DE20320922U1

DE20320922U1 - Trocknungsvorrichtung, insbesondere für thermolabile Produkte

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Publication number: DE20320922U1
Application number: DE20320922U
Authority: DE
Original assignee: SCHLUENDER ERNST ULRICH; Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2013-12-12

Abstract

Trocknungsvorrichtung, insbesondere für thermolabile Produkte, unter Verwendung eines an sich bekannten Trockners (TR), wobei ein Gegenstrom-Wärmeaustauscher (GWT) vorgesehen ist, dessen wärmeabgebende Seite (wabS) in den Zuluftstrom des Trockners (TR) und dessen wärmeaufnehmende Seite (wafS) in den Abluftstrom des Trockners (TR) geschaltet ist und Trockner (TR) sowie Gegenstrom-Wärmeaustauscher (GWT) so ausgeführt sind und betrieben werden, dass die Ablufttemperatur am Abluftaustritt des Trockners (TR) unter der Umgebungstemperatur liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen von insbesondere thermolabilen Produkten unter Verwendung eines an sich bekannten Trockners. Die Erfindung ermöglicht bei zweckmäßiger Ausführung und Betrieb das Trocknen mit einer Zulufttemperatur am Zulufteintritt des Trockners, die unterhalb der Umgebungstemperatur und sogar unter der Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft liegt. Unter der Bezeichnung "Zuluft" oder "Abluft" soll im Folgenden nicht nur Luft sondern auch andere Trocknungsgase verstanden werden, wenn und soweit dies technisch sinnvoll ist.
Aus der DE 29 47 759 C2 ist ein Trocknungsverfahren für thermolabile Produkte wie z. B. Getreide bekannt. Bei diesem Verfahren liegt die Temperatur der im geschlossenen Kreislauf geführten Trocknungsluft unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Dazu wird die den Trockner verlassende feuchte Abluft durch Abkühlen und Auskondensieren der Feuchte getrocknet. Anschließend wird die getrocknete Abluft mit einer Temperatur in den Trockner eingeleitet, die zwischen der Auskondensierungstemperatur (Werte zwischen – 5 °C und + 10 °C, insbesondere zwischen 0 °C und + 5 °C) und der Durchschnittstemperatur des zu trocknenden Produkts liegt. Weil die Trocknungsluft nach ihrer Entfeuchtung nicht – wie sonst üblich, wieder erwärmt wird, liegt die Zulufttemperatur deutlich unter der Durchschnittstemperatur des zu trocknenden Produkts zu Beginn seiner Trocknung.
Deshalb sinkt die Produkttemperatur während der Trocknung unter die Umgebungstemperatur. Mangels anderweitiger Angaben in der DE 29 47 759 C2 ist davon auszugehen, dass für die Abkühlung der feuchten Abluft konventionelle Mittel wie Kältemaschinen u. dgl. verwendet werden, was zweifellos ein erheblicher Nachteil des Verfahrens ist.
Aus der DE 31 31 471 A1 ist es bekannt, die Abluft eines Schüttguttrockners in einem Adsorptionstrockner zu trocknen, anschließend die getrocknete Abluft zu erwärmen und dann als Zuluft durch das Schüttgut zu leiten. Weiterhin ist es aus der DE 15 44 034 bekannt, mehrere Adsorptionstrockner so anzuordnen, dass sie nacheinander regenerierbar sind. Die Regenerationszyklen der einzelnen Adsorptionstrockner sind dabei zeitlich so gegeneinander versetzt, dass stets mindestens ein Adsorptionstrockner zur Trocknung der Abluft zur Verfügung steht. Es ist auch bekannt, dass ein Adsorptionsmittel umso weniger Feuchte aus der Abluft adsorbiert, je wärmer es ist. Deshalb sieht das mit Abluftrückführung arbeitende Trocknungsverfahren gemäß DE 36 25 013 C2 vor, dass die Abluft eines Schüttguttrockners, bevor sie zwecks Feuchtereduzierung einem Adsorptionstrockner zugeführt wird, durch den wärmeaufnehmenden Teil eines Kühlmittelkreislaufs bis auf Temperaturen nahe 0 °C gekühlt wird. Eine spezielle Variante des Trocknungsverfahren gemäß DE 36 25 013 C2 sieht zusätzlich vor, die getrocknete Abluft, bevor sie als Zuluft in den Schüttguttrockner eingeleitet wird, aufzuheizen, indem sie durch den wärmeabgebenden Teil des Kühlmittel-Kreislaufs erwärmt wird. Als Kühlmittel-Kreislauf wird dabei bevorzugt eine Wärmepumpe eingesetzt. Das Verfahren gemäß der DE 36 25 013 C2 besitzt daher den Nachteil, dass einerseits lediglich ein Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und Abluft des Adsorptionstrockner erfolgt, für den ein relativ hoher technischer Aufwand erforderlich ist. Andererseits wird bei diesem Wärmeaustauschvorgang die Zuluft des Schüttguttrockners erwärmt, was bei empfindlichen Trocknungsgütern unvorteilhaft ist.
