen Behälter,

Fig. 4 eine aus je einer Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 bestehende Wärmeübertragerkombination in prinzipieller Darstellung und,

Fig. 5 bis 12 Prinzipskizzen weiterer Wärmeübertrager­ kombinationen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um ein Gas/Gas-Wärmeübertragersystem, das in einen sogenannten warmen Behälter integriert ist. Im einzelnen besteht diese Anordnung aus einem mit einer Flüssigkeit 4 gefüllten Behälter 3, den eine Isolierung 2 umgibt. Das eigentliche Gas/Gas-Wärmeübertragersystem ist durch zwei Leitungssysteme, den Eintritt 5 und den Austritt 6 für das Medium, dargestellt.

Mit dieser Anordnung läßt sich ein großer Teil der zur Kühlung des Mediums erforderlichen Energie einsparen, indem das warme, feuchte Medium durch den Behälter 3 eintrittseitig hindurchströmt und gleichzeitig innerhalb dieses Behälters 3 auf seine Taupunkttemperatur abgekühlt wird. Diese Wärmeübertragung erfolgt indirekt über die Flüssigkeit 4, so daß das eintretende feuchte Medium vorgekühlt und das vorgekühlte Medium erwärmt wird. Dadurch ist am Austritt 6 des Behälters 3 die relative Restfeuchte des Mediums kleiner als 100%. Durch den gegenseitigen Energieaustausch zwischen Eintritt und Austritt ergibt sich ein energieneutraler Trocknungsprozeß.

Da der warme Behälter 3 isoliert ist, findet eine nur geringe Wärmeeinstrahlung von außen in das System statt. Die Erwärmung des warmen Behälters 3 kann jedoch maximal die Temperatur der Umgebung annehmen, da die eingebrachte Energie des einströmenden feuchten Mediums der Energie des auf den Taupunkt gekühlten Mediums entspricht und sich beide Energien kompensieren. Diese Tatsache ermöglicht Austrittstemperaturen, die nahezu der Umgebungstemperatur entsprechen.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 stellt einen sogenannten kalten Behälter dar, der zur Kühlung auf die erforderliche Taupunkttemperatur dient.

Wie beim warmen Behälter kommt auch hier ein mit einer Flüssigkeit 14 gefüllter und mit einer Isolierung 12 versehener Behälter 13 als Energiezwischenspeicher zum Einsatz. Das bereits in einem vorgeschalteten warmen Behälter vorgekühlte feuchte Medium durchströmt diesen kalten Behälter über ein Leitungssystem 15 und kühlt sich dabei bis auf die gewünschte Taupunkttemperatur ab. Bei diesem Durchströmen gibt das feuchte Medium Wärme an die Flüssigkeit 14 ab. Ein zweiter Wärmeübertrager 16 innerhalb des Behälters 13 wird von einem Kühlmittel durchströmt, dessen Temperatur niedriger ist als die gewünschte Taupunkttemperatur des Mediums. Vervollständigt wird die Anordnung durch ein Rührwerk 11 für die Flüssigkeit 14.

Beim Durchströmen nimmt das Kühlmedium von der Flüssigkeit 14 Wärme auf und hält dadurch die Temperatur der Flüssigkeit 14 im kalten Behälter 13 konstant. Die geringe Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung wird durch die geringfügig niedrigere Kühlmitteltemperatur kompensiert. Bei Teil- und Nulllast, die zu einem Überschuß an abgeführter Wärme im kalten Behälter 13 führen würde, kann der Kühlmittelstrom temperatur- oder durchflußtechnisch innerhalb einer Temperaturdifferenz von etwa 1 K geregelt werden.

