<Desc/Clms Page number 1>
Werkwijze en inrichting voor het koeldrogen.
Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het koeldrogen van gas dat waterdamp bevat, in het bijzonder lucht, waarbij dit gas door het secundaire gedeelte geleid wordt van een warmtewisselaar waarvan het primaire gedeelte de verdamper is van een koelcircuit dat tevens een compressor bevat, die aangedreven wordt door een elektrische motor, een condensor, een expansiemiddel tussen de uitgang van de condensor en de ingang van de verdamper, en waarbij de verdampertemperatuur of-druk gemeten wordt en voornoemd koelcircuit bestuurd wordt in functie van de gemeten verdampertemperatuur of-druk.
Dergelijke werkwijzen worden onder meer gebruikt om perslucht te drogen.
Perslucht die door een compressor wordt afgeleverd, is in de meeste gevallen verzadigd met waterdamp of bezit met andere woorden een relatieve vochtigheid van 100%. Dit betekent dat bij de geringste temperatuursdaling condensatie optreedt. Door het condenswater zal corrosie in leidingen en gereedschappen ontstaan en zullen de apparaten vroegtijdige slijtage vertonen.
Vandaar dat de perslucht gedroogd wordt, hetgeen op voornoemde manier door koeldrogen kan geschieden. Ook andere lucht dan perslucht of andere gassen kunnen op deze manier worden gedroogd.
Het koeldrogen is gebaseerd op het principe dat door
<Desc/Clms Page number 2>
verlaging van de temperatuur vocht uit de lucht of het gas condenseert waarna het condenswater in de vioeistofafscheider afgescheiden wordt en waarna de lucht of het gas opnieuw opgewarmd wordt waardoor deze lucht of dit gas niet langer verzadigd is. De warmte wordt in de verdamper afgevoerd door het koelcircuit.
Hetzelfde geldt voor ander gas dan lucht en telkens hierna naar lucht wordt verwezen, geldt hetzelfde ook voor ander gas dan lucht.
In de praktijk bestaat er een ISO norm die vastlegt welk het dauwpunt en de corresponderende laagste luchttemperatuur kan zijn bij referentie voorwaarden.
Om te vermijden dat de laagste luchttempertuur kleiner wordt dan 0 C. en dus de verdamper dichtvriest is een noodzakelijke voorwaarde dat de verdampertemperatuur hoger is dan 0 C.
Hiertoe wordt aan de ingang van de verdamper de temperatuur gemeten of, aangezien er voor een bepaalde koelvloeistof in het koelcircuit een vast verband is tussen de verdampertemperatuur en de verdamperdruk, wordt voor of na de verdamper de druk gemeten.
Het koelcircuit wordt dan zo bestuurd dat de verdampertemperatuur of verdamperdruk de gewenste waarde bezit en bijvoorbeeld de verdamperdruk overeenkomt met een temperatuur die enkele graden onder de vereiste laagste luchttemperatuur of LAT gelegen is maar toch niet onder 0 C gelegen is.
<Desc/Clms Page number 3>
Bij bekende werkwijzen voor het koeldrogen, wordt de met een constante frequentie aangedreven motor van de compressor van het koelcircuit in en uitgeschakeld in functie van de verdampertemperatuur. Indien deze verdamperdruk te laag daalt, wordt deze motor gestopt.
Komt de verdamperdruk vervolgens te hoog omdat het expansieventiel nog open is, dan wordt de motor opnieuw gestart.
Een dergelijke regeling laat toe dat als de belasting lager wordt dan de koelcapaciteit, de compressor afgeschakeld wordt, waardoor het energieverbruik daalt.
Het overschot aan koelcapaciteit wordt opgeslagen in een thermische massa. Deze regeling is evenwel zeer nadelig aangezien bij kleine belasting de compressor continu aanen uitgeschakeld wordt, terwijl ook de verdamperdruk en de dauwpunten sterk schommelen. Daarenboven moet de koeldroger vrij groot geconstrueerd worden.
Een andere mogelijkheid om de verdamperdruk te regelen, zou erin bestaan de verdamper groot genoeg te kiezen en door middel van een bypass hete gassen aan de uitgang van de compressor terug te voeren naar de ingang van de compressor.
Deze manier van regelen, biedt het nadeel dat, aangezien de compressormotor continu in werking is, ook bij geen of lage belasting het energieverbruik gelijk is aan het energieverbruik bij nominale beslasting daar de hoge en lage druk in het koelcircuit continu constant gehouden worden.
