EP2841869B1 - Verfahren zur bereitstellung eines kühlmediums in einem sekundärkreis - Google Patents

Verfahren zur bereitstellung eines kühlmediums in einem sekundärkreis Download PDF

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EP2841869B1
EP2841869B1 EP13720299.0A EP13720299A EP2841869B1 EP 2841869 B1 EP2841869 B1 EP 2841869B1 EP 13720299 A EP13720299 A EP 13720299A EP 2841869 B1 EP2841869 B1 EP 2841869B1
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EP
European Patent Office
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primary
heat exchangers
primary heat
temperature
water
Prior art date
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Active
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EP13720299.0A
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EP2841869A1 (de
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Raymund KOMPA
Markus FÖRSTER
Andreas Walter
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B9/00—Auxiliary systems, arrangements, or devices
    • F28B9/04—Auxiliary systems, arrangements, or devices for feeding, collecting, and storing cooling water or other cooling liquid
    • F28B9/06—Auxiliary systems, arrangements, or devices for feeding, collecting, and storing cooling water or other cooling liquid with provision for re-cooling the cooling water or other cooling liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing a cooling medium with controlled flow temperature in a secondary circuit, wherein the cooling medium absorbs heat in the secondary circuit of one or more process coolers and then gives off heat to primary water in a primary circuit before it flows back to the process coolers. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method according to the invention, wherein the device comprises one or more process coolers in the secondary circuit and at least one temperature sensor in the flow to the process coolers.
  • WO 2011/149487 discloses a device having the features in the preamble of claim 7.
  • a common cooling medium is water, other examples are glycol water mixtures or methanol.
  • the cooling medium in the secondary circuit flows with a certain flow temperature into one or more process coolers and absorbs heat from the process, where it heats up. In order to bring the cooling medium back to the desired flow temperature, it is fed to one or more heat exchangers, in which it is cooled by primary water.
  • the cycle of primary water such as recooling water, river water or seawater, is referred to as the primary cycle. Accordingly, the heat exchangers in which the cooling medium is cooled by the primary water, called the primary heat exchanger.
  • a bypass line for bypassing the primary heat exchanger branches off in the secondary circuit.
  • the bypass line opens into the Conduction of the secondary circuit from the primary heat exchangers to the process coolers.
  • the “flow temperature” is understood here and below to mean the temperature in the secondary circuit in the flow to the process coolers.
  • flow to the process coolers refers to the section of the secondary circuit which is located between the entry of the bypass line into the secondary circuit and the first process heat exchanger.
  • “Overrun” is the section of the secondary circuit which is located between the exit from the at least one process heat exchanger and the branch of the bypass line. In the case of multiple process heat exchangers, the term “after-run” refers to the section of the secondary circuit which is located between the confluence of the outlet lines from the process heat exchangers and the branch line of the bypass line.
  • a temperature sensor is in the flow to the process coolers, and the bypass line is provided with an actuator, by means of which the flow temperature to the process coolers in the secondary circuit can be controlled. It is also possible to provide a plurality of temperature sensors in the flow to the process coolers, for example to realize a redundant measurement. Suitable temperature sensors, for example thermocouples, detect the temperature of the flowing cooling medium and provide a value for forwarding to a control device.
  • a temperature sensor or are several temperature sensors in the wake of the secondary circuit there is a temperature sensor or are several temperature sensors in the wake of the secondary circuit, and the bypass line is provided with an actuator by means of which the flow temperature to the process coolers in the secondary circuit can be controlled.
  • Suitable actuators make it possible to set the flow through the bypass line between a minimum value and a maximum value.
  • the minimum value is zero, which means a completely closed bypass line.
  • the maximum value preferably corresponds to a completely open bypass line. Any values for the flow can be set between the extreme values, preferably steplessly continuously.
  • Suitable actuators are known to the person skilled in the art, e.g. Flaps, ball valves or three-way valves.
  • a control device which has a setpoint for the flow temperature. From a comparison of the setpoint with the detected by the temperature sensor flow temperature, the control device generates an output signal for forwarding to the actuator.
  • the temperature of the cooling medium flowing through the bypass line is higher than the temperature of the cooling medium flowing from the primary heat exchangers to the process coolers.
  • the regulation therefore provides for the current through the bypass line to be reduced in the event of a flow temperature that is too high in comparison with the setpoint value and accordingly to increase the flow through the bypass line when the flow temperature is too low compared to the setpoint value.
  • a control device which has a setpoint for the follow-up temperature. From a comparison of the setpoint with the detected by the temperature sensor follow-up temperature, the control device generates an output signal for forwarding to the actuator. In this embodiment, too, the control provides for the current through the bypass line to be reduced when the overrun temperature is too high compared to the setpoint value, and the current through the bypass line to be increased accordingly when the setpoint temperature is too low compared to the setpoint value.
  • the flow of the cooling medium through the bypass line can also be influenced by the fact that actuators are present in the cooling medium lines to the primary heat exchangers or from the primary heat exchangers and adjusted in their degrees of opening.
  • actuators are present in the cooling medium lines to the primary heat exchangers or from the primary heat exchangers and adjusted in their degrees of opening.
  • a regulation of the bypass current by influencing an actuator in the bypass line is easier to implement and is therefore preferred.
  • control device may be an independent device, such as a compact controller, which is connected in terms of information technology with the temperature sensor and the actuator.
