DE102005034225A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids. Das Fluid (1) wird in einem Wärmetauschersystem (2) in indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Kältemittelstrom (4) gebracht. Der Kältemittelstrom wird in einem Kältekreislauf geführt. In dem Kreislauf wird er über eine Kältemittelrückleitung (5a, 5b), die stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystem (2) angeordnet ist, zum Eintritt eines Kreislaufverdichters (6) geführt, in dem Kreislaufverdichter (6) verdichtet und mindestens zum Teil abgekühlt (7), entspannt (8) und wieder in das Wärmetauschersystem (2) eingeführt. Der Kältemittelstrom wird stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystem (2) und stromaufwärts des Verdichters im Kreislaufverdichter (6) durch einen Wärmespeicher (9) geführt wird, der in der Kältemittelrückleitung (5a, 5b) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Kältekreisläufe zum Abkühlen oder Verflüssigen eines Fluids werden in vielen Gebieten der Technik eingesetzt. Als Kältemittel kann ein Reinstoff oder ein Kältemittelgemisch eingesetzt werden. In dem Wärmetauschersystem wird dem Fluid durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittel Wärme entzogen.
  • Ein konkretes Anwendungsbeispiel derartiger Kältekreisläufe ist die Erdgasverflüssigung.
  • Das "Wärmetauschersystem" kann durch einen oder mehrere Druckbehälter gebildet werden. Der oder die Druckbehälter können wiederum einen oder mehrere Wärmetauscherblöcke beziehungsweise -bündel aufweisen. Im einfachsten Fall wird das Wärmetauschersystem durch einen einzigen Plattenwärmetauscherblock gebildet; das andere Extrem wäre ein kompliziertes System auf einer Vielzahl unterschiedlicher Wärmetauschertypen, beispielsweise eine Kombination aus Plattenwärmetauschern und gewickelten Wärmetauschern.
  • Bei einer plötzlichen Betriebsstörung des Kreislaufverdichters (compressor trip), beispielsweise aufgrund eines Stromausfalls, besteht die Gefahr mechanischer Schäden in der Maschine. Durch den großen Druckunterschied innerhalb der Maschine könnten beispielsweise die Leitschaufeln verbogen werden. Aus diesem Grund wird im Störungsfall sehr schnell heißes Kältemittel über eine Bypassleitung vom Austritt zum Eintritt des Verdichters geleitet, um einen frühzeitigen Drucka usgleich zu erreichen. Hierdurch kann der Kreislaufverdichter wirksam vor mechanischen Schäden geschützt werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb des oben beschriebenen Verfahrens stabiler zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird in einer ersten Variante der Erfindung dadurch gelöst, dass der Kältemittelstrom stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystems und stromaufwärts des Verdichtens im Kreislaufverdichter durch einen Wärmespeicher geführt wird, der in der Kältemittelrückleitung angeordnet ist.
  • Unter "Wärmespeicher" wird hier jede Vorrichtung verstanden, die zur Übertragung von Wärme (beziehungsweise Kälte) von einem ersten Strom auf einen zweiten Strom dient, wobei der erste und der zweite Strom zu verschiedenen Zeiten durch den Wärmespeicher fließen. Wärmespeicher werden häufig auch als Regeneratoren bezeichnet und sind zum Beispiel im VDI-Wärmeatlas, 6. Auflage 1991, Abschnitt "Wärmeübertragung in Regeneratoren" oder in Helmuth Hausen, Wärmeübertragung in Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom, 1976, Seite 259 ff. beschreiben. Ein solcher Wärmespeicher kann beispielsweise aus geraden Röhren aufgebaut sein, durch die der jeweilige Strom fließt, wobei das Metall der Rohrwand die Wärmespeichermasse darstellt.
  • Einen Wärmespeicher stromabwärts der gewünschten Wärmeübertragung in dem Wärmetauschersystem anzuordnen, erscheint auf den ersten Blick nutzlos. Tatsächlich ergibt sich daraus für den stationären Prozess keine Verbesserung. Im Gegenteil, der Wärmespeicher erzeugt Druckverlust und erhöht damit tendenziell den Energieverbrauch.
  • Allerdings hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass im Falle einer Betriebsstörung des Kreislaufverdichters das heiße Gas nach der Öffnung der Bypassleitung auch in den Niederdruckteil des Kreislaufs einströmt, insbesondere in das Wärmetauschersystem. Diesem Effekt wurde bisher wenig Beachtung geschenkt. Bei der genaueren Untersuchung dieses Zusammenhangs wurde entdeckt, dass dieses Einströmen heißen Gases in das Wärmetauschersystem zu großen Temperaturspannungen führt. Derartige Belastungen können die Lebensdauer von Wärmetauschern verringern und auf längere Sicht zu Störungen des stationären Prozesses führen.
