DE102015009255A1 - Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom beschrieben, wobei der Wärmetausch zwischen dem Prozess- und dem Hilfsstrom in einem ersten Wärmetauscher und einem diesem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher erfolgt. Erfindungsgemäß a) wird der Prozessstrom (1) in zwei oder mehr Teilströme (2, 2a, 2b) aufgeteilt, b) sind die Mengenströme der Teilströme (2, 2a, 2b) mittels jeweils eines Ventils (a, b, c) regelbar, c) wird lediglich ein erster Teilstrom (2) in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher (E1, E2) gegen den Hilfsstrom (9, 11) abgekühlt, und d) werden der oder die anderen Teilströme (2a, 2b) dem abgekühlten ersten Teilstrom (3) zugemischt und der so gebildete Prozessstrom im zweiten Wärmetauscher (E2) erneut abgekühlt, wobei im Falle einer Aufteilung auf mehr als zwei Teilströme (2a, 2b) der Prozessstrom nach jeder Zumischung eines Teilstromes erneut im zweiten Wärmetauscher (E2) abgekühlt wird, e) wobei die Mengenströme der Teilströme (2, 2a, 2b) derart geregelt werden, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher (E2) abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers (E2) um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden, und f) wobei wenigstens eines der die Mengenströme der Teilströme regelnden Ventile (a, b, c) vollständig geöffnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom, wobei der Wärmetausch zwischen dem Prozess- und dem Hilfsstrom in einem ersten Wärmetauscher und einem diesem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher erfolgt.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Vorkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom finden beispielsweise bei kryogenen Kälte- und Verflüssigungsanlagen, wie beispielsweise Helium- und Neonkälteanlagen, Wasserstoff- und Heliumverflüssiger, etc., Anwendung. Derartige Kälte- und Verflüssigungsanlagen weisen im Regelfall einen Vorkühlkreislauf auf, in dem der abzukühlende und ggf. zu verflüssigende Prozessstrom gegen einen Hilfsstrom, beispielsweise gegen verflüssigten Stickstoff (LN2) abgekühlt wird. Flüssiger Stickstoff stellt eine vergleichsweise kostengünstige Kältequelle dar. Er ermöglicht die Abkühlung des Prozessstromes bis auf eine Temperatur von ca. 80 K.
  • Hierbei erfolgt die Abkühlung des Prozessstromes gegen den Hilfsstrom in zwei in Reihe angeordneten Wärmetauschern. Der im Kreislauf geführte Hilfsstrom bzw. verflüssigte Stickstoff wird nach seiner kälteleistenden Entspannung in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt, wie dies anhand der 1 erläutert werden wird. Während die Flüssigfraktion im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Prozessstrom durch beide Wärmetauscher geführt wird, wobei sie zunächst durch den zweiten, kälteren Wärmetauscher geführt wird, wird die Gasfraktion lediglich im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Prozessstrom durch den ersten bzw. wärmeren der beiden Wärmetauscher geführt.
  • Teilchenbeschleuniger, Fusionsforschungsreaktoren, etc. weisen vergleichsweise große Massen an supraleitenden Magneten sowie den zugehörigen Installationen auf. Diese Magneten müssen von Umgebungstemperatur (ca. 300 K) auf eine Betriebstemperatur, die im Regelfall unterhalb von 5 K liegt, abgekühlt werden. Diese Abkühlprozedur kann mehrere Tage und Wochen in Anspruch nehmen. Wie eingangs bereits beschrieben, wird für die erste Abkühlphase von ca. 300 K auf ca. 80 K die benötigte Kälte vorzugsweise durch kostengünstigen verflüssigten Stickstoff bereitgestellt. Hierbei darf der Stickstoff jedoch nicht direkt durch die Kühlkanäle der abzukühlenden Magnete geführt werden, da in ihnen verbleibender Stickstoff in den nachfolgenden Kühlephasen, in denen bis zu einer Temperatur von weniger als 5 K abgekühlt wird, ausfrieren und die Kanäle verlegen würde. Aus diesem Grund ist ein indirekter Wärmetausch zwischen dem verflüssigten Stickstoff und dem abzukühlenden Prozessstrom zu realisieren.
  • Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Effizienz und kompakten Bauform werden vorzugsweise Gegenstrom-Plattenwärmetauscher für diesen Zweck verwendet. Diese Wärmetauschertypen sind jedoch empfindlich auf zu hohe Temperaturgradienten zwischen den einzelnen Kanälen und können durch zu hohe thermische Dehnungskräfte beschädigt bzw. zerstört werden.
