DE102008007923A1 - Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium, beschrieben. Erfindungsgemäß werden folgende Verfahrensschritte und -merkmale vorgesehen: a) direktes oder indirektes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters (S) mit einem Kältekreislauf (2-8, V, T, a, a'), b) wobei in dem Kältekreislauf ein Kältemedium zirkuliert, das identisch oder unterschiedlich zu dem in dem zu kühlenden Speicherbehälter zu lagernden Medium ist, c) wobei das Kältemedium verdichtet (V), abgekühlt (E) und kälteleistend entspannt wird (T) und d) zumindest ein Teilstrom des Kältemediums (5, 7) für die Kühlung des zu kühlenden Speicherbehälters (S) herangezogen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum (Rück)Kühlen von Speicherbehältern kommen beispielsweise bei der Helium- und Wasserstoff-Distribution zur Anwendung. So wird das Edelgas Helium üblicherweise aus Erdgas gewonnen. Folglich beschränkt sich die Produktion von Helium auf wenige Länder, wie die USA, Russland, Algerien oder Qatar. Die weltweite Verteilung des Heliums geschieht, in dem das Helium auf unter 4,5 K abgekühlt und dabei verflüssigt wird und anschließend in isolierten Speicherbehältern transportiert und verteilt wird.
  • Diese Helium-Speicherbehälter sollten eigentlich immer auf einer Temperatur von wenigstens 50 bis 60 K gehalten werden. Aus diesem Grund dürfen Helium-Speicherbehälter nicht vollständig entleert werden. Ferner sollte das üblicherweise vorzusehende Strahlungsschild derartiger Speicherbehälter jederzeit mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass Helium-Speicherbehälter sich lediglich geringfügig auf 50 bis 60 K erwärmen.
  • Vor einem erneuten Befüllen eines Helium-Speicherbehälters mit Helium muss der Speicherbehälter erneut auf 4,5 K heruntergekühlt werden, da ansonsten das einströmende, flüssige Helium verdampfen würde. In der Praxis werden die Helium-Speicherbehälter jedoch oft mit Temperaturen von 150 K und mehr an der Füllstation angeliefert. Sie müssen daher vor dem Befüllen mit flüssigem Helium zunächst auf die Temperatur von flüssigem Helium zurückgekühlt werden. Diese Ab- bzw. Rückkühlung der Speicherbehälter erfolgt üblicherweise in den (Helium-)Füllstationen, wobei flüssiges Helium aus dem Vorratstank der Füllstation durch den abzukühlenden Speicherbehälter geführt und dieser dadurch abgekühlt wird. Das hierfür verwendete Helium wird dabei vollständig verdampft, muss ggf. gereinigt und – sofern es nicht verworfen werden soll – erneut verflüssigt werden.
  • Der vorbeschriebene Abkühlprozess weist jedoch einen vergleichsweise hohen Energiebedarf auf, da es exergetisch äußerst ineffizient ist, Kälteleistung, die bei der Temperatur von 4.5 K erzeugt wird, bei Temperaturen von 150 K und mehr zu nutzen. Ferner weist der vorbeschriebene Abkühlprozess den Nachteil auf, dass mit dem während der Abkühlung zusätzlich anfallenden, gasförmigen Helium die Kapazität des in der Füllstation üblicherweise vorgesehenen Helium-Verflüssigers oftmals überschritten wird. Als Folge davon muss teures Helium-Gas an die Umgebungsluft abgegeben werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium vorgeschlagen, das folgende Verfahrensschritte und -merkmale aufweist:
    • a) direktes oder indirektes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters mit einem Kältekreislauf,
    • b) wobei in dem Kältekreislauf ein Kältemedium zirkuliert, das identisch oder unterschiedlich zu dem in dem zu kühlenden Speicherbehälter zu lagernden Medium ist,
    • c) wobei das Kältemedium verdichtet, abgekühlt und kälteleistend entspannt wird und
    • d) zumindest ein Teilstrom des Kältemediums für die Kühlung des zu kühlenden Speicherbehälters herangezogen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – ein direktes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters mit dem Kältekreislauf realisiert wird, indem das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemedium durch den zu kühlenden Speicherbehälter geleitet wird,
    • – ein indirektes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters mit dem Kältekreislauf realisiert wird, indem das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemedium seine Kälte an einen Hilfskältekreislauf, dessen Kältemedium durch den zu kühlenden Speicherbehälter geleitet wird, abgibt,
    • – als Kältemedium Helium oder Wasserstoff verwendet wird,
    • – verunreinigtes Kältemedium aus dem Kältekreislauf abgezogen und durch neues und/oder aufbereitetes Kältemedium ersetzt wird,
    • – die Verdichtung des in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemediums ein- oder mehrstufig erfolgt und
    • – die Entspannung des in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemediums ein- oder mehrstufig erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium, sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Der zu kühlende Speicherbehälter ist in den 1 und 2 in Form einer sog. Black-Box S dargestellt. Diese stehe für einen oder mehrere, zu kühlende Speicherbehälter, beispielsweise für Speicherbehälter, die dem Transport von flüssigem Helium dienen und die im Regelfall auf Lkw-Aufliegern angeordnet sind.