  • Dem Wärmespeicher der Erfindung wird im stationären Betrieb solange Wärme entzogen, bis die Wärmespeichermasse die gleiche Temperatur wie das durchströmende Fluid besitzt, was wie bereits erwähnt dem Prozess selbst keinen Vorteil bringt. Wird allerdings bei einer Betriebsstörung des Verdichters die Bypassleitung zum Eintritt des Kreislaufverdichters geöffnet, strömt das sehr heiße Gas nicht unmittelbar in das Wärmetauschersystem ein, sondern gibt einen Teil seiner Wärme an den Wärmespeicher ab. Die dadurch bewirkte Temperaturverminderung vermindert die Temperaturspannungen im Wärmetauschersystem erheblich. Störungen des stationären Prozesses durch übermäßige Belastung des Wärmetauschersystems kann damit wirksam begegnet werden; das Verfahren ist auf lange Sicht stabiler zu betreiben.
  • Vorzugsweise mündet die absperrbare Bypassleitung, die bei einer Betriebsstörung des Kreislaufverdichters geöffnet wird und über die Kältemittel vom Austritt des Kreislaufverdichters zu dessen Eintritt geleitet wird, zwischen Wärmespeicher und Eintritt des Kreislaufverdichters in die Kältemittelrückleitung.
  • In einer zweiten Variante der Erfindung ist der Wärmespeicher in der Bypassleitung angeordnet. In diesem Fall wird der Wärmespeicher nicht oder nicht vollständig vom Kältemittelstrom durchströmt. Dies hat den Vorteil, dass während des stationären Betriebs kein zusätzlicher Druckverlust auftritt. Zwar kann der Wärmespeicher deshalb auch nicht auf die niedrige Temperatur abgekühlt werden, sondern besitzt ungefähr Umgebungstemperatur. In vielen Fällen reicht dies jedoch aus, um einen wirksamen Schutz des Wärmetauschersystems vor erhöhten Temperaturspannungen zu gewährleisten.
  • Grundsätzlich ist auch eine Kombination der beiden Varianten der Erfindung möglich; in diesem Fall werden zwei Wärmespeicher eingesetzt.
  • Es ist günstig, wenn in dem Kreislauf latente Wärme übertragen, also Kältemittel bei dem indirekten Wärmeaustausch in dem Wärmetauschersystem mindestens teilweise verdampft wird. Stromabwärts des Verdichtens im Kreislaufverdichter wird der Kältemittelstrom mindestens teilweise verflüssigt.
  • Vorzugsweise weist das Wärmetauschersystem mindestens einen Plattenwärmetauscher, insbesondere einen gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher, und/oder mindestens einen gewickelten Wärmetauscher auf, und mindestens ein Teil des Kältemittelstroms wird durch den Plattenwärmetauscher beziehungsweise durch den gewickelten Wärmetauscher geleitet.
  • Das Fluid, das abgekühlt und/oder verflüssigt wird, kann durch einen kohlenwasserstoffhaltigen Strom gebildet werden, beispielsweise Erdgas oder ein weiteres Kältemittel, das seinerseits zur Erdgasverflüssigung in einem weiteren Wärmetauschersystem eingesetzt wird. Besonders günstig ist die Anwendung der Erfindung bei der Erdgasverflüssigung, wenn also bei dem indirekten Wärmeaustausch in dem Wärmetauschersystem Erdgas mindestens teilweise verflüssigt wird.
  • Häufig weisen Kältekreisläufe einen oder mehrere Abscheider (Phasentrenner) zwischen dem Austritt der Kältemittelpassagen aus dem Wärmetauschersystem und dem Eintritt des Kreislaufverdichters auf. In diesem Fall kann es günstig sein, Phasentrenn- und Wärmespeicherfunktion zu integrieren, indem der Wärmespeicher (9) als Abscheider ausgebildet ist und Mittel zur Tröpfchenabscheidung (zum Beispiel Lamellen) aufweist, die als Wärmespeichermasse genutzt werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids gemäß den Patentansprüchen 10 bis 13 sowie eine Anwendung gemäß Patentanspruch 14.
    •
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand dreier in den Zeichnungen grob schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Einander entsprechende Bauteile und Verfahrensschritte tragen in den unterschiedlichen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen.