<Desc/Clms Page number 4>
De uitvinding heeft een werkwijze voor het koeldrogen als doel die voornoemde en andere nadelen niet vertoont en waarmee op een eenvoudige manier, zonder drukschommelingen in het koelcircuit en zonder grote slijtage van de compressor en zijn motor, een energiebesparing kan worden verkregen.
Dit doel wordt volgens de uitvinding verwezenlijkt doordat het toerental van de motor geregeld wordt in functie van de gemeten verdampertemperatuur of-druk zodanig dat de koelcapaciteit aangepast wordt aan de belasting maar zonder dat ijsvorming in de verdamper ontstaat.
In plaats van de motor in of uit te schakelen, wordt zijn snelheid aangepast. Door het verhogen van het toerental van de motor kan er meer massadebiet koelvloeistof rondgepompt worden en kan dus meer koelvermogen geleverd worden.
Bij voorkeur wordt het toerental van de motor geregeld door de frequentie van de voedingsstroom te wijzigen.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt de omgevingstemperatuur gemeten en wordt het toerental van de motor geregeld rekening houdend met de gemeten omgevingstemperatuur.
Bij hoge omgevingstemperaturen, waarbij de lucht of het gas ook relatief warm is en een meer vocht kan bevatten dan wanneer hij of het koud is, is het koelen ervan tot 3 C in de warmtewisselaar niet nodig om droge lucht te verkrijgen. Voornoemde koeldrogers vertonen dus een te
<Desc/Clms Page number 5>
hoog energieverbruik en vergen relatief grote en dure componenten om het koelvermogen te leveren. Door rekening te houden met deze omgevingstemperatuur kan het vereiste koelvermogen lager gehouden worden zodanig dat de koeldroger minder groot kan vervaardigd worden.
Bij voorkeur wordt het toerental van de motor van de compressor zodanig geregeld dat de laagste lucht-of gastemperatuur aan de uitgang van de verdamper 200C lager gelegen is dan de gemeten omgevingstemperatuur zonder evenwel onder 3 C te dalen.
Aangenomen wordt dat wanneer de uitgaande lucht of het uitgaande gas een relatieve vochtigheid van 50% bezit er geen gevaar meer is voor corrosie in leidingen en apparaten en door de voornoemde besturingsinrichting wordt gewaarborgd dat deze relatieve vochtigheid niet hoger is dan 50%.
De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor het koeldrogen of een koeldroger die bijzonder geschikt is voor het toepassen van de hiervoor beschreven werkwijze.
De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een inrichting voor het koeldrogen, die een warmtewisselaar bezit waarvan het primaire gedeelte de verdamper is van een koelcircuit dat tevens een compressor bevat die aangedreven wordt door een elektrische motor, een condensor, een expansiemiddel tussen de uitgang van de condensor en de ingang van de verdamper, een besturingsinrichting om voornoemde motor te besturen en daaraan gekoppelde meetmiddelen om de verdampertemperatuur
<Desc/Clms Page number 6>
of-druk te meten, terwijl het secundaire gedeelte van de warmtewisselaar deel uitmaakt van een leiding voor het te drogen gas en aan de uitgang van deze warmtewisselaar in deze leiding een vloeistofafscheider opgesteld is,
waarbij de inrichting middelen bevat om het toerental van de motor te regelen terwijl de besturingsinrichting deze middelen bestuurt in functie van de door de meetmiddelen gemeten verdampertemperatuur of-druk.
Bij voorkeur bestaan de middelen om het toerental van de motor te regelen uit een frequentieomvormer.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de koeldroger middelen om de omgevingstemperatuur te meten die eveneens aan de besturingsinrichting gekoppeld zijn en is deze besturingsinrichting zodanig dat ze de snelheid van de motor regelt zowel in functie van de door de meetmiddelen gemeten verdampertemperatuur of-druk als in functie van de door de middelen om de omgevingstemperatuur te meten gemeten temperatuur.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een koeldroger volgens de uitvinding beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekening waarin een blokschema van een inrichting voor het koeldrogen volgens de uitvinding wordt weergegeven.
