EP4739959A1 - Anlage und verfahren zur erzeugung von flüssigeis und verfahren zur kühlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigeisherstellungsanlage (1) umfassend einen isolierten, für die Erzeugung eines Grobvakuums geeigneten Behälter (2), der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) und im oberen Bereich ein Dampfaufnahmevolumen (4) bildet, wobei der Behälter (2) im Bereich seines Flüssigkeitsaufnahmevolumens (3) mit einer Flüssigkeitseinlassöffnung (5) und einer Flüssigeisentnahmeöffnung (6) versehen ist, an die eine Flüssigkeitszuführleitung (8) und eine Flüssigeisabführleitung (11) angeschlossen werden können, ein sich in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) erstreckendes Rührwerk (13), das zum Rühren von in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) vorhandenem Flüssigeis ausgelegt ist, und eine an den Behälter (2) im Bereich des Dampfaufnahmevolumens (4) angeschlossene Vakuumpumpe (14), die dazu ausgelegt ist, den Innendruck des Dampfaufnahmevolumens (4) zumindest bis zum Tripelpunktdruck der zu verwendenden Flüssigkeit abzusenken, wobei es sich bei dieser insbesondere um Wasser handelt, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich des Dampfaufnahmevolumens (4) eine Wärmetauscherfläche (15) eines Wärmetauschers angeordnet ist, der Teil einer Kältemaschine (16) ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Flüssigeis und ein Verfahren zur Kühlung.

Description

Beschreibung

Flüssigeisherstellungsanlage , Verfahren zur Erzeugung von Flüssigeis und Verfahren zur Kühlung

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Flüssigeisherstellungsanlage umfassend einen isolierten, für die Erzeugung eines Grobvakuums geeigneten Behälter, der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolumen bildet , wobei der Behälter im Bereich seines Flüssigkeitsaufnahmevolumens mit einer Flüssigkeitseinlassöf fnung und einer Flüssigeisentnahmeöf fnung versehen ist , an die eine Flüssigkeits zuführleitung und eine Flüssigeisabführleitung angeschlossen werden können, ein sich in den Flüssigkeitsaufnahmeraum erstreckendes Rührwerk, das zum Rühren von in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen vorhandener Flüssigkeit ausgelegt ist , und eine an den Behälter im Bereich des Dampf aufnahmevolumens angeschlossene Vakuumpumpe , die dazu ausgelegt ist , den Innendruck des Dampf aufnahmevolumens zumindest bis zum Tripelpunktdruck der zu verwendenden Flüssigkeit abzusenken, wobei es sich bei dieser insbesondere um Wasser handelt . Ferner betri f ft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Flüssigeis , insbesondere unter Nutzung einer Flüssigeisherstellungsanlage , sowie ein Verfahren zur Kühlung der von einem Kompressor einer Gasturbine angesaugten Luft und unter Verwendung von Flüssigeis .

Durch die Fortschritte bei den erneuerbaren Energien werden gasturbinenbasierte Kraftwerke bereits j etzt und zukünftig noch mehr vorrangig für die Bereitstellung der Residuallast eingesetzt . Dies führt auf der einen Seite zu einer verringerten Betriebsstundenzahl mit längeren Stillstandzeiten . Auf der anderen Seite sollte während der im Vergleich kürzeren Betriebs zeiten eine möglichst hohe Leistung erreicht werden können, um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern . Die Leistung von Gasturbinen ist unter anderem stark abhängig von der Temperatur der in den Kompressor der Gasturbine angesaugten Luft . Je kälter diese ist , desto höher ist die Leistung der Gasturbine . Je nach Standort ist die mögliche Leistung des gasturbinenbasierten Kraftwerks durch eine hohe Umgebungstemperatur begrenzt . Eine gezielte Absenkung der Ansauglufttemperatur ermöglicht eine signi fikante Leistungssteigerung von mehreren Prozentpunkten . Wegen verringerter Betriebsstunden und der längeren zwischenzeitlichen Stillstände kann die Nutzung eines Kältespeichers wirtschaftlichen Sinn ergeben, da dieser während der vergleichsweise langen Stillstands zeiten mit vergleichsweise geringer Leistung unter Nutzung preiswerter und gegebenenfalls sonst auch überschüssiger erneuerbarer Energie geladen werden kann, was zu einem geringeren CAPEX führt . Wenn dann nicht ausreichend Energie durch erneuerbare Energien bereitgestellt werden kann und somit auch eine Strompreisspitze auftritt , kann das gasturbinenbasierte Kraftwerk dank Ansaugluftkühlung mittels Kälte aus dem Speicher mit erhöhter Leistung betrieben werden . Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit eines solchen Ansatzes ist der Kältespeicher .

