DE2628007A1 - Verfahren und anlage zur erzeugung von kaelte mit wenigstens einem inkorporierten kaskadenkreislauf - Google Patents

Verfahren und anlage zur erzeugung von kaelte mit wenigstens einem inkorporierten kaskadenkreislauf

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Description

Heinrich Krieger τ 22. Juni 1976
2&28007
Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Kälte mit wenigstens einem inkorporierten Kaskadenkreislauf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Urzeugung von Kälte mit wenigstens einem Kältekreislauf, in dem ein Kältemittel verdichtet und mit einem Umgebungskühlmedium gekühlt, sowie verdichtetes Kältemittel kondensiert, entspannt, erwärmt, verdampft und zum Verdichter zurückgeführt wird, bei dem wenigstens ein Kältekreislauf ein inkorporierter Kaskadenkreislauf ist, in dem als Kältemittel ein Gemisch verwendet wird und in dem die Kondensation des verdichteten Kältemittels eine fraktionierte Kondensation ist, welche wenigstens eine Phasentrennung aufweist, bei der als trocken gesättigter Dampf abgetrenntes Kältemittel in einem Kondensationsgegenstromwärraeaustausch mit entspanntem, sich erwärmenden und verdampfendem Kältemittel wenigstens partiell kondensiert wird und bei der als Kondensat im Siedezustand abgetrenntes Kältemittel in einem Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch mit entspanntem und sich erwärmenden Kältemittel unterkühlt wird, wobei der Ünterkühl-
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ungsgegenstromwärmeaustausch parallel zum Kondensationsgegenstromwärmeautausch erfolgt.
Es ist bekannt, den Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch vom Kondensationsgegenstrorawärmeaustausch thermisch zu trennen (US-PS 3 364- 685). Bei dem bekannten Verfahren wird das bei der Phasentrennung als Kondensat abgetrennte Kältemittel zum Teil in einem vom Kondensationsgegenstromwärmeaustausch nicht thermisch getrennten Gegenstromwärmeaustausch unterkühlt, worauf es entspannt und dem am kalten Ende in den Kondensationsgegenstromwärmeaustausch eintretenden Kältemittel zugemischt wird. Der Fachmann v/ird dabei das Kältemittel nach der Entspannung im wesentlichen als Flüssigkeit im oder nahezu im Siedezustand anfallen lassen, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt, wobei aber die Temperatur des Kältemittels bei der Entspannung im wesentlichen unverändert bleibt, so daß durch die Zumischung des entspannten Kältemittels zu dem in den Kondensationsgegenstromwärmeaustausch eintretenden Kältemittel eine Temperaturdifferenz an dessen kaltem Ende entsteht, welche erheblich kleiner ist als die optimale Temperaturdifferenz, was zu einer Vergrößerung der Wärmeaustauscherfläche führt.
Durch die Erfindung soll das bekannte Verfahren so verbessert werden, daß eine Verbesserung des Wirkungsgrades ohne eine Vergrößerung des Wärmeaustauscherfläche erreicht wird.
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Dazu wird erfindungsgemäß im Kondensat!onsgegenstronurärmeaustausch das Kältemittel erwärmt, das in dem vom Kondensationsgegenstromwärneaustausch thermisch getrennten Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch abgekühlt worden ist. Dabei kann das Kältemittel im Unterlcühlungsgegenstromwärmeaustausch so weit unterkühlt werden, daß es einerseits nach der Entspannung als siedende .flüssigkeit anfällt und andererseits' am kalten Ende des Kondensationsgegenstromwärmeaustauschs eine optimale Temperaturdifferenz entsteht.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch' sich erwärmende Kältemittel vollständig verdampft ist und den gleichen Druck aufweist wie das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch sich erwärmende Kältemittel, daß das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch zu erwärmende Kältemittel in diesen als siedende Flüssigkeit eintritt und das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch erwärmte Kältemittel diesen als trocken gesattgter Dampf verläßt, und daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch zu erwärmende Kältemittel in diesen als trocken gesättigter Dampf eintritt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten vereinfachten Flußdiagramms für ein Gasverflüssigungsverfahren mit einem Kältekreislauf, der ein geschlossener inkorporierter Kaskadenkreislauf ist, näher erläutert.