  • the control device can also be realized in combination with the actuator, for example in the form of a control valve.
  • the control device can also be integrated in a higher-level system for process control, for example in a process control system.
  • the primary heat exchangers are designed with regard to number and dimensioning to a high load case.
  • the cooling capacity of the primary circuit is adjusted by switching off one or more of the primary heat exchangers, with at least one primary heat exchanger remaining in operation.
  • high load case and low load case are understood to mean operating states as defined above.
  • the primary heat exchangers are designed such that in a reduced load, a heat exchanger is sufficient to cool the cooling medium to the desired flow temperature by utilizing a maximum allowable temperature difference between primary water inlet and outlet.
  • a heat exchanger is provided, which are preferably also individually designed for the maximum permissible temperature difference between primary water inlet and outlet, and are in total suitable for the minimum temperature difference in the high load case.
  • the maximum permissible temperature difference between primary water inlet and outlet is often prescribed by the authorities, for example to a value of 15 K.
  • the bypass line is preferably designed in terms of their capacity such that the control range of the bypass line is sufficient to control the flow temperature in the secondary circuit bumplessly when switching off and the connection of a primary heat exchanger.
  • the flow is not actively regulated, but results from the pressure difference between the primary water side inlet and the outlet of the primary heat exchanger. Variations in this pressure difference also result in fluctuations in the flow rate. If the temperature of the primary water drops or the amount of heat to be removed from the cooling medium decreases, e.g. by reducing the flow rate of cooling medium through a primary heat exchanger or by reducing the cooling medium temperature when exiting the process coolers, the cooling medium temperature drops at the outlet of this primary heat exchanger. Accordingly, the outlet temperature of the cooling medium increases with a temperature increase of the primary water and / or an increase in the amount of heat to be removed from the cooling medium.
  • the capacity adjustment is made by switching on or off of primary heat exchangers such that the pressure drop of the primary water when flowing through the primary heat exchanger in operation is at least 300 mbar, more preferably at least 800 mbar. This significantly reduces the likelihood of deposits forming on the primary water side.
  • the at least two primary heat exchangers can be interconnected in different ways.
  • the primary heat exchangers are preferably connected in parallel both on the side of the primary circuit and on the side of the secondary circuit.
  • All heat exchangers known to the person skilled in the art for this purpose can be used as the primary heat exchanger, preferably plate heat exchangers or tube bundle heat exchangers are used, particularly preferably sealed or welded plate heat exchangers.
  • the most preferred plate heat exchangers are usually designed for a high pressure loss. This is advantageous if the bypass is to be realized without additional conveying devices such as pumps.
  • the primary water is recooling water, river water, sea water or brackish water.
  • recooling water is meant water, which has been cooled by a device such as a cooling tower or a recooling plant in process plants.
  • the invention offers several advantages.
  • the provision of at least two primary heat exchangers working together in the High load case provide the required cooling capacity, but in partial load can be partially shut down, makes it possible to operate the individual primary heat exchanger with almost constant flow on the primary water side, which prevents premature fouling.
  • this offers the possibility, in the case of reduced load, the primary heat exchanger alternately on and off, which allows easy inspection and possibly maintenance or cleaning.
  • the minimum amount of primary water required to provide the cooling capacity is significantly reduced.
  • Another advantage is the fact that a control of the flow temperature by means of the bypass flow is much easier, faster and more robust to accomplish than a regulation on the flow rate of primary water, as practiced in the prior art.
  • Fig. 1 shows a cooling system according to the prior art in which flows in a secondary circuit 20, a cooling medium to process coolers 22, receives heat there and in a primary heat exchanger 12 heat to primary water in a primary circuit 10 before it flows back to the process coolers 22.
  • the process coolers can be of different types, for example plate, tube bundle, spiral heat exchangers or casings of pipes or containers for their cooling.
  • the flow temperature of the cooling medium before the process coolers 22 is detected by means of a temperature sensor and regulated by a control device 24 to a specific setpoint.
  • the amount of primary water in the primary circuit 10 acts as a control variable for the control.
  • Fig. 2 a first preferred embodiment of the method according to the invention is shown.
  • the cooling medium leaving the process cooler 22 is passed through two primary heat exchangers 12, 14, where it gives off heat to primary water in a primary circuit 10.
  • the primary heat exchangers are connected in parallel both on the side of the primary circuit and on the side of the secondary circuit.
  • a bypass line 26 which opens after the exit of the cooling medium from the primary heat exchangers back into the secondary circuit 20.
  • the control 24 of the flow temperature the cooling medium to the process coolers 22 via the adjustment of the current in the bypass line.
  • both primary heat exchangers 12 and 14 are in operation, while in the low load case, the capacity of a primary heat exchanger is sufficient to sufficiently cool the cooling medium in the secondary circuit 20. In this case, one of the primary heat exchangers is switched off by closing the corresponding valves in the secondary circuit.
  • Fig. 3 a further preferred embodiment of the method according to the invention is shown.
  • the primary heat exchangers 12 and 14 are connected in parallel by the primary circuit and in series by the secondary circuit.
  • bypasses are provided in the secondary circuit, which can be switched on and off via valves.
  • Fig. 4 shows a further preferred embodiment of the method according to the invention, in which the primary heat exchanger 12, 14 are connected in parallel on the secondary side.
  • the interconnection On the side of the primary circuit, the interconnection is kept flexible.
  • the valves 12, 14 can be switched off alternately by closing the corresponding valves in the secondary circuit.
