EP3594596A1 - Verfahren zum betreiben eines wärmeübertragers, anordnung mit inem wärmeübertrager und luftbearbeitungsanlage mit einer entsprechenden anordnung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines wärmeübertragers, anordnung mit inem wärmeübertrager und luftbearbeitungsanlage mit einer entsprechenden anordnung Download PDF

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EP3594596A1
EP3594596A1 EP18020329.1A EP18020329A EP3594596A1 EP 3594596 A1 EP3594596 A1 EP 3594596A1 EP 18020329 A EP18020329 A EP 18020329A EP 3594596 A1 EP3594596 A1 EP 3594596A1
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EP
European Patent Office
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heat exchange
exchange zone
operating mode
time
per unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18020329.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Hölzl
Pascal Freko
Alexander WOITALKA
Patrick Haider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Linde GmbH
Technische Universitaet Muenchen
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH, Technische Universitaet Muenchen filed Critical Linde GmbH
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Priority to PCT/EP2019/025222 priority patent/WO2020011396A1/de
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    • F25J2280/00—Control of the process or apparatus
    • F25J2280/10—Control for or during start-up and cooling down of the installation

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat exchanger and an arrangement with a correspondingly operable heat exchanger according to the preambles of the respective independent claims.
  • Heat exchangers with cryogenic fluids i.e. Operate fluids at temperatures significantly below 0 ° C, in particular significantly below -100 ° C.
  • main heat exchangers also referred to as “main heat exchanger” or “main heat exchanger”
  • main heat exchanger of air separation plants
  • the present invention is also particularly suitable in systems for liquefying gaseous air products, for example gaseous nitrogen.
  • Corresponding plants can be supplied with gaseous nitrogen and liquefy it, in particular by air separation plants.
  • the liquefaction is not followed by a rectification like in an air separation plant. Therefore, when the problems described below are overcome, for example when there is no need for corresponding liquefaction products, these systems can be switched off completely and kept in standby until the next use.
  • the present invention therefore has as its object to provide measures which enable a corresponding heat exchanger to be put into operation again after a prolonged decommissioning without the disadvantageous effects mentioned.
  • the present invention proposes a method for operating a heat exchanger and an arrangement with a correspondingly operable heat exchanger, which can be designed in particular as an air processing system, system for storing and recovering electrical energy or system for liquefying an air product, with the features of respective independent claims. Refinements are the subject of the dependent claims and the following description.
  • a "heat exchanger” is an apparatus which is designed for the indirect transfer of heat between at least two fluid streams, for example in countercurrent to one another.
  • a heat exchanger for use in the context of the present invention can be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • a heat exchanger has “passages” which are set up for fluid guidance and are fluidically separated from other passages or are only connected on the input and output sides via the respective headers. These are referred to below as “heat exchanger passages".
  • the terms “heat exchanger” and “heat (exchanger)” are used synonymously in the professional world. This also applies here.
  • the present invention relates in particular to the apparatuses designated as fin-plate heat exchangers in accordance with the German version of ISO 15547-2: 2005. If the term "heat exchanger” is used below, this should be understood to mean in particular a fin-plate heat exchanger.
  • a fin-plate heat exchanger has a large number of superimposed flat chambers or elongated channels, which are each separated from one another by corrugated or otherwise structured and interconnected, for example soldered plates, usually made of aluminum. The plates are stabilized by means of side bars and connected to each other. The structuring of the heat exchanger plates serves in particular to increase the heat exchange area, but also to increase the stability of the heat exchanger.
  • the invention relates in particular to brazed aluminum fin-plate heat exchangers.
  • the present invention can be used in air separation plants of known type, but also, for example, in plants for storing and recovering energy using liquid air and in plants for liquefying gaseous air products.
  • the storage and recovery of energy using liquid air is also referred to as Liquid Air Energy Storage (LAES).
  • LAES Liquid Air Energy Storage
  • a corresponding system is for example in the EP 3 032 203 A1 disclosed.
  • air is compressed, cooled, liquefied and stored in an insulated tank system in a first operating mode in a first operating mode.
  • the liquefied air stored in the tank system is heated in a second operating mode, in particular after a pressure increase by means of a pump, and thus converted into the gaseous or supercritical state.
  • a pressure stream obtained in this way is expanded in an expansion turbine which is coupled to a generator. The electrical energy obtained in the generator is fed back into an electrical network, for example.
  • cryogenic liquids formed using air can also be stored in the first operating mode and used to generate electrical energy in the second operating mode.
  • cryogenic liquids are liquid nitrogen or liquid oxygen or component mixtures which predominantly consist of liquid nitrogen or liquid oxygen.
  • external heat and fuel can also be coupled in in order to increase the efficiency and the output power, in particular using a gas turbine, the exhaust gas of which is expanded together with the pressure stream formed from the air product in the second operating mode.
  • the invention is also suitable for such systems.
  • Air separation plants can be used to provide appropriate cryogenic liquids. If liquid air is used, it is also possible to use pure air liquefaction systems.
  • air treatment plants is therefore also used below as a generic term for air separation plants and air liquefaction plants.
  • cold gas from a tank or exhaust gas from the stationary system can flow through a heat exchanger while the associated system is at a standstill, in order to avoid heating or to maintain the temperature profile formed.
  • a heat exchanger While the associated system is at a standstill, in order to avoid heating or to maintain the temperature profile formed.
  • such an operation can only be implemented with great effort in conventional methods.
  • the present invention proposes a method of operating a heat exchanger having a heat exchange zone extending between a first end and a second end, wherein in a first mode of operation fluids at different temperature levels are passed through the heat exchange zone in a first amount per unit time whereby the first end of the heat exchange zone is brought to a first temperature level and the second end of the heat exchange zone is brought to a second temperature level which is below the first temperature level.
  • a first operating mode corresponds to a normal operation of the heat exchanger, which is used for the temperature control of corresponding fluids, which can be provided in the form of one or more identical or different fluid flows.
  • At least one first fluid to be cooled is passed through the heat exchange zone from the first to the second end and at least one second fluid to be heated is passed from the second to the first end.
  • Corresponding temperature levels can in particular be at least partially in a cryogenic range.
  • the first temperature level can be in particular from 0 to 100 ° C, for example at approximately 20 ° C
  • the second temperature level can be in particular from -100 to 200 ° C, for example at approximately -175 ° C.
  • a corresponding heat exchanger can in particular also be “blocked in” completely, ie there is no longer any flow of fluid and any evaporating fluid that may be present is removed.
  • a corresponding heat exchanger can be arranged in a so-called cold box, in particular together with other apparatus.
  • a corresponding decommissioning can be particularly advantageous in the case of a plant for the liquefaction of a gaseous air product, for example gaseous nitrogen, since this is not connected to a rectification column system like an air separation plant.
  • the system switches repeatedly from the first operating mode to the second operating mode and from the second operating mode to the first operating mode.
  • Corresponding switching processes can in principle take place in different systems, but they are particularly important in systems in which an alternating mode of operation takes place routinely, for example systems for storing and recovering electrical energy using liquid air or other liquid air products.
  • the present invention is particularly advantageous in plants of this type. In principle, the present invention can be used in any system in which a heat exchanger can be operated accordingly.
  • these can be plants for liquefying natural gas and separating natural gas, the aforementioned LAES plants, plants for air separation, all types of liquefaction circuits (in particular for air and nitrogen) with and without air separation, ethylene plants (in particular separation plants that process gas mixtures) Steam crackers are set up), systems in which cooling circuits are used, for example with ethane or ethylene at different pressure levels, and systems in which carbon monoxide and / or carbon dioxide circuits are provided.
  • the switchover from the second operating mode to the first operating mode comprises the fluids which are conducted through the heat exchange zone in the first amount per unit time in the first operating mode, initially in a second amount until an increase in time per unit time, which is less than the first amount per unit time, to pass through the heat exchange zone and only to pass through the first heat exchange zone in the first quantity per unit time from the time of increase.
  • the switchover from the second operating mode can also take place in the form of a gradual or ramp-shaped transition. Even in such a case, the second quantity per unit of time (with the ramp-shaped increase) less than the first quantity per unit of time (after the increase). Ramps with different gradients, gradients with ramps and plateaus and the like can also be used. The same applies to a ramp-like increase after the time of the increase.
  • the present invention is based on the knowledge that the thermally induced voltages when restarting a heat exchanger, in particular a fin-plate heat exchanger from a temperature-balanced state, as can be present in particular after longer phases of an explained second operating mode, strongly depend on the speed of the restart can depend. While high mass flows can lead to high thermal voltages, the thermal stress can be significantly reduced at low start-up speeds with sufficiently small mass flows. More is particularly with reference to Figure 3 illustrated below.
  • the temperature profile when the apparatus starts up is set from the two ends as time progresses to the interior of the heat exchanger or its heat exchange zone. If the heat exchanger has already experienced the greatest temperature changes occurring during the transition to normal operation in sensitive areas, which are typically located in the terminal areas of a corresponding heat exchange zone, for example in a sensitive area of module connections, then only reduced gradients occur in the further course and thus reduced thermal stresses.
