DE4207941A1 - Verfahren zum betreiben eines waermeaustauschers und waermeaustauscher zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Gegenstrom-Wärmeaustauscher, die in diskontinuierlich arbeitenden Anlagen zum Behandeln von Fluiden verwendet werden.

Diese Anlagen bergen aus folgenden Gründen besondere Probleme in sich.

Bei kontinuierlichem Betrieb hat ein Gegenstromwärme­ austauscher ein im wesentlichen lineares Temperatur­ profil zwischen seinem kalten Ende und seinem warmen Ende.

Da dieses Profil von der Temperatur der Fluide abhängig ist, die den Wärmeaustauscher durchströmen und mit­ einander im Wärmeaustausch stehen, ruft jede abrupte Unterbrechung der Zirkulation der Fluide eine auf Wärmeleitung zurückzuführende, rasche Angleichung der Temperaturen des Wärmeaustauschers an eine Temperatur hervor, die etwa gleich dem Mittelwert der Temperaturen des warmen und des kalten Endes ist.

Der Wärmeaustauscher erfährt daher an seinen Enden rasche Temperaturwechsel, so daß die Gefahr besteht, daß beim Wiederanfahren größere Verformungen oder Risse entstehen, ausgelöst durch die durch die behandelten Fluide bewirkten thermischen Schocks.

Beispielsweise tritt in den Hauptwärmeaustauscher einer Anlage zur Destillation von Luft und zur Produktion hochreinen Stickstoffs die Luft mit 8 bar und +20°C ein und wird auf etwa -169°C abgekühlt, bzw. im Gegenstrom zu den austretenden Fluiden, nämlich Stickstoff, der von -173°C auf +15°C erwärmt wird, sowie den Restgasen, die von -180°C auf +15°C erwärmt werden. Im Dauerbetrieb hat der Wärmeaustauscher eine Temperatur, die sich von etwa -175°C an seinem kalten Ende linear auf etwa +17°C an seinem warmen Ende ändert. Unterbricht man nun die Zirkulation der Fluide abrupt, so pendelt die Temperatur des Wärmeaustauschers sich rasch auf etwa -80°C ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr von Verformungen und der Rißbildung beim Wiederanfahren des Wärmeaustauschers zu vermeiden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, einen zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten Wärmeaustauscher zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch den im Patentanspruch 8 ange­ gebenen Wärmeaustauscher gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen dessen sind in den Ansprüchen 9 bis 12 angegeben.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Teilansicht eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Wärmeaustauschers in gleicher Darstellung.

Fig. 1, in welcher lediglich die zum Verständnis der Erfindung wichtigsten Elemente dargestellt sind, zeigt einen Gegenstromwärmeaustauscher des Plattentyps, also z. B. mit verschweißten oder verlöteten Aluminiumplatten, der Teil einer diskontinuierlich arbeitenden Anlage zur Behandlung von Fluiden, z. B. einer Luftdestillations­ anlage, ist. Genauer gesagt, handelt es sich bei diesem Beispiel um eine Anlage zur Produktion von HPN-Stick­ stoff, also hochreinem Stickstoff.

Bekanntlich besteht ein Wärmeaustauscher des Platten­ typs aus einem Stapel zahlreicher Aluminiumplatten 2, die stehend angeordnet, identisch aufgebaut, rechteckig und zueinander parallel sind. Diese Platten schließen zwischen sich zahlreiche flache Kanäle ein. An den Rändern der Platten sind Verbindungs- oder Querstege vorgesehen; bestimmte Unterbrechungen dieser Stege oder Aussparungen derselben legen Fluideinlässe oder Fluidauslässe für ausgewählte Kanalgruppen fest.

An den Stellen dieser Einlässe und Auslässe sind an die die Stege aufweisenden Flächen des Wärmeaus­ tauschers halbzylindrische Kammern oder Kästen angebaut.