  • In der 1 dargestellt ist ein Kältekreislauf, aufweisend die Leitungsabschnitte 2 bis 8, in denen das Kältemedium des Kältekreislaufes zirkuliert. Sofern der dargestellte Kältekreislauf der direkten Abkühlung des zu kühlenden Speicherbehälters dient, werden die Leitungsabschnitte 5 und 7 unmittelbar mit dem Speicherbehälter S verbunden. Handelt es sich bei dem zu kühlenden Speicherbehälter S um einen Helium-Speicherbehälter, wird als Kältemedium des Kältekreislaufes vorzugsweise Helium verwendet. Analog dazu wird im Falle eines zu kühlenden Wasserstoff-Speicherbehälters S vorzugsweise Wasserstoff als Kältemedium innerhalb des Kältekreislaufes verwendet.
  • Im Falle der Rückkühlung eines Wasserstoff-Speicherbehälters kann jedoch auch eine wie in der 2 dargestellte Verfahrensweise realisiert werden. Diese zeigt ein "indirektes Verbinden" des zu kühlenden Speicherbehälters S mit einem Kältekreislauf, wie er in der 1 dargestellt ist. Dieses indirekte Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters S mit einem Kältekreislauf wird realisiert, indem ein Wärmetauscher E' vorgesehen wird, in dem das Kältemedium des Kältekreislaufes – dieses wird über die Leitungsabschnitte 5 und 7 dem Wärmetauscher E' zugeführt bzw. aus diesem abgeführt – seine Kälte an einen Hilfskältekreislauf abgibt. Dieser sei durch die Leitungsabschnitte 13 und 14 dargestellt. Da in diesem Hilfskältekreislauf zirkulierende Kältemedium wird durch den zu kühlenden Speicherbehälter S geführt und kühlt diesen ab.
  • Bei der in der 2 dargestellten Verfahrensführung zirkuliert in dem Kältekreislauf 2 bis 8 Helium als Kältemedium, während als Kältemedium des Hilfskältekreislaufes 13, 14 sinnvollerweise Wasserstoff gewählt wird. Mittels dieser Verfahrensweise wird sichergestellt, dass eine Verunreinigung des rückzukühlenden Wasserstoff-Speicherbehälters S vermieden werden kann.
  • Das in den Leitungsabschnitten 2 bis 8 des Kältekreislaufes zirkulierende Kältemedium wird im Falle der Verwendung von Helium als Kältemedium in der ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit V von ca. 1 bara auf ca. 10 bara verdichtet. Über Leitung 3 wird der verdichtete Heliumstrom dem Wärmetauscher E zugeführt und in diesem gegen einen anzuwärmenden Stickstoffstrom, der über die Leitungsabschnitte 11 und 12 durch den Wärmetauscher E geführt wird, auf eine Temperatur von ca. 80 K gekühlt. Über Leitung 4 wird der Heliumstrom anschließend einer ein- oder mehrstufig ausgelegten Turbine T zugeführt und in dieser auf einen Enddruck von ca. 2 bara entspannt. Am Ausgang der Turbine T liegt der Heliumstrom unter einer Temperatur von ca. 53 K vor.
  • Nunmehr erfolgt eine Auftrennung des Heliumstromes in zwei Teilströme. Während der erste Teilstrom über Leitung 5 dem rückzukühlenden Speicherbehälter S zugeführt wird und der Kühlung des Speicherbehälters S dient, wird der zweite Teilstrom über die Leitung 6 sowie ein regelbares Bypass-Ventil a geführt. Nach Durchgang durch den rückzukühlenden Speicherbehälter S wird der erste Teilstrom in Leitung 7 mit dem zweiten Teilstrom in Leitung 6 vermischt. Über Leitung 8 wird der Heliumstrom dem Wärmetauscher E zugeführt, in diesem angewärmt und über Leitung 2 dem Eingang der Verdichtereinheit V zugeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, rückzukühlende Speicherbehälter S mittels eines geschlossenen Kältekreislaufes auf ca. 60 K zu kühlen. Bei 60 K beträgt die Enthalpie der im Regelfall verwendeten Materialien bzw. Metalle des rückzukühlenden Speicherbehälters nunmehr etwa 1/10 der Enthalpie bei einer Temperatur von 150 K.