Bisher wurden Ansaugluftkühlungen in der Regel ohne Kältespeicher ausgeführt . Am weitesten verbreitet sind Verdunstungskühler, welche aber nur bei vergleichsweise niedrigem Feuchtegrad der Umgebungsluft zufriedenstellend funktionieren . Ferner bekannt ist die sogenannte „Wet Compression" , bei der feinste Wassertröpfchen eingedüst werden, die auch in den Verdichter eintreten . Sie funktioniert auch bei hohen Umgebungsluft feuchtegehalten . Bei- den Lösungsansätzen gemein ist ein signi fikanter Wasserbedarf , wobei bei der „Wet Compression" sogar deminerali- siertes Wasser eingesetzt werden muss .

Ist kein Wasser zur Ansaugluftkühlung verfügbar, bietet sich als weitere Möglichkeit die Nutzung von über Kältemaschinen rückgekühlten, im Ansaugbereich der Gasturbine platzierten Wärmetauschern an . Allgemein ist die Ansaugluftkühlung mittels Kältemaschine an heißen und trocknen Standorten besonders nutzbringend, weil die Unterschrei- tung des Wassertaupunktes das Verhältnis von Aufwand und Nutzen stark negativ beeinflusst .

All diese Lösungen stammen noch aus Zeiten, in denen gasturbinenbasierte Kraftwerke viele Betriebsstunden und wenig Stillstands- sowie Schwachlastzeiten hatten und volatile erneuerbare Energien in deutlich geringerem Umfang und zu deutlich höheren Kosten zur Verfügung standen . Kältespeicher wurden deshalb meist nicht realisiert . Vielmehr wurden die Ansaugluftkühleinrichtungen auf den direkten Kühlbedarf ausgelegt . Durch „Economies of Scale" ist der relative Nutzen der Ansaugluftkühlung bei großen Gasturbinen mit einer Leistung von beispielsweise 300 MW größer als bei kleineren Gasturbinen, beispielsweise mit einer Maximalleistung von etwa 30 MW .

Durch die Änderung der Marktrandbedingungen wegen mittlerweile wettbewerbs fähiger, aber weiterhin volatiler erneuerbarer Energien sind Kältespeicher j etzt eine Möglichkeit , die Wirtschaftlichkeit von Ansaugluftkühlsystemen und am Ende von gasturbinenbasierten Kraftwerken zu verbessern .

Bisher gibt es zur Kältespeicherung hauptsächlich drei Möglichkeiten . Einmal die Nutzung einer entsprechend kalten eingespeicherten Flüssigkeit , wie beispielsweise Glykol-Wasser-Mischungen, bei der die sensible Kälte genutzt wird . Die zweite Möglichkeit ist die Nutzung von Eisspeichern, welche die latente Kälte beim Phasenwechsel von Eis zu Wasser nutzen . Die dritte Möglichkeit ist die Schaf fung von Eisschichten durch Berieselung von entsprechend kalten Wärmetauscherf lachen, welche periodisch behei zt werden . Die Eisschicht wird dadurch angeschmol zen und fällt als „Block" in ein darunter befindliches Kaltwasserreservoir .

Eine weitere neue Möglichkeit ist die Nutzung von Flüssigeisspeichern, in denen eine pumpfähige Mischung aus Wasser und Eis die Kälte bereithält , also sensible und latente Kälteanteile kombiniert . Flüssigeisspeicher haben gegenüber den anderen Kältespeichermöglichkeiten eine Reihe von Vorteilen .

Gegenüber Kalt f lüssigkeitsspeichern haben Flüssigeisspeicher bezogen auf einen bestimmten Kältebedarf den Vorteil , dass das benötigte Speichervolumen des Flüssigeisspeichers bei einem 50%-igen Eisanteil und bei Betrachtung eines Temperaturhubes von beispielsweise 0 ° C auf 15 ° C im Vergleich zum Speichervolumen eines Kaltflüssigkeitsspeichers mit 20%-igem Glykol-Wassergemisch nur etwa ein Viertel beträgt . Die Oberfläche des Speichers und damit der Kälteverlust beträgt nur ungefähr die Häl fte .