  • the number of heat exchangers shown in the figures is merely exemplary and not limited thereto. It is advantageous if more than two primary heat exchangers are present. The more primary heat exchangers are available, the more flexible it is possible to switch on and off individual primary heat exchangers in order to optimally match the currently available load case. On the other hand, this also increases the investment costs. Preferably, two to three primary heat exchangers are provided.
  • a selection criterion for the number of primary heat exchangers can be derived from the temperature gradients of the primary water.
  • the optimum number of primary heat exchangers is estimated by the quotient of the maximum permissible temperature difference and the typical temperature difference in the high load case.
  • the maximum allowable temperature difference between primary water entry and exit is 15 K when using river water as primary water.
  • the water returned to the river must not exceed 33 ° C.
  • Fig. 5 schematically shows the time course of the primary water temperature T (dashed curve) and the number of operating in primary heat exchangers N (solid lines, right scale) over a period of 12 months.
  • the primary water used is river water, which has the lowest temperature in the winter months of December and January, eg 4 ° C. The maximum permissible temperature difference can be fully exploited, so that a primary heat exchanger is sufficient to sufficiently cool the cooling medium in the secondary circuit.
  • the method according to the invention causes flexible cooling capacities to be made available adapted to the current needs.
  • Example shown are a primary heat exchanger for a period of five and a half months, three primary heat exchangers for a period of three and a half months and three primary heat exchangers for a period of three months. Compared to a pure design for the high load case can be drastically reduced by the inventive method, the required amount of primary water.
  • each primary heat exchanger flows through a substantially constant amount of water, which prevents soiling and fouling. Except in the summer months, the heat exchangers that are currently not in operation can be easily maintained and cleaned without affecting the operation of the systems in the secondary circuit. Assuming that in systems according to the state of the art, in which only a primary heat exchanger designed for high load cases is used, in which the amount of primary water is reduced in the case of reduced load, once a year a pollution-related shutdown of about 3 days is required, can be through the inventive Method increase the plant capacity by approx. 1%. For more frequent or longer shutdown times, the economic advantage increases accordingly.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kühlmediums mit geregelter Vorlauftemperatur in einem Sekundärkreis, wobei das Kühlmedium im Sekundärkreis von einem oder mehreren Prozesskühlern Wärme aufnimmt und anschließend Wärme an Primärwasser in einem Primärkreis abgibt, bevor es wieder den Prozesskühlern zufließt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Prozesskühler im Sekundärkreis sowie mindestens einen Temperatursensor im Vorlauf zu den Prozesskühlern umfasst. WO 2011/149487 offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
  • In vielen verfahrenstechnischen Prozessen ist es erforderlich, Wärme aus Apparaten oder Anlagenteilen abzuführen. Dazu wird häufig Primärwasser eingesetzt, das insbesondere bei großtechnischen Prozessen als Rückkühlwasser, Flusswasser oder Meerwasser zur Verfügung steht. Aus Sicht der Prozessführung ist es wünschenswert, dass die Kühlung der Apparate oder Anlagenteile bei einer möglichst konstanten Temperatur erfolgt. Aus Sicht der Sicherheit und des Umweltschutzes soll verhindert werden, dass bei Leckagen beispielsweise gegebenenfalls schädliche Substanzen in die natürlichen Gewässer gelangen. Diese Anforderungen können erfüllt werden, indem das Primärwasser nicht direkt mit den zu kühlenden Apparaten in Kontakt gebracht wird, sondern ein Kühlmedium in einem geschlossenen Zwischenkreis, auch Sekundärkreis genannt, verwendet wird. Das Kühlmedium wird den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend ausgewählt. Ein gebräuchliches Kühlmedium ist Wasser, weitere Beispiele sind GlykolWasser-Gemische oder Methanol.
    Das Kühlmedium in dem Sekundärkreis strömt mit einer bestimmten Vorlauftemperatur in einen oder mehrere Prozesskühler und nimmt dort Wärme aus dem Prozess auf, wobei es sich erwärmt. Um das Kühlmedium wieder auf die gewünschte Vorlauftemperatur zu bringen, wird es einem oder mehreren Wärmetauschern zugeführt, in denen es durch Primärwasser abgekühlt wird. Der Kreislauf des Primärwassers, beispielsweise Rückkühlwasser, Flusswasser oder Meerwasser, wird als Primärkreislauf bezeichnet. Entsprechend werden die Wärmetauscher, in denen das Kühlmedium durch das Primärwasser abgekühlt wird, als Primärwärmetauscher bezeichnet.
    Die Aufteilung der Kühlung in einen von Primärwasser durchflossenen Primärkreis und einen von einem Kühlmedium durchflossenen Sekundärkreis ist eine etablierte Technik und bietet mehrere Vorteile. Im Fall einer Leckage an einem Apparat oder einem Prozesskühler können gegebenenfalls schädliche Substanzen zwar in das Kühlmedium gelangen, das Primärwasser im Primärkreislauf bleibt von einer Kontamination jedoch verschont. Dadurch, dass der Sekundärkreis geschlossenen ist, verschmutzen andererseits die Prozesskühler in der Anlage weniger als bei einer direkten Kühlung mit Flusswasser beispielsweise.