In dem dargestellten Beispiel ist das untere oder kalte Ende des Wärmeaustauschers mit drei derartigen Anschlußkammern versehen:

• - Auf einer vertikalen Fläche des Wärmeaustauschers befindet sich eine Anschlußkammer 3, die normaler­ weise als Eintritt für den kälteerzeugenden Stick­ stoff dient, der von der Anlage erzeugt wird und über eine mit einem Absperrschieber 5 ausgerüstete Leitung 4 der Anschlußkammer 3 zugeführt wird.
• - Auf der unteren Fläche des Wärmeaustauschers befindet sich eine Anschlußkammer 6, über die normalerweise ebenfalls Kälte erzeugendes Restgas der Anlage ein­ tritt, das der Kammer über eine mit einem Absperr­ schieber 8 ausgerüstete Leitung 7 zugeführt wird.
• - Auf der anderen vertikalen Fläche des Wärme­ austauschers befindet sich eine Anschlußkammer 9, die als Auslaß für die zu destillierende Luft nach deren Kühlung dient, wobei diese Luft das wärmeabgebende Fluid des Wärmeaustauschers dar­ stellt und die Kammer 9 über eine Leitung 10 ver­ läßt.

Der Stickstoff und das Restgas verlassen den Wärme­ austauscher über entsprechende Auslaßkammern (nicht dargestellt), die am oberen oder warmen Ende des Wärmeaustauschers vorgesehen sind. Ebenso erfolgt der Eintritt der zu behandelnden Luft über eine Einlaß­ kammer (nicht dargestellt), die gleichfalls an diesem oberen Ende vorgesehen ist.

Im Bereich seines warmen Endes ist der Wärmeaustauscher an zwei waagerechten Trägern 11 befestigt, die sich bis zu einem äußeren Metallmantel 12 der Anlage er­ strecken, wobei sich die Außenfläche dieses Metall­ mantels 12 im Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre befindet. Diese Träger 11 sind wärmeleitend und ste­ hen in engem, eine gute Wärmeleitung gewährleistenden Kontakt mit den entsprechenden vertikalen Flächen des Wärmeaustauschers, die mit den Anschlußkammern 3 und 9 ausgerüstet sind. Die Träger 11 erstrecken sich über die gesamte Breite dieser Flächen.

Die Luftdestillationsanlage umfaßt einen Tieftemperatur- Flüssigkeitsvorrat, beispielsweise einen Abscheider zur Trennung der flüssigen von der dampfförmigen Phase, den Behälter einer Destillationskolonne oder einen Flüssigkeitstank. Dieser Vorrat ist bei 13 schematisch dargestellt. Im folgenden wird angenommen, daß es sich um einen Vorrats- oder Speicherbehälter für flüssigen Stickstoff handelt. Von dem oberen Teil dieses Behäl­ ters 13 geht eine mit einem Absperrschieber 15 ver­ sehene Leitung 14 ab. Diese Leitung teilt sich in zwei Leitungen 16, 17, die an den Anschlußkammern 3 bzw. 6 enden.

Im normalen Betrieb der Anlage hält die Gegenstrom­ zirkulation einerseits der kälteerzeugenden Fluide (Stickstoff und Restgas) andererseits der zu behandeln­ den, wärmeabgebenden bzw. zu kühlenden Luft die beiden Enden des Wärmeaustauschers 1 auf definierten Tempera­ turen, beispielsweise in der Gegend von +15°C am warmen Ende mit einem Temperaturunterschied von etwa 5°C zwischen den austretenden und den eintretenden Fluiden, und etwa -170 bis -180°C am kalten Ende mit einem Temperaturunterschied von etwa 10°C zwischen den ein­ tretenden und den austretenden Fluiden.

Zur Unterbrechung der Stickstofferzeugung werden die Absperrschieber 5 und 8 geschlossen, und der Absperr­ schieber 15 geöffnet. Dann durchströmt kalter, gasför­ miger Stickstoff in kontrollierter Menge alle Kühl­ fluidkanäle, während ein Wärmefluß mit Umgebungstem­ peratur über die Träger 11 alle Kanäle des Wärmeaus­ tauschers an dessen warmem Ende erreicht.

Auf diese Weise kann man mit sehr geringem Stickstoff­ verbrauch zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende des Wärmeaustauschers während der Stillstandszeiten der Anlage einen Temperaturgradienten aufrechterhalten, der verhältnismäßig nahe bei dem dem Normalbetrieb der Anlage entsprechenden Temperaturgradienten liegt. Dies ist im weitesten Sinne zu verstehen und bedeutet einen Temperaturgradienten, der zwischen einer Tief­ temperatur beispielsweise im Bereich von -110°C für das kalte Ende und einer Temperatur nahe der Umgebungs­ temperatur beispielsweise im Bereich von +5°C für das warme Ende liegt.