Fig. 3 zeigt einen sogenannten heißen Behälter zur gezielten Erwärmung des Mediums und zu einer damit verbundenen weiteren Reduktion der relativen Feuchtigkeit. Wie der warme Behälter 3 und der kalte Behälter 13 ist auch dieser Behälter 23 mit einer Flüssigkeit 24 befüllt, die als Energiezwischenspeicher genutzt wird. Die Aufgabe des heißen Behälters 23 besteht darin, zu bewirken, daß das vorgetrocknete und erwärmte Medium, das den warmen Behälter 3 verläßt, nun durch den in Reihe geschalteten heißen Behälter 23 strömt, wobei durch eine Temperaturzunahme des Mediums dessen relative Feuchtigkeit weiter abnimmt. Die hierfür nötige Wärme kann entweder extern durch elektrische Energie oder durch die Abwärme anderer Prozesse zugeführt werden. Die Regelung auf eine bestimmte Austrittstemperatur des Mediums erfolgt auch hier entweder temperatur- oder durchflußgesteuert, ohne daß unzulässig hohe Flüssigkeitstemperaturen entstehen können.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 zeigt eine aus einem kalten Behälter 31 und einem warmen Behälter 32, beide mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, bestehende Kombination. Das in einer Gaserzeugungseinheit erzeugte, im kalten Behälter 31 abgekühlte und mit Kondensat belastete Medium wird, bevor es in den warmen Behälter 32 gelangt, durch ein Abscheide- und Ableitsystem 33, beispielsweise Zyklon-, Demister- oder Prallabscheider sowie niveau- und zeitgesteuerte Ableiter, geleitet und dort vom Kondensat befreit. Danach durchströmt das Medium den warmen Behälter 32, wo es in etwa auf die Umgebungstemperatur erwärmt wird. Diese Erwärmung bringt zusätzlich den Effekt mit sich, daß die relative Feuchte am Austritt des Mediums weit unter 100% liegt und seine Austrittstemperatur beim Verbraucher in etwa der Umgebungstemperatur entspricht. Die Trocknung des Mediums erfolgt dabei auf ein hinreichend niedriges Niveau der relativen Feuchte. Vervollständigt wird diese Anordnung durch einen Kompressionskältekreislauf 34 zur Kühlung des erforderlichen Kühlmittelstroms.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Wärmeübertragerkombination ist ein zusätzlicher heißer Behälter 35 hinter einen kalten Behälter 31 sowie einen warmen Behälter 32 geschaltet. Durch diesen heißen Behälter 35 strömt das vorgetrocknete, in etwa auf das Niveau der Umgebungstemperatur erwärmte Medium und wird dadurch auf ein Temperaturniveau gebracht, das höher als die Umgebungstemperatur ist und maximal etwa 100°C beträgt. Dies ermöglicht eine weitere Reduktion der relativen Feuchte des Mediums bis auf Werte, die ansonsten nur von Trocknungsverfahren erreicht werden, die Taupunkte unterhalb der Gefriergrenze des Kondensats ermöglichen, wie beispielsweise die Adsorptiontrocknung, Absorptionstrocknung oder Membrantrocknung. Die Wärmezufuhr wird über die externe Zufuhr von elektrischer Energie oder durch Prozeßwärme anderer Systeme temperatur- oder durchflußtechnisch geregelt. Vervollständigt wird diese Anordnung durch ein Kompressionskältekreislauf 34 zur Kühlung des erforderlichen Kühlmittelstroms.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Wärmeübertragerkombination ist zwischen einem Abscheidesystem 33 und einem warmen Behälter 32 ein Membran-Gas/Lufttrockner 36 geschaltet. Diese Maßnahme dient dem Zweck, das vom kalten Behälter 31 ankommende, zu 100% gesättigte Medium auf absolute Taupunkte unterhalb der Gefriergrenze des Kondensats weiter zu entfeuchten. Dieses sehr trockene Medium durchströmt nach dem Membran-Gas/Lufttrockner 36 den warmen Behälter 32 und wird in etwa auf die Umgebungstemperatur erwärmt. Dieses Verfahren ermöglicht sehr tiefe absolute Restfeuchten des Mediums. Vervollständigt wird diese Anordnung durch ein Kompressionskältekreislauf 34 zur Kühlung des erforderlichen Kühlmittelstroms.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Wärmeübertragerkombination ist hinter der aus einem kalten Behälter 31, einem Membran-Gas/Lufttrockner 36 und einem warmen Behälter 32 bestehenden Kombination ein zusätzlicher heißer Behälter 35 geschaltet. Diese Anordnung, deren Funktionsweise derjenigen entspricht, wie sie bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 und Fig. 6 beschrieben wurde, ermöglicht ebenfalls absolute Restfeuchten unterhalb der Gefriergrenze des Kondensats. Die erreichbaren relativen Feuchten des Mediums liegen unterhalb der Verfahren, die bereits in den Fig. 5 und Fig. 6 beschrieben wurden. Vervollständigt wird diese Anordnung durch ein Kompressionskältekreislauf 34 zur Kühlung des erforderlichen Kühlmittelstroms.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Wärmeübertragerkombination ist der sogenannte kalte Behälter 31, der mit einem Kompressionskältekreislauf 34 gekühlt wird, entsprechend dem bereits in Fig. 2 näher beschriebenen Verfahren gleichzusetzen. Hier durchströmt das feuchte warme Medium den kalten Behälter 31 und wird durch die Wärmeabfuhr des Mediums an die Flüssigkeit auf Taupunkttemperatur abgekühlt. Anschließend durchströmt das kalte feuchte Medium die unter Fig. 4 näher beschriebenen Abscheide und Ableitvorrichtungen 33 und gelangt zum Verbraucher. Bei diesen Verfahren liegt die relative Feuchte des Mediums am Austritt bei 100%, jedoch durch die erreichte Kondensation des Mediums, hervorgerufen durch Abkühlung auf Taupunkttemperatur und anschließende Abscheidung 33 ist der absolute Wassergehalt niedriger als am Eintritt des Systems.

