DE102011112911A1

DE102011112911A1 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE102011112911A1
Application number: DE102011112911A
Authority: DE
Inventors: Andres Kündig
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14
Also published as: FR2979979B1; US20130061607A1; FR2979979A1; JP2013057495A; JP6176905B2; CN102997478A

Abstract

Kälteanlage zur Kühlung eines Kälteverbrauchers (K), aufweisend einen ein- oder mehrstufigen Verdichter (V), der der Verdichtung des in der Kälteanlage zirkulierenden Kältemittels dient, wenigstens einen Wärmetauscher (E1, E2, ...), der der Abkühlung des Kältemittels dient, und wenigstens eine Entspannungsturbine (X, X'), die der kälteleistenden Entspannung des Kältemittels dient. Erfindungsgemäß ist der Kälteanlage eine Speichervorrichtung, die der Speicherung von flüssigem Kältemittel dient, derart zugeordnet oder eine Speichervorrichtung derart in die Kälteanlage integriert, dass aus ihr zumindest zeitweilig flüssiges Kältemittel (8) in den Kältekreislauf zugespeist werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zur Kühlung eines Kälteverbrauchers, aufweisend

– einen ein- oder mehrstufigen Verdichter, der der Verdichtung des in der Kälteanlage zirkulierenden Kältemittels dient,
– wenigstens einen Wärmetauscher, der der Abkühlung des Kältemittels dient, und
– wenigstens eine Entspannungsturbine, die der kälteleistenden Entspannung des Kältemittels dient.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage.
Gattungsgemäße Kälteanlagen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt; lediglich beispielhaft sei die DE 102007005098 genannt. In gattungsgemäßen Kälteanlagen wird eine isotherme Kälteleistung mittels Verdampfung eines ein- oder mehrkomponentigen Kältemittels, beispielsweise Helium, erzeugt. Dazu wird das Kältemittel in einer oder mehreren Entspannungsturbinen entspannt.
Insbesondere bei gattungsgemäßen Kälteanlagen, in denen Helium als Kältemittel verwendet wird, werden auftretende Lastschwankungen durch elektrische Heizer kompensiert. Die Kälteanlagen selbst werden bei ihrer Maximalleistung betrieben. Die Belastung gattungsgemäßer Kälteanlagen, insbesondere von Helium-Kälteanlagen im Temperaturbereich unter 5 K, kann nur vergleichsweise langsam gesteigert werden. Selbst wenn die Expansionsturbinen kurzfristig hochgefahren werden können, steht ihre Leistung der Kälteproduktion erst nach und nach zur Verfügung. Eine geforderte Leistungssteigerung einer Kälteanlage erfordert eine Senkung der Temperaturen in den Wärmetauschern. Dieses Absenken verbraucht temporär einen erheblichen Teil der verfügbaren Turbinenleistung.
Im Falle einer zu schnellen Laststeigerung kann die Temperatur im Kühlkreis des Kalteverbrauchers angehoben und die Produktion von Flüssigkeit innerhalb des Kältekreislaufes der Kälteanlage unterbrochen werden. Dies führt jedoch zu einem unerwünschten, da instabilen Zustand der Kälteanlage. Das plötzliche Ausbleiben der Belastung ist hingegen weniger problematisch. Üblicherweise kann in diesem Fall die wegfallende Last durch Verflüssigung von Kältemittel kompensiert werden. Dieses Kältemittel kann Teil des Kältemittelinventars der Kälteanlage sein oder es kann gasförmig bei Umgebungstemperatur zugespeist werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kälteanlage sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage anzugeben, die bzw. das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb der Kälteanlage im Falle von (kurzfristig) auftretenden Lastschwankungen ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Kälteanlage vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kälteanlage eine Speichervorrichtung, die der Speicherung von flüssigem Kältemittel dient, derart zugeordnet oder eine Speichervorrichtung derart in die Kälteanlage integriert ist, dass aus ihr zumindest zeitweilig flüssiges Kältemittel in den Kältekreislauf zugespeist werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines festgelegten Kältelastwertes eine Zuspeisung von flüssigem Kältemittel aus der Speichervorrichtung erfolgt.
