DE3115597C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung der Enthalpie des Kühlwassers beim Saugtrocknen einer Papier-, Karton- oder anderen porösen oder Faserbahn, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 26 57 041 bekannt. Dieses Verfahren beruhte auf der Erkenntnis, daß die Enthalpie des den Trockenprozeß verlassenen Kühlwassers beispielsweise für Wärmepumpen besser ausgenutzt werden kann, wenn die Temperatur des Wassers höher ist, daß jedoch höhere Kühlwasserablaßtemperaturen den Trockenprozeß verlangsamen. Dieser Auffassung lag die durchaus richtige Vorstellung zugrunde, daß die Wärmeübertragung durch eine Wand direkt proportional der Temperaturdifferenz beidseitig der Wand ist. Somit mußte der Fachmann davon ausgehen können, daß beim Trocknen ein linearer Rückgang des Wärmeaustausches eintritt, wenn die Temperatur des Kühlwassers ansteigt. Demzufolge müßte ein Anstieg der Kühlwassertemperatur von beispielsweise 17 auf 40°C zu einer Abnahme des Wärmeübergangs von etwa 20% führen. Bei einem weiteren Anstieg der Kühlwassertemperatur auf beispielsweise 80°C hat der Fachmann erwarten können, daß die Wärmeübertragung im Vergleich zu derjenigen bei 17°C um bis zu 50% zurückgeht.

Die Erfindung, die sich die Aufgabe gesetzt hat, die Enthalpie des Kühlwassers bei einem solchen Saugtrockenprozeß besser auszunutzen, löst diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs. Danach wurde überraschend und unerwartet festgestellt, daß der Rückgang der Wärmeübertragung im Gegen­ satz zur bisherigen Annahme sich in der Praxis durchaus anders verhält, nämlich so, daß zunächst ein sehr geringer Wärme­ übergang stattfindet, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der beheizten und der gekühlten Fläche durch Senkung der Kühlwassertemperatur abnimmt, und zwar bis auf etwa 80°C.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt sich der Kondensationsdruck des Dampfes auf der abgekühlten oberen Fläche des Kühlkastens durch die Temperatur dieser Fläche. Wenn diese Temperatur beispielsweise 29°C beträgt, und zwar gemäß einem ersten Beispiel, was einer Kühlwassertemperatur von 17°C entspricht, und 87°C gemäß einem zweiten Beispiel, was einer Kühlwassertemperatur von 75°C entspricht, dann beträgt im ersten Fall der Kondensationsdruck 5 kPa und im zweiten Fall etwa 70 kPa. Da die Verdampfungstemperatur und der Verdampfungsdruck in beiden Fällen gleich sind, ist die Druckdifferenz, der der Dampf über einem Teil der zu trocknenden Bahn unterworfen wird, sowie über dem Filz im zweiten Fall erheblich kleiner als im ersten. Man könnte deshalb einen erheblichen Wärmeübertragungsrückgang vermuten, wenn beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers auf 75°C gesenkt wird. Tatsächlich hat sich das spezifische Volumen des Dampfes im zweiten Beispiel so stark verringert, daß derselbe Massenstrom des Dampfes nun mit einer kleineren Druckdifferenz aus der Bahn in die gekühlte Fläche des Kühlkastens transportiert wird. Somit hat sich die Trocknungs­ geschwindigkeit nicht wesentlich verringert.

Mit anderen Worten, der Durchschnittsfachmann hätte in Kenntnis der DE-OS 26 57 041 erwarten können, daß die Wirtschaftlichkeit eines Wärmepumpenbetriebs entsprechend warmes Kühlwasser voraussetzt; er hätte jedoch annehmen können, daß zu diesem Zweck ein viel längerer und teuerer Trockner benötigt wird, weil dann die Trocknungsgeschwindigkeit kleiner ist. Diese Erwartung stützt sich auf die normale Wärmeübertragungstheorie, nach der ein erheblicher Rückgang des Wärmeübergangs zu erwarten ist, wenn die Temperatur­ differenz zwischen einer heißen und einer kalten Fläche wesentlich sinkt.