De inrichting voor het koeldrogen schematisch weergegeven in de figuur bevat in hoofdzaak een warmtewisselaar 1 waarvan het primaire gedeelte de verdamper 2 vormt van een
<Desc/Clms Page number 7>
koelcircuit 3 waarin achtereenvolgens ook een door een elektrische motor 4 aangedreven compressor 5, een condensor 6 en een expansieventiel 7 opgesteld zijn.
Dit koelcircuit is gevuld met koelfluldum, bijvoorbeeld freon 404a, waarvan de stromingszin door de pijl 8 is weergegeven.
Het secundaire gedeelte van de warmtewisselaar 1 maakt deel uit van de leiding 9 voor te drogen vochtige lucht waarvan de stromingszin door de pijl 10 aangeduid is.
Na de warmtewisselaar 1 en dus aan zijn uitgang is in de leiding 9 een vloeistofafscheider 11 opgesteld.
Eventueel kan deze leiding 9, voor ze de warmtewisselaar 1 bereikt, zieh met een gedeelte doorheen een voorkoeler of recuperatiewarmtewisselaar 12 uitstrekken en vervolgens, na de vloeistofafscheider 11, zich opnieuw doorheen de recuperatiewarmtewisselaar 12 uitstrekken, in tegenstroom met voornoemd gedeelte.
De warmtewisselaar 1 is een vloeistof-lucht warmtewisselaar en kan constructief een geheel vormen met de eventuele recuperatiewarmtewisselaar 12 die een luchtlucht warmtewisselaar is.
Het expansieventiel 7 is een thermostatisch ventiel waarvan het thermostatisch element door een koperen geleiding 13 gekoppeld is aan een kolfje of "bulb" 14 die aan de uitgang van de verdamper 2 op het koelcircuit 3 aangebracht is en gevuld is met hetzelfde koelmedium.
<Desc/Clms Page number 8>
In een niet in de figuur weergegeven variante is dit expansieventiel evenwel een elektronisch ventiel dat gekoppeld is aan een temperatuurmeter die op het uiteinde van de verdamper 2 of erna opgesteld is.
Bij kleine koeldrogers kan het expansieventiel 7 vervangen zijn door een capillair.
De compressor 5 is een volumetrische compressor die bij een zelfde toerental praktisch een zelfde volumedebiet levert, bijvoorbeeld een spiraalcompressor, terwijl de motor 4 een elektrische motor is waarvan het toerental door verandering van frequentie regelbaar is.
Deze motor 4 is dan ook gekoppeld aan een frequentieomvormer 15 die bestuurd wordt door een door een ingebouwde PID-regelaar 16 gevormde besturingsinrichting.
De frequentieomvormer 15 kan bijvoorbeeld de frequentie regelen tussen 0 en 400 Hz en vormt middelen om het toerental van de motor 4 te regelen.
De PID-regelaar 16 is in een eerste uitvoeringsvorm via een leiding 17 verbonden met meetmiddelen 18 om de verdamperdruk te meten, bijvoorbeeld een druktransmittor met een drukbereik van-l tot 12 bar die de druk omzet in een elektrisch signaal, in het bijzonder een stroom, die aan de ingang of de uitgang van de verdamper 2 is opgesteld, zoals in streeplijn in de figuur is weergegeven.
In een tweede uitvoeringsvorm is de PID-regelaar 16 via
<Desc/Clms Page number 9>
een leiding 19 verbonden met meetmiddelen 20 om de verdampertemperatuur te meten, bijvoorbeeld een thermokoppel in het koelcircuit 3, aan de ingang van de verdamper 2 en dus tussen deze verdamper 2 en het expansieventiel 7.
Er is immers voor een gegeven koelfluidum een vast verband tussen de verdampertemperatuur en de verdamperdruk. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de druk. Dit verband is strikt genomen niet lineair, maar in het werkingsgebied, dit is tusen OOC en 25 C, is de afwijking van een lineaire in de praktijk te verwaarlozen.
In beide uitvoeringsvormen is de PID-regelaar 16 via een leiding 21 verbonden met middelen 22 om de omgevingstemperatuur te meten en die deze temperatuur omzetten in een elektrisch signaal, in het bijzonder een stroom.
De werking van de koeldroger is als volgt : De te drogen lucht wordt doorheen de leiding 9 en dus doorheen de warmtewisselaar 1 gevoerd, in tegenstroom met het koelflu dum in de verdamper 2 van het koelcircuit 3.