    Diese Vorgehensweise ermöglicht es auch, unabhängig von tages- und jahreszeitlich bedingten Schwankungen im Primärwasser die Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern auf einen gewünschten Wert einzustellen. Üblicherweise werden die Primärwärmetauscher hinsichtlich Anzahl und Dimensionierung derart ausgelegt, dass sie im Hochlastfall dem Kühlmedium genügend Wärme entziehen können. Zur Definition des Hochlastfalles wird ein Zustand angenommen, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen dem in den Wärmetauscher eintretenden Kühlmedium und dem eintretenden Primärwasser einen bestimmten minimal zulässigen Wert aufweist. Bei einem gegebenen Wert für das eintretende Kühlmedium ergibt sich daraus ein maximal zulässiger Wert für das eintretende Primärwasser. In Mitteleuropa ist der Hochlastfall daher in der Regel in den Sommermonaten gegeben, in denen Flusswasser beispielsweise Temperaturen von 28°C oder mehr erreichen kann.
    Demgegenüber wird von einem Minderlastfall gesprochen, wenn die Temperaturdifferenz zwischen in die Primärwärmetauscher eintretendem Kühlmedium und eintretendem Primärwasser große Werte annimmt. In Mitteleuropa tritt dieser Fall üblicherweise in den Wintermonaten ein, wenn die Temperatur von Flusswasser beispielsweise auf Werte von 4°C oder darunter absinken kann. Weiterhin wird von einem Minderlastfall gesprochen, wenn nur wenig Wärme von dem Kühlmedium im Sekundärkreis auf das Primärwasser übertragen werden muss, beispielsweise wenn eine Anlage nicht mit maximaler Kapazität betrieben wird oder ganz abgestellt wird, sodass in den Primärkühlern weniger Wärme von dem Kühlmedium auf das Primärwasser übertragen wird. Um in diesen Fällen die Vorlauftemperatur des Kühlmediums zu den Prozesskühlern auf dem gleichen Wert zu halten wie im Hochlastfall, ist weniger Primärwasser erforderlich, sodass üblicherweise der Mengenstrom an Primärwasser zu den Primärwärmetauschern reduziert wird.
    Diese Vorgehensweise ist insofern nachteilig, als im Minderlastfall aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeiten die Primärwärmetauscher auf der Primärwasserseite zur Verschmutzung neigen, dem sogenannten Fouling. Darüber hinaus ist eine Regelung der Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern über den Primärwasserzustrom zu den Primärwärmetauschern träge. Es stellte sich die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Kühlung bereitzustellen, bei dem Verschmutzungen der Primärwärmetauscher verringert werden und die Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern schnell und robust geregelt werden kann.
    Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen 2 bis 6. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung eines Kühlmediums mit geregelter Vorlauftemperatur in einem Sekundärkreis nimmt das Kühlmedium im Sekundärkreis von einem oder mehreren Prozesskühlern Wärme auf und gibt anschließend Wärme an Primärwasser in einem Primärkreis ab, bevor es wieder den Prozesskühlern zufließt. Es sind mindestens zwei Primärwärmetauscher zur Kühlung des Kühlmediums vorhanden. Nach dem Austritt aus den Prozesskühlern und vor dem Eintritt in die Primärwärmetauscher zweigt im Sekundärkreis eine Bypassleitung zur Umgehung der Primärwärmetauscher ab. Die Bypassleitung mündet in die Leitung des Sekundärkreises von den Primärwärmetauschern zu den Prozesskühlern. Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung der Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern im Sekundärkreis über die Einstellung des Bypassstromes. Unter der "Vorlauftemperatur" wird hier und im Folgenden die Temperatur im Sekundärkreis im Vorlauf zu den Prozesskühlern verstanden. Als "Vorlauf zu den Prozesskühlern" wird der Abschnitt des Sekundärkreises bezeichnet, der sich zwischen dem Eintritt der Bypassleitung in den Sekundärkreis und dem ersten Prozesswärmetauscher befindet. Als "Nachlauf" wird der Abschnitt des Sekundärkreises bezeichnet, der sich zwischen dem Austritt aus dem mindestens einen Prozesswärmetauscher und der Abzweigung der Bypassleitung befindet. Bei mehreren Prozesswärmetauschern wird als "Nachlauf" der Abschnitt des Sekundärkreises bezeichnet, der sich zwischen dem Zusammenfluss der Austrittsleitungen aus den Prozesswärmetauschern und der Abzweigung der Bypassleitung befindet.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich ein Temperatursensor im Vorlauf zu den Prozesskühlern, und die Bypassleitung ist mit einem Stellorgan versehen, mit Hilfe dessen die Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern im Sekundärkreis regelbar ist. Es können auch mehrere Temperatursensoren im Vorlauf zu den Prozesskühlern vorgesehen sein, beispielsweise um eine redundante Messung zu realisieren. Geeignete Temperatursensoren, beispielsweise Thermoelemente, erfassen die Temperatur des strömenden Kühlmediums und stellen einen Wert zur Weiterleitung an eine Regeleinrichtung zur Verfügung.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung befindet sich ein Temperatursensor oder befinden sich mehrere Temperatursensoren im Nachlauf des Sekundärkreises, und die Bypassleitung ist mit einem Stellorgan versehen, mit Hilfe dessen die Vorlauftemperatur zu den Prozesskühlern im Sekundärkreis regelbar ist.