Auf diese Weise werden thermische Schocks beim Wieder­ anfahren der Anlage vermieden. Gleichzeitig wird die Anlaufzeit verkürzt. Hierunter wird die zum Erreichen des nominalen Gleichgewichtes des Wärmeaustauschers notwendige Zeit verstanden. Gleichzeitig werden die Wärmeverluste vermindert, weil das kalte Ende des Wärmeaustauschers ständig kaltgehalten wird.

Wie in Fig. 1 als Abwandlung gestrichelt dargestellt, kann der Wärmeaustauscher mit zusätzlichen Kanälen aus­ gestattet sein, die speziell für die Zirkulation von Dämpfen des Vorrates 13 während der Stillstandszeiten vorgesehen und ausgelegt sind. In diesem Fall endet die Leitung 14 unmittelbar an einer der Kammer 3 benachbar­ ten Einlaßkammer 3A, in die die zusätzlichen Kanäle münden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterschei­ det sich von derjenigen nach Fig. 1 in folgenden Punkten.

Einerseits sind die Träger 11 am warmen Ende des Wärmeaustauschers 1A mit elektrischen Widerständen 18 versehen, die es ermöglichen, diesem warmen Ende eine zusätzliche, geregelte Wärmemenge zuzuführen und folglich dieses warme Ende auf einer bestimmten Temperatur nahe der Umgebungstemperatur zu halten. Hierzu wird, gesteuert von jedem Träger 11 zugeord­ neten Temperaturfühlern 19, diesen Widerständen elektrischer Strom zugeführt.

Andererseits werden die Dämpfe oder Verdampfungen des flüssigen Stickstoffvorrats 13 über die Leitung 14 nicht mehr den Kammern 3 und 6 oder 3A sondern aufgesetzten Schlangen 20 zugeführt, die sich in wärmeaustauschender Verbindung mit den zwei gegenüber­ liegenden vertikalen Flächen des Wärmeaustauschers, die die Kammern 3 und 9 tragen, befinden.

Die zwei Schlangen 20 verlaufen im Zickzack (mäander­ förmig) über die gesamte Breite dieser Flächen, bzw. mit engerem Abstand der Mäanderabschnitte im kalten Bereich des Wärmeaustauschers, dort wo eine größere Kältemenge notwendig ist und mit einem in Richtung auf das obere Ende des Wärmeaustauschers zunehmend größer werdenden Abstand bis zu ihren Enden oder Auslässen nahe den Trägern 11, welche Auslässe mit einer gemeinsamen Leitung 21 zum Abzug des erwärmten Stickstoffes verbunden sind.

Die Schlangen 20 sind auf dem Wärmeaustauscher derart angeordnet, daß sie sich in wärmeleitender Verbindung mit allen dessen Kanälen befinden. Mit Vorteil kann hierbei eine mechanische Befestigung und eine Verklebung mittels eines geeigneten, wärmeleitenden, kältebeständigen Harzes kombiniert werden.

Der Wärmeaustauscher 1 oder 1A kann entweder in einem unter Atmosphärendruck stehenden Kühlbehälter bekannter Art oder, bei bestimmten anderen Anlagen, in einem evakuierten Raum angeordnet sein, der u. a. von dem äußeren Metallmantel 12 umschlossen wird.