  • the present invention therefore proposes, with the measures mentioned above, first to pass fluids through the heat exchange zone with a smaller amount per unit of time and only afterwards, namely when the temperature change has already taken place sufficiently in appropriate sensitive areas, to increase or increase the amount to set a maximum amount.
  • the present invention enables, in particular, a significant service life optimization or improvement of fin-plate heat exchangers during restart processes from temperature-balanced conditions or at high temperature differences between incoming currents and metal temperatures of the Heat exchanger. Commissioning processes proposed according to the invention can in particular also be carried out for existing topologies (possibly by retrofitting surface temperature measurements or sensors and / or corresponding sensors at entry and / or exit points of the heat exchanger, in particular in connection with turbines), since the present invention essentially involves the optimization of the dynamic approach can be implemented.
  • the main heat exchangers of air separation plants can better withstand a load-flexible operating mode (for use, for example, electricity market prices) over the life of the plant through the use of the present invention. In this way, the present invention makes it possible to avoid unplanned downtimes, repair costs and procurement of spare parts.
  • the mode of operation of a corresponding system proposed according to the invention can be observed operationally, for example by means of surface temperature measurements.
  • the start-up process can thus be monitored and the time at which the start-up process can be accelerated can be well predicted.
  • a corresponding time of increase can therefore be determined in the context of the present invention at least in part on the basis of one or more temperature measurements at one or more points in the heat exchange zone. It is particularly advantageous here if such temperature measurements relate to a sensitive zone such as the aforementioned area of the module connection. However, other sensitive areas resulting from the design of the heat exchanger can also be taken into account within the scope of the present invention.
  • a corresponding area can be defined in particular via a longitudinal coordinate, which corresponds to the end of a module connection.
  • a measurement at another point is also possible in principle, provided that a temperature at a corresponding sensitive point can be inferred in this way, for example on the basis of known material properties and possibly model calculations with regard to heat spreading and fluid dynamics.
  • one or more surface temperature sensors can be used in the context of the present invention, which can be easily and inexpensively retrofitted in existing heat exchangers.
  • a corresponding heat exchanger is characterized with sufficient accuracy, for example with regard to material and thermal properties, and if the temperatures and fluid flows used are known, temperature measurement may also be dispensed with, because it can be assumed that after a certain time in the sensitive zones a corresponding temperature value has been reached. Therefore, as an alternative or in addition, it is also possible to base the increase in time at least in part on the basis of a period of time that has elapsed since the switchover was initiated and / or on the basis of the start of the supply of the fluids that are used in the second operating mode in the second quantity per unit time to set the elapsed period. For example, it is also possible to determine the switchover time on the basis of a total amount of the fluids which are used in the second operating mode in the second amount per unit of time.
  • the present invention unfolds its particular advantages when the heat exchanger is designed as a fin-plate heat exchanger.
  • a fin-plate heat exchanger can be made in particular of aluminum and / or stainless steel.
  • a corresponding heat exchanger can also be produced, for example, by means of 3D printing. In the case of such heat exchangers in particular, the potentially high thermal stresses mentioned may occur during repeated start-up processes.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously when the heat exchange zone has a first terminal partial zone extending from the first end, a second terminal partial zone extending from the second end and a central partial zone arranged between the first terminal partial zone and the second terminal partial zone , the point in time of the increase being determined as having been reached if it is established or predicted that one or more temperature values in at least one of the terminal sub-zones will exceed or fall below a predetermined temperature.
  • the heat exchanger can have a number of modules which are connected to one another by means of module connections, one or more of the module connections being or being arranged in the terminal sub-zones, and the central sub-zone being free of the module connections.
  • the invention permits targeted protection of the areas with the module connections or other sensitive zones, that is to say the first and second terminal sub-zones, which are particularly critical with regard to rapid temperature changes.
  • Module connections are particularly critical due to their notch effect, but the terminal end zones are fundamentally sensitive to thermally induced stresses, even if there is no module connection here. For details, please refer to the explanations above.
  • the point in time of the increase can in particular be determined to be reached when it is determined or predicted that one or more temperature values in at least one of the terminal sub-zones will exceed or fall below a predetermined temperature. More precisely, in such a case the time of increase can be determined as reached if it is determined or predicted that one or more temperature values in the first terminal sub-zones exceed a predetermined temperature and / or if it is determined or predicted that one or more temperature values in the fall below a predetermined temperature in the second terminal sub-zone.
  • switching from the second operating mode to the first operating mode may include an amount per unit time of the fluids that are conducted through the heat exchange zone in the first operating mode in the first amount per unit time to increase the time of increase continuously or gradually. In this way, temperature jumps can be further reduced.
  • one or more first fluids are fed to the heat exchange zone at its first end at the first temperature level, passed through the heat exchange zone and removed from the heat exchange zone at its second end at the second temperature level will or will, and that in the first operating mode one or more second fluids of the heat exchange zone at its second end at the second temperature level fed, passed through the heat exchange zone and the heat exchange zone at the first end or is removed at the first temperature level.
  • the present invention also extends to an arrangement having a heat exchanger which has a heat exchange zone which extends between a first end and a second end, and technical means are provided which are set up in a first operating mode to handle fluids at different temperature levels a first amount per unit time through the heat exchange zone, thereby bringing the first end of the heat exchange zone to a first temperature level and the second end of the heat exchange zone to a second temperature level which is below the first temperature level, with technical means being provided for this are configured, in a second operating mode, to at least partially prevent the passage of the fluids, which are passed through the heat exchange zone in the first amount per unit time in the first operating mode, as a result of which a temperature transition from the first end to the end is effected in the second end of the heat exchange zone, and technical means are provided which are set up to switch repeatedly in the method from the first operating mode to the second operating mode and from the second operating mode to the first operating mode.
  • the arrangement is characterized by technical means which are set up to carry out the switching from the second operating mode to the first operating mode in such a way that the fluids which are passed through the heat exchange zone in the first amount in the first quantity per unit time up to at a time of increase initially in a second amount per unit time, which is less than the first amount per unit time, are passed through the first heat exchange zone and are only passed through the first heat exchange zone in the first amount per time unit from the time of increase.
  • such a system has a control device which is designed to switch between the first and the second operating mode when required, for example according to a fixed switching pattern, on the basis of a sensor signal or on request.
  • a corresponding arrangement can in particular have suitable sensors, in particular temperature and / or strain sensors.
  • the present invention also extends to an arrangement which has means for the liquefaction and / or low-temperature separation of air and / or at least one gaseous air product.
  • this is characterized in that it represents an arrangement with a heat exchanger, as has just been explained.
  • the arrangement can be designed as an air separation plant.
  • it comprises a distillation column system of basically known type.
  • a corresponding arrangement can in particular also be designed as a system for storing and recovering energy.
  • a corresponding arrangement can also be designed as a plant for the liquefaction of nitrogen or as another plant of the type explained above.
  • Figure 1 illustrates temperatures in a heat exchanger, in particular a finned plate heat exchanger, after decommissioning, ie in an operating mode referred to above and below as "second operating mode", in which the passage of fluids through the heat exchanger is prevented, in the form of a temperature time diagram.
  • the temperature-time diagram shown are a temperature denoted by H at the warm end of the heat exchanger or its heat exchange zone (previously and hereinafter also referred to as "first end") and a temperature denoted by C at the cold end ("second end") in each case in ° C on the ordinate versus a time in hours on the abscissa.
  • the temperature H at the first (warm) end of the heat exchange zone at the beginning of the decommissioning and thus the temperature in a regular operation of the heat exchanger or at the end of the operating mode referred to above and below as the "first operating mode", in which corresponding fluids pass through the heat exchanger, about 20 ° C and the temperature C at the second (cold) end about -175 ° C.
  • the high thermal conductivity of the materials used in the heat exchanger is responsible for this. In other words, heat flows from the first (warm) end towards the second (cold) end. Together with the heat input from the environment, this results in an average temperature of approx. -90 ° C.
  • the significant temperature increase at the second (cold) end of the heat exchange zone is largely due to the internal temperature compensation in the heat exchanger and only to a lesser extent due to external heat input.
  • Figure 2 illustrates a fin-plate heat exchanger that can be operated using a method according to an embodiment of the invention. This is designated by a total of 100 and is fundamentally designed in a known manner, as documented, for example, in the specialist literature mentioned at the beginning.
  • the heat exchanger is designed for heat exchange between two fluids.
  • the present invention can in particular also be designed to operate corresponding heat exchangers in which more than two fluids are subjected to heat exchange.
  • the heat exchanger 100 is constructed from two modules 1, 2, which can in principle be configured identically. Instead of two modules 1, 2, heat exchangers with more than two modules can also be used within the scope of the present invention.
  • the modules 1, 2 are connected to one another by means of module connections, which, however, are only provided at the two ends of the two modules 1, 2.
  • the module connections 1, 2 can be designed, for example, as elements which are each soldered to the modules 1, 2.
  • the modules 1, 2, alternatively also a corresponding heat exchanger 100 as a whole, are each constructed from heat exchanger plates 4, of which only one is specifically designated in the example shown.
  • the heat exchanger plates 4 can in particular be soldered to one another. In particular, they are combined alternately in groups, which can be flowed through separately.