Der Vergleich eines Eisspeichers mit einem Flüssigeisspeicher ergibt , dass das benötigte Speichervolumen des Flüssigeisspeichers mit etwa 50%-igen Eisanteil gegenüber einem reinen Eisspeicher bezogenen auf einen bestimmten Kältebedarf ungefähr gleich ist , da im Eisspeicher sehr große Wärmetauscherf lächen mit entsprechendem Platzbedarf vorzusehen sind, um akzeptable Ein- und Ausspeicherleistungen zu ermöglichen . Dies spiegelt sich in den Kosten des reinen Eisspeichers negativ wider, genauso wie in den erreichbaren Wärmeübertragungsleistungen, für welche die gewünschte Bildung von Eisschichten bzw . von Wasser am gekühlten bzw . behei zten Tankwärmetauscher für die Wärmeübertragungsleistung immer nachteilig ist . Im Gegensatz zum Eisspeicher können Be- und Entladeleistung des Flüssigeisspeichers unterschiedlich gewählt werden . Dies eröf fnet die Möglichkeit , beispielsweise eine kleinere kostengünstigere Kältemaschine mit 1 , 5 MW Kälteleistung, die über einen längeren Zeitraum den Kältespeicher lädt , mit einer großen Kälteentladeleistung von beispielsweise mehr als 15 MW zu kombinieren, wie sie oft für eine große Gasturbine benötigt wird . Dieser Fall ist für die Ansaugluftkühlung von Gasturbinen unter den heutigen Marktrandbedingungen besonders relevant , da die Anlage deutlich mehr Stillstands- und Schwachlaststunden als Volllaststunden hat . Mit letzteren wird j edoch das Geld verdient .

Beim Vergleich von Flüssigeisspeichern mit Blockeis- /Kaltwasserspeichern ist das benötige Speichervolumen des Blockeis-/Kaltwasserspeichers bezogen auf einen bestimmten Kältebedarf höher als beim Flüssigeisspeicher, da durch die Anordnung der Wärmetauscherf lächen zur Eisbildung im Luftraum über dem Wasser-/Eisbereich und die Form der Eisblöcke der Eisanteil im Speichervolumen bei deutlich unter 50% liegt . Hinzu kommt die relative Inef fi zienz des Ansatzes , welche durch das notwendige periodische Antauen der Wärmetauscher zum Lösen der Eisblöcke unvermeidlich ist .

Bei bekannten Flüssigeisherstellungsanlagen wird die Herstellung von Flüssigeises am Tripelpunkt von Wasser, der bei etwa 6 mbar und 0 , 01 ° C zu finden ist , mittels eines Wasserdampf turboverdichters erreicht , der einen sehr großen Volumenstrom Wasserdampf von ca . 6 mbar auf mindestens 50 bis 100 mbar verdichtet . Ein Nachteil dieser Wasserdampfturboverdichter-Lösung besteht darin, dass das hier als Kältemittel verwendete Wasser bei dem für die Flüssigeiserzeugung relevanten Temperaturbereich um etwa 0 ° C aus Sicht einer Kältemaschine ungünstige Eigenschaften aufweist , die sich in einem vergleichsweise hohen Energiebedarf niederschlagen . Zum Beispiel im Vergleich zu Ammoniak ist der Volumenstrom bei gleicher Kälteleistung mehr als 300- fach größer und das erforderliche Druckverhältnis bei 25 K Temperaturhub um das mehr als 2 , 25- fache höher . Der hohe Volumenstrom macht dem wasserdampfbasierten Turboverdichteransatz auch sehr empfindlich gegenüber Druckverlusten, welche unvermeidlich sind und somit auch zum höheren Energiebedarf beitragen . Das erforderlich hohe Druckverhältnis ließe dich deutlich besser mit einem Verdrängungsverdichter erreichen . Die hohen Volumenströme erfordern allerdings einen Turboverdichter . Insofern ist die Flüssigeiserzeugung mittels Wasserdampf turboverdichter auch in dieser Hinsicht eine Kompromisslösung . Der Gesamtprozess läuft außerdem im Vakuum ab, was somit eine entsprechende Auslegung der Vakuumpumpe erfordert . Diese muss sehr groß dimensioniert werden, da keine spezielle , für das Absondern von nicht kondensierbaren Gasen geeignete , besonders gekühlte Wärmetauscherfläche gegeben ist , weshalb neben nicht kondensierbaren Gasen auch Wasserdampf abgesaugt wird . Darüber hinaus ist der Wasserdampf turboverdichter eine bislang von nur wenigen Anbietern verfügbare teure Sonderkomponente und wird aufgrund der sich ergebenden großen Dampfvolumenströme leistungsmäßig auch zukünftig bei unter 1 MW begrenzt sein . Größere Leistungen, wie sie beispielsweise für die Ansaugluftkühlung von einer oder mehreren großen Gasturbinen erforderlich sind, erfordern die parallele Anordnung von mehreren Wasserdampf turboverdich- tersystemen, was entsprechend hohe Kosten nach sich zieht .

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Flüssigeisherstellungsanlage , ein alternatives Verfahren zur Erzeugung von Flüssigeis sowie ein alternatives Verfahren zur Kühlung der von einem Kompressor einer Gasturbine angesaugten Luft unter Verwendung von Flüssigeis bereitzustellen, mit denen die mit der Wasserdampf turboverdich- tung einhergehenden Probleme bzw . Nachteile zumindest teilweise behoben werden .