Erfindungsgemäß wird nunmehr im Falle eines schnellen Anstieges der Wärmelast der Kältekreislauf der Kälteanlage mit flüssigem Kältemittel aus der Speichervorrichtung, bei der es sich vorzugsweise um einen Dewar handelt, unterstützt. Dieses flüssige Kältemittel ergänzt sofort den zu diesem Zeitpunkt produzierten Flüssigkeitsstrom der Kälteanlage. Zudem kann die Kälte des entstehenden Kältemitteldampfes zur schnellen Konditionierung der Wärmetauscher der Kälteanlage genutzt werden. Das verdampfte und aufgewärmte Kältemittel wird vorzugsweise zu einem späteren Zeitpunkt im stationären Betrieb und bei geringerer Wärmelast rückverflüssigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage weiterbildend wird vorgeschlagen, dass während der Zuspeisung von flüssigem Kältemittel die oder wenigstens eine der Entspannungsturbinen angedrosselt oder abgeschaltet und der dadurch frei werdende Kompressorstrom zusätzlich verflüssigt wird.
Entsprechend der vorgenannten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Kälteanlage wird vorzugsweise soviel flüssiges Kältemittel zugespeist, dass aufgrund der Kälteleistung des zusätzlich anzuwärmenden Kältemittels einzelne Entspannungsturbinen der Kälteanlage, welche nicht via Kälteverbraucher sondern direkt in den Niederdruck entspannen – bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies die Entspannungsturbine X –, angedrosselt oder abgeschaltet werden können. Vorzugsweise wird zuerst die Expansions- bzw. Entspannungsturbine mit der höchsten Betriebstemperatur angedrosselt oder abgeschaltet, danach jene mit der zweithöchsten Betriebstemperatur usw. Der dadurch frei werdende Kompressorstrom kann als zusätzlicher Strom verflüssigt und dem Kälteverbraucher zugeführt werden. In einem beschränkten Zeitfenster kann mittels dieser Verfahrensweise eine Kälteleistung erzeugt werden, die die Dauerkälteleistung der Kälteanlage um bis zu etwa 100% übertrifft.
Bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes kann die Kälteleistung nicht nur als isotherme Verdampfungsleistung sondern auch als aufwärmender einphasiger Kältemittelstrom genutzt werden.
Des Weiteren kann bzw. können zur Verstärkung des einphasigen Kältemittelstromes eine oder mehrere kalte Zirkulationspumpen eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der- bzw. desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die in der 1 dargestellte Kälteanlage, die der Kältebereitstellung für einen Kälteverbraucher K dient, weist fünf Wärmetauscher E1 bis E5, eine ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit V, zwei Entspannungsturbinen X und X', einen Abscheider D, einen Dewar S, fünf Entspannungsventile a bis e sowie die vorgenannten Bauteile verbindende Leitungen 1 bis 13 auf. Es sei betont, dass der erfindungsgemäße Gedanke auch bei anderen Anordnungen von Verdichtereinheit(en) und Entspannungsturbine(n) anwendbar ist.
Das in der Verdichtereinheit V auf den maximalen Kreislaufdruck verdichtete Kältemittel wird über Leitung 1 durch den Wärmetauscher E1 geführt und in diesem gegen sich selbst abgekühlt. Während der Hauptstrom des Kältemittels über Leitung 2 durch die Wärmetauscher E2 und E3 geführt und gegen sich selbst abgekühlt wird, wird ein Teilstrom des Kältemittels über Leitung 3 einer ersten Entspannungsturbine X zugeführt und in dieser kälteleistend entspannt. Der entspannte Kältemittelteilstrom wird anschließend über Leitung 3' dem anzuwärmenden Kältemittelstrom 12, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, zugespeist.
Der erwähnte Hauptstrom des Kältemittels 2 wird in einer zweiten Entspannungsturbine X' kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 4 durch die Wärmetauscher E4 und E5 geführt und in diesen gegen sich selbst auf die gewünschte niedrigste Kreislauftemperatur abgekühlt. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher E5 wird dieser Kältemittelstrom über Leitung 5 einem in schematisierter Form dargestellten Kälteverbraucher K zugeführt. Im Kälteverbraucher K erfolgt ein definierter Wärmeeintrag auf das Kältemittel, woraus eine wesentliche Erhöhung der Kältemitteltemperatur resultiert.