Da nun die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Trocknungsvorrichtung unerwartet wirkungsvoll arbeitet, wenn das Kühlwasser relativ warm ist, läßt sich die Enthalpie des Kühlwassers vorteilhaft ausnutzen, beispielsweise von einer Wärmepumpe. Dies würde nicht möglich sein, wenn die Temperatur des aus der Trocknungsvorrichtung austretenden Kühlwassers in dem relativ tiefen Temperaturbereich läge, der in der obigen Druckschrift angegeben ist, da der Wirkungs­ grad der Wärmepumpe in einem solchen tiefen Temperaturbereich sehr gering ist. Somit ist eine relativ hohe Temperatur des Kühlwassers notwendig, um die Enthalpie des Kühlwassers zu verwerten. Die untere Grenze für einen wirtschaftlichen Wärmepumpenbetrieb liegt bei etwa 60°C.

Somit ist nun gemäß der mit der Erfindung gegebenen Lehre die Möglichkeit gegeben, Wasser, das in anderen Stufen des Papierherstellungsprozesses erwärmt worden ist, anstelle von kaltem Wasser für eine wirksame Kühlung zu verwenden und darüberhinaus nach der Kühlung die im Wasser enthaltene Wärme zu verwerten. Somit ist das erfindungsgemäße Ver­ fahren in wirtschaftlicher Hinsicht von erheblicher Be­ deutung.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt, der bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung eine Rolle spielt, ist die Tatsache, daß die Austrittstemperatur des Kühl­ wassers durch Steuerung der Eintrittstemperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das dem Trocknungsprozeß zugeführt wird, geregelt wird. Wenn man nämlich davon ausgeht, daß die Austrittstemperatur des Kühlwassers normalerweise von der Eintrittstemperatur des Kühlwassers abhängt, so ist diese Feststellung nur teilweise richtig, da die Austrittstemperatur des Kühlwassers nicht nur von der Wassereintrittstemperatur abhängt, sondern auch von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge des Kühl­ wassers.

Das den erfindungsgemäßen Trockenprozeß verlassende Kühl­ wasser kann für Wärmepumpen oder direkt für die Fernheizung verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Verfahrensschemas, das den mit einer Wärme­ pumpe gekoppelten Saugtrocknungsprozeß zeigt, näher erläutert.

Der aus der Zeichnung ersichtliche Saugtrockner 1 weist ein oberes, endloses, luftdichtes, wärmeleitendes Metallband 2 und ein gleiches unteres Metallband 3 auf, die über eine bestimmte Strecke parallel laufen. Die zu trocknende Papier­ bahn 4 wird zwischen diese beiden Metallbänder so geleitet, daß sie in der genannten parallelen Zone von den Metallbändern vollständig eingeschlossen wird. Zwischen der Papierbahn und dem oberen Metallband 3 läuft ein die Papierbahn tragender, endloser Trockenfilz 5. Auf der Innenseite des oberen Metallbands 2 ist ein Heizkasten 6 angeordnet, dessen untere Seite sich gegen die obere Fläche der parallelen Zone des Metallbandes öffnet. Der Heizkasten 6 ist mit einem Einlaß 7 für Dampf und mit Auslässen 8 für das Kondensat versehen. An der Innenseite des unteren Metall­ bandes 3 ist ein Kühlkasten 9 angeordnet, dessen obere Seite sich gegen die untere Fläche der parallelen Zone des Metallbandes öffnet. Der Kühlkasten 9 ist mit einem Einlaß 10 für Kühlwasser und einem Auslaß 11 für benutztes Kühlwasser versehen.