  • Geeignete Stellorgane erlauben es, die Strömung durch die Bypassleitung zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert einzustellen. Bevorzugt ist der Minimalwert gleich null, was eine vollständig geschlossene Bypassleitung bedeutet. Der Maximalwert entspricht vorzugsweise einer vollständig geöffneten Bypassleitung. Zwischen den Extremwerten lassen sich beliebige Werte für die Strömung einstellen, bevorzugt stufenlos kontinuierlich. Geeignete Stellorgane sind dem Fachmann bekannt, z.B. Klappen, Kugelventile oder Dreiwegeventile.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Regeleinrichtung vorhanden, die über einen Sollwert für die Vorlauftemperatur verfügt. Aus einem Vergleich des Sollwerts mit der durch den Temperatursensor erfassten Vorlauftemperatur erzeugt die Regeleinrichtung ein Ausgangssignal zur Weiterleitung an das Stellorgan. Die Temperatur des Kühlmediums, das durch die Bypassleitung strömt, ist höher als die Temperatur des Kühlmediums, das aus den Primärwärmetauschern zu den Prozesskühlern strömt. Die Regelung sieht daher vor, bei einer im Vergleich zum Sollwert zu hohen Vorlauftemperatur den Strom durch die Bypassleitung zu reduzieren, und entsprechend bei einer im Vergleich zum Sollwert zu niedrigen Vorlauftemperatur den Strom durch die Bypassleitung zu erhöhen.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Regeleinrichtung vorhanden, die über einen Sollwert für die Nachlauftemperatur verfügt. Aus einem Vergleich des Sollwerts mit der durch den Temperatursensor erfassten Nachlauftemperatur erzeugt die Regeleinrichtung ein Ausgangssignal zur Weiterleitung an das Stellorgan. Auch in dieser Ausgestaltung sieht die Regelung vor, bei einer im Vergleich zum Sollwert zu hohen Nachlauftemperatur den Strom durch die Bypassleitung zu reduzieren, und entsprechend bei einer im Vergleich zum Sollwert zu niedrigen Nachlauftemperatur den Strom durch die Bypassleitung zu erhöhen.
  • Der Strom des Kühlmediums durch die Bypassleitung kann auch dadurch beeinflusst werden, dass Stellorgane in den Kühlmedium-Leitungen zu den Primärwärmetauschern oder aus den Primärwärmetauschern vorhanden sind und in ihren Öffnungsgraden entsprechend eingestellt werden. Eine Regelung des Bypassstromes durch Beeinflussung eines Stellorgans in der Bypassleitung ist jedoch einfacher zu realisieren und ist daher bevorzugt.
  • Bei der Regeleinrichtung kann es sich um ein eigenständiges Gerät handeln, beispielsweise einen Kompaktregler, das informationstechnisch mit dem Temperatursensor und dem Stellorgan verbunden ist. Die Regeleinrichtung kann auch in Kombination mit dem Stellorgan realisiert sein, beispielsweise in Form eines Stellventils. Alternativ kann die Regeleinrichtung auch in einem übergeordneten System zur Prozessführung integriert sein, beispielsweise in einem Prozessleitsystem.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Primärwärmetauscher im Hinblick auf Anzahl und Dimensionierung auf einen Hochlastfall ausgelegt. Im Minderlastfall wird die Kühlkapazität des Primärkreises durch Abschalten eines oder mehrerer der Primärwärmetauscher angepasst, wobei mindestens ein Primärwärmetauscher in Betrieb bleibt. Unter den Begriffen "Hochlastfall" und "Minderlastfall" werden Betriebszustände verstanden, wie sie oben definiert sind.
  • In einer weiterhin bevorzugten Variante werden die Primärwärmetauscher derart ausgelegt, dass im Minderlastfall ein Wärmetauscher ausreicht, um unter Ausnutzung eines maximal zulässigen Temperaturunterschieds zwischen Primärwassereintritt und -austritt das Kühlmedium auf die gewünschte Vorlauftemperatur zu kühlen. Für den Hochlastfall werden entsprechend mehr Wärmetauscher vorgesehen, die bevorzugt einzeln ebenfalls auf den maximal zulässigen Temperaturunterschied zwischen Primärwassereintritt und -austritt ausgelegt werden, und in Summe für die minimale Temperaturdifferenz im Hochlastfall geeignet sind. Der maximal zulässige Temperaturunterschied zwischen Primärwassereintritt und -austritt ist häufig behördlich vorgegeben, beispielsweise auf einen Wert von 15 K. Durch diese Maßnahme kann über den gesamten jahreszeitlich veränderlichen Lastbereich das Primärwasser effizient genutzt und die erforderliche Mindestmenge an Primärwasser deutlich reduziert werden.
  • Die Bypassleitung wird hinsichtlich ihrer Kapazität bevorzugt derart ausgelegt, dass der Regelbereich der Bypassleitung ausreicht, um bei der Abschaltung und der Zuschaltung eines Primärwärmetauschers die Vorlauftemperatur im Sekundärkreis stoßfrei zu regeln.
  • Bei der Auslegung der Bypassleitung wird weiterhin bevorzugt berücksichtigt, dass tageszeitliche Schwankungen der Primärwassertemperatur allein durch die Regelung des Stroms durch die Bypassleitung kompensiert werden können. Eine Zu- oder Abschaltung von Primärwärmetauschern ist für diesen Fall nicht vorgesehen.