  • the two modules 1, 2 can be supplied with a warm or a cold fluid via headers 5 and 7, respectively. Corresponding fluids are fed into the respective headers by means of connecting pieces 51 and 71. A warm fluid is distributed by means of the header 5 to a group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2.
  • a cold fluid is distributed to another group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2 by means of the header 7.
  • a corresponding heat exchanger 100 can also be set up to process further fluid flows.
  • Corresponding groups of heat exchanger plates 4 and headers are provided for this.
  • a heat exchange zone 10 of the heat exchanger 100 For heat exchange, corresponding fluids flow through a heat exchange zone 10 of the heat exchanger 100, designated here as 10, which extends between a first end, here designated 11, and a second end, designated here 12.
  • first regular
  • first fluids at different temperature levels are passed through the heat exchange zone 10 in a specific (“first”) amount per unit of time in the manner previously explained.
  • first the first end 11 of the heat exchange zone 10 is brought to a certain (“first") temperature level and the second end 12 of the heat exchange zone 10 is also brought to a certain ("second”) temperature level which is below the first temperature level.
  • the heat exchanger 100 shown here is characterized in particular by the fact that the heat exchange zone 10 has a first terminal sub-zone 13 extending from the first end 11 and a second terminal sub-zone 14 extending from the second end 12 and in the terminal sub-zones 13, 14 each of the module connections 3 are arranged.
  • a central subzone of the heat exchange zone 10, however, is free of the module connections 3.
  • Figure 3 illustrates a relationship between fluid flows and thermal stresses in a fin-plate heat exchanger.
  • Figure 3 are a normalized cold mass flow in dimensionless units, i.e. a quantity of a cold fluid supplied to the heat exchanger per unit time, on the abscissa and a normalized maximum thermal stress in dimensionless units on the ordinate.
  • the thermal stresses induced at low mass flows are significantly lower than at higher mass flows.
  • the present invention makes use of this knowledge and, in particular, proposes to start up a corresponding heat exchanger again using smaller amounts of fluid per unit of time.
  • an amount of fluid is only increased when the areas in which module connections of a finned plate heat exchanger constructed from several modules, for example a heat exchanger as shown in Figure 2 shown, are arranged, are already sufficiently temperature-controlled, since there are particularly negative effects of the thermal stresses in such areas. This is with reference to Figure 4 further explained.
  • the present invention proposes to switch from the second operating mode to the first operating mode in such a way that the fluids which are conducted in the first operating mode in the first quantity per unit time through the heat exchange zone of a corresponding heat exchanger up to an increase time first in a second quantity per unit time, which is less than the first quantity per unit time, to pass through the first heat exchange zone and only from the time of increase in the first quantity per unit time through the first heat exchange zone.
  • the temperature profile when starting that is, from the transition from the second to the first operating mode, from the two ends starting with progressive time to the interior of the heat exchanger or the heat exchange zone, is set. If the heat exchanger, for example in a sensitive area of module connections, has already experienced the greatest temperature changes occurring during the transition to the first operating mode, then only reduced gradients and thus greatly reduced thermal voltages then occur in the further course. In the context of the present invention, the temperature changes of corresponding sensitive areas are brought about in particular with reduced amounts of fluid. Only then is a corresponding heat exchanger operated with the full amount of fluid.
  • Diagrams 410 to 460 are each shown, in each of which temperature profiles 401 to 406 in a heat exchange zone of a heat exchanger, for example of the heat exchanger 100 according to FIG Figure 2 shown at different times. The times are each after a point in time at which a balanced temperature profile has been established due to a heat transfer from the warm to the cold end because the fluid supply has been cut off, that is to say after some time in the second operating mode.
  • the heat exchange zone and its partial zones are also designated here in the diagram 410 with 10, 13 and 14.
  • corresponding thermal voltages are reduced, in particular, by using lower mass flows in a targeted manner in the periods in which the areas of the module connections experience large temperature changes (corresponding to diagrams 410 to 440).
  • Has the local temperature gradient already formed over the module connections (corresponding to diagram 550) the approach speed can be accelerated again if necessary and thus based on common procedures without generating any further significant voltage peaks.
  • Figure 5 is a nitrogen liquefaction plant that can be operated using a method according to an embodiment of the invention, is schematically illustrated and is designated overall by 500.
  • the illustrated system 500 has, in particular, a heat exchanger 100 of the type explained above or a comparable heat exchanger. Plants for nitrogen liquefaction are known in principle and are not restricted to the exemplary embodiment shown.
  • plant 500 is supplied with gaseous nitrogen (stream a), which can be provided, for example, by means of an air separation plant.
  • the gaseous nitrogen is fed to a multi-stage compressor 510 and compressed.
  • a portion of the compressed gaseous nitrogen (stream b) is further compressed in turbine boosters 520, 530, which are each provided with aftercoolers, and fed to the heat exchanger 100 on the warm side.
  • the rest (stream c) remains undensified and is also fed to the heat exchanger 100 on the warm side.
  • a partial flow d of the flow b is taken from the heat exchanger 100 at an intermediate temperature level, expanded in a relaxation turbine of the turbine booster 520 and fed into a container 540.
  • Another partial stream e of stream c is taken from the heat exchanger 100 on the cold side and expanded into the tank 540 via a throttle (not specifically designated).
  • the stream c is taken from the heat exchanger 100 at an intermediate temperature level, expanded in a expansion turbine of the turbine booster 530, fed to the heat exchanger 100 at an intermediate temperature level and returned together with gaseous nitrogen from the container 540 as stream f to the compressor 510 at an intermediate pressure level.
  • Liquid nitrogen from the container 540 is subcooled in a subcooler 550, which is cooled with a part of this nitrogen (stream g), and expanded into a storage tank 560 as stream h. Due to evaporation, gaseous nitrogen is now formed in the storage tank 560 and can be discharged unused as current i via a line and a valve if required. In addition, when the liquid nitrogen is transported from the subcooler 550 via the corresponding line (stream h) into the storage tank 200, flash gas is formed, which is also undesirable.
  • a further line can now be provided, via which gaseous and cold nitrogen can be fed back from the storage tank 560 as stream k into the liquefaction process.
  • this gaseous nitrogen is combined with the stream g upstream of the subcooler 550.
  • a current I formed by combining the currents g and k can also be returned to the current a after heating, i.e. the amount of gaseous nitrogen carried in stream k is fed via stream I to stream a and thus again to the liquefaction process.
  • the system 500 can, if the measures proposed according to the invention are implemented, be switched on and off as required, depending on the need for liquid nitrogen.

Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (100), der eine Wärmeaustauschzone (10) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende (11) und einem zweiten Ende (12) erstreckt, vor, wobei in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, wodurch das erste Ende (11) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein erstes Temperaturniveau gebracht wird und das zweite Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein zweites Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht wird, wobei in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (2) geleitet werden, zumindest teilweise unterbunden wird, wodurch ein Temperaturübergang von dem ersten Ende (11) zu dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) bewirkt wird, und wobei in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird. Es ist vorgesehen, dass das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umfasst, die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten. Eine entsprechende Anordnung, die insbesondere als Luftbearbeitungsanlage ausgebildet ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers und eine Anordnung mit einem entsprechend betreibbaren Wärmeübertrager gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • In einer Vielzahl von Anwendungsgebieten werden Wärmeübertrager mit tiefkalten Fluiden, d.h. Fluiden mit Temperaturen von deutlich unter 0° C, insbesondere deutlich unter -100° C, betrieben. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung überwiegend unter Bezugnahme auf die Hauptwärmeübertrager (auch als "Hauptwärmetauscher" oder "Hauptwärmeaustauscher" bezeichnet) von Luftzerlegungsanlagen beschrieben, sie eignet sich jedoch grundsätzlich auch zum Einsatz in anderen Anwendungsgebieten, beispielsweise für Anlagen zum Speichern und Rückgewinnen von Energie unter Verwendung von Flüssigluft oder die Erdgasverflüssigung.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich aus den nachfolgend erläuterten Gründen auch in besonderer Weise in Anlagen zur Verflüssigung gasförmiger Luftprodukte, beispielsweise von gasförmigem Stickstoff. Entsprechende Anlagen können insbesondere von Luftzerlegungsanlagen mit gasförmigem Stickstoff versorgt werden und diesen verflüssigen. Der Verflüssigung ist dabei nicht, wie in einer Luftzerlegungsanlage, eine Rektifikation nachgeschaltet. Daher können diese Anlagen bei Überwindung der nachfolgend erläuterten Probleme beispielsweise dann, wenn kein Bedarf an entsprechenden Verflüssigungsprodukten besteht, vollständig abgeschaltet und bis zur nächsten Verwendung im Standby gehalten werden.
  • Zum Aufbau und Betrieb von Hauptwärmeübertragern von Luftzerlegungsanlagen und anderer Wärmeübertrager sei auf einschlägige Fachliteratur, beispielsweise H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen. Details zu Wärmeübertragern allgemein sind beispielsweise der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association", 2. Auflage, 2000, insbesondere Abschnitt 1.2.1, "Components of an Exchanger" zu entnehmen.