Ein indirekter Wärmeaustausch zwischen Zu- und Abluft kann auch dann energetisch günstig sein, wenn kein geschlossener Kreislauf für die Trocknungsluft existiert. Der z. B. aus der DE 44 24 846 A1 bekannte Trockner weist einen Heizer zur Aufheizung der dem Trocknungsbehälter zugeführten trockenen Zuluft auf. Zur Vorwärmung der Zuluft ist im Zuluftweg stromauf des Heizers die wärmeabgebende Seite eines Wärmetauschers angeordnet. Die Abluft durchströmt strömt durch die wärmeaufnehmende Seite des Wärmetauschers und wird danach in die Umgebung abgeleitet.
Angesichts der vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum absatzweisen oder kontinuierlichen Trocknen von insbesondere thermolabilen Produkten zu schaffen, die bei geeigneter Ausführung und Betrieb die Zulufttemperatur am Zulufteintritt des Trockners unter die Umgebungstemperatur und sogar unter die Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft absenkt, ohne dass hierzu eine Kältemaschine oder Vakuumpumpe notwendig ist. Mit der Erfindung soll es insbesondere möglich sein, bei geeigneter Auslegung und Prozessführung eine solche Zulufttemperatur am Zulufteintritt des Trockners zu realisieren, dass die Oberflächentemperatur des im Trockner befindlichen feuchten Produkts unter dem Gefrierpunkt der Feuchte liegt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung einer Trocknungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Für die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung ist es charakteristisch, dass zum Trocknen von Produkten, insbesondere von thermolabilen Produkten, ein an sich bekannter Trockner mit einem als Regenerator oder als Rekuperator betriebenen Gegenstrom-Wärmeaustauscher kombiniert wird, dessen wärmeabgebende Seite in den Zuluftstrom des Trockners und dessen wärmeaufnehmende Seite in den Abluftstrom des Trockners geschaltet ist, wobei Trockner und Gegenstrom-Wärmeaustauscher so ausgeführt sind und betrieben werden, dass die Ablufttemperatur am Abluftaustritt des Trockners unter die Umgebungstemperatur und sogar unter die Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft sinkt. Um dieses Ziel mit vertretbarem apparativem Aufwand zu erreichen, sollte die absolute Luftfeuchte im Zuluftstrom des Trockners 1 g/kg nicht überschreiten.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Gesamtprozess aus Adsorption und Trocknung im Idealfall so geführt werden kann, dass er adiabat verläuft und eine Energiezufuhr von außen – außer während der Regenerierung des Adsorptionstrockners – nicht erforderlich ist. Um diesem Idealfall möglichst nahe zu kommen und die Zulufttemperatur am Zulufteintritt des Trockners möglichst weit unter die Umgebungstemperatur abzusenken, müssen der Trockner und der Gegenstrom-Wärmeaustauscher eine sehr gute Wärmeisolation gegenüber der Umgebung aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Zuluft des Trockners vor ihrem Wärmeaustausch mit der Abluft mittels eines Adsorptionstrockners vorgetrocknet, so dass das Trocknungsgas im geschlossenen Kreislauf geführt werden kann. Dies ermöglicht es, die erforderlichen minimalen Eintrittsfeuchten der Trocknungsluft unabhängig von den jeweiligen klimatischen Bedingungen der Umgebungsluft zu machen, den Trocknungsprozess bei Temperaturen bis weit unter Null Grad Celsius einstellbar zu gestalten und außerdem den Prozess in einem geschlossenen System z.B. mit dem Einsatz eines Inertgases zu betreiben.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es insbesondere beim Be geschlossenen Kreisläufen vorteilhaft, den durch den Kreislaufventilator eingebrachten Wärmestrom mittels einer zusätzlichen Kühleinrichtung abzuführen, deren Kühlmedium, z.B. Kühlwasser, nur wenige Grade kühler als der Zuluftstrom des Trockners ist.