  • Diese Gefahr besteht insbesondere während der vorbeschriebenen ersten Abkühlphase, bei der der abzukühlende Prozessstrom von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von ca. 80 K abgekühlt wird. Bei herkömmlichen Kälte- und Verflüssigungskreisläufen bleibt der von dem abzukühlenden Magnet bzw. Experiment zurückgeführte Nieder- oder Mitteldruckstrom vergleichsweise lange warm und wird üblicherweise über einen Anwärmer bei etwa Umgebungstemperatur zum Kreislaufkompressor zurückgeführt. Die Kühlung des Hochdruckstromes erfolgt in dieser Abkühlphase ausschließlich in vorbeschriebener Weise durch den verflüssigten Stickstoff. Die Verdampfungswärme des verflüssigten Stickstoffes ist in etwa gleich groß wie die Enthalpiedifferenz des Stickstoffs durch Sattdampf auf Umgebungstemperatur. Bei Helium-Kälte- und Helium-Verflüssigungsanlagen gilt, dass der Enthalpieverlauf des Heliums im Gegensatz dazu konstant ist. Daher ist die Temperaturspreizung zwischen dem abzukühlenden Helium-Prozessstrom und dem Stickstoffstrom auf Höhe des Stickstoff-Sattdampfes – dies ist im Bereich des kalten Endes des warmen Wärmetauschers bzw. des warmen Endes des kalten Wärmetauschers – am größten.
  • Bisher wird diesem Problem dadurch begegnet, dass temporär ein Überschreiten der maximal zulässigen Temperaturdifferenz zwischen den Kanälen des bzw. der Wärmetauscher zugelassen wird. Aufgrund der Gefahr der Beschädigung der Wärmetauscher wird dadurch die Betriebssicherheit der Anlage verringert. Auch wurde bereits vorgeschlagen, den verflüssigten Stickstoff auf eine Temperatur von wenigstens 50 K unterhalb der erreichten Kältekreistemperatur – beginnend mit einer Temperatur von 250 K – vorzuverdampfen und aufzuheizen. Diese Verfahrensweise ist jedoch ineffizient und vergleichsweise langsam.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom anzugeben, bei dem die vorbeschriebenen Nachteile vermieden werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) der Prozessstrom in zwei oder mehr Teilströme aufgeteilt wird,
    • b) die Mengenströme der Teilströme mittels jeweils eines Ventils regelbar sind,
    • c) lediglich ein erster Teilstrom in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher gegen den Hilfsstrom abgekühlt wird, und
    • d) der oder die anderen Teilströme dem abgekühlten ersten Teilstrom zugemischt werden und der so gebildete Prozessstrom im zweiten Wärmetauscher erneut abgekühlt wird, wobei im Falle einer Aufteilung auf mehr als zwei Teilströme der Prozessstrom nach jeder Zumischung eines Teilstromes erneut im zweiten Wärmetauscher abgekühlt wird,
    • e) wobei die Mengenströme der Teilströme derart geregelt werden, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden, und
    • f) wobei wenigstens eines der die Mengenströme der Teilströme regelnden Ventile vollständig geöffnet ist.
  • Der abzukühlende Prozessstrom wird erfindungsgemäß in zwei oder mehr, vorzugsweise in drei Teilströme aufgeteilt. Die Mengenströme dieser Teilströme sind mittels jeweils eines Ventils regelbar. Lediglich der erste und größte Teilstrom wird in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher gegen den Hilfsstrom abgekühlt. Hierbei erfolgt eine Abkühlung bis auf eine Temperatur von ca. 1 K oberhalb der Temperatur des Hilfsstromes. Anschließend wird dem derart abgekühlten Prozessteilstrom der zweite Teilstrom zugemischt und der so gebildete Prozessstrom erneut dem zweiten Wärmetauscher zugeführt und in diesem gegen den Hilfsstrom abgekühlt. Sofern der Prozessstrom in drei oder mehr Teilströme aufgeteilt wird, wird nach jeder weiteren Zumischung eines Teilstromes der so gebildete Prozessstrom erneut im zweiten Wärmetauscher gegen den Hilfsstrom abgekühlt. Erfindungsgemäß werden die Mengenströme der zwei oder mehr Teilströme derart geregelt, dass alle abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers annähernd gleiche Temperaturen aufweisen. Insbesondere weichen die Temperaturen der abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers um nicht mehr als 10 K, vorzugsweise um nicht mehr als 5 K, insbesondere um nicht mehr als 2 K voneinander ab. Temporäre Regelabweichungen bis 10 K, vorzugsweise bis 5 K, insbesondere bis 2 K sind somit tolerierbar. Des Weiteren ist wenigstens eines der die Mengenströme der zwei oder mehr Teilströme regelnden Ventile vollständig geöffnet. Dadurch wird die Anzahl der Stellglieder (n + 1 Ventile) an die Anzahl der Regelgrößen (n Temperaturdifferenzen) angeglichen. Zugleich wird der Druckverlust im Prozessstrom minimiert.