  • Ohne zusätzliche Maßnahmen erwärmen sich Wärmeübertrager von Luftzerlegungsanlagen und andere mit warmen und tiefkalten Medien durchströmte Wärmeübertrager beim Stillstand der zugehörigen Anlage und damit der Außerbetriebnahme des Wärmeübertragers, bzw. das sich in einem entsprechenden Wärmeübertrager ausbildende Temperaturprofil kann in einem solchen Fall nicht gehalten werden. Wird anschließend beispielsweise bei der Wiederinbetriebnahme in einen erwärmten oder wie unten erläutert temperaturausgeglichenen Wärmeübertrager Fluid eingespeist, das einen großen Temperaturunterschied zur örtlichen Metalltemperatur aufweist, werden hierdurch aufgrund der thermischen Expansion bzw. Kontraktion des Metalls hohe thermische Spannungen hervorgerufen, die zur Schädigung des Wärmeübertragers führen können oder einen überproportional hohen Material- bzw. Fertigungsaufwand erfordern. Dies gilt sowohl dann, wenn warmes Fluid auf kälteres Metall trifft, als auch dann, wenn kaltes Fluid auf wärmeres Metall trifft.
  • Insbesondere kommt es bei einer Außerbetriebnahme eines Wärmeübertragers bevor dieser sich insgesamt erwärmt aufgrund der guten Wärmeleitung (Wärmelängsleitung) in dessen metallischem Material zu einem Angleich der Temperaturen am zuvor warmen Ende und am zuvor kalten Ende. Mit anderen Worten wird das zuvor warme Ende des Wärmeübertragers über die Zeit kälter und das zuvor kalte Ende des Wärmeübertragers wärmer, bis die genannten Temperaturen bei oder nahe bei einer Durchschnittstemperatur liegen. Dies ist auch in der beigefügten Figur 1 nochmals veranschaulicht. Die Temperaturen, die hier zum Zeitpunkt der Außerbetriebnahme bei ca. -175 °C bzw. +20 °C lagen, gleichen sich dabei über mehrere Stunden aneinander an und erreichen nahezu eine mittlere Temperatur.
  • Dieses Verhalten wird insbesondere dann beobachtet, wenn beim Abschalten einer Luftzerlegungsanlage der Hauptwärmeübertrager, der kälteisoliert untergebracht ist, zusammen mit der Rektifikationseinheit eingeblockt wird, d.h. wenn von außen kein Gas mehr zugeführt wird. In einem solchen Fall wird typischerweise lediglich Gas, das durch thermische Isolationsverluste anfällt, kalt abgeblasen. Entsprechendes gilt auch, wenn eine Anlage zur Verflüssigung eines gasförmigen Luftprodukts, beispielsweise von Flüssigstickstoff, abgeschaltet wird.
  • Bei einer ggf. anschließend erfolgenden Einspeisung von warmem Fluid am abgekühlten warmen Ende des Wärmeübertragers bei seiner Wiederinbetriebnahme erhöht sich dort schlagartig die Temperatur. Entsprechend verringert sich die Temperatur am erwärmten kalten Ende bei der Wiederinbetriebnahme, falls dort entsprechendes kaltes Fluid eingespeist wird, schlagartig. Dies führt zu den bereits erwähnten Materialspannungen und damit ggf. zu Schäden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Maßnahmen anzugeben, die eine Wiederinbetriebnahme eines entsprechenden Wärmeübertragers nach längerer Außerbetriebnahme ohne die erwähnten nachteiligen Effekte ermöglichen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers und eine Anordnung mit einem entsprechend betreibbaren Wärmeübertrager, die insbesondere als eine Luftbearbeitungsanlage, Anlage zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie oder Anlage zur Verflüssigung eines Luftprodukts ausgebildet sein kann, mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Zunächst werden nachfolgend einige zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert und definiert.
  • Ein "Wärmeübertrager" ist im hier verwendeten Sprachgebrauch ein Apparat, der zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen ausgebildet ist. Ein Wärmeübertrager zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmeübertragerabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmeübertragerblöcken. Ein Wärmeübertrager weist "Passagen" auf, die zur Fluidführung eingerichtet und von anderen Passagen fluidisch getrennt bzw. nur über die jeweiligen Header ein- und ausgangsseitig verbunden sind. Diese werden nachfolgend als "Wärmeübertragerpassagen" bezeichnet. Häufig werden in der Fachwelt die Begriffe "Wärmeübertrager" und "Wärme(aus)tauscher" synonym verwendet. Dies gilt auch hier.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die gemäß der deutschen Fassung der ISO 15547-2:2005 als Rippen-Platten-Wärmeaustauscher (engl. Plate-Fin Heat Exchangers) bezeichneten Apparate. Ist nachfolgend von einem "Wärmeübertrager" die Rede, sei daher hierunter insbesondere ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher verstanden. Ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher weist eine Vielzahl übereinanderliegender flacher Kammern bzw. langgestreckter Kanäle auf, die jeweils durch gewellte oder anderweitig strukturierte und miteinander verbundene, beispielsweise verlötete Platten, i.d.R. aus Aluminium, voneinander getrennt sind. Die Platten werden mittels Seitenstäben (engl. Side Bars) stabilisiert und über diese miteinander verbunden. Die Strukturierung der Wärmeübertragerplatten dient insbesondere dazu, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, aber auch dazu, die Stabilität des Wärmeübertragers zu erhöhen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf gelötete Rippen-Platten-Wärmeaustauscher aus Aluminium.
    Wie erwähnt, kann die vorliegende Erfindung in Luftzerlegungsanlagen bekannter Art, aber auch beispielsweise in Anlagen zum Speichern und Rückgewinnen von Energie unter Verwendung von Flüssigluft und in Anlagen zur Verflüssigung von gasförmigen Luftprodukten zum Einsatz kommen. Die Speicherung und Rückgewinnung von Energie unter Verwendung von Flüssigluft wird im Englischen auch als Liquid Air Energy Storage (LAES) bezeichnet. Eine entsprechende Anlage ist beispielsweise in der EP 3 032 203 A1 offenbart.
  • Zu Zeiten hohen Stromangebots wird in LAES-Anlagen in einem ersten Betriebsmodus Luft unter entsprechendem Stromverbrauch verdichtet, abgekühlt, verflüssigt und in einem isolierten Tanksystem gespeichert. Zu Zeiten geringen Stromangebots wird in einem zweiten Betriebsmodus die in dem Tanksystem gespeicherte verflüssigte Luft, insbesondere nach einer Druckerhöhung mittels einer Pumpe, angewärmt und damit in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Ein hierdurch erhaltener Druckstrom wird in einer Entspannungsturbine entspannt, die mit einem Generator gekoppelt ist. Die in dem Generator gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise in ein elektrisches Netz zurückgespeist.
  • Eine entsprechende Speicherung und Rückgewinnung von Energie ist grundsätzlich nicht nur unter Verwendung von Flüssigluft möglich. Vielmehr können in dem ersten Betriebsmodus auch andere unter Verwendung von Luft gebildete tiefkalte Flüssigkeiten gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden. Beispiele für entsprechende tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff bzw. Komponentengemische, die überwiegend aus flüssigem Stickstoff oder flüssigem Sauerstoff bestehen. In entsprechenden Anlagen können auch externe Wärme und Brennstoff eingekoppelt werden, um die Effizienz und die Ausgangsleistung zu steigern, insbesondere unter Verwendung einer Gasturbine, deren Abgas zusammen mit dem im zweiten Betriebsmodus aus dem Luftprodukt gebildeten Druckstrom entspannt wird. Auch für derartige Anlagen eignet sich die Erfindung.
  • Zur Bereitstellung entsprechender tiefkalter Flüssigkeiten können klassische Luftzerlegungsanlagen dienen. Wenn Flüssigluft verwendet wird, ist es auch möglich, reine Luftverflüssigungsanlagen einzusetzen. Als Oberbegriff für Luftzerlegungsanlagen und Luftverflüssigungsanlagen wird daher nachfolgend auch der Begriff "Luftbearbeitungsanlagen" verwendet.
    • Vorteile der Erfindung
  • Grundsätzlich kann ein Wärmeübertrager während eines Stillstands der zugehörigen Anlage mit kaltem Gas aus einem Tank oder Abgas aus der stehenden Anlage durchströmt werden, um eine Erwärmung zu vermeiden bzw. das ausgebildete Temperaturprofil zu halten. Ein derartiger Betrieb ist jedoch in herkömmlichen Verfahren ggf. nur aufwendig zu realisieren.