  • In 1 ist ein Beispiel für die erste Variante der Erfindung dargestellt. Erdgas 1 durch ein Wärmetauschersystem 2 und wird dort durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt und verflüssigt. Verflüssigtes Erdgas wird über Leitung 3 aus dem Wärmetauschersystem abgezogen.
  • Ein Kältemittelstrom 4 tritt in dem Wärmetauschersystem 2 in indirekten Wärmeaustausch mit dem Erdgas und wird über eine Kältemittelrückleitung 5a, 5b zu einem Kreislaufverdichter 6 geleitet. Das verdichtete Kältemittel wird in einem Kältemittelverflüssiger 7 abgekühlt und verflüssigt, in einem Drosselventil 8 entspannt und schließlich über Leitung 4 wieder dem Wärmetauschersystem zugeleitet.
  • Erfindungsgemäß ist ein Wärmespeicher 9 in der Kältemittelrückleitung 5a, 5b angeordnet.
  • Eine Bypassleitung 10 ist während des stationären Betriebs mittels eines Bypassventils 11 verschlossen. Im Falle einer Betriebsstörung des Kreislaufverdichters 6 wird das Bypassventil 11 geöffnet und heißes Kältemittel vom Austritt des Kreislaufverdichters 6 wird in den Abschnitt 5b der Kältemittelrückleitung eingeleitet, also zwischen Wärmespeicher 9 und Eintritt des Kreislaufverdichters 6. Strömt dabei ein Teil des heißen Gases über Abschnitt 5a der Kältemittelrückleitung zurück zum Wärmetauschersystem 2 (backflow), so muss dieses zunächst durch den Wärmespeicher 9 fließen und wird durch diesen abgekühlt. Durch die Pufferung von Kälte in dem Wärmespeicher 9 erreicht das Wärmetauschersystem 2 also lediglich eine abgemilderte Temperaturfront. Die Temperaturspannungen im Wärmetauschersystem sind relativ gering. Die Stabilität des Gesamtprozesses wird durch einen zuverlässigen Betrieb des Wärmetauschersystems erhöht.
  • Zwischen dem Wärmespeicher 9 und dem Kreislaufverdichter 6 können sich auch noch ein oder mehrere Abscheider befinden (in der Zeichnung nicht dargestellt. Diese können sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Einmündung der Bypassleitung 10 angeordnet sein.
  • 2 zeigt eine Ausführung der zweiten Variante der Erfindung. Hier befindet sich der Wärmespeicher 9' in der Bypassleitung 10. Das hat den Vorteil, dass im laufenden Betrieb kein zusätzlicher Druckverlust auftritt. Der Nachteil ist jedoch, dass der Wärmespeicher 9 im stationären Betrieb nicht durchströmt wird und somit ungefähr die Umgebungstemperatur besitzt. In manchen Fällen kann dies jedoch ausreichen.
  • Der Nachteil kann durch eine zusätzliche, kleine Verbindungsleitung 12, wie sie in 3 dargestellt ist, abgemildert werden. Die Leitung 12 ist so zwischen Ventil 11 und Eintritt des Kreislaufverdichters 6 angeordnet, dass auch im stationären Betrieb ein kleiner Teilstrom des Kältemittels durch den Wärmespeicher 9' strömt und diesen somit kühlt. Beim Öffnen des Ventils 11 strömt der größte Teil des Backflows durch den Wärmespeicher 9 und wird abgekühlt.
  • In einer Variante könnte der Wärmespeicher 9 der 1 auch ein Abscheider sein, in dem zum Beispiel Lamellen zur Verbesserung der Abscheidewirkung eingebaut sind. Diese Lamellen können bei einem Backflow ebenfalls als Wärmespeicher dienen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids, bei dem das Fluid (1) in einem Wärmetauschersystem (2) in indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Kältemittelstrom (4) gebracht wird und der Kältemittelstrom in einem Kältekreislauf geführt und dabei über eine Kältemittelrückleitung (5a, 5b), die stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystem (2) angeordnet ist, zum Eintritt eines Kreislaufverdichters (6) geleitet, in dem Kreislaufverdichter (6) verdichtet, und mindestens zum Teil abgekühlt (7), entspannt (8) und wieder in das Wärmetauschersystem (2) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelstrom stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystem (2) und stromaufwärts des Verdichtens im Kreislaufverdichter (6) durch einen Wärmespeicher (9) geführt wird, der in der Kältemittelrückleitung (5a, 5b) angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betriebsstörung des Kreislaufverdichters (6) eine absperrbare Bypassleitung (10, 11) geöffnet wird, über die Kältemittel vom Austritt des Kreislaufverdichters (6) zu dessen Eintritt geleitet wird, wobei die Bypassleitung (10) zwischen Wärmespeicher (9) und Eintritt des Kreislaufverdichters in die Kältemittelrückleitung (5b) mündet.