Bei der aus je einem warmen und heißen Behälter 32, 35 bestehenden Wärmeübertragerkombination gemäß Fig. 9 ist vorgesehen, daß das warme, zu 100% gesättigte Medium zunächst den warmen Behälter 32 durchströmt und dabei auf ein Temperaturniveau unterhalb der Eintrittstemperatur abgekühlt wird. Da der warme Behälter 32 Wärme an die Umgebung abgibt, wird das eintretende Medium gekühlt. Im Anschluß daran durchströmt das vorgekühlte Medium den heißen Behälter 35 und wird dort auf ein Temperaturniveau oberhalb der ursprünglichen Eintrittstemperatur des Mediums erwärmt. Durch diese Erwärmung, die mittels der Abwärme anderer Prozesse oder durch elektrische Energie erzeugt wird, reduziert sich die relative Feuchte des Mediums weiter. Der Trocknungsgrad des Mediums hängt von der zugeführten Energie und der zulässigen Austrittstemperatur des Mediums ab. Die maximale Austrittstemperatur des Mediums liegt bei etwa 100°C.

Die Wärmeübertragerkombination gemäß Fig. 10 ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher heißer Behälter 37 einem aus kaltem und warmen Behälter 31, 32 bestehenden System vorgeschaltet ist. Dieser zusätzliche heiße Behälter 37 wird vom feuchten warmen Medium durchströmt. Da der heiße Behälter 37 Wärme an die Umgebung abgibt, wird das Medium auf ein Niveau zwischen der Verdichtungsendtemperatur des Gases bzw. der Luft und der Umgebungstemperatur heruntergekühlt. Dieses Verfahren führt nicht nur zu geringen Restfeuchten am Austritt des Systems, sondern es ermöglicht es zusätzlich, üblicherweise eingesetzte Nachkühler hinter dem Verdichter oder dem Gebläse einzusparen. Der heiße Behälter 37 übernimmt dabei die Funktion eines solchen Nachkühlers.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Wärmeübertragerkombination übernimmt ein Flüssigkeitskühler 38 die Funktion des kalten Behälters der mit einem warmen Behälter 32 zusammengeschaltet ist. Diese Anordnung erreicht ebenfalls Austrittstemperaturen auf dem Niveau der Umgebungstemperatur und ermöglicht ein umgebungstemperaturabhängiges Trocknungsverfahren.