Zur Lösung dieser Aufgabe schaf ft die vorliegende Erfindung eine Flüssigeisherstellungsanlage umfassend einen isolierten, für die Erzeugung eines Grobvakuums geeigneten Behälter, der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolu- men bildet , wobei der Behälter im Bereich seines Flüssig- keitsaufnahmevolumens mit einer Flüssigkeitseinlassöf fnung und einer Flüssigeisentnahmeöf fnung versehen ist , an die eine Flüssigkeits zuführleitung und eine Flüssigeisabführleitung angeschlossen werden können, ein sich in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen erstreckendes Rührwerk, das zum Rühren von in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen vorhandenem Flüssigeis ausgelegt ist , und eine an den Behälter im Bereich des Dampf aufnahmevolumens angeschlossene Vakuumpumpe , die dazu ausgelegt ist , den Innendruck des Dampf aufnahmevolumens zumindest bis zum Tripelpunktdruck der zu verwendenden Flüssigkeit abzusenken, wobei es sich bei dieser insbesondere um Wasser handelt , dadurch gekennzeichnet , dass im oberen Bereich des Dampf aufnahmevolumens eine Wärmetauscherf läche eines Wärmetauschers angeordnet ist , der Teil einer Kältemaschine ist .

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Flüssigeisherstellungsanlage besteht darin, dass die Speicherkosten und -Verluste durch den Flüssigeisansatz im Vergleich zu herkömmlichen Kältespeichern stark verringert und die Betriebsflexibilität und proj ektspezi fische Anpassbarkeit deutlich erhöht ist . Die Nutzung einer Wärmetauscherf läche innerhalb des Behälters als Teil einer Kältemaschine ermöglicht im Gegensatz zum Turboverdichteransatz , bei dem Wasser auch das Kältemittel ist , die Wahl eines für den Temperaturbereich optimal geeigneten Kältemittels , was eine bessere Performance und auch niedrigere Kosten nach sich zieht . Der Perf ormancenachteil , der sich durch die Trennung zwischen Eiserzeugung und Kältemittelkreislauf ergibt , wird dadurch überkompensiert . Ferner kann die Vakuumpumpe deutlich kleiner dimensioniert werden . Eine weitere Kostensenkung resultiert mit Blick auf die erfindungsgemäße Lösung aus der Nutzbarkeit von bereits von einer Viel zahl von Anbietern verfügbaren kostengünstigen Standardkältesystemlösungen sowie der Möglichkeit hohe Einzelkältesystemleistungen zu realisieren, wobei zweistellige MW-Zahlen möglich sind .

Bevorzugt weisen die in dem Dampf aufnahmevolumen angeordnete Wärmetauscherf läche und/oder Innenflächen des Behälters eine einen Eisaufbau verhindernde , insbesondere hydrophob ausgebildete Oberfläche auf . Entsprechend können Aus fall zeiten zum Abtauen dieser Flächen verhindert und ein ef fi zienter Betrieb sichergestellt werden .

Vorteilhaft weist der Behälter in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen eine zwischen der Flüssigkeitseinlassöf fnung und der Flüssigeisentnahmeöf fnung angeordnete Barriere auf , die derart ausgestaltet ist , dass sie einen direkten Strom von durch die Flüssigkeitseinlassöf fnung eintretendem Frischwasser in Richtung der Flüssigeisentnahmeöf fnung verhindert , insbesondere in Form einer oder mehrerer, in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen ragender Behälterwände .

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Flüssigeisherstellungsanlage einen Flüssigeisspeicher auf , der an die Flüssigeisentnahmeöf fnung angeschlossen ist . Die Nutzung eines solchen Flüssigeisspeichers ermöglicht die Entkopplung von Kälteerzeugung und - nutzung . Entsprechend muss die Leistung der elektrisch angetriebenen Kältemaschine nicht während des Volllastbetriebs bereitgestellt werden, so dass beispielsweise die maximale Leistungsabgabe des Kraftwerks in das Stromnetz nicht geschmälert wird .

Ferner schaf ft die vorliegende Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung von Flüssigeis , insbesondere unter Nutzung einer erfindungsgemäßen Flüssigeisherstellungsanlage , das die Schritte aufweist : a ) Teilweises Füllen eines Behälters mit einer Flüssigkeit , insbesondere mit Wasser, b ) Absenkung des innerhalb des Behälters vorherrschenden Druckes , bis die im Behälter enthaltene Flüssigkeit zu sieden beginnt und teilweise verdampft , c ) Kondensieren des aufsteigenden Dampfes unter Verwendung eines im oberen Bereich des Behälters positionierten Wärmetauscherf läche eines Wärmetauschers , der einen Teil einer Kältemaschine bildet , d) Abpumpen des entstehenden Flüssigeises in einen Flüssigeisspeicher und e ) Ersetzen des abgepumpten Flüssigeises durch frische Flüssigkeit , insbesondere durch Frischwasser, wobei die im Behälter enthaltene Mischung aus Flüssigkeit und Eis insbesondere ständig gerührt wird .

