Artikel Energieeffiziente Drucklufttrocknung

Druckluft muss für die meisten industriellen Anwendungen getrocknet werden, um Kondensation von Wasser auszuschließen. Als Maß der Trocknung gilt der „Drucktaupunkt“ (DTP). Die Temperatur, bei der die Druckluft gerade mit Wasser gesättigt ist, so dass bei konstantem Druck jede weitere Temperaturabsenkung zur Kondensation führt. Ziel muss es sein, den geforderten Drucktaupunkt mit geringstmöglichem Energieeinsatz zu erreichen.

Die Energiebedarfswerte von Kälte-, Adsorptions- und Membrantrocknern setzen sich aus mehreren Komponenten, darunter elektrische Energie, Verbrauch an Spül- bzw. Regenerationsluft und Energieaufwand zusammen. Faktoren, die angesichts steigender Strompreise immer bedeutender werden. Die „spezifische Leistungsaufnahme“ eines Trockners bezieht sich dabei auf den getrockneten Druckluftvolumenstrom.

Gute Kältetrockner erreichen einen Drucktaupunkt von 3°C typischerweise mit einer spezifischen Leistungsaufnahme von etwa 0,1kW/(m³/min). Kaltregenerierende Adsorptionstrockner und Membrantrockner liegen 12 bis 16 mal darüber, sodass energiesparende Kältetrockner für einen Drucktaupunkt von 3°C geeigneter sind. Drucktaupunkte unterhalb von 3°C lassen sich mit Kältetrocknern technisch nur schwer realisieren. Hier kommen meist kalt- oder warmregenerierende Adsorptionstrockner zum Einsatz. Zwar kosten warmregenerierende Adsorptionstrockner in Anschaffung und Wartung mehr, doch die Betriebskosten sind vergleichsweise niedrig. Sie rechnen sich bereits bei Volumenströmen ab ca. 15m³/min.

Die „Hybritec“-Baureihe arbeitet als zweistufige Anlage aus Energiespar-Kältetrockner und bedarfsweise zugeschaltetem warmregenerierendem Adsorptionstrockner. Der Kältetrockner stellt Drucktaupunktwerte bis 3°C zu niedrigen Kosten bereit: Die feuchte Druckluft strömt über den Luft-Luft-Wärmetauscher in den Luft-Kältemittel-Wärmetauscher, wo sie bis auf 3°C abkühlt. Nach dem Abtrennen des kondensierten Wassers strömt sie zur „Kälterückgewinnung“ wieder durch den Luft-Luft-Wärmetauscher und verlässt den Kältetrockner.

Für Drucktaupunkte bis zu -40°C entwickelten die Ingenieure von Kaeser eine effiziente Technik: Im Kältetrockner wird der Strömungsweg zwischen Kondensatabscheider und Luft-Luft-Wärmetauscher unterbrochen und die Druckluft strömt zum Einlass des Adsorptionstrockners. Da der Kältetrockner schon etwa 85% der ursprünglichen Druckluftfeuchte entfernt hat, sind im Adsorptionstrockner nur noch 15% Feuchte zu reduzieren, um den DTP von -40°C zu erreichen. Seine zwei mit Trockenmittel (Adsorbens) gefüllten Behälter des Adsorptionstrockners werden abwechselnd von der Druckluft durchströmt, die ihre Restfeuchte an das Trockenmittel abgibt. Anschließend gelangt die Druckluft über einen Staubfilter zum Luft-Luft-Wärmetauscher des Kältetrockners und zum Druckluftauslass. Gleichzeitig saugt ein Gebläse über einen Filter Umgebungsluft an. Diese wird aufgeheizt und durch den zweiten Adsorptionsbehälter geführt. Dessen Trockenmittel ist vom letzten Trockenzyklus her wasserbeladen. Die Erwärmung lässt das Wasser aus dem Trockenmittel desorbieren und über die Umgebungsluft aus dem Trockner entfernen. Ist das Adsorbens fast trocken, wird der Heizluftstrom unterbrochen und eine kleine Menge getrockneter Druckluft durch den Behälter geführt. Sie kühlt das Trockenmittel so weit ab, dass es sofort einsatzbereit ist, wenn das Trockenmittel im anderen Behälter mit Wasser gesättigt ist und seinerseits mit Warmluft regeneriert wird.

In zahlreichen Anwendungen wird Druckluft in frostgefährdeten Bereichen eingesetzt. Hier ist Kondensation von Wasser aus der Druckluft und daraus resultierende Eisbildung in Leitungen und Verbrauchsstellen zuverlässig zu verhindern. Dazu reichen konventionelle Kältetrockner mit Drucktaupunkten von 3°C nicht aus. Der Einsatz eines energieintensiveren (Adsorptions-) Trockner kostet jedoch auch dann, wenn keine Frostgefahr besteht, selbst mit Teillastregelung weit mehr als ein Kältetrockner. Bei Hybritec-Kombinationstrocknern lässt sich der Adsorptionsteil über den Bypass gänzlich „umfahren“. So stellt allein der Kältetrockner in der ersten Stufe den Drucktaupunkt von 3°C bereit. Der Adsorptionstrockner lässt sich, abhängig von der Umgebungstemperatur, einfach abschalten.