Gemäß der Zeichnung hat die vorgesehene Anlage einen Kondensationswärmeaustauscher 202, einen zu diesem parallel geschalteten Unterkühlungswärmeaustauscher, welcher aus den Teil-Wärmeaustauschern 201 und 201A besteht, einen weiteren Kondensationswärmeaustauscher 102, einen dazu parallel gegeschalteten Unterkühlungswärmeaustauscher 101, sowie weitere Wärmeaustauscher 300 und 400.
Über eine Leitung 3 wird getrocknetes und vorgereinigtes Erdgas mit einer Umgebungstemperatur von etwa 25° C, einem Druck von etwa 40 ata und einer Zusammensetzung von etwa 85 Molprozent Methan, 10 Molprozent Äthan und 5 Molprozent Propan in die Anlage eingeführt und durchläuft zunächst der Reihe nach die Wärmeaustauscher 400, 201A und 300. Im Wärmeaustauscher 400 wird es auf etwa - 80° 0 abgekühlt und dabei im wesentlichen vollständig kondensiert. In den Wärmeaustauschern 201A und 300 wird es auf etwa seine Siedetemperatur bei atmosphärischem Druck, also auf etwa - 155° C unterkühlt. Dann wird es in einer Drossel 15 auf etwa atmosphärischen Lagerdruck entspannt, wobei im wesentlichen keine Verdampfungsverluste auftreten, und in einen Speicherbehälter geleitet.
Das Kältemittel des inkorporierten Kaskadenkreislaufs enthält etwa 5 Molprozent Stickstoff, 50 Molprozent Methan, 15
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-tr-t
Molprozent Äthan und 30 Molprozent Propan. Es wird in einer zweiten Verdichterstufe 17 auf etwa 4-5 ata verdichtet und in einem Nachkühler 19 mit Kühlwasser gekühlt und dabei partiell kondensiert. Das partiell kondensierte Kältemittel wird dem Phasentrenner 1 zugeführt. Das von diesem als Dampf abgezogene Kältemittel wird in dem Kondensationswärmeaustauscher 102 auf etwa - 70 C abgekühlt und dabei partiell kondensiert. Das partiell kondensierte Kältemittel wird dem Phasentrenner 2 zugeführt. Das von diesem als Dampf abgezogenen Kältemittel wird in dem Kondensationswärmeaustauscher 202 auf etwa - 110° C abgekühlt und dabei total kondensiert. Das total kondensierte Kältemittel verläßt den Wärmeaustauscher 202 im wesentlichen als siedende Flüssigkeit, worauf es den Wärmeaustauscher 300 im Gleichstrom zum Erdgas durchläuft, wobei es auf etwa - 155 C unterkühlt wird. Das unterkühlte Kältemittel wird in der Drossel 14- auf etwa 3 ata entspannt, wobei es als Dampf-Flüssigkeitsgemisch mit einem geringen Dampfanteil anfällt. Das entspannte Kältemittel durchläuft den Wärmeaustauscher 300 im Gegenstrom zum Erdgas, wobei es total verdampft wird. Im wesentlichen als trocken gesättigter Dampf tritt es darauf in den Unterkühlungswärmeaustauscher 201 - 201A ein, dessen Teil-Wärmeaustauscher 201A und 201 es der Reihe nach durchläuft.
Das vom Phasentrenner 2 als Kondensat abgetrennte Kältemittel durchläuft den Teil-Wärmeaustauscher 201 des Unterkühlungswärmeaustauschers 201 - 201A, wobei es auf etwa - 100° C unterkühlt wird. Von dem unterkühlten Kältemittel wird ein Teil abgezweigt und in der Drossel 13 auf etwa 10 ata
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entspannt. Das entspannte Kältemittel fällt im wesentlichen als siedende Flüssigkeit an, worauf es den Wärmeaustauscher 4-00 im Gegenstrom zum Erdgas durchläuft, wobei es total verdampft und überhitzt wird. Der andere Teil des im Wärmeaustauschers 201 unterkühlten Kältemittels wird im Wärmeaustauscher 201A auf etwa - 120° 0 weiter unterkühlt und in der Drossel 12 auf etwa3 ata entspannt, wobei es im wesentlichen als siedende Flüssigkeit anfällt. Das entspannte Kältemittel wird im Kondensationswärmeautauscher 202 total verdampft und verläßt diesen im wesentlichen als trocken gesättigter Dampf, worauf es mit dem im Wärmeaustauscher 201 erwärmten Kältemittel vereinigt und im Unterkühlungswärmeaustauscher 101 weiter erwärmt wird.