Bei der Herstellung von Flüssigeis wird in einem ersten Schritt a ) ein Behälter teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt , bei der es sich bevorzugt um Wasser handelt . In einem weiteren Schritt b ) wird der innerhalb des Behälters vorherrschende Druck unter Verwendung einer Vakuumpumpe abgesenkt , indem die im Behälter enthaltene Luft abgesaugt wird . Dies erfolgt auch während des Betriebs , da die im nachzuspeisenden Wasser enthaltenen nichtkondensierbaren Gasbestandteile , wie beispielsweise Sauerstof f , ständig abgeführt werden müssen . I st der im Behälter vorherrschende Druck ausreichend gering, beginnt das im Behälter enthaltene Wasser zu sieden . Es entsteht Dampf . Das Wasser kühlt sich dabei entsprechend ab und der Zustand im Behälter nähert sich den angestrebten Verhältnissen am Tripelpunkt . Der entstehende Dampf steigt aufgrund seiner geringeren Dichte auf und kondensiert in Schritt c ) an der im oberen Bereich des Behälters positionierten Wärmetauscherf läche eines Wärmetauschers , der einen Teil einer Kältemaschine bildet . Die Temperatur der Wärmetauscherf läche wird dabei derart gewählt , dass das kondensierende Wasser nicht gefriert , sondern als Flüssigkeit unterkühlt und nach unten zurück in das siedende Wasser fällt , wobei es durch den auf steigenden Dampf erwärmt wird, im Extremfall sogar wieder bis zum Siedepunkt . Die fallenden Tropfen vergrößern somit die für den Wärmetausch verfügbare Fläche . Mit der Zeit erreicht das Gesamtsystem den Tripelpunkt und alle drei Aggregatzustände des Wasser liegen gleichzeitig vor . Ab diesem Zeitpunkt kann eine Mischung aus Wasser und Eis in Schritt d) aus dem Behälter abgepumpt und in einem bevorzugt gut isolierten Flüssigeisspeicher gespeichert werden . Die dem Behälter entzogene Wasser-Eismischung wird in Schritt e ) durch Frischwasser ersetzt , welches in der Regel Umgebungstemperatur aufweist . Ein Rührwerk stellt während der Durchführung des Verfahrens eine gute Durchmischung der festen und der flüssigen Phase der Flüssigkeit sicher und verhindert insbesondere die Bildung einer festen Eisschicht in Teilen des Behälters .

Vorteilhaft ist die verwendete Flüssigkeit Wasser, bevorzugt demineralisiertes Wasser . Ein Gefrieren am Schmel zpunkt der verwendeten Flüssigkeit setzt das Vorhandensein von Kristallisationskeimen voraus , beispielsweise in Form von Schmutzpartikeln oder dergleichen . Solange diese nicht vorhanden sind, kann die verwendete Flüssigkeit deutlich unter den Schmel zpunkt abgekühlt werden, bevor sie zu Eis wird . Der an der Wärmetauscherf läche kondensierende Dampf ist grundsätzlich frei von solchen Kristall isat ions keimen . Gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung wird der Druck in Schritt b ) auf den Tripelpunktdruck der Flüssigkeit abgesenkt , bei Wasser auf weniger als 10 mbar, bevorzugt auf etwa 6 mbar .

Bevorzugt weist die Wärmetauscherfläche , an dem in Schritt c ) der innerhalb des Behälters aufsteigende Dampf kondensiert , eine Temperatur unterhalb des Tripelpunkts der Flüssigkeit auf , bei Wasser insbesondere eine Temperatur geringfügig unterhalb von 0 ° C, insbesondere etwa - 2 ° C . Entsprechend kann einem gefrieren des an der Wärmetauscherfläche kondensierenden Dampfes sicher entgegengewirkt werden .

Vorteilhaft wird der Eisanteil innerhalb des Behälters auf maximal 50- 60% gehalten, um die Pumpfähigkeit zu gewährleisten .

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn sich an der Wärmetauscherf läche eine Eisschicht bildet , beispielsweise durch im Dampfstrom mitgerissene Wassertröpfchen, der Wärmetauscher abgetaut , insbesondere durch temporäres Umschalten im Kältemittelkreislauf der Kältemaschine .

Zudem schaf ft die vorliegende Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Verfahren zur Kühlung der von einem Verdichter einer Gasturbine angesaugten Luft unter Verwendung von Flüssigeis , dadurch gekennzeichnet , dass bei diesem eine erfindungsgemäße Flüssigeisherstellungsanlage eingesetzt und/oder mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Flüssigeis eingesetzt wird . Gemäß einer ersten Variante wird das Flüssigeis direkt durch einen in einem Ansaugkanal des Verdichters angeordneten Wärmetauscher gepumpt .