  • Insbesondere bei geringen Mengen entsprechender kalter Gase bzw. geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Wärmeübertrager kann eine Fehlverteilung innerhalb eines Wärmeübertragerblocks und insbesondere über mehrere Wärmeübertragerblöcke hinweg nicht ausgeschlossen werden. Grundsätzlich ist es jedoch wünschenswert, die eingesetzten Gasmengen gering zu halten, um beispielsweise Produktverluste bzw. grundsätzlich den Verbrauch von entsprechenden tiefkalten Medien zu vermeiden. Ferner sind zur Umsetzung entsprechender Maßnahmen stets gewisse Mengen an Fluiden erforderlich, die zur Temperierung eines entsprechenden Wärmeübertragers zusätzlich verbraucht werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, der eine Wärmeaustauschzone aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, vor, wobei in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, wodurch das erste Ende der Wärmeaustauschzone auf ein erstes Temperaturniveau gebracht wird und das zweite Ende der Wärmeaustauschzone auf ein zweites Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht wird. Ein derartiger erster Betriebsmodus entspricht einem üblichen Betrieb des Wärmeübertragers, der zur Temperierung entsprechender Fluide, die in Form eines oder mehrerer gleicher oder unterschiedlicher Fluidströme bereitgestellt werden können, verwendet wird. Wie insoweit üblich, wird dabei zumindest ein abzukühlendes erstes Fluid von dem ersten zu dem zweiten Ende und zumindest ein zu erwärmendes zweites Fluid von dem zweiten zu dem ersten Ende durch die Wärmeaustauschzone geführt. Entsprechende Temperaturniveaus können insbesondere zumindest teilweise in einem tiefkalten Bereich liegen. So kann das erste Temperaturniveau insbesondere bei 0 bis 100 °C, beispielsweise bei ca. 20 °C und das zweite Temperaturniveau insbesondere bei -100 bis-200 °C, beispielsweise bei ca. -175 °C liegen.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, zumindest teilweise unterbunden. Ein entsprechender Wärmeübertrager kann dabei auch insbesondere vollständig "eingeblockt" werden, d.h. es wird keine Fluiddurchströmung mehr vorgenommen und allenfalls vorhandenes, verdampfendes Fluid wird abgeführt. Ein entsprechender Wärmeübertrager kann dabei insbesondere zusammen mit weiteren Apparaten in einer sogenannten Coldbox angeordnet sein. Eine entsprechende Außerbetriebnahme kann insbesondere bei einer Anlage zur Verflüssigung eines gasförmigen Luftprodukts, beispielsweise von gasförmigem Stickstoff, vorteilhaft sein, da diese nicht wie eine Luftzerlegungsanlage an ein Rektifikationssäulensystem angebunden ist.
  • Durch das zumindest teilweise Unterbinden des Durchleitens der Fluide wird ein Temperaturübergang von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der Wärmeaustauschzone bzw. ein zunehmender Temperaturausgleich, wie er bereits mehrfach zuvor erläutert wurde, bewirkt. Zu weiteren Details wird auf Figur 1 und die zugehörigen Erläuterungen weiter unten verwiesen.
  • In dem Verfahren wird mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet. Entsprechende Umschaltvorgänge können grundsätzlich bei unterschiedlichen Anlagen erfolgen, sie sind jedoch insbesondere bei Anlagen von Bedeutung, in denen routinemäßig eine alternierende Betriebsweise erfolgt, beispielsweise Anlagen zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie unter Einsatz von Flüssigluft oder anderen flüssigen Luftprodukten. Insbesondere in derartigen Anlagen ist die vorliegende Erfindung von besonderem Vorteil. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in beliebigen Anlagen zum Einsatz kommen, in denen ein Wärmeübertrager entsprechend betrieben werden kann. Es kann sich beispielsweise um Anlagen zur Erdgasverflüssigung und Trennung von Erdgas, die erwähnten LAES-Anlagen, Anlagen zur Luftzerlegung, Verflüssigungskreisläufe aller Art (insbesondere für Luft und Stickstoff) mit und ohne Luftzerlegung, Ethylenanlagen (also insbesondere Trennanlagen, die zur Bearbeitung von Gasgemischen aus Steamcrackern eingerichtet sind), Anlagen, in denen Kühlkreisläufe, beispielsweise mit Ethan oder Ethylen auf unterschiedlichen Druckniveaus zum Einsatz kommen, und Anlagen, in denen Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidkreisläufe vorgesehen sind, handeln.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umfasst, die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die Wärmeaustauschzone zu leiten und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone zu leiten. Es versteht sich dabei, dass das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus auch in Form eines graduellen bzw. rampenförmigen Übergangs erfolgen kann. Auch in einem derartigen Fall ist die zweite Menge pro Zeiteinheit (bei der rampenförmigen Erhöhung) geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit (nach der Erhöhung). Es können auch Rampen mit unterschiedlichen Anstiegen Verläufe mit Rampen und Plateaus und dergleichen verwendet werden. Entsprechendes gilt auch für eine rampenförmige Erhöhung nach dem Erhöhungszeitpunkt.
  • Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die thermisch induzierten Spannungen beim Wiederanfahren eines Wärmeübertragers, insbesondere eines Rippen-Platten-Wärmeübertragers aus einem temperaturausgeglichenen Zustand, wie er insbesondere nach längerer Phasen eines erläuterten zweiten Betriebsmodus vorliegen können, stark von der Geschwindigkeit des Wiederanfahrens abhängen kann. Während hohe Massenströme zu großen thermischen Spannungen führen können, kann der Thermostress bei geringen Anfahrgeschwindigkeiten mit hinreichend kleinen Massenströmen erheblich reduziert werden. Weiteres ist insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 3 unten veranschaulicht.
  • Da kalte und warme Ströme meistens im Gegenstrom zueinander in einen entsprechenden Wärmeübertrager geleitet werden, wird das Temperaturprofil beim Anfahren des Apparats von den beiden Enden ausgehend mit fortschreitender Zeit bis hin zum Inneren des Wärmeübertragers bzw. seiner Wärmeaustauschzone eingestellt. Hat der Wärmeübertrager in sensiblen Bereichen, die sich typischerweise in den terminalen Bereichen einer entsprechenden Wärmeaustauschzone befinden, beispielsweise in einem sensitiven Bereich von Modulverbindungen, bereits die größten während des Übergangs zum Normalbetrieb auftretenden Temperaturänderungen erfahren, treten hier im weiteren Verlauf nur noch reduzierte Gradienten und damit reduzierte thermische Spannungen auf. Die vorliegende Erfindung schlägt daher mit den oben erwähnten Maßnahmen vor, zunächst Fluide mit einer geringeren Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone zu führen und erst daran anschließend, nämlich dann, wenn die Temperaturveränderung in entsprechenden sensiblen Bereichen bereits hinreichend erfolgt ist, die Menge zu erhöhen bzw. eine maximale Menge einzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere eine signifikante Lebensdaueroptimierung bzw. -verbesserung von Rippen-Platten-Wärmeübertragern bei Wiederanfahrvorgängen aus temperaturausgeglichenen Zuständen bzw. bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen eintretenden Strömen und Metalltemperaturen des Wärmeübertragers. Erfindungsgemäß vorgeschlagene Inbetriebnahmevorgänge sind insbesondere auch für bestehende Topologien (evtl. durch eine Nachrüstung von Oberflächentemperaturmessungen bzw. Sensoren und/oder entsprechende Sensoren an Ein- und/oder Ausspeisestellen des Wärmeübertragers, insbesondere in Verbindung zu Turbinen) durchführbar, da die vorliegende Erfindung im Wesentlichen um die Optimierung der dynamischen Anfahrweise implementiert werden kann. Insbesondere die Hauptwärmeübertrager von Luftzerlegungsanlagen können durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung einer lastflexiblen Betriebsweise (zur Ausnutzung von bspw. Strommarktpreisen) über die Anlagenlebensdauer besser widerstehen. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Vermeidung von ungeplanten Stillständen, Reparaturkosten und Ersatzteilbeschaffungen.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsweise einer entsprechenden Anlage lässt sich operativ beispielsweise mittels Oberflächentemperaturmessungen beobachten. Damit kann der Anfahrvorgang überwacht und der Zeitpunkt, an dem der Anfahrvorgang ggf. beschleunigt werden kann, gut vorhergesagt werden.
  • Ein entsprechender Erhöhungszeitpunkt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung also zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehreren Temperaturmessungen an einem oder mehreren Punkten der Wärmeaustauschzone festgelegt werden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn derartige Temperaturmessungen sich auf eine sensible Zone wie den erwähnten Bereich der Modulverbindung beziehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch andere, sich aus der Konstruktion des Wärmeübertragers ergebende sensible Bereiche berücksichtigt werden. Ein entsprechender Bereich kann insbesondere über eine Längskoordinante, die dem Ende einer Modulverbindung entspricht, definiert werden. Auch eine Messung an anderer Stelle ist grundsätzlich möglich, sofern auf diese Weise beispielsweise auf eine Temperatur an einer entsprechenden sensiblen Stelle rückgeschlossen werden kann, beispielsweise auf Grundlage bekannter Materialeigenschaften und ggf. Modellrechnungen hinsichtlich Wärmeausbreitung und Fluiddynamik. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Oberflächentemperatursensoren zum Einsatz kommen, die einfach und kostengünstig in bestehenden Wärmeübertragern nachgerüstet werden können.