Wenn die feuchte, zu trocknende Papierbahn 4 durch den Saugtrockner läuft, ist sie zwischen dem oberen, mit Dampf erhitzten Metallband 2 und dem unteren, mit Wasser ge­ kühlten Metallband 3 eingeschlossen. Das in der Papierbahn enthaltene Wasser wird erhitzt und verdunstet, wonach es durch die Papierbahn hindurch und den Trockenfilz 5 dringt, um schließlich auf der Fläche des unteren Metallbandes 3 zu kondensieren. Die entwässerte Papierbahn wird nach dem Trocknen vom Trockenfilz 5 getrennt.

Das Kühlwasser Wj wird aus dem Trocknungsprozeß mit einer Temperatur von 60-100°C entfernt und durch die Leitung 12 einem Mischer 13 zugeführt. In diesen Mischer gelangt über die Leitung 14 auch das vom Heizkasten 6 kommende Kondensat Wa über den Kondensatseparator 15 und das Druckreduzier­ ventil 16. Ein Teil des Kondensats verdampft während seines Durchgangs durch das Druckreduzierventil. Diese kleine Dampf­ menge verdunstet allerdings unmittelbar, nachdem sie in dem Mischer mit dem Kühlwasser in Berührung gekommen ist.

Aus dem Mischer 13 wird der größte Teil des Wassers durch die Leitung 17 und das Druckreduzierventil 18 in die Ein­ dampfkolonne 19 geleitet. Diese Kolonne ist eine normale, gewöhnlich unter Vakuum betriebene Füllkörperkolonne, die von oben gefüllt wird und aus der der entwickelte Dampf nach oben abgeht, während das übriggebliebene, auf 10°C abge­ kühlte Wasser unten abgelassen wird. Dieses Wasser Wj wird durch die Pumpe 20 in den Kühlkasten 9 des Saugtrockners als Kühlwasser durch die Leitung 21 gepumpt. Von der Eindampf­ kolonne gelangt der Dampf durch die Leitung 22 zu einem ersten mit einem Elektromotor angetriebenen Kompressor 23. In den Dampf wird entweder vor diesem Kompressor, im Kompressor selbst oder hinter dem Kompressor Wasser einge­ spritzt, das vom Mischer 13 über die Leitung 24 und die Pumpe 25 so herangeführt wird, daß der von dem Kompressor kommende Dampf gesättigt ist. Dieser Dampf wird durch die Leitung 26 einem anderen Kompressor 27 zugeführt, der ähn­ lich arbeitet. Die Zahl der in Reihe geschalteten Kompres­ soren hängt von dem Grad der wirtschaftlichen Optimierung ab. In der Praxis beträgt diese Zahl gewöhnlich zwei, sel­ tener drei. Vom letzten Kompressor gelangt der Dampf durch die Leitung 27 in den Heizkasten 6 des Saugtrockners. Die­ sem der Erwärmung dienenden Dampf wird Dampf aus dem Dampf­ zirkulationskompressor 29 über die Leitung 30 zugeführt, der mit Dampf aus dem Kondensatseparator 15 beschickt wird.

Der oben beschriebene Prozeß ist mit Ausnahme der Tatsache, daß in den Trockner die feuchte Papierbahn einläuft und aus dem Trockner die getrocknete Papierbahn und das ausgedampfte Wasser entfernt werden, in sich geschlossen. Elektrische Ener­ gie wird für die Elektromotoren der Kompressoren und für die Motoren der Umwälzpumpen benötigt. Kleinere Mengen an Wärme gehen durch die Wärmeisolierung der Rohrleitungen und Vor­ richtungen hindurch an die Umgebung verloren. Im Gegensatz zum gewöhnlichen Trocknen mit Zylinder und Haube braucht die­ ser Saugtrockner also keine Zuführung von Gegendruckdampf oder einem anderen Dampf.