Gemäß einer weiteren Variante wird das Flüssigeis durch einen Wärmetauscher gepumpt , der einen einen Wärmetauscher enthaltenden Ansaugkühlkreislauf eines Ansaugkanals des Verdichters rückkühlt .

Vorteilhaft wird das Wasser nach Kühlung der angesaugten Luft einer weiteren Nutzung zugeführt , ggf . nach einer Zwischenspeicherung . Bei der weiteren Nutzung kann es sich erneut um die Flüssigeisherstellung handeln . Ebenso kann das Wasser aber auch von anderen Kraftwerkskomponenten genutzt werden . Die weitere Nutzung des Wassers wirkt einer Wasserverschwendung entgegen .

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur 1 deutlich, die eine Flüssigeisherstellungsanlage gemäß einer Aus führungs form der Erfindung zeigt .

Figur 1 zeigt eine Flüssigeisherstellungsanlage 1 gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung . Die Flüssigeisherstellungsanlage 1 umfasst einen isolierten, für die Erzeugung eines Grobvakuums geeigneten Behälter 2 , der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen 3 und im oberen Bereich einen Dampf aufnahmevolumen 4 bildet . Im Bereich seines Flüssigkeitsaufnahmevolumens 3 ist der Behälter 2 mit einer Flüssigkeitseinlassöf fnung 5 und einer Flüssigeisentnahmeöf fnung 6 versehen . An die Flüssigkeitseinlassöf fnung 5 ist eine mit einer Pumpe 7 versehene Flüssigkeits zuführleitung 8 angeschlossen, die den Behälter 2 mit einem Frischwasserspeicher 9 verbindet . An die Flüssigeisauslassöf fnung 6 ist eine mit einer Pumpe 10 versehene Flüssigeisabführleitung angeschlossen, die den Behälter 2 vorliegend mit einem Flüssigeisspeicher 12 verbindet . Ferner umfasst die Flüssigeisherstellungsanlage 1 ein motorisch angetriebenes Rührwerk 13 , das sich in das Flüssigkeitsaufnahmevorlumen 3 erstreckt und dazu ausgelegt ist , in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen vorhandenes Flüssigeis zu rühren, und eine an den Behälter 2 im Bereich des Dampf aufnahmevolumens 4 angeschlossene Vakuumpumpe 14 , die dazu ausgelegt ist , den Innendruck des Dampf aufnahmevolumes 4 zumindest bis zum Tripelpunktdruck der zu verwendenden Flüssigkeit abzusenken, bei der es sich vorliegend um demineralisiertes Wasser handelt . Im oberen Bereich des Dampf aufnahmevolumes 4 ist eine Wärmetauscherfläche 15 eines Wärmetauschers angeordnet , der Teil einer Kältemaschine 16 ist . An dem Flüssigeisspeicher 12 ist vorliegend eine mit einer Pumpe 17 versehene Flüssigeisauslassleitung 18 angeschlossen, die zu einem im Ausgangsbereich des Verdichters 19 einer Gasturbine 20 eines gasturbinenbasierten Kraftwerks 21 installierten Wärmetauscher 23 führt , welcher die vom Verdichter 19 angesaugte Umgebungsluft kühlt . Die Wärmetauscherf läche 15 und die Innenflächen des Behälters 2 weisen bevorzugt eine einen Eisaufbau verhindernde , insbesondere hydrophob ausgebildete Oberfläche auf . Ferner weist der Behälter 2 bei der dargestellten Aus führungs form in dem Flüssig- keitsaufnahmevolumen 3 einen zwischen der Flüssigkeitseinlassöf fnung 5 und der Flüssigeisentnahmeöf fnung 6 angeordnete Barriere 22 auf , die derart ausgestaltet ist , dass sie einen direkte Strom von durch die Flüssigkeitseinlassöf fnung 5 eintretendem Frischwasser in Richtung der Flüssigeisentnahmeöf fnung 6 verhindert . Beispielsweise kann die Barriere 22 in Form einer oder mehrerer in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 3 ragender Behälterwände bereitgestellt werden .

Zur Herstellung von Flüssigeis unter Verwendung der Flüssigeisherstellungsanlage 1 wird in einem ersten Schritt das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 3 des Behälters 2 mit Flüssigkeit gefüllt , vorliegend mit sauberem , bevorzugt demineralisiertem Wasser .