In einer anderen Ausführungsform ist zwischen den Abluftaustritt des Trockners und den Ablufteintritt in den Gegenstrom-Wärmeaustauscher eine Einrichtung zur Abluftbefeuchtung geschaltet, um die Temperatur der Abluft vor ihrem Eintritt in den Gegenstrom-Wärmeaustauscher zusätzlich abzusenken.
In der Ausführung ohne Adsorptionstrockner ist die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung besonders vorteilhaft in Gebieten mit geringer Luftfeuchte anwendbar, da dort eine Vortrocknung der Zuluft nicht erforderlich ist.
Ein weitere Vorteil besteht darin, dass ein mobiler Einsatz der Trocknungsvorrichtung beispielsweise zur Trocknung von Lebensmitteln unter atmosphärischen Bedingungen ohne den Einsatz einer Kältemaschine oder einer Vakuumpumpe möglich ist.
Es ist zudem möglich, ein vorgetrocknetes organisches Adsorptionsmittel wie zum Beispiel Kohle zu nutzen, dass nach dem Gebrauch zur Energieerzeugung genutzt wird.
Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Dabei zeigen
1 die Zustandsänderung der Trocknungsluft im Mollier-Diagramm,
2 das der Erfindung zugrunde liegendes Prozessschema,
3 ein Prozessschema einer Ausführungsform mit adsorptiver Trocknung der Zuluft,
4 ein Prozessschema einer Ausführungsform mit geschlossenem Kreislauf des Trocknungsgases,
5 ein Prozessschema einer Ausführungsform für kontinuierlichem Betrieb und geschlossenen Kreislauf des Trocknungsgases.
Die in 1 eingetragenen Zustandspunkte 1 bis 5 der Trocknungsluft gehören zu in den in den Schaltschemas der 2 bis 5 gleichlautend nummerierten Prozess-Stufen.
2 stellt den einfachsten und allgemeinsten Fall der Prozessführung in der erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung dar. Die Zuluft mit einem bestimmten Eintrittszustand (Zustandspunkt 2) tritt in die wärmeabgebende Seite (hier mit "wabS" bezeichnet) des Gegenstrom-Wärmeübertragers GWT ein und wird abgekühlt (Zustandspunkt 3), wobei sich die Beladung der Luft nicht ändert. Die so vorgekühlte Luft tritt in den Trockner TR ein. Beim Trocknungsvorgang nimmt die Luft das im Trocknungsgut enthaltende Wasser auf. Dabei kühlt sich die Luft weiter ab (Zustandspunkt 4). Die feuchte kalte Luft tritt nun in die wärmeaufnehmende Seite (hier mit "wafS" bezeichnet) des Gegenstrom-Wärmeübertrager GWT ein, nimmt die Wärme der Zuluft auf und tritt mit dem Zustand 5 aus.
Die in 3 dargestellte Prozessführung zeichnet sich dadurch aus, dass die Luft vor den Eintritt in den wärmeabgebenden Teil des Gegenstrom-Wärmeübertrager GWT durch Adsorption getrocknet wird. Die feuchte Zuluft tritt in den Adsorber AD ein (Zustandspunkt 1) und wird getrocknet. Dabei steigt die Temperatur der Zuluft (Zustandspunkt 2). Die folgenden Zustandsänderungen der Luft (Zustandspunkt 3, 4 und 5) entsprechen der Beschreibung zu 2.
Bei der in 4 schematisch dargestellten Ausführungsform werden Zu- und Abluft des Trockners TR zu einem Kreislauf verbunden. Zunächst wird die Zuluft wiederum in einem Adsorber AD getrocknet (Zustandspunkt 1 nach 2), anschließend im Gegenstrom-WärmeübertragerGWT abgekühlt (Zustandspunkt 2 nach 3), im Trockner TR befeuchtet und weiter abgekühlt (Zustandspunkt 3 nach 4) und schließlich im Gegenstrom-Wärmeübertrager GWT wiederum aufgeheizt (Zustandspunkt 4 nach 5). Anschließend wird die Luft durch einen Ventilator VE mit einem nachgeschalteten Kühler KW isotherm verdichtet. Der Kühler KW hat die Aufgabe, den Energieeintrag des Ventilators VE in das Kreislaufsystem zu kompensieren. Bei einer solchen Arbeitsweise ändert sich der Zustand der Luft nicht mehr (Zustandspunkt 5 = Zustandspunkt 1).