  • Erfindungsgemäß wird durch den ersten Wärmetauscher nurmehr ein Teilstrom des abzukühlenden Prozessstromes geleitet; dies hat zur Folge, dass die thermische Last reduziert wird, während die Last im Hilfsstrom-Verdampfer ansteigt. Damit gleichen sich die Temperaturen zwischen dem Prozess- und dem Hilfsstrom deutlich an. Beträgt die maximale Temperaturdifferenz bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren mehr als 100 K, kann sie durch eine zwei- oder mehrfache Zumischung bzw. Aufteilung in drei oder mehr Teilströme auf weniger als 50 K gesenkt werden. Damit liegt die Temperaturdifferenz unterhalb der für Plattenwärmetauscher maximal zulässigen Temperaturdifferenz, die je nach Hersteller und Geometrie des Wärmetauschers zwischen 50 und 100 K beträgt.
  • Sofern die maximal zulässige Temperaturdifferenz der verwendeten Wärmetauscher wenigstens 70 K beträgt, ist es grundsätzlich ausreichend, wenn der abzukühlende Prozessstrom auf lediglich zwei Teilströme aufgeteilt wird. Eine zweite bzw. weitere Zumischung von Teilströmen ist in diesem Fall nicht zwingend erforderlich.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann die maximal auftretende Temperaturdifferenz durch mehr als zwei Zumischungen weiter reduziert werden.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann im Falle einer Helium-Kälteanlage der gesamte im Kältekreislauf zur Verfügung stehende Helium-Hochdruckstrom von Beginn der Abkühlphase an gegen verflüssigten Stickstoff gekühlt werden ohne die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Kanälen in den Plattenwärmetauschern zu überschreiten. Der für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Aufwand an zusätzlichem Equipment und zusätzlicher Logik ist dabei vergleichsweise gering. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet zudem jederzeit eine volle Betriebssicherheit.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Mengenströme der Teilströme derart geregelt werden, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers um nicht mehr als 5 K, vorzugsweise um nicht mehr als 2 K voneinander unterscheiden,
    • – der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet sind,
    • – der abzukühlende Prozessstrom ein Wasserstoff-, Helium- oder Neon-reiches Gas ist, und
    • – der Hilfsstrom eine Stickstoff-reiche Flüssigkeit und/oder ein Stickstoff-reiches Gas ist.
  • Unter den Begriffen ”Wasserstoff-reiches Gas”, ”Helium-reiches Gas”, Neon-reiches Gas”, ”Stickstoff-reiche Flüssigkeit” und ”Stickstoff-reiches Gas” seien jeweils Gase bzw. Flüssigkeiten zu verstehen, deren Anteil an den genannten Komponenten wenigstens 90 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 95 Vol.-%, insbesondere wenigstens 99 Vol.-% beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien anhand der in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Dargestellt sind zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom, wie sie beispielsweise in kryogenen Helium- und Neonkälteanlagen, Wasserstoff- und Heliumverflüssiger, etc. realisiert werden können. Im Folgenden sei der abzukühlende Prozessstrom Helium, während der Hilfsstrom ein Stickstoff-reicher Strom ist.
  • Der abzukühlende Helium-Prozessstrom 1 wird entsprechend einer ersten, in der 1 dargestellten Ausführungsform in zwei Teilströme 2 und 2a aufgeteilt. Die Ventile a und b dienen der Mengenregelung der beiden Teilströme. Der erste und größere Teilstrom 2 wird in den Wärmetauschern E1 und E2 bis auf eine Temperatur von ca. 1 K oberhalb der Temperatur des Hilfsstroms bzw. verflüssigten Stickstoffs 9 abgekühlt.
  • Ein kälteleistend entspannter, Stickstoff-reicher Strom 8 wird im Abscheider D in eine Flüssigfraktion 9 und eine Gasfraktion 10 aufgetrennt. Lediglich die Flüssigfraktion 9 wird im Gegenstrom zu dem vorbeschriebenen, im Wärmetauscher E2 abzukühlenden Helium-Teilstrom 2' durch den Wärmetauscher E2 geführt, mit der Gasfraktion 10 vermischt und der vereinigte Stickstoff-reiche Hilfsstrom 11 anschließend im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Helium-Teilstrom 2 durch den Wärmetauscher E1 geführt, bevor er über Leitung 12 abgezogen und erneut einem in der 1 nicht dargestellten Kreislaufverdichter zugeführt wird.