  3. Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids, bei dem das Fluid (1) in einem Wärmetauschersystem (2) in indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Kältemittelstrom (4) gebracht wird und der Kältemittelstrom in einem Kältekreislauf geführt und dabei über eine Kältemittelrückleitung (5a, 5b), die stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Wärmetauschersystem (2) angeordnet ist, zum Eintritt eines Kreislaufverdichters (6) geleitet, in dem Kreislaufverdichter (6) verdichtet, und mindestens zum Teil abgekühlt (7), entspannt (8) und wieder in das Wärmetauschersystem (2) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betriebsstörung des Kreislaufverdichters (6) eine absperrbare Bypassleitung (10, 11) geöffnet wird, über die Kältemittel vom Austritt des Kreislaufverdichters (6) zu dessen Eintritt geleitet wird, wobei die Bypassleitung (10) zwischen Wärmetauschersystem (2) und Eintritt des Kreislaufverdichters in die Kältemittelrückleitung (5b) mündet und durch einen Wärmespeicher (9') führt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kältemittel bei dem indirekten Wärmeaustausch in dem Wärmetauschersystem (2) mindestens teilweise verdampft wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel stromabwärts des Verdichtens im Kreislaufverdichter (6) mindestens teilweise verflüssigt (7) wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschersystem (2) mindestens einen Plattenwärmetauscher und/oder mindestens einen gewickelten Wärmetauscher aufweist und mindestens ein Teil des Kältemittelstroms (4) durch den Plattenwärmetauscher beziehungsweise durch den gewickelten Wärmetauscher geleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (1) durch einen kohlenwasserstoffhaltigen Strom gebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (1) durch Erdgas gebildet wird und das Erdgas bei dem indirekten Wärmeaustausch in dem Wärmetauschersystem (2) mindestens teilweise verflüssigt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9) als Abscheider ausgebildet ist und Mittel zur Tröpfchenabscheidung aufweist, die als Wärmespeichermasse genutzt werden.
  10. Vorrichtung zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids, mit einem Kältekreislauf, der – einen Kreislaufverdichter (6) zum Verdichten eines Kältemittelstroms – Mittel (7) zum Abkühlen des verdichteten Kältemittelstroms – Mittel (8) zum Entspannen des abgekühlten Kältemittelstroms, – ein Wärmetauschersystem (2) für den indirekten Wärmeaustausch zwischen dem entspannten Kältemittelstrom (4) und dem Fluid (1) und – eine Kältemittelrückleitung (5a, 5b) zum Überführen von Kältemittel aus dem Wärmetauschersystem (2) zum Eintritt des Kreislaufverdichters (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kältemittelrückleitung (5a, 5b) ein Wärmespeicher (9) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine absperrbare Bypassleitung (10, 11), deren Eintritt in Strömungsverbindung mit dem Austritt des Kreislaufverdichters steht und deren Austritt zwischen Wärmespeicher (9) und Eintritt des Kreislaufverdichters in die Kältemittelrückleitung (5b) mündet.
  12. Vorrichtung zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids, mit einem Kältekreislauf, der – einen Kreislaufverdichter (6) zum Verdichten eines Kältemittelstroms – Mittel (7) zum Abkühlen des verdichteten Kältemittelstroms – Mittel (8) zum Entspannen des abgekühlten Kältemittelstroms, – ein Wärmetauschersystem (2) für den indirekten Wärmeaustausch zwischen dem entspannten Kältemittelstrom (4) und dem Fluid (1) und – eine Kältemittelrückleitung (5a, 5b) zum Überführen von Kältemittel aus dem Wärmetauschersystem (2) zum Eintritt des Kreislaufverdichters (6) aufweist, gekennzeichnet durch eine absperrbare Bypassleitung (10, 11), deren Eintritt in Strömungsverbindung mit dem Austritt des Kreislaufverdichters steht, deren Austritt zwischen Wärmetauschersystem (2) und Eintritt des Kreislaufverdichters in die Kältemittelrückleitung (5b) mündet und die durch einen Wärmespeicher (9') führt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9) gleichzeitig als Abscheider ausgebildet ist und Mittel zur Tröpfchenabscheidung aufweist.
  14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 zur Erdgasverflüssigung, wobei in dem Wärmetauschersystem (2) eine Erdgasstrom (1) und/oder ein zweiter Kältemittelstrom, der zur Verflüssigung von Erdgas in einem weiteren Wärmetauschersystem dient, abgekühlt und/oder verflüssigt wird.
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