In deze warmtewisselaar 1 wordt de vochtige lucht afgekoeld waardoor condens gevormd wordt dat in de vloeistofafscheider 11 afgescheiden wordt.
De koude lucht die na deze vloeistofafscheider 11 minder vocht bevat maar toch een relatieve vochtigheid van 100% bezit, wordt in de recuperatiewarmtewisselaar 12
<Desc/Clms Page number 10>
opgewarmd, waardoor de relatieve vochtigheid daalt tot ongeveer 50%, terwijl de verse te drogen lucht in deze warmtewisselaar 12 reeds gedeeltelijk afgekoeld wordt alvorens aan de warmtewisselaar 1 toegevoegd te worden.
De lucht aan de uitgang van de recuperatiewisselaar 12 is dus droger dan aan de ingang van de warmtewisselaar 1.
Om het bevriezen van de verdamper 2 te vermijden, wordt de lucht in de warmtewisselaar 1 niet onder de 3 C, dit is de LAT bij lage omgevingstemperaturen, gekoeld.
Bij hogere omgevingstemperatuur mag de LAT hoger liggen en wordt gekoeld tot een LAT die 200C lager is dan de omgevingstemperatuur, en dus in elk geval niet lager dan 3 C.
Ligt de LAT te hoog dan wordt niet voldoende gekoeld en dus niet voldoende vocht gecondenseerd opdat de lucht voldoende gedroogd zou zijn.
Deze LAT ligt 2 tot 30C boven de werkelijke verdampertempertuur die door de meetmiddelen 20 wordt gemeten.
Aan voornoemde voorwaarden van LAT wordt voldaan door met behulp van de PID-regelaar 16 en de erdoor bestuurde frequentieomvormer 15 het toerental van de motor 4 te regelen in functie van de door de meetmiddelen 20 gemeten verdampertemperatuur, in de ene uitvoeringsvorm, of de door de meetmiddelen 18 gemeten verdamperdruk, in de andere uitvoeringsvorm.
<Desc/Clms Page number 11>
Het koelvermogen is gelijk aan het massadebiet koelfluidum dat in het koelcircuit 3 circuleert, vermenigvuldigd met het enthalpieverschil van de lucht voor en na de warmtewisselaar 1. Door verhoging van het toerental van de motor 4 kan de compressor 5 meer massadebiet rondpompen en kan dus bij hetzelfde enthalpieverschil meer vermogen geleverd worden.
Het massadebiet is het volumedebiet van de compressor 5 vermenigvuldigd met de dichtheid van het koelfluidum in de aanzuigtoestand die zelf afhankelijk is van de verdampertemperatuur en de oververhitting.
De PID-regelaar 16 stelt de gemeten temperatuur of druk bij door het toerental aan te passen zodat deze temperatuur enkele graden lager ligt dan voornoemde LAT, maar toch hoger dan OOC, respectievelijk de verdamperdruk bereikt wordt die overeenkomt met een temperatuur die enkele graden onder de LAT gelegen is en bijvoorbeeld gelijk is aan 1 C, waarbij voor freon R404a de verdamperdruk dan ongeveer 5, 2 bar effectief bedraagt.
Op deze manier wordt het koelvermogen aangepast aan de belasting.
Doordat door de middelen 22 ook de omgevingstemperatuur gemeten wordt, kan de eraan gekoppelde PID-regelaar 16 met deze temperatuur rekening houden.
Met behulp van de PID-regelaar 16 en de erdoor bestuurde frequentieomvormer 15 wordt het toerental van de motor 4 dan zo geregeld dat, zolang de omgevingstemperatuur laag is, en meer bepaald lager dan 23 C, aan voornoemde voorwaarde wordt voldaan en dus de LAT aan de uitgang van
<Desc/Clms Page number 12>
de verdamper 2 ongeveer 3 C bedraagt, maar bij hogere omgevingstemperatuur deze LAT 20 C lager is dan de door de
EMI12.1
r middelen 21 gemeten omgevingstemperatuur.
De verdamperdruk heeft een setpunt dat enkele graden lager ligt dan de gewenste LAT. De temperatuur verkregen door van de omgevingstemperatuur ongeveer 22 C af te trekken, kan als setpunt van de PID-regelaar 16 ingesteld worden.