  • Besonders bevorzugt wird der Durchfluss an Primärwasser durch den oder die Primärwärmetauscher im Wesentlichen konstant gehalten. Der Durchfluss wird hierbei nicht aktiv geregelt, sondern ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen primärwasserseitigem Einlass und Auslass der Primärwärmetauscher. Bei Schwankungen dieser Druckdifferenz ergeben sich auch Schwankungen in der Durchflussmenge. Sinkt die Temperatur des Primärwassers, oder verringert sich die dem Kühlmedium zu entziehende Wärmemenge, z.B. durch eine Verringerung der Durchflussmenge an Kühlmedium durch einen Primärwärmetauscher oder durch eine Verringerung der Kühlmediumtemperatur beim Austritt aus den Prozesskühlern, so sinkt die Kühlmediumtemperatur am Austritt aus diesem Primärwärmetauscher. Entsprechend erhöht sich die Austrittstemperatur des Kühlmediums bei einer Temperaturerhöhung des Primärwassers und/oder einer Steigerung der dem Kühlmedium zu entziehenden Wärmemenge.
  • In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Kapazitätsanpassung durch Zu- oder Abschalten von Primärwärmetauschern derart vorgenommen, dass der Druckverlust des Primärwassers beim Durchströmen der in Betrieb befindlichen Primärwärmetauscher jeweils mindestens 300 mbar, besonders bevorzugt mindestens 800 mbar beträgt. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass sich Ablagerungen auf der Primärwasserseite bilden, deutlich reduziert.
  • Die mindestens zwei Primärwärmetauscher können auf unterschiedliche Arten verschaltet sein. Bevorzugt sind die Primärwärmetauscher sowohl auf Seiten des Primärkreises als auch auf Seiten des Sekundärkreises parallel geschaltet.
  • Als Primärwärmetauscher können sämtliche, dem Fachmann für diesen Zweck bekannte Wärmetauscher verwendet werden, vorzugsweise werden Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, besonders bevorzugt gedichtete oder geschweißte Plattenwärmetauscher. Die besonders bevorzugten Plattenwärmetauscher werden üblicherweise auf einen hohen Druckverlust hin ausgelegt. Dies ist von Vorteil, wenn der Bypass ohne zusätzliche Fördereinrichtungen wie Pumpen realisiert werden soll.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Primärwasser um Rückkühlwasser, Flusswasser, Meerwasser oder Brackwasser. Unter "Rückkühlwasser" wird dabei Wasser verstanden, das durch eine Einrichtung wie einen Kühlturm oder ein Rückkühlwerk in verfahrenstechnischen Anlagen gekühlt wurde.
  • Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bietet die Erfindung mehrere Vorteile. Die Bereitstellung von mindestens zwei Primärwärmetauschern, die gemeinsam im Hochlastfall die erforderliche Kühlkapazität stellen, im Minderlastfall aber teilweise abgeschaltet werden können, ermöglicht es, die einzelnen Primärwärmetauscher mit nahezu konstanter Durchströmung auf der Primärwasserseite zu betreiben, was einem vorzeitigen Fouling vorbeugt. Ferner bietet sich dadurch die Möglichkeit, im Minderlastfall die Primärwärmetauscher abwechselnd zu- und abzuschalten, was eine einfache Inspektion und gegebenenfalls Wartung oder Reinigung ermöglicht. Weiterhin wird die zur Bereitstellung der Kühlkapazität erforderliche Mindestmenge an Primärwasser deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine Regelung der Vorlauftemperatur mit Hilfe des Bypassstromes wesentlich einfacher, schneller und robuster zu bewerkstelligen ist als eine Regelung über die Durchflussmenge an Primärwasser, wie sie im Stand der Technik praktiziert wird.
  • Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf die Anzahl, Art und Verschaltung von Wärmetauschern, dar. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    Prinzipskizze eines Kühlsystems gemäß dem Stand der Technik
    Fig. 2:
    Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kühlsystems
    Fig. 3:
    Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kühlsystems mit sekundärseitiger Reihenschaltung der Primärwärmetauscher
    Fig. 4:
    Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kühlsystems mit primärseitig flexibler Verschaltung der Primärwärmetauscher
    Fig. 5:
    Zeitlicher Verlauf der Primärwassertemperatur und der Anzahl an in Betrieb befindlichen Primärwärmetauschern
  • Fig. 1 zeigt ein Kühlsystem gemäß dem Stand der Technik, bei dem in einem Sekundärkreis 20 ein Kühlmedium zu Prozesskühlern 22 strömt, dort Wärme aufnimmt und in einem Primärwärmetauscher 12 Wärme an Primärwasser in einem Primärkreis 10 abgibt, bevor es zu den Prozesskühlern 22 zurückströmt. Die Prozesskühler können von unterschiedlicher Bauart sein, beispielsweise Platten-, Rohrbündel-, Spiralwärmetauscher oder Ummantelungen von Rohren oder Behältern zu deren Kühlung. Die Vorlauftemperatur des Kühlmediums vor den Prozesskühlern 22 wird mit Hilfe eines Temperatursensors erfasst und durch eine Regeleinrichtung 24 auf einen bestimmten Sollwert geregelt. Als Stellgröße für die Regelung fungiert die Menge an Primärwasser im Primärkreis 10.