Das vom Phasentrenner 1 als Kondensat abgezogene Kältemittel wird im Unterkühlungswärmeaustausoher 101 auf etwa - 80° 0 unterkühlt und in der Drossel 11 auf etwa 3 ata entspannt, wobei es im wesentlichen als siedende Flüssigkeit anfällt. Das entspannte Kältemittel wird im Kondensationswärmeaustauscher 102 erwärmt, den es im wesentlichen als trocken gesättigter Dampf verläßt, worauf es mit dem im Unterkühlungswärmeaustauscher erwärmten Kältemittel vereinigt und zur ersten Verdichterstufe zurückgeführt wird. In dieser wird es auf etwa 10 ata verdichtet, worauf es im Zwischenkühler 18 mit Kühlwasser gekühlt wird. Das vom Zwischenkühler 18 abgezogene Kältemittel wird mit dem im Wärmeaustauscher 400 erwärmten Kältemittel vereinigt und schließlich zum Eingang der zweiten Verdichterstufe 17 zurückgeführt.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    1/ Verfahren zur Erzeugung von Kälte mit wenigstens einem Kältekreislauf, in dem ein Kältemittel verdichtet und mit einem Umgebungskühlmedium gekühlt, sowie verdichtetes Kältemittel kondensiert, entspannt, erwärmt, verdampft und zum Verdichter zurückgeführt wird ,bei dem wenigstens ein Kältekreislauf ein inkorporierter Kaskadenkreislauf ist, in dem als Kältemittel ein Gemisch verwendet wird und in dem die Kondensation des verdichteten Kältemittels eine fraktionierte Kondensation ist, welche wenigstens eine Phasentrennung auf v/eist, bei der als Dampf abgetrenntes Kältemittel in einem Kondensationsgegenstromwärmeaustausch mit entspanntem, sich erwärmenden und verdampfendem Kältemittel wenigstens partiell kondensiert und als Kondensat abgetrenntes Kältemittel in einem Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch mit entspanntem und sich erwärmenden Kältemittel unterkühlt wird, wobei der Kondensationsgegenstromwärmeaustausch und der Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch parallel zueinander erfolgen und im wesentlichen thermisch voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch abgekühlte Kältemittel wenigstens zum Teil im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch erwärmt wird.
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  2. 2. Verfahren nach Anspruch Λ, dadurch gekennz eichne t, daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch sich erwärmende Kältemittel im wesentlichen vollständig im Dampfzustand ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch sich erwärmende Kältemittel im wesentlichen den gleichen Druck aufweist wie das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch sich erwärmende Kältemittel.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch zu erwärmende Kältemittel in diesen im wesentlichen als flüssigkeit im oder nahezu im Siedezustand eintritt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kondensationsgegenstromwärmeaustausch erwärmte Kältemittel diesen im wesentlichen als Dampf im oder nahezu im üättigungszustand verlaßt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Unterkühlungsgegenstromwärmeaustausch zu erwärmende Kältemittel in diesen im wesentlichen als Dampf im oder nahezu im Sättigungszustand eintritt.
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  7. 7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einer Kreislaufschaltung, welche einen Verdichter mit einem durch ein Umgebungskühlmedium betriebenen Kühler aufweist, dessen Ausgangsseite mit dem Eingang einer Entspannungsdrossel verbunden ist, deren Ausgang über einen Wärmeaustauscher mit der Eingangsseite des Verdichters verbunden ist, in der wenigstens eine Kreislaufschaltung wenigstens einen Phasentrenner aufweist, dessen Eingang mit der Ausgangsseite des Verdichters verbunden ist und dessen Dampfausgangsseite über einen ersten Strömungskanal eines Kondensationswärmeaustauschers mit dem Eingang einer Entspannungsdrossel verbunden ist, deren Ausgang über einen Wärmeaustauscher mit der Eingangsseite des Verdichters verbunden ist und dessen jj'lüssigkeitsausgangsseite über einen vom Kondensatxonswarmeaustauscher im wesentlichen thermisch getrennten und zu diesem parallel geschalteten Unterkühlungswärmeaustauscher mit dem Eingang einer Entspannungsdrossel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang dieser Entspannungsdrossel über einen zweiten Strömungskanal des Kondensationswärmeaustauschers im Gegenstrom zum ersten Strömungskanal mit der Eingangsseite des Verdichters verbunden ist.
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