In einem weiteren Schritt wird der im Inneren des Behälters 2 vorherrschende Druck in Richtung des Tripelpunktdrucks unter Verwendung der Vakuumpumpe abgesenkt , bei der es sich beispielsweise um eine Wasserringpumpe mit vorgeschlatetem und von dieser angetriebenem Luftej ektor handeln kann . Die Druckabsenkung unter Verwendung der Vakuumpumpe 14 erfolgt vorliegend während des gesamtes Betriebes der Flüssigeisherstellungsanlage 1 , da die im nachzuspeisenden Wasser enthaltenen nicht kondensierbaren Gasbestandteile ständig abgeführt werden müssen, beispielsweise in Form des im Wasser enthaltenen Sauerstof fs . I st der innerhalb des Behälters vorherrschende Druck ausreichend niedrig, so beginnt das im Behälter 2 enthaltene Wasser zu sieden . Es entsteht Dampf . Das Wasser kühlt sich dabei entsprechend ab und der Zustand im Behälter nähert sich den angestrebten Verhältnissen am Tripelpunkt von Wasser . Der entstehende Dampf steigt innerhalb des Dampf aufnahmevolumes 4 aufgrund seiner geringeren Dichte auf und kondensiert an der durch die Kältemaschine 16 rückgekühlten Wärmetauscherf läche 15 im oberen Bereich des Behälters 2 . Die Temperatur der Wärmetauscherfläche 15 wird dabei knapp unter 0 ° C gehalten, beispielsweise auf etwa 2 ° C . Das aus dem Dampf kondensierende Wasser gefriert aber nicht , sondern wird als Flüssigkeit unterkühlt , fällt nach unten in das siedende Wasser und wird dabei durch den auf steigenden Dampf wieder erwärmt . Die fallenden Tropfen vergrößern somit die für den Wärmetausch verfügbare Fläche . Mit der Zeit nähert sich das Gesamtsystem den Verhältnissen am Tripelpunkt und alle drei Aggregat zustände des Wassers liegen gleichzeitig vor . Ab diesem Zeitpunkt kann eine Mischung aus Wasser und Eis aus dem Behälter 2 abgezogen und durch die Flüssigeisabführleitung in den Flüssigeisspeicher 12 gepumpt werden . Zur Erhaltung der Pumpfähigkeit der Pumpe 10 sollte der Eisanteil maximal um die 50 bis 60% liegen . Diese Wasser- Eimischung wird durch frisches Wasser ersetzt , das dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen 3 aus dem Frischwasserspeicher 9 unter Verwendung der Pumpe 7 über die Flüssigkeits zuführleitung 8 zugeführt wird . Das in dem Frischwasserspeicher 9 enthaltene Frischwasser weist vorliegend Umgebungstemperatur auf . Die Barriere 22 sorgt dafür, dass das zugeführte Frischwasser nicht direkt in Richtung der Flüssigeisauslassöf fnung 6 strömen kann . Das Rührwerk 13 stellt eine gute Durchmischung der festen und der flüssigen Phase des Wasser sicher und verhindert insbesondere die Bildung einer festen Eisschicht in Teilen des Behälters 2 .

Ein Vereisen des an der Wärmetauscherf läche 15 kondensierenden Wassers tritt deshalb nicht ein, da die landläufig bekannte Temperatur von 0 ° C nicht den Gefrierpunkt , sondern den Schmel zpunkt von Wasser darstellt . Das Gefrieren bei dieser Temperatur setzt das Vorhandensein von Kristallisationskeimen beispielsweise in Form von Schmutzpartikeln voraus . Solange diese nicht vorhanden sind, kann man Wasser bis zu ca . 40K unter 0 ° C unterkühlen, bevor es zu Eis wird . Der an der Wärmetauscherf läche 15 kondensierende Wasserdampf ist frei von selbigen . Zusätzlich sind die Wärmetauscherf läche 15 sowie weitere Innenflächen des Behälters 2 vorliegend mit einer speziellen, den Eisaufbau verhinderten hydrophoben Oberfläche ausgestattet . Grundsätzlich sollte die Wärmetauscherf läche 15 vor der Inbetriebnahme der Flüssigeisherstellungsanlage 1 sehr gut gereingt sein, um die Bildung von unerwünschten Eisschichten wegen dann dort vorhandener Kristallisationskeime zu verhindern . Sollte sich beispielsweise durch nicht vor Inbetriebnahme entfernte Schmutzpartikel oder im Dampfstrom mitgerissene Wassertröpfen und darin enthaltenen Kristallisationskeime doch eine Eisschicht gebildet haben, kann der Wärmetauscher durch Umschaltungen im Kältemittelkreislauf der Kältemaschine 16 bei Bedarf abgetaut werden .