  • In Fig. 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Kühlmedium, das die Prozesskühler 22 verlässt, wird durch zwei Primärwärmetauscher 12, 14 geleitet, wo es Wärme an Primärwasser in einem Primärkreis 10 abgibt. In dem dargestellten, bevorzugten Fall sind die Primärwärmetauscher sowohl auf Seiten des Primärkreises als auch auf Seiten des Sekundärkreises parallel geschaltet. Zwischen dem Austritt des Kühlmediums aus den Prozesskühlern 22 und seinem Eintritt in die Primärwärmetauscher 12, 14 zweigt eine Bypassleitung 26 ab, die nach dem Austritt des Kühlmediums aus den Primärwärmetauschern wieder in den Sekundärkreis 20 mündet. Die Regelung 24 der Vorlauftemperatur des Kühlmediums zu den Prozesskühlern 22 erfolgt über die Einstellung des Stromes in der Bypassleitung. Im Hochlastfall sind beide Primärwärmetauscher 12 und 14 in Betrieb, während im Minderlastfall die Kapazität eines Primärwärmetauschers ausreicht, um das Kühlmedium im Sekundärkreis 20 hinreichend zu kühlen. In diesem Fall wird durch das Schließen der entsprechenden Ventile im Sekundärkreis einer der Primärwärmetauscher abgeschaltet.
  • In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In diesem Beispiel sind die Primärwärmetauscher 12 und 14 seitens des Primärkreises parallel und seitens des Sekundärkreises in Reihe verschaltet. Um im Minderlastfall den Primärwärmetauscher 12 oder 14 abschalten zu können, sind im Sekundärkreis Umgänge vorgesehen, die über Ventile zu- und abgeschaltet werden können.
  • Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Primärwärmetauscher 12, 14 sekundärseitig parallel geschaltet sind. Auf Seiten des Primärkreises ist die Verschaltung flexibel gehalten. Durch entsprechendes Öffnen und Schließen der beispielhaft dargestellten Ventile lässt sich primärseitig eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung realisieren. Außerdem können die Primärwärmetauscher 12, 14 wechselseitig durch Schließen der entsprechenden Ventile im Sekundärkreis abgeschaltet werden.
  • Die Abbildungen dienen lediglich der Illustration. Von den Darstellungen abweichende Konfigurationen und Verschaltungen sind selbstverständlich ebenfalls unter die Erfindung fallend aufzufassen, solange die Regelung der Vorlauftemperatur im Sekundärkreis durch Einstellung des Bypassstromes erfolgt.
  • Insbesondere ist die Anzahl der in den Abbildungen dargestellten Wärmetauscher lediglich beispielhaft und nicht darauf begrenzt. Es ist von Vorteil, wenn mehr als zwei Primärwärmetauscher vorhanden sind. Je mehr Primärwärmetauscher zur Verfügung stehen, umso flexibler lassen sich Zu- und Abschaltungen von einzelnen Primärwärmetauschern vornehmen, um eine optimale Abstimmung auf den aktuell vorliegenden Lastfall vorzunehmen. Andererseits steigen damit auch die Investitionskosten. Vorzugsweise werden zwei bis drei Primärwärmetauscher vorgesehen.
  • Ein Auswahlkriterium für die Anzahl an Primärwärmetauschern lässt sich aus den Temperaturgradienten des Primärwassers ableiten. Vorzugsweise wird die optimale Anzahl an Primärwärmetauschern durch den Quotient aus der maximal zulässigen Temperaturdifferenz und der typischen Temperaturdifferenz im Hochlastfall abgeschätzt. Für den Standort Ludwigshafen am Rhein, Deutschland, beispielsweise beträgt der behördlich maximal zulässige Temperaturunterschied zwischen Primärwassereintritt und -austritt 15 K bei der Verwendung von Flusswasser als Primärwasser. Außerdem darf das in den Fluss zurückgeleitete Wasser einen Wert von 33°C nicht übersteigen. Im Hochlastfall in den Sommermonaten, in denen das Flusswasser Temperaturen von 28°C erreichen kann, sind daher Temperaturunterschiede zwischen Primärwassereintritt und -austritt von 5 K üblich. Somit ergibt sich ein Quotient von 15 K / 5 K = 3. Es werden daher vorteilhaft drei Primärwärmetauscher vorgesehen, die so ausgelegt sind, dass jeder der drei Wärmetauscher alleine dem Kühlmedium im Sekundärkreis die erforderliche Wärmemenge entziehen kann, wenn der maximal zulässige Temperaturunterschied von 15 K ausgeschöpft wird.