  • Ist ein entsprechender Wärmeübertrager beispielsweise hinsichtlich Material- und thermischen Eigenschaften hinreichend genau charakterisiert ist, und sind die Temperaturen und eingesetzten Fluidströme bekannt, kann ggf. auch auf eine Temperaturmessung verzichtet werden, weil davon ausgegangen werden kann, dass nach einer bestimmten Zeit in den sensiblen Zonen ein entsprechender Temperaturwert erreicht ist. Daher ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, den Erhöhungszeitpunkt zumindest teilweise auf Grundlage eines ab einem Einleiten des Umschaltens verstrichenen Zeitraums und/oder auf Grundlage eines ab dem Beginn der Einspeisung der Fluide, die in dem zweiten Betriebsmodus in der zweiten Menge pro Zeiteinheit eingesetzt werden, verstrichenen Zeitraums festzulegen. Es ist beispielsweise auch möglich, den Umschaltzeitpunkt auf Grundlage einer Gesamtmenge der Fluide, die in dem zweiten Betriebsmodus in der zweiten Menge pro Zeiteinheit eingesetzt werden, zu bestimmen.
  • Wie mehrfach erwähnt, entfaltet die vorliegende Erfindung ihre besonderen Vorteile dann, wenn der Wärmeübertrager als ein Rippen-Platten-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Ein derartiger Rippen-Platten- Wärmeübertrager kann insbesondere aus Aluminium und/oder Edelstahl ausgebildet sein. Ein entsprechender Wärmeübertrager kann auch beispielsweise mittels 3D-Druck hergestellt sein. Insbesondere bei derartigen Wärmeübertragern treten ggf. bei wiederholten Anfahrvorgängen die erwähnten potentiell hohen thermischen Spannungen auf.
  • Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dann einsetzbar, wenn die Wärmeaustauschzone eine sich ausgehend von dem ersten Ende erstreckende erste terminale Teilzone, eine sich ausgehend von dem zweiten Ende erstreckende zweite terminale Teilzone und eine zwischen der ersten terminalen Teilzone und der zweiten terminalen Teilzone angeordnete zentrale Teilzone aufweist, wobei der Erhöhungszeitpunkt dann als erreicht festgelegt wird, wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in zumindest einer der terminalen Teilzonen eine vorgegebene Temperatur über- oder unterschreiten.
  • Insbesondere kann dabei der Wärmeübertrager eine Anzahl von Modulen aufweisen, die miteinander mittels Modulverbindungen verbunden sind, wobei in den terminalen Teilzonen jeweils ein oder mehrere der Modulverbindungen angeordnet ist oder sind, und wobei die zentrale Teilzone frei von den Modulverbindungen ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt durch die langsame Anfahrweise eine gezielte Schonung der Bereiche mit den Modulverbindungen oder anderen sensiblen Zonen, also der ersten und zweiten terminalen Teilzone, die hinsichtlich rapider Temperaturänderungen besonders kritisch sind. Modulverbindungen sind insbesondere aufgrund ihrer Kerbwirkung besonders kritisch, jedoch sind die terminalen Endzonen grundsätzlich bezüglich thermisch induzierter Spannungen sensibel, auch wenn hier keine Modulverbindung vorhanden sind. Zu Details sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann, wie erwähnt, der Erhöhungszeitpunkt insbesondere dann als erreicht festgelegt werden, wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in zumindest einer der terminalen Teilzonen eine vorgegebene Temperatur über- oder unterschreiten. Genauer kann in einem solchen Fall der Erhöhungszeitpunkt dann als erreicht festgelegt werden, wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in den ersten terminalen Teilzonen eine vorgegebene Temperatur überschreiten und/oder wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in der zweiten terminalen Teilzone eine vorgegebene Temperatur unterschreiten.
  • Die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Menge pro Zeiteinheit kann schlagartig oder graduell erfolgen. Mit anderen Worten kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umfassen, eine Menge pro Zeiteinheit der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, bis zu dem Erhöhungszeitpunkt kontinuierlich oder stufenweise zu erhöhen. Auf diese Weise lassen sich Temperatursprünge weiter verringern.
  • Zur Klarstellung wird festgehalten, dass in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung insbesondere in dem ersten Betriebsmodus ein oder mehrere erste Fluide der Wärmeaustauschzone an deren erstem Ende auf dem ersten Temperaturniveau zugeführt, durch die Wärmeaustauschzone geleitet und der Wärmeaustauschzone an deren zweitem Ende auf dem zweiten Temperaturniveau entnommen wird oder werden, und dass in dem ersten Betriebsmodus ein oder mehrere zweite Fluide der Wärmeaustauschzone an deren zweitem Ende auf dem zweiten Temperaturniveau zugeführt, durch die Wärmeaustauschzone geleitet und der Wärmeaustauschzone an deren erstem Ende auf dem ersten Temperaturniveau entnommen wird oder werden.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anordnung mit einem Wärmeübertrager, der eine Wärmeaustauschzone aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone zu leiten, wodurch das erste Ende der Wärmeaustauschzone auf ein erstes Temperaturniveau und das zweite Ende der Wärmeaustauschzone auf ein zweites Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht werden, wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in den ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, zumindest teilweise zu unterbinden, wodurch ein Temperaturübergang von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der Wärmeaustauschzone bewirkt wird, und wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umzuschalten.
  • Die Anordnung zeichnet sich durch technische Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus derart vorzunehmen, dass die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone geleitet werden und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone geleitet werden.
  • Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anordnung, die insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor erläutert wurde, sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Anlage eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, bei Bedarf, beispielsweise nach einem festen Schaltmuster, auf Grundlage eines Sensorsignals oder auf Anforderung, zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
  • Eine entsprechende Anordnung kann insbesondere geeignete Sensoren aufweisen, insbesondere Temperatur- und/oder Dehnungssensoren.
  • Wie erwähnt, erstreckt sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Anordnung, die Mittel zur Verflüssigung und/oder Tieftemperaturtrennung von Luft und/oder zumindest eines gasförmigen Luftprodukts aufweist. Diese zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass sie eine Anordnung mit einem Wärmeübertrager darstellt, wie sie soeben erläutert wurde. Insbesondere kann die Anordnung als Luftzerlegungsanlage ausgebildet sein. Sie umfasst in diesem Fall ein Destillationssäulensystem grundsätzlich bekannter Art. Eine entsprechende Anordnung kann insbesondere auch als Anlage zum Speichern und Rückgewinnen von Energie ausgebildet sein. Eine entsprechende Anordnung kann aber auch als Anlage zur Verflüssigung von Stickstoff oder als eine andere Anlage der zuvor erläuterten Art ausgebildet sein. Zu Merkmalen und Vorteilen sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung und entsprechende Wärmeaustauschdiagramme zeigen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe am warmen und kalten Ende eines erfindungsgemäß betreibbaren Wärmeübertrager nach Außerbetriebnahme.
    • Figur 2 veranschaulicht einen Rippen-Platten-Wärmeübertrager, der unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann.
    • Figur 3 veranschaulicht einen Zusammenhang zwischen Fluidströmungen und thermischen Spannungen in einem Rippen-Platten-Wärmeübertrager.
    • Figur 4 veranschaulicht Temperaturgradienten in einem Rippen-Platten-Wärmeübertrager zu unterschiedlichen Durchströmungszeitpunkten.
    • Figur 5 veranschaulicht eine Anlage zur Stickstoffverflüssigung, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann
  • In den Figuren sind identische oder einander funktional oder bedeutungsmäßig entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
    • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Figur 1 veranschaulicht Temperaturen in einem Wärmeübertrager, insbesondere einem Rippen-Platten-Wärmeübertrager, nach einer Außerbetriebnahme, d.h. in einem zuvor und nachfolgend auch als "zweitem Betriebsmodus" bezeichneten Betriebsmodus, in dem ein Durchleiten von Fluiden durch den Wärmeübertrager unterbunden wird, in Form eines Temperatur-Zeit-Diagramms.
  • In dem in Figur 1 dargestellten Temperatur-Zeit-Diagramm sind dabei eine mit H bezeichnete Temperatur am warmen Ende des Wärmeübertragers bzw. seiner Wärmeaustauschzone (zuvor und nachfolgend auch als "erstes Ende" bezeichnet) und eine mit C bezeichnete Temperatur am kalten Ende ("zweites Ende") jeweils in °C auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Stunden auf der Abszisse veranschaulicht.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich, beträgt die Temperatur H am ersten (warmen) Ende der Wärmeaustauschzone zu Beginn der Außerbetriebnahme, und damit die Temperatur in einem regulären Betrieb des Wärmeübertragers bzw. zum Ende des zuvor und nachfolgend als "erstem Betriebsmodus" bezeichneten Betriebsmodus, in dem entsprechende Fluide durch den Wärmeübertrager geleitet werden, ca. 20 °C und die Temperatur C am zweiten (kalten) Ende ca. -175 °C. Diese Temperaturen gleichen sich über die Zeit zunehmend einander an. Hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der in dem Wärmeübertrager verbauten Materialien verantwortlich. Mit anderen Worten fließt hier Wärme vom ersten (warmen) Ende in Richtung des zweiten (kalten) Endes. Zusammen mit dem Wärmeeintrag aus der Umgebung ergibt sich dabei eine mittlere Temperatur von ca. -90 °C. Die deutliche Temperaturerhöhung am zweiten (kalten) Ende der Wärmeaustauschzone kommt zum größten Teil durch den internen Temperaturausgleich in dem Wärmeübertrager zustande und nur in einem geringeren Anteil durch externen Wärmeeintrag.