Während der Anfahrprozedur des Kältekreislaufes wird das aus dem Kalteverbraucher K abgezogene Kältemittel über die Leitung 6 dem Abscheider D zugeführt. Der in dessen Sumpf anfallende Flüssiganteil des Kältemittels wird über Leitung 9 aus dem Abscheider D abgezogen, im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Kältemittel 4 über Leitung 9 durch den Wärmetauscher E5 geführt und anschließend erneut dem Abscheider D aufgegeben.
Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 10 gasförmiges Kältemittel abgezogen, dem Wärmetauscher E4 zugeführt und in diesem gegen den abzukühlenden Kältemittelstrom 4 angewärmt. Über Leitung 12 wird dieser Kältemittelstrom anschließend durch die Wärmetauscher E3, E2 und E1 geführt und dabei im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Kältemittelstrom 1/2 angewärmt. Über Leitung 13 wird das derart angewärmte Kältemittel aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und erneut der Verdichtereinheit V zugeführt.
Während des Normalbetriebes wird das im Kälteverbraucher K angewärmte Kältemittel über die Leitung 7 einer Speichervorrichtung zugeführt; diese ist, wie in der 1 dargestellt, vorzugsweise als Dewar S ausgebildet. Aus dem Gasraum des Dewars S wird über Leitung 11 gasförmiges Kältemittel abgezogen und unmittelbar dem Wärmetauscher E4 zugeführt.
Kommt es nunmehr zu einem Anstieg der Wärmelast im Kalteverbraucher K, wird über Leitung 8 flüssiges Kältemittel aus dem Dewar S über den Abscheider D in den Kältekreislauf zugespeist. Diese Zuspeisung von flüssigem Kältemittel 8 erfolgt vorzugsweise erst bei Überschreiten eines festgelegten Kältelastwertes im Kalteverbraucher K.
Die in der Figur dargestellten Regelventile a bis e dienen der Einstellung der Kältemittel-Mengenströme in den zugeordneten Leitungen 3, 6, 7, 8 und 11. Mittels des Regelventils a kann die Entspannungsturbine X angedrosselt werden, was zur Folge hat, dass der dadurch freiwerdende Kompressor- bzw. Kältemittelstrom zusätzlich verflüssigt werden kann. Das Regelventil d, das den Mengenstrom des aus dem Dewar S zugespeisten flüssigen Kältemittels bestimmt, wird vorzugsweise über den Flüssigkeitsstand innerhalb des Abscheiders D geregelt. Bei Unterschreiten eines einstellbaren Flüssigkeitspegels öffnet das Regelventil d und ermöglicht dadurch die Zuspeisung von flüssigem Kältemittel über die Leitung 8 aus dem Dewar S. Während das Regelventil e üblicherweise mittels einer Differenzdruckmessung angesteuert wird, werden die Regelventile b und c vorzugsweise über den Druck des Kältemittels unmittelbar vor dem Kälteverbraucher K geregelt.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage ermöglichen es, auf kurzfristig auftretende Lastschwankungen schnell und sicher zu reagieren. Der erforderliche Mehraufwand in Form einer Speichervorrichtung sowie entsprechender Regelventile hält sich in Grenzen und wird durch die erreichten Vorteile kompensiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007005098 [0003]

Claims

Kälteanlage zur Kühlung eines Kalteverbrauchers (K), aufweisend – einen ein- oder mehrstufigen Verdichter (V), der der Verdichtung des in der Kälteanlage zirkulierenden Kältemittels dient, – wenigstens einen Wärmetauscher (E1, E2, ...), der der Abkühlung des Kältemittels dient, und – wenigstens eine Entspannungsturbine (X, X'), die der kälteleistenden Entspannung des Kältemittels dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteanlage eine Speichervorrichtung, die der Speicherung von flüssigem Kältemittel dient, derart zugeordnet oder eine Speichervorrichtung derart in die Kälteanlage integriert ist, dass aus ihr zumindest zeitweilig flüssiges Kältemittel (8) in den Kältekreislauf zugespeist werden kann.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung ein Dewar (S) ist.
Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel Helium ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines festgelegten Kältelastwertes eine Zuspeisung von flüssigem Kältemittel (8) aus der Speichervorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zuspeisung von flüssigem Kältemittel (8) die oder wenigstens eine der Entspannungsturbinen (X, X') angedrosselt oder abgeschaltet und der dadurch frei werdende Kompressorstrom zusätzlich verflüssigt wird.