Die Bereitstellung der Kälte kann über j eder Art von Kältemaschine 16 erfolgen, solange diese in der Lage ist , an ihrer Verdampferoberfläche Temperaturen von knapp unter 0 ° C einzustellen und dauerhaft zu halten . Oft wird sich eine Kompressionskältemaschine anbieten, da diese in verschiedensten Leistungen gut und vergleichsweise kostengünstig verfügbar ist , erneuerbaren Strom nutzen und auch in bestehende Kraftwerksanlagen leicht integriert werden kann . Eine Absorptionskältemaschine , beispielsweise mit dem Arbeitsstof fpaar Ammoniak und Wasser, wäre auch denkbar und hätte gegebenenfalls den Vorteil , dass überschüssige kostenlose Abwärme aus dem Kraftwerk in Kälte umgewandelt werden kann . Der nachträgliche Einbau einer solchen Lösung ist aber deutlich erschwert und Absorptionskältemaschinen mit all ihren Nebenanlagen weisen auch einen höheren CAPEX auf . Hinzu kommt die Abhängigkeit der Antriebswärmeverfügbarkeit von den Betriebs zeiten des Kraftwerkes .

Wenn Kältebedarf zur Ansaugluftkühlung des Verdichters 19 besteht , wird die Mischung aus Wasser und Eispartikeln dem Flüssigeisspeicher 12 über die Flüssigeisauslassleitung 18 entnommen und entweder direkt durch einen Wärmetauscher 23 im Ansaugkanal der Gasturbine 20 gepumpt oder ein separater Wärmetauscher, der den Ansaugkanalkühlkreislauf rückkühlt , damit versorgt . In diesem Zusammenhang wird der Eisanteil auf geschmol zen und das Wasser entsprechend der Grädigkeit des Wärmetauschers und der Temperatur des zu kühlenden Mediums erwärmt . Das erwärmte Wasser kann dann im Kraftwerk 21 entweder direkt genutzt oder in geeignete Speichertanks , beispielsweise in bereits vorhandene Demin- oder Rohwasserbehälter des Kraftwerks 21 , zurückgepumpt werden und steht unter anderem auch für die spätere Erzeugung von weiterem Flüssigeis zur Verfügung .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Bei- spiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche

1. Flüssigeisherstellungsanlage (1) umfassend einen isolierten, für die Erzeugung eines Grobvakuums geeigneten Behälter (2) , der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) und im oberen Bereich ein Dampf aufnahme- volumen (4) bildet, wobei der Behälter (2) im Bereich seines Flüssigkeitsaufnahmevolumens (3) mit einer Flüssigkeitseinlassöffnung (5) und einer Flüssigeisentnahmeöffnung (6) versehen ist, an die eine Flüssigkeitszuführleitung (8) und eine Flüssigeisabführleitung (11) angeschlossen werden können, ein sich in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) erstreckendes Rührwerk (13) , das zum Rühren von in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) vorhandenem Flüssigeis ausgelegt ist, und eine an den Behälter (2) im Bereich des Dampf aufnahmevolumens (4) angeschlossene Vakuumpumpe (14) , die dazu ausgelegt ist, den Innendruck des Dampf aufnahmevolumens (4) zumindest bis zum Tripelpunktdruck der zu verwendenden Flüssigkeit abzusenken, wobei es sich bei dieser insbesondere um Wasser handelt, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich des Dampf aufnahmevolumens (4) eine Wärmetauscherf läche (15) eines Wärmetauschers angeordnet ist, der Teil einer Kältemaschine (16) ist.

2. Flüssigeisherstellungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Dampf aufnahmevo- lumen (4) angeordnete Wärmetauscherf läche (15) und/oder Innenflächen des Behälters (2) eine einen Eisaufbau verhindernde, insbesondere hydrophob ausgebildete Oberfläche aufweisen .

3. Flüssigeisherstellungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) in dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) eine zwischen der Flüs- sigkeitseinlassöf fnung (5) und der Flüssigeisentnahmeöffnung (6) angeordnete Barriere (22) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass sie einen direkten Strom von durch die Flüssigkeitseinlassöffnung (5) eintretendem Frischwasser in Richtung der Flüssigeisentnahmeöffnung (6) verhindert, insbesondere in Form einer oder mehrerer, in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen (3) ragender Behälterwände.

4. Flüssigeisherstellungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Flüssigeisspeicher (12) aufweist, der an die Flüssigeisentnahmeöffnung (6) angeschlossen ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Flüssigeis, insbesondere unter Nutzung einer Flüssigeisherstellungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Schritte aufweist: a) Teilweises Füllen eines Behälters (2) mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, b) Absenkung des innerhalb des Behälters (2) vorherrschenden Druckes, bis die im Behälter (2) enthaltene Flüssigkeit zu sieden beginnt und teilweise verdampft, c) Kondensieren des auf steigenden Dampfes unter Verwendung eines im oberen Bereich des Behälters (2) positionierten Wärmetauscherf läche (15) eines