  • Wie mehrfach erwähnt, kann es im dargestellten Fall zu starken thermischen Spannungen kommen, wenn das erste (warme) Ende des Wärmeübertragers nach einiger Zeit in dem zweiten Betriebsmodus ohne weitere Maßnahmen wieder mit einem warmen Fluid von im dargestellten Beispiel ca. 20 °C beaufschlagt wird. Entsprechendes gilt für ein zweites (kaltes) Ende.
  • Figur 2 veranschaulicht einen Rippen-Platten-Wärmeübertrager, der unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann. Dieser ist insgesamt mit 100 bezeichnet und grundsätzlich in bekannter Weise, wie beispielsweise in der eingangs erwähnten Fachliteratur dokumentiert, ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist hier zum Wärmetausch zwischen zwei Fluiden ausgebildet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch insbesondere auch zum Betrieb von entsprechenden Wärmeübertragern, in denen mehr als zwei Fluide einem Wärmetausch unterworfen werden, ausgebildet sein.
  • Der Wärmeübertrager 100 ist im dargestellten Beispiel aus zwei Modulen 1, 2 aufgebaut, die grundsätzlich identisch ausgestaltet sein können. Anstelle von zwei Modulen 1, 2 können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Wärmeübertrager mit mehr als zwei Modulen verwendet werden. Die Module 1, 2 sind im dargestellten Beispiel miteinander mittels Modulverbindungen verbunden, die jedoch nur an den beiden Enden der zwei Module 1, 2 bereitgestellt sind. Die Modulverbindungen 1,2 können beispielsweise als Elemente ausgebildet sein, die jeweils mit den Modulen 1, 2 verlötet sind.
  • Die Module 1, 2, alternativ auch ein entsprechender Wärmeübertrager 100 insgesamt, sind jeweils aus Wärmeübertragerplatten 4 aufgebaut, von denen im dargestellten Beispiel nur eine spezifisch bezeichnet ist. Die Wärmeübertragerplatten 4 können insbesondere miteinander verlötet sein. Sie sind insbesondere alternierend in Gruppen zusammengefasst, die getrennt voneinander durchströmt werden können.
  • Die beiden Module 1, 2 können jeweils über Header 5 und 7 mit einem warmen bzw. einem kalten Fluid beaufschlagt werden. Entsprechende Fluide werden dabei mittels Stutzen 51 bzw. 71 in die jeweiligen Header eingespeist. Ein warmes Fluid wird mittels des Headers 5 auf eine Gruppe von Wärmeübertragerplatten 4 der Module 1, 2 verteilt.
  • Nachdem das mittels des Headers 5 eingespeiste Fluid die Module 1, 2 durchströmt hat, wird es mittels des Headers 6 gesammelt und in abgekühltem Zustand über einen hier nicht sichtbaren Stutzen abgeleitet. Entsprechend wird ein kaltes Fluid mittels des Headers 7 auf eine andere Gruppe von Wärmeübertragerplatten 4 der Module 1, 2 verteilt. Nachdem das mittels des Headers 7 eingespeiste Fluid die Module 1, 2 durchströmt hat, wird es mittels des Headers 8 gesammelt und in erwärmtem Zustand über den Stutzen 81 abgeleitet. Wie erwähnt, kann ein entsprechender Wärmeübertrager 100 auch zur Bearbeitung weiterer Fluidströme eingerichtet sein. Hierzu sind entsprechende Gruppen von Wärmeübertragerplatten 4 und Header bereitgestellt.
  • Zum Wärmetausch durchströmen entsprechende Fluide eine hier mit 10 bezeichnete Wärmeaustauschzone 10 des Wärmeübertragers 100, die sich zwischen einem hier mit 11 bezeichneten ersten Ende und einem hier mit 12 bezeichneten zweiten Ende erstreckt. In einem regulären ("ersten") Betriebsmodus werden in der zuvor erläuterten Weise dabei Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer bestimmten ("ersten") Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone 10 geleitet. Auf diese Weise wird das erste Ende 11 der Wärmeaustauschzone 10 auf ein bestimmtes ("erstes") Temperaturniveau und das zweite Ende 12 der Wärmeaustauschzone 10 ebenfalls auf ein bestimmtes ("zweites") Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht.
  • Wird der Wärmeübertrager 100 außer Betrieb genommen ("zweiter" Betriebsmodus), wird das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone 2 geleitet werden, zumindest teilweise unterbunden. Auf diese Weise wird ein Temperaturübergang von dem ersten Ende 11 zu dem zweiten Ende 12 der Wärmeaustauschzone 10 bewirkt. In einem entsprechenden Verfahren wird mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet. Hierdurch kann es ohne den Einsatz der im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen zu sehr starken thermischen Spannungen kommen, wie mehrfach zuvor erläutert. Dies gilt insbesondere im Fall eines Wärmeübertragers 100, der aus mehreren Modulen 1, 2 aufgebaut und mittels entsprechender Modulverbindungen 3 miteinander verbunden ist.
  • Der hier dargestellte Wärmeübertrager 100 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Wärmeaustauschzone 10 eine sich ausgehend von dem ersten Ende 11 erstreckende erste terminale Teilzone 13 und eine sich ausgehend von dem zweiten Ende 12 erstreckende zweite terminale Teilzone 14 aufweist und in den terminalen Teilzonen 13, 14 jeweils die Modulverbindungen 3 angeordnet sind. Eine zentrale Teilzone der Wärmeaustauschzone 10 ist hingegen frei von den Modulverbindungen 3.
  • Im Rahmen von Untersuchungen hat sich, wie ebenfalls erwähnt, gezeigt, dass die thermisch induzierten Spannungen beim Wiederanfahren eines entsprechenden Wärmeübertragers 100, insbesondere eines Rippen-Platten-Wärmeübertragers aus einem temperaturausgeglichenen Zustand, d.h. wenn der zweite Betriebsmodus über längere Zeit durchgeführt wurde, stark von der Geschwindigkeit des Wiederanfahrens abhängen kann. Während hohe Massenströme zu großen thermischen Spannungen führen können, kann der Thermostress bei geringen Anfahrgeschwindigkeiten mit hinreichend kleinen Massenströmen nahezu vollständig vermieden werden.
  • Figur 3 veranschaulicht hierzu einen Zusammenhang zwischen Fluidströmungen und thermischen Spannungen in einem Rippen-Platten-Wärmeübertrager. In Figur 3 sind ein normierter kalter Massenstrom in dimensionslosen Einheiten, also eine Menge eines pro Zeiteinheit dem Wärmeübertrager zugeführten kalten Fluids, auf der Abszisse und eine normierte maximale thermische Spannung in dimensionslosen Einheiten auf der Ordinate aufgetragen.
  • Wie ersichtlich, sind die bei geringen Massenströmen induzierten thermischen Spannungen deutlich geringer als bei höheren Massenströmen. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Erkenntnis und schlägt insbesondere vor, einen entsprechenden Wärmeübertrager zunächst unter Verwendung geringerer Fluidmengen pro Zeiteinheit wieder anzufahren. Insbesondere wird eine Fluidmenge erst dann erhöht, wenn die Bereiche, in denen Modulverbindungen eines aus mehreren Modulen aufgebauten Rippen-Platten-Wärmeübertragers, beispielsweise eines Wärmeübertragers, wie er in Figur 2 dargestellt ist, angeordnet sind, bereits ausreichend temperiert sind, da sich in derartigen Bereichen besonders negative Auswirkungen der thermischen Spannungen ergeben. Dies wird unter Bezugnahme auf Figur 4 weiter erläutert.
  • Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung vor, das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus derart vorzunehmen, dass die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone eines entsprechenden Wärmeübertrager geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone zu leiten und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone zu leiten.
  • Da kalte und warme Ströme in einem entsprechenden Wärmeübertrager, wie auch in dem in Figur 2 gezeigten Beispiel, typischerweise im Gegenstrom zueinander geleitet werden, wird das Temperaturprofil beim Anfahren, d.h. vom Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus, von den beiden Enden ausgehend mit fortschreitender Zeit bis hin zum Inneren des Wärmeübertragers bzw. der Wärmeaustauschzone, eingestellt. Hat der Wärmeübertrager, z.B. in einem sensitiven Bereich von Modulverbindungen, bereits die größten während des Übergangs zum ersten Betriebsmodus auftretenden Temperaturänderungen erfahren, treten hier anschließend nur noch reduzierte Gradienten und damit stark reduzierte Thermospannungen im weiteren Verlauf auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden dabei insbesondere die Temperaturänderungen entsprechender sensitiver Bereiche mit verringerten Fluidmengen bewirkt. Erst anschließend wird ein entsprechender Wärmeübertrager mit den vollen Fluidmengen betrieben.