Eine mögliche Ausführungsform für eine kontinuierliche Prozessführung ist in 5 schematisch dargestellt. Bei dieser Variante wird der Gegenstrom-Wärmeübertrager durch zwei Regenaratoren RG 1 und RG 2 realisiert, die entsprechend dem in 5 angenommenen Betriebszustand der Trockneranlage den Zustand "kalt" und "warm" aufweisen. Der Adsorptionstrockner ist ebenfalls doppelt ausgeführt, wobei entsprechend dem in 5 angenommenen Betriebszustand der Adsorber AD 1 zur Lufttrocknung genutzt wird, während der zweite Adsorber AD 2 regeneriert wird. Die Zuluft mit einem bestimmten Eintrittszustand (Zustandspunkt 1) wird in dem Adsorber AD 1 isenthalp getrocknet und erreicht dadurch den Zustandspunkt 2. Nach der Adsorptionstrocknung tritt die Luft von unten in einen zuvor von der Trocknerabluft gekühlten Regenerator RG 1 und wird in der Temperatur gesenkt. Der kalte Regenerator RG 1 wird dabei erwärmt. Dieser Vorgang entspricht der Änderung vom Zustandspunkt 2 nach Zustandspunkt 3. Im Trockner TR selbst wird die Luft das Wasser aus dem zu trocknenden Gut aufnehmen und sich dabei weiter abkühlen. Dieser Prozess der isenthalpen Befeuchtung entspricht der Änderung des Zustandes von Zustandspunkt 3 nach Zustandspunkt 4. Nachdem die kalte befeuchtete Luft aus dem Trockner TR ausgetreten ist, tritt sie von oben in den zuvor von der warmen Zuluft aufgeheizten Regenerator RG 2 ein. Die Temperatur der Abluft steigt an und gleichzeitig wird der warme Regenerator RG 2 abkühlt. Dies entspricht der Zustandsänderung von Zustandspunkt 4 nach Zustandspunkt 5 im Diagramm. In gewissen Abständen wird zwischen den Regeneratoren geschaltet, wodurch das Prinzip des Gegenströmers realisiert wird.

Claims

Trocknungsvorrichtung, insbesondere für thermolabile Produkte, unter Verwendung eines an sich bekannten Trockners (TR), wobei ein Gegenstrom-Wärmeaustauscher (GWT) vorgesehen ist, dessen wärmeabgebende Seite (wabS) in den Zuluftstrom des Trockners (TR) und dessen wärmeaufnehmende Seite (wafS) in den Abluftstrom des Trockners (TR) geschaltet ist und Trockner (TR) sowie Gegenstrom-Wärmeaustauscher (GWT) so ausgeführt sind und betrieben werden, dass die Ablufttemperatur am Abluftaustritt des Trockners (TR) unter der Umgebungstemperatur liegt.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom-Wärmeaustauscher (GWT) ein Rekuperator oder ein Regenerator (RG1, RG2) ist.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Zulufteintritt des Gegenstrom-Wärmeaustauschers (GWT) ein Adsorptionstrockner (AD) geschaltet ist.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorptionstrockner (AD) eine Kühleinrichtung für seinen bestimmungsgemäßen Betrieb und/oder eine Heizeinrichtung für seine Regeneration aufweist oder in den Zuluftstrom des Adsorptionstrockners (AD) eine Kühleinrichtung (KW) und/oder eine Heizeinrichtung geschaltet sind.
Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablauf der wärmeaufnehmenden Seite (wafS) des Gegenstrom-Wärmeaustauschers (GWT) mit dem Zulauf des Adsorptionstrockners (AD) verbunden ist.
Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abluftaustritt des Trockners (TR) und den Ablufteintritt an der wärmeaufnehmenden Seite (wafS) des Gegenstrom-Wärmeaustauschers (GWT) eine Einrichtung zur Abluftbefeuchtung geschaltet ist.