Die Wirtschaftlichkeit des beschriebenen Verfahrens ist im Vergleich zu einem Trocknungsverfahren ohne Wärmepumpe aber mit Gegendruckdampf aus anderen Dampfquellen vor allem vom Preis der für die Wärmepumpen benötigten elektrischen Energie im Vergleich zum Energiepreis für den benötigten Gegendruck­ dampf und von den Kapitalkosten für die zusätzliche Wärmepum­ peneinrichtung abhängig. Wenn das Trocknen selbst beispiels­ weise Dampf von 0,8 MPa erfordert, so ergeben sich Kosten für den Gegendruckdampf von etwa 50,-- DM/MWh (latente Enthalpie des Dampfes). Wenn der benötigte Dampf von 0,8 MPa dagegen durch Verdunstung von Wasser von 60°C und Kompression des ent­ wickelten Dampfes in einem Kompressor erzeugt wird, dessen Wirkungsgrad 0,38 beträgt, und der Preis der elektrischen Ener­ gie 120,-- DM/MWh beträgt, ist der Preis der benötigten elek­ trischen Energie 69,-- DM/MWh (latente Enthalpie des Dampfes). Wenn der benötigte Dampf dagegen aus durch Verdunstung gewon­ nenem Dampf von 80°C durch Kompression erzeugt wird, dann be­ trägt der Preis des Dampfes 45,90 DM/MWh (latente Enthalpie des Dampfes). Bei diesen Preisen ist also der Trockendampf, der aus Wasser von 80°C mittels Wärmepumpen erzeugt wird, günsti­ ger als der entsprechende Gegendruckdampf, während der mittels Wärmepumpen aus Wasser von 60°C erhaltene Dampf teurer ist.

Zukünftig kann man erwarten, daß der Preis für die elektrische Energie im Vergleich zum Preis der fossilen Brennstoffe günsti­ ger wird. Somit werden auch die Vorteile des oben beschriebenen Wärmepumpenverfahrens, preislich gesehen, größer als heute.

Die oben beschriebene Wärmerückgewinnung läßt sich auch bei einem Saugtrockner anwenden, bei dem eines der Metallbänder, vorzugsweise das heiße Metallband, durch einen rotierenden Zylinder ersetzt ist. Darüberhinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zum periodischen Trocknen getrennter Partien brauchbar.

Die folgende Tabelle zeigt mehrere Beispiele dafür, wie eine gewünschte Ablaßtemperatur des Kühlwassers mittels Regelung der Einlaßtemperatur und der Strömungsmenge des Kühlwassers erhalten wird. Bei jedem Beispiel wird vorausgesetzt, daß pro Zeiteinheit dieselbe Wärmemenge entsprechend 15 000 kW auf das Kühlwasser übergeht und daß andere Verfahrensbedin­ gungen sowie die Qualität der Papierbahn sich nicht verän­ dern.

Bei den obigen Beispielen variiert die Trockengeschwindigkeit nur geringfügig.

Claims (1)

1. Verfahren zur Ausnutzung der Enthalpie des Kühlwassers beim Saugtrocknen einer Papier-, Karton- oder anderen porösen oder Faserbahn, bei dem die feuchte Faserbahn und ein sie tragender Trockenfilz sich zwischen zwei luftdichten, wärmeleitenden Flächen befinden, die die ganze Breite der Faserbahn zwischen sich überdecken, wobei die die Faserbahn berührende Fläche zur Verdunstung des in der Faserbahn enthaltenen Wassers durch Dampf erhitzt wird, und die den Trockenfilz berührende Fläche zur Kondensierung des aus der Faserbahn verdunsteten Wassers in den Trockenfilz hinein mittels Kühlwasser abgekühlt wird, woraufhin der Trockenfilz von der trockenen Faserbahn getrennt und von dem kondensierten Wasser befreit wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlwasser dem Trocknungs­ prozeß mit einer Temperatur zwischen 50 und 80°C zuge­ führt und durch Steuerung der Eintrittstemperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das dem Trocknungsprozeß zugeführt wird, aus dem Trocknungsprozeß mit einer Temperatur zwischen 60 und 100°C abgeführt wird, und daß der zur Erhitzung der mit der Faserbahn in Berührung tretenden Fläche dienende Dampf durch adiabatische Ver­ dampfung des austretenden Kühlwassers und Komprimierung dieses entstandenen Dampfes erzeugt wird.