  • In Figur 4 sind jeweils Diagramme 410 bis 460 dargestellt, in denen jeweils Temperaturverläufe 401 bis 406 in einer Wärmeaustauschzone eines Wärmeübertragers, beispielsweise des Wärmeübertragers 100 gemäß Figur 2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt. Die Zeitpunkte liegen dabei jeweils nach einem Zeitpunkt, bei dem sich ein ausgeglichenes Temperaturprofil durch einen Wärmeübergang vom warmen zum kalten Ende eingestellt hat, weil die Fluidzufuhr unterbunden wurde, also nach einiger Zeit im zweiten Betriebsmodus. Zur besseren Anschaulichkeit und Vergleichbarkeit mit Figur 2 ist dabei in dem Diagramm 410 die Wärmeaustauschzone und deren Teilzonen hier ebenfalls mit 10, 13 und 14 bezeichnet.
  • Zu dem mit Diagramm 410 veranschaulichten Zeitpunkt hat sich dabei nur eine geringfügige Temperaturveränderung an den äußersten Enden der Wärmeaustauschzone 10 ergeben, die zunächst nur die Teilzonen 13 und 14 betrifft. Mit zunehmender Zeit ergeben sich die Temperaturprofile 402 bis 406. Die höchsten Spannungen treten dabei insbesondere dann auf, wenn der sich einstellende Temperaturgradient am hier inneren Ende der Modulverbindungen anliegt, was in etwa zu den Zeitpunkten, die hier mit den Diagrammen 430 und 440 angegeben sind, der Fall ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden entsprechende Thermospannungen insbesondere dadurch reduziert, dass in den Zeiträumen, in denen die Bereiche der Modulverbindungen große Temperaturänderungen erfahren, gezielt geringere Massenströme einzusetzen (entsprechend den Diagrammen 410 bis 440).Hat sich der örtliche Temperaturgradient bereits über die Modulverbindungen ausgebildet (entsprechend Diagramm 550), kann die Anfahrgeschwindigkeit ggf. wieder beschleunigt und damit an übliche Prozeduren angelehnt werden, ohne weitere signifikante Spannungsspitzen zu erzeugen.
  • In Figur 5 ist eine Anlage zur Stickstoffverflüssigung, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann, schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 500 bezeichnet.
  • Die in Figur 1 veranschaulichte Anlage 500 weist insbesondere einen Wärmeüberträger 100 der zuvor erläuterten Art oder einen vergleichbaren Wärmeübertrager auf. Anlagen zur Stickstoffverflüssigung sind grundsätzlich bekannt und nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • Der Anlage 500 wird im dargestellten Beispiel gasförmiger Stickstoff (Strom a) zugeführt, der beispielsweise mittels einer Luftzerlegungsanlage bereitgestellt werden kann. Der gasförmige Stickstoff wird einem mehrstufigen Verdichter 510 zugeführt und verdichtet. Ein Teil des verdichteten gasförmigen Stickstoffs (Strom b) wird in Turbinenboostern 520, 530, die jeweils mit Nachkühlern versehen sind, weiter verdichtet und dem Wärmeüberträger 100 warmseitig zugeführt. Der Rest (Strom c) bleibt unverdichtet und wird ebenfalls dem Wärmeüberträger 100 warmseitig zugeführt.
  • Ein Teilstrom d des Stroms b wird dem Wärmeüberträger 100 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer Entspannungsturbine des Turbinenboosters 520 entspannt und in einen Behälter 540 eingespeist. Ein weiterer Teilstrom e des Stroms c wird dem Wärmeüberträger 100 kaltseitig entnommen und über eine nicht gesondert bezeichnete Drossel in den Behälter 540 entspannt.
  • Der Strom c wird dem Wärmeüberträger 100 auf einem Zwischentemperaturniveau entnommen, in einer Entspannungsturbine des Turbinenboosters 530 entspannt, dem Wärmeüberträger 100 auf einem Zwischentemperaturniveau zugeführt und zusammen mit gasförmigem Stickstoff aus dem Behälter 540 als Strom f auf einem Zwischendruckniveau in den Verdichter 510 zurückgeführt.
  • Flüssiger Stickstoff aus dem Behälter 540 wird in einem Unterkühler 550, der mit einem Teil dieses Stickstoffs (Strom g) gekühlt wird, unterkühlt und als Strom h in einen Speichertank 560 entspannt. In dem Speichertank 560 bildet sich nun aufgrund von Verdampfung gasförmiger Stickstoff, der bei Bedarf als Strom i über eine Leitung und ein Ventil ungenutzt abgelassen werden kann. Daneben bildet sich beim Transport des flüssigen Stickstoffs vom Unterkühler 550 über die entsprechende Leitung (Strom h) in den Speichertank 200 Flashgas, das ebenfalls unerwünscht ist.
  • Es kann nun eine weitere Leitung vorgesehen sein, über die gasförmiger und kalter Stickstoff aus dem Speichertank 560 als Strom k zurück in den Verflüssigungsprozess geführt werden kann. Im hier gezeigten Fall wird dieser gasförmige Stickstoff stromaufwärts des Unterkühlers 550 mit dem Strom g vereinigt.
  • Auf diese Weise kann die Kälteenergie des Stroms k im Wärmeüberträger 100 genutzt werden, wodurch der gesamte Verflüssigungsprozess effizienter wird. Ein durch die Vereinigung der Ströme g und k gebildeter Strom I kann zudem nach Erwärmung wieder dem Strom a zugeführt werden, d.h. die im Strom k geführte Menge gasförmigen Stickstoffs wird über den Strom I dem Strom a und damit wieder dem Verflüssigungsprozess zugeführt.
  • Wie erwähnt, kann die Anlage 500 dann, wenn die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen implementiert werden, je nach Bedarf an flüssigem Stickstoff nach Belieben an- und abgeschaltet werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (100), der eine Wärmeaustauschzone (10) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende (11) und einem zweiten Ende (12) erstreckt, wobei in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, wodurch das erste Ende (11) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein erstes Temperaturniveau gebracht wird und das zweite Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein zweites Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht wird, wobei in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (2) geleitet werden, zumindest teilweise unterbunden wird, wodurch ein Temperaturübergang von dem ersten Ende (11) zu dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) bewirkt wird, und wobei in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umfasst, die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erhöhungszeitpunkt zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehreren Temperaturmessungen an einem oder mehreren Punkten der Wärmeaustauschzone (10) festgelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Erhöhungszeitpunkt zumindest teilweise auf Grundlage eines ab einem Einleiten des Umschaltens verstrichenen Zeitraums festgelegt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (100) als ein Rippen-Platten-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeaustauschzone (10) eine sich ausgehend von dem ersten Ende (11) erstreckende erste terminale Teilzone (13), eine sich ausgehend von dem zweiten Ende (12) erstreckende zweite terminale Teilzone (14) und eine zwischen der ersten terminalen Teilzone (13) und der zweiten terminalen Teilzone (14) angeordnete zentrale Teilzone aufweist, wobei der Erhöhungszeitpunkt dann als erreicht festgelegt wird, wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in zumindest einer der terminalen Teilzonen (13, 14) eine vorgegebene Temperatur über- oder unterschreiten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Wärmeübertrager (100) eine Anzahl von Modulen (1, 2) aufweist, die miteinander mittels Modulverbindungen (3) verbunden sind, wobei in den terminalen Teilzonen (13, 14) jeweils ein oder mehrere der Modulverbindungen (3) angeordnet ist oder sind, und wobei die zentrale Teilzone frei von den Modulverbindungen (3) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umfasst, eine Menge pro Zeiteinheit der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, bis zu dem Erhöhungszeitpunkt kontinuierlich oder stufenweise zu erhöhen.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem ersten Betriebsmodus ein oder mehrere erste Fluide der Wärmeaustauschzone (10) an deren erstem Ende (11) auf dem ersten Temperaturniveau zugeführt, durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet und der Wärmeaustauschzone (10) an deren zweitem Ende (12) auf dem zweiten Temperaturniveau entnommen wird oder werden, und bei dem in dem ersten Betriebsmodus ein oder mehrere zweite Fluide der Wärmeaustauschzone (10) an deren zweitem Ende (12) auf dem zweiten Temperaturniveau zugeführt, durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet und der Wärmeaustauschzone (10) an deren erstem Ende (11) auf dem ersten Temperaturniveau entnommen wird oder werden.
  9. Anordnung mit einem Wärmeübertrager (100), der eine Wärmeaustauschzone (10) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende (11) und einem zweiten Ende (12) erstreckt, wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) zu leiten, wodurch das erste Ende (11) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein erstes Temperaturniveau und das zweite Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein zweites Temperaturniveau, das unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht werden, wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in den ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (2) geleitet werden, zumindest teilweise zu unterbinden, wodurch ein Temperaturübergang von dem ersten Ende (11) zu dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) bewirkt wird, und wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umzuschalten, gekennzeichnet durch technische Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus derart vorzunehmen, dass die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtete technische Mittel aufweist.
  11. Anordnung (100) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, die Mittel zur Verflüssigung und/oder Tieftemperaturtrennung von Luft und/oder eines oder mehrerer gasförmiger Luftprodukte aufweist.
  12. Anordnung (100) nach Anspruch 11, bei der die Mittel zur Verflüssigung und/oder Tieftemperaturtrennung von Luft ein Destillationssäulensystem (20) umfassen.
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