  • In Fig. 5 ist schematisch der zeitliche Verlauf der Primärwassertemperatur T (gestrichelte Kurve) und der Anzahl an in Betrieb befindlichen Primärwärmetauschern N (durchgezogene Linien, rechte Skala) über einen Zeitraum von 12 Monaten dargestellt. In dieser beispielhaften Darstellung wird davon ausgegangen, dass die aus dem Sekundärkreis abzuführende Wärmemenge über den betrachteten Zeitraum konstant bleibt. Als Primärwasser wird Flusswasser verwendet, das in den Wintermonaten Dezember und Januar die niedrigste Temperatur aufweist, z.B. 4°C. Die maximal zulässige Temperaturdifferenz kann voll ausgeschöpft werden, sodass ein Primärwärmetauscher ausreicht, um das Kühlmedium im Sekundärkreis hinreichend zu kühlen. Sobald das Flusswasser über einen Wert ansteigt, ab dem unter Berücksichtigung einer gewissen Schwankungsbreite der maximal zulässige Temperaturunterschied nicht mehr gewährleistet werden kann, wird ein weiterer Primärwärmetauscher in Betrieb genommen. Bei einer angenommenen Schwankungsbreite von 3 K und einem Maximalwert von 33°C für das in den Fluss abgegebene Wasser ergibt sich ein Wert von 15°C, ab dem der zweite Primärwärmetauscher in Betrieb genommen wird. Im Beispiel gemäß Fig. 5 ist dies Mitte April der Fall. Anfang Juni steigt die Temperatur des Flusswassers auf einen Wert an, ab dem der dritte Primärwärmetauscher erforderlich wird, um zuverlässig einerseits die erforderliche Wärmemenge abzuführen und andererseits den Maximalwert von 33°C nicht zu überschreiten. Über die Sommermonate Juni, Juli und August sind drei Primärwärmetauscher in Betrieb, bis die Flusswassertemperatur wieder soweit abgesunken ist, dass zwei Primärwärmetauscher ausreichen, im Beispiel Anfang September. Ende Oktober ist die Flusswassertemperatur noch weiter abgesungen, z.B. unter 15°C, sodass wieder ein Primärwärmetauscher ausreicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, dass sich angepasst an die aktuellen Bedürfnisse flexibel Kühlkapazitäten zur Verfügung stellen lassen. In dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel sind für eine Dauer von fünfeinhalb Monaten ein Primärwärmetauscher, für eine Dauer von dreieinhalb Monaten zwei Primärwärmetauscher und für eine Dauer von drei Monaten drei Primärwärmetauscher in Betrieb. Im Vergleich zu einer reinen Auslegung auf den Hochlastfall lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die benötigte Primärwassermenge drastisch reduzieren.
  • Primärwasserseitig wird jeder Primärwärmetauscher mit einer im Wesentlichen konstanten Wassermenge durchströmt, was einem Verschmutzen und Fouling vorbeugt. Außer in den Sommermonaten können die gerade nicht in Betrieb befindlichen Wärmetauscher problemlos gewartet und gereinigt werden, ohne den Betrieb der Anlagen im Sekundärkreis zu beeinträchtigen. Unter der Annahme, dass bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik, bei denen lediglich ein auf den Hochlastfall ausgelegter Primärwärmetauscher vorhanden ist, bei dem im Minderlastfall die Menge an Primärwasser reduziert wird, einmal jährlich eine verschmutzungsbedingte Anlagenabstellung von ca. 3 Tagen Dauer erforderlich ist, lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Anlagenkapazität um ca. 1% erhöhen. Bei häufigeren oder längeren Abstellzeiten vergrößert sich der wirtschaftliche Vorteil entsprechend.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bereitstellung eines Kühlmediums mit geregelter Vorlauftemperatur in einem Sekundärkreis (20), wobei das Kühlmedium im Sekundärkreis (20) von einem oder mehreren Prozesskühlern (22) Wärme aufnimmt und anschließend Wärme an Primärwasser in einem Primärkreis (10) abgibt, bevor es wieder den Prozesskühlern (22) zufließt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Primärwärmetauscher (12, 14) zur Kühlung des Kühlmediums vorhanden sind, ferner eine Bypassleitung (26) im Sekundärkreis (20) nach Austritt aus den Prozesskühlern (22) zur Umgehung der Primärwärmetauscher (12, 14) abzweigt, und die Regelung der Temperatur im Sekundärkreis (20) im Vorlauf zu den Prozesskühlern (22) über die Einstellung des Bypassstromes erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Anzahl und Dimensionierung der Primärwärmetauscher (12, 14) auf einen Hochlastfall ausgelegt sind, und in einem Minderlastfall die Kühlkapazität des Primärkreises (10) durch Abschalten eines oder mehrerer der Primärwärmetauscher (12, 14) angepasst wird, wobei mindestens ein Primärwärmetauscher in Betrieb bleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kapazitätsanpassung derart vorgenommen wird, dass der Druckverlust des Primärwassers durch die in Betrieb befindlichen Primärwärmetauscher (12, 14) jeweils mindestens 300 mbar, bevorzugt mindestens 800 mbar beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Primärwärmetauscher (12, 14) auf einen maximal zulässigen Temperaturunterschied zwischen Primärwassereintritt und Primärwasseraustritt ausgelegt sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Primärwärmetauscher (12, 14) sowohl auf Seiten des Primärkreises (10) als auch auf Seiten des Sekundärkreises (20) parallel geschaltet sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Primärwärmetauscher (12, 14) Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher, insbesondere gedichtete oder geschweißte Plattenwärmetauscher eingesetzt werden.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen oder mehrere Prozesskühler (22) im Sekundärkreis (20) sowie mindestens einen Temperatursensor im Vorlauf zu den Prozesskühlern (22), wobei mindestens zwei Primärwärmetauscher (12, 14) vorhanden sind, in denen das Kühlmedium des Sekundärkreises (20) Wärme an das Primärwasser des Primärkreises (10) abgeben kann, und wobei ferner eine Bypassleitung (26) vorhanden ist, die im Sekundärkreis (20) nach Austritt aus den Prozesskühlern (22) zur Umgehung der Primärwärmetauscher (12, 14) abzweigt und mit einem Stellorgan versehen ist, mit Hilfe dessen die Temperatur im Sekundärkreis (20) im Vorlauf zu den Prozesskühlern (22) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwärmetauscher (12, 14) sowohl auf Seiten des Primärkreises (10) als auch auf Seiten des Sekundärkreises (20) parallel geschaltet sind.
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