  • Dem in den Wärmetauschern E1 und E2 abgekühlten Helium-Teilstrom 3 wird nunmehr der zweite Helium-Teilstrom 2a zugemischt. Der derart gebildete Helium-Prozessstrom 4 wird im Wärmetauscher E2 abgekühlt; der abgekühlte Helium-Prozessstrom 5 wird anschließend der abzukühlenden Last und/oder wenigstens einer Expansionsvorrichtung zugeführt.
  • Sofern eine wenigstens zweifache Zumischung von Helium-Teilströmen zu dem in den Wärmetauschern E1 und E2 abgekühlten Helium-Teilstrom 2 erfolgen soll, ist eine Auftrennung des Helium-Prozessstromes 1 in drei Teilströme 2, 2a und 2b erforderlich. Diese Variante ist in 1 durch die gestrichelt gezeichneten Leitungsabschnitte 2b, 5', 6 und 7 sowie das gestrichelt gezeichnete Regelventil c dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der im Wärmetauscher E2 nach der Zumischung des Helium-Teilstromes 2a abgekühlte Helium-Prozessstrom 5' nicht über Leitung 5 abgezogen. Stattdessen wird ihm der dritte Helium-Teilstrom 2b zugemischt und der so gebildete Helium-Prozessstrom 6 im Wärmetauscher E2 abgekühlt, bevor er über Leitung 7 abgezogen wird.
  • Unabhängig davon, ob der abzukühlende Helium-Prozessstrom 1 in zwei, drei oder mehr als drei Helium-Teilströme 2, 2a, 2b, ... aufgeteilt wird, sind die Mengenströme der Helium-Teilströme 2, 2a und 2b mittels der Regelventile a, b und c derart zu regeln, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher abzukühlenden Prozessströme 2', 4 und 6 um nicht mehr als 10 K, vorzugsweise um nicht mehr als 5 K, insbesondere um nicht mehr als 2 K voneinander unterscheiden.
  • Sofern innerhalb einer Kälte- oder Verflüssigungsanlage Kontroll- bzw. Regelventile vorgesehen sind, die nur während bestimmter Betriebszustände, beispielsweise im Dauerbetrieb, benötigt werden, können diese ggf. die Funktion(en) eines der vorbeschriebenen Regelventile a, b und c übernehmen. Mittels dieser Ausführungsform kann der Mehraufwand benötigter Armaturen bzw. Ventile verringert werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Abkühlen eines Prozessstromes gegen einen Hilfsstrom, wobei der Wärmetausch zwischen dem Prozess- und dem Hilfsstrom in einem ersten Wärmetauscher und einem diesem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Prozessstrom (1) in zwei oder mehr Teilströme (2, 2a, 2b) aufgeteilt wird, b) die Mengenströme der Teilströme (2, 2a, 2b) mittels jeweils eines Ventils (a, b, c) regelbar sind, c) lediglich ein erster Teilstrom (2) in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher (E1, E2) gegen den Hilfsstrom (9, 11) abgekühlt wird, und d) der oder die anderen Teilströme (2a, 2b) dem abgekühlten ersten Teilstrom (3) zugemischt werden und der so gebildete Prozessstrom im zweiten Wärmetauscher (E2) erneut abgekühlt wird, wobei im Falle einer Aufteilung auf mehr als zwei Teilströme (2a, 2b) der Prozessstrom nach jeder Zumischung eines Teilstromes erneut im zweiten Wärmetauscher (E2) abgekühlt wird, e) wobei die Mengenströme der Teilströme (2, 2a, 2b) derart geregelt werden, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher (E2) abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers (E2) um nicht mehr als 10 K voneinander unterscheiden, und f) wobei wenigstens eines der die Mengenströme der Teilströme regelnden Ventile (a, b, c) vollständig geöffnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenströme der Teilströme (2, 2a, 2b) derart geregelt werden, dass sich die Temperaturen der im zweiten Wärmetauscher (E2) abzukühlenden Prozessströme am Eintritt des zweiten Wärmetauschers (E2) um nicht mehr als 5 K, vorzugsweise um nicht mehr als 2 K voneinander unterscheiden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (E1) und/oder der zweite Wärmetauscher (E2) als Plattenwärmetauscher ausgebildet sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der abzukühlende Prozessstrom (1) ein Wasserstoff-, Helium- oder Neon-reiches Gas ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstrom (8–12) eine Stickstoff-reiche Flüssigkeit und/oder ein Stickstoff-reiches Gas ist.
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