Schließlich zeigt Fig. 12 eine Wärmeübertragerkombination, bei der innerhalb des warmen Behälters 32 ein zusätzlicher Kompressionskältekreis 39 installiert ist, der im warmen Behälter 32 die Temperatur des Mediums auf eine vorgegebene Austrittstemperatur des Mediums regelt. Zusätzlich ist auch in diesem Fall ein kalter Behälter 31 vorgesehen. Diese Austrittstemperatur des Mediums kann zwischen der Verdampfungstemperatur und der Umgebungstemperatur mittels entsprechender Kälteleistung beliebig geregelt werden. Mit diesem Verfahren können erforderliche Restfeuchten des Mediums zwischen der Umgebungstemperatur und seiner Verdampfungstemperatur exakt eingestellt werden.

Das Material der Wärmeübertrager besteht bei all diesen Beispielen vorzugsweise aus druck- und temperaturbeständigen Kunstoffrohren, aus Kunstoffrohrschlangen und Kunstoffrohrwendeln, wobei inbesondere das Material Polyamid Verwendung findet. Die einzelnen Wärmeübertragersysteme können aber auch die Form von Rohrbündel-, Platten-, Rohrwendel- und Lamellenwärmeübertragern aus Metall- bzw. Metalllegierungen aufweisen. Als Enenergiezwischspeicher finden vorzugsweise Wasser und Wasser/Glykolgemische Verwendung. Durch geeignete Rührwerke ist die zur Wärmeübertragung notwendige gute Durchmischung der Flüssigkeiten gewährleistet, die eine sehr konstante Temperaturverteilung der Flüssigkeit innerhalb der Behälter sicherstellt. Dadurch ist innerhalb der einzelnen Kombinationen sichergestellt, daß die Flüssigkeit die Wärme aufnehmen bzw. abgeben kann, die durch die Wärmeübertrager in das System eingebracht wird oder die abzuführen ist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Trocknung von Gasen, die von einem Gebläse oder Kompressor erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gaserzeugungseinrichtung und einem Verbraucher wenigstens zwei unabhängig voneinander regelbare, auf den Verfahren der indirekten Kühlung und Erhitzung basierende Wärmeübertrager (3, 13, 23) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus einem Gas/Gas-Wärmeübertragungssystem (3, 32) sowie einem Kühlmittel/Gas-Wärmeübertragungssystem (13, 31) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus einem Gas/Gas-Wärmeübertragungssystem (3, 32) sowie einem Heizmittel/Gas-Wärmeübertragungssystem (23, 35) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Heizmittel/Gas- Wärmeübertragungssystem (23, 35) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Abscheide- und Ableitsystem (33) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abscheidesystem (33) und dem Gas/Gas-Wärmeübertragungssystem (32) ein Membran-Gas/Lufttrockner (36) geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Kombination aus Kühlmittel/Gas-Wärmeübertragungssystem (13, 31), ein Membran-Gas/Lufttrockner (36) und Gas/Gas- Wärmeübertragungssystem (3, 32) ein zusätzliches Heizmittel/Gas-Wärmeübertragungssystem (23, 35) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Kühlmittel/Gas-Wärmeübertragungssystemes (13, 31) ein Flüssigkeitskühler (38) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Gas/Gas-Wärmeübertragungssystemes (32) ein zusätzlicher Kompressionskältekreis (39) installiert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragersysteme aus druck- und temperaturbeständigen Kunststoffrohren, Kunststoffrohrschlangen und Kunststoffrohrwendeln bestehen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragersysteme als Rohrbündel-, Platten-, Rohrwendel-, und Lamellenwärmeübertrager aus Metall- und Metalllegierungen ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenenergiespeicher Wasser verwendet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenenergiespeicher ein Wasser/Glykolgemisch verwendet wird.