Allein ein Hintereinanderschalten von Kälte- und Adsorptionstrocknern kann die Kosten nicht im gleichen Maße senken, denn im Kombinationstrockner tritt die Druckluft in den Adsorptionstrockner mit einer Temperatur von 3°C mit maximaler Wasserbeladung (100% gesättigt) ein. Hingegen liegt die Drucklufteintrittstemperatur bei einem separat nachgeschalteten Adsorptionstrockner nach der Wiedererwärmung im Luft-Luft-Wärmetauscher eines vorgeschalteten Kältetrockners viel höher (ca. 28°C). Bei konstanter absoluter Feuchte ergibt sich am Eingang des Adsorbers eine relative Feuchte von 20%.

Höhere Eintrittstemperatur und die niedrigere relative Eintrittsfeuchte mindern die Aufnahmekapazität des Trockenmittels um bis zu 80%. Die erforderlichen Gegenmaßnahmen (mehr Trockenmittel, größere Behälter, kürzere Zykluszeiten) steigern die Anschaffungs- und Energiekosten. Hinzu kommt der für Einzelkomponenten höhere Installationsaufwand.

Der Einsatz der Kombinationstechnik ist auch zum ganzjährigen Trocknen auf Drucktaupunkte unterhalb 3°C wirtschaftlich sinnvoll. Im Gegensatz zu einzeln betriebenen Adsorptionstrocknern lasten die niedrigere Eintrittstemperatur bei Sättigung und die geringere Wasserbeladung das Trockenmittel maximal aus und reduzieren den Trockenmittelbedarf. Mit einem größeren Trockenmittelvolumen erreichen die Adsorber in Hybritec-Trockner einen DTP von -40°C bei voller Auslastung in einer Gesamtzykluszeit von 16 Stunden, während einstufige Adsorptionstrockner oft im Sechs-Stunden-Zyklus arbeiten. Der längere Zyklus verringert die Zahl der Umschaltvorgänge zwischen den Behältern.

Mit 130°C liegt die Regenerationstemperatur des Kombinationstrockners um bis zu 50°C unter der einstufiger Adsorptionstrockner. Sie ist zudem pro Kubikmeter getrockneter Luft vergleichsweise kürzer aufrecht zu erhalten. Das spart erheblich Heizenergie. Die spezifische Leistungsaufnahme der Hybritec-Gesamtanlage über die Baureihe gemittelt liegt bei rund 0,34kW/(m³/min). Bei Frostperioden von vier Monaten verringern sich im Vergleich zu allein arbeitenden warmregenerierten Adsorptionstrocknern die Energiekosten um bis zu 67%. Ist ganzjährig ein Drucktaupunkt von -40°C gefordert, lassen sich mit der kombinierten Anlage bis zu 50% Kosten sparen. Eine Teillastregelungen kann den Energieverbrauch weiter senken.

Um größere Wassermengen effizient aus der Druckluft zu entfernen reicht es aus, den Kältetrockner so zu dimensionieren, dass er Druckluft mit einem DTP von 3°C an den Adsorptionstrockner liefert. In der Baureihe sind Trockner für Volumenströme bis 150m³/min erhältlich. Trotz eines vergleichsweise höheren Preises, rechnet sich die Investition wegen der besseren Effizienz und der geringeren Betriebskosten. Bei einem über die Nutzungsdauer mittleren Strompreis von 0,15€/kWh und 8760 Betriebsstunden pro Jahr lässt sich dieser Ausgleich bereits nach einem knappen Jahr erzielen.

Wenn zur Investition öffentliche Förderprogramme beitragen, müssen die Kapitalkosten der Erstinvestition möglicherweise gar nicht oder nur im reduzierten Ausmaß berücksichtigt werden. Solche Förderungen vergibt beispielsweise die KfW-Bank im Rahmen von ERP-Energieeffizienzprogrammen.

• Die intelligente Kombination aus Kältetrockner und warmregenerierendem Adsorptionstrockner kann die Energiekosten senken.
• Die „Hybritec“-Baureihe arbeitet als zweistufige Anlage aus Energiespar-Kältetrockner und bedarfsweise zugeschaltetem warmregenerierendem Adsorptionstrockner.
• Je nach Anwendung lassen sich bis zu 67% Energiekosten sparen.
• Trotz eines vergleichsweise höheren Preises, rechnet sich die Investition wegen der besseren Energieeffizienz und der geringeren Betriebskosten. Sie kann sich bereits nach knapp einem Jahr amortisieren.