  • Die Temperatur, die beim Vermischen der beiden Kältemedium-Teilströme aus den Leitungen 6 und 7 erreicht wird, sollte 120 K nicht übersteigen, so dass sichergestellt werden kann, dass die Thermospannungen im Wärmetauscher E ausreichend gering gehalten werden können. Die Beschränkung auf eine Mischtemperatur von 120 K hat zur Folge, dass die Menge des durch den rückzukühlenden Speicherbehälter S geführten Helium-Teilstroms mit abnehmender Temperatur innerhalb des Speicherbehälters S zunimmt. Sobald die Innentemperatur des Speicherbehälters S unter 120 K abgesunken ist, bleibt das Bypass-Ventil a geschlossen.
  • Alternativ zu der vorbeschriebenen Verfahrensführung, bei der eine Aufteilung des Heliumstromes erst nach der Entspannung T erfolgt, kann auch ein Helium-Teilstrom bereits vor der Entspannung abgezogen und dem Eingang des Wärmetauschers E zugeführt werden; in der 1 dargestellt durch die gestrichelt gezeichnete Leitung 6' sowie das gestrichelt gezeichnete Bypass-Ventil a'.
  • Zur Beibehaltung der Drücke innerhalb des Kältekreislaufes muss gegebenenfalls während des Abkühlprozesses Kältemedium ergänzt werden. Im Falle eines Helium-Kältekreislaufes kann dazu Heliumgas aus einem in der Figur nicht dargestellten Helium-Verflüssigungsprozess durch Zuführung über die Leitung 1 ergänzt werden.
  • Sofern ein rückzukühlender Speicherbehälter S verunreinigt ist, kann entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Abkühlprozesses über die Leitungsabschnitte 9 und 10 ein Teilstrom des Kältemediums aus dem Kältekreislauf abgezogen und einer Nachreinigung unterworfen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters ermöglicht es, die für die Rückkühlung des Speicherbehälters erforderliche Kälte auf einem exergetisch sinnvollen Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen. Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad des Rückkühlprozesses wesentlich verbessert wird.
  • Die im Regelfall vorgesehene Helium-Verflüssigungsanlage wird mittels des erfindungsgemäßen Rückkühl-Prozesses in ihrem Betrieb nicht gestört und kann somit ununterbrochen ihre maximal mögliche Leistung erbringen. Darüber hinaus werden die Abkühlzeiten der rückzukühlenden Speicherbehälter um mehrere Tage verkürzt.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Kühlen eines Speicherbehälters, insbesondere eines mobilen Speicherbehälters für ein kryogenes Medium, aufweisend folgende Verfahrensschritte und -merkmale: a) direktes oder indirektes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters (S) mit einem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a'), b) wobei in dem Kältekreislauf ein Kältemedium zirkuliert, das identisch oder unterschiedlich zu dem in dem zu kühlenden Speicherbehälter zu lagernden Medium ist, c) wobei das Kältemedium verdichtet (V), abgekühlt (E) und kälteleistend entspannt wird (T) und d) zumindest ein Teilstrom des Kältemediums (5, 7) für die Kühlung des zu kühlenden Speicherbehälters (S) herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein direktes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters (S) mit dem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a') realisiert wird, indem das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemedium durch den zu kühlenden Speicherbehälter (S) geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein indirektes Verbinden des zu kühlenden Speicherbehälters (S) mit dem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a') realisiert wird, indem das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemedium seine Kälte an einen Hilfskältekreislauf (13, 14), dessen Kältemedium durch den zu kühlenden Speicherbehälter (S) geleitet wird, abgibt (E').
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemedium Helium oder Wasserstoff verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass verunreinigtes Kältemedium aus dem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a') abgezogen und durch neues und/oder aufbereitetes Kältemedium ersetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (V) des in dem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a') zirkulierende Kältemediums ein- oder mehrstufig erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung (T) des in dem Kältekreislauf (2–8, V, T, a, a') zirkulierende Kältemediums ein- oder mehrstufig erfolgt.
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