Eine andere Möglichkeit zur Aufrechterhaltung eines Temperaturgradienten in dem Wärmeaustauscher während der Stillstandszeit der Anlage besteht darin, dem warmen Ende über die genannten Widerstände eine konstante elektrische Leistung zuzuführen, die Dämpfe oder Verdampfungen des Flüssigkeitsvorrates 13 dem kalten Ende des Wärmeaustauschers zuzuführen und die Temperatur des warmen Endes über den Durchfluß der Dämpfe der Flüssigkeitsreserve zu regeln. In diesem Sinne werden die Dämpfe des Vorrates 13 dem Wärme­ austauscher zugeführt (Absperrschieber 15 geöffnet), sobald die Temperatur am warmen Ende über einem oberen Grenzwert (z. B. 10°C) liegt. Umgekehrt läßt man die Dämpfe nicht mehr in den Wärmeaustauscher gelangen (Absperrschieber 15 geschlossen), sobald die Temperatur am warmen Ende unter einen unteren Grenzwert (beispielsweise 0°C) fällt. Infolge der dem warmen Ende zugeführten Wärme steigt dann die Temperatur des warmen Endes wieder an. Sobald sie über den oberen Grenzwert steigt, werden die Dämpfe des Vorrates dem Wärmeaustauscher von neuem zuge­ führt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeaustauschers in einer diskontinuierlich arbeitenden Anlage zum Behandeln von Fluiden, wobei während der von Stillstandszeiten unterbrochenen Betriebszeiten mindestens ein Kältemittel in ersten Kanälen des Wärmeaustauschers von dessen kaltem Ende zu dessen warmem Ende strömt und mindestens ein wärmeabgeben­ des oder zu kühlendes Fluid in zweiten Kanälen des Wärmeaustauschers von dessen warmem Ende zu dessen kaltem Ende strömt, dadurch gekennzeichnet, daß während der Stillstandszeiten dem warmen Ende Wärme und dem kalten Ende Kälte zugeführt wird, so daß diese beiden Enden auf Temperaturen gehalten werden, die relativ nahe bei den entsprechenden Temperaturen während der Betriebszeiten liegen, und daß zumindest die zugeführte Kälte oder die zugeführte Wärme von einem in der Anlage vorrätigen Fluid geliefert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jeder Stillstandszeit die zugeführte Wärme- und/oder Kältemenge zunehmend gesteigert wird um die Temperaturen der beiden Enden des Wärme­ austauschers zunehmend auf die den Betriebszeiten entsprechenden Temperaturen zu bringen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich während der Betriebszeiten das eine Ende des Wärmeaus­ tauschers auf einer Temperatur nahe der Umgebungs­ temperatur befindet, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ende des Wärmeaustauschers während der Still­ standszeiten in Wärmeaustausch mit der umgebenden Atmosphäre gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Tief­ temperaturanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das warme Ende durch Wärmeleitung (bei 11) in Wärme­ austausch mit der umgebenden Atmosphäre gebracht wird, und daß das kalte Ende in Wärmeaustausch mit den Dämpfen eines Vorratskältemittels der Anlage (13) gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem warmen Ende während der Stillstandszeiten eine zusätzliche Wärmemenge, insbesondere Joule′sche Wärme, zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmemenge konstant gehalten wird, daß man die Dämpfe zirkulieren läßt, sobald die Temperatur des warmen Endes einen oberen Grenz­ wert überschreitet, und daß man die Zirkulation unterbricht, sobald die Temperatur des warmen Endes einen unteren Grenzwert unterschreitet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dämpfe vom kalten zum warmen Ende des Wärmeaustauschers strömen läßt, entweder in den zweiten Kanälen oder in hierfür vorgesehenen, zusätzlichen Kanälen.

8. Wärmeaustauscher (1; 1A) für eine diskontinuierlich betriebene Anlage zum Behandeln von Fluiden, mit einem warmen und einem kalten Ende sowie ersten, sich vom kalten zum warmen Ende erstreckenden Kanälen für die Zirkulation eines Kältemittels, und zweiten, sich vom warmen zum kalten Ende erstrecken­ den Kanälen für die Zirkulation eines wärmeabgeben­ den oder zu kühlenden Fluids, dadurch gekennzeich­ net, daß einerseits an einem ersten Ende wärmelei­ tende Träger (11) sich bis zu einer Wärmequelle er­ strecken und andererseits Mittel (14, 16, 17; 3A; 20) vorgesehen sind, die ein Vorratsfluid der Anlage in Wärmeaustausch mit dem anderen Ende des Wärme­ austauschers bringen.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel gesonderte, in dem Wärme­ austauscher vorgesehene Kanäle für die Zirkulation des Vorratsfluids umfassen, welche Kanäle mit einem das Vorratsfluid enthaltenden Behälter (13) verbunden sind.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, mit verlöteten oder verschweißten Platten (2), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel eine Schlange (20) umfassen, die in wärmeleitender Verbindung auf jeder, die Stirnflächen der Platten enthaltenden Fläche des Wärmeaustauschers angeordnet und die Schlangen mit einem das Vorratsfluid enthaltenden Behälter verbunden sind.

11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlangen (20) eine Wärmeaus­ tauschfläche festlegen, die in der Nähe des ande­ ren Endes des Wärmeaustauschers (1A) größer ist.

12. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Träger (11) mit zusätzlichen Heizmitteln, insbeson­ dere elektrischen Heizwiderständen (18), ausge­ rüstet sind.