Eventueel kan een minimum en een maximum setpunt in de PID-regelaar 16 vastgelegd worden, waarbij het minimum 1 C is. Bij het instellen van de PID-regelaar 16 kan dit setpunt bijvoorbeeld via een bedieningspaneel of via een analoge ingang aangepast worden.
De frequentie wordt bijvoorbeeld geregeld tussen 30 en 75 Hz.
De maximum belasting van de koeldrooginrichting is relatief klein, aangezien bij hogere omgevingstemperaturen de LAT hoger mag zijn dan 3 C, waardoor het koelvermogen daalt en dus de componenten goedkoper kunnen zijn en koelfluidum bespaard wordt.
In de condensor 6 wordt het in de compressor 5 door de compressie opgewarmde gasvormige koelfluidum afgekoeld tot in vloeibare vorm en om de warmte af te voeren naar de omgeving kan gebruik gemaakt worden van een ventilator of van koelwater.
Bij te hoge druk in de condensor 6 wordt de motor 4 automatisch uitgeschakeld.
<Desc/Clms Page number 13>
Na de condensor 6 kan het vloeibare koelfluidum eventueel in een vat opgevangen worden en/of verder gekoeld worden door een bijkomende warmtewisselaar.
Door het expansieventiel 7 wordt het vloeibare koelfluidum geexpandeerd tot een constante verdamperdruk, hetgeen uiteraard een temperatuursdaling met zich meebrengt Het expansieventiel 7 regelt enkel de oververhitting in de verdamper 2 en zorgt ervoor dat de verdamper 2 steeds optimaal benut is, maar kan niet gebruikt worden om de verdamperdruk of-temperatuur te besturen.
Door toepassing van een thermostatisch expansieventiel 7 is er altijd een oververhitting na de verdamper 2, waardoor er geen gevaar is voor koelvloeistof in de compressor 5 en een vloeistofafscheider in het koelcircuit 3 overbodig is en de hoeveelheid koelfluidum beperkt is.
Deze oververhitting wordt gemeten door de temperatuur gemeten door de bulb 14 af te trekken van de verdampertemperatuur gemeten, hetzij voor de verdamper 2 (interne egalisatie), hetzij na de verdamper (externe egalisatie). Dit verschil wordt door het expansieventiel 7 vergeleken met een ingestelde waarde en, bij afwijking, zal het expansieventiel 7 dit corrigeren door te openen of te sluiten.
De mate van oververhitting heeft een invloed op de LAT, maar er mag aangenomen worden dat door het expansieventiel 7 deze oververhitting nagenoeg constant gehouden wordt.
<Desc/Clms Page number 14>
Indien nodig kan door bijvoorbeeld een soort meester-slaaf regelkring met deze invloed van de oververhitting rekening gehouden worden. De slaaf-regelkring is de hiervoor beschreven regeling met de PID-regelaar 16, terwijl de meester-regelkring het setpunt van de verdamperdruk oftemperatuur zou kunnen bijregelen in functie van de werkelijke LAT en dus bijvoorbeeld het setpunt zou kunnen verlagen indien de LAT te hoog blijft omdat de oververhitting na de verdamper 2 te hoog is.
Alhoewel de verdamperdruk of-temperatuur door verandering van het toerental geregeld wordt, kan, voor het geval de belasting nul is, toch de mogelijkheid voorzien worden om de motor 4 volledig uit te schakelen, bijvoorbeeld door een thermostaatvoeler in de warmtewisselaar 1 te plaatsen die, als de temperatuur in de verdamper 2 toch nul graden wordt, de motor 4 uitschakelt en hem opnieuw start wanneer de temperatuur tot 3 C gestegen is.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de hieraan toegevoegde tekening weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke werkwijze en inrichting voor het koeldrogen, kan in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.
In het bijzonder kan de besturingsinrichting in plaats van een PID-regelaar 16 een andere regelaar bevatten, bijvoorbeeld een PI of P regelaar. Alhoewel het de voorkeur verdient ook met de omgevingstemperatuur rekening te houden onder meer om het vermogen van de inrichting te beperken, kan in een eenvoudiger uitvoering de regeling
<Desc/Clms Page number 15>
van het toerental van de motor 4 enkel in functie van de verdampertemperatuur of-druk gebeuren.
In plaats van vochtige lucht kan op dezelfde manier en met dezelfde inrichting ander gas dat waterdamp bevat dan lucht gedroogd worden. De LAT is dan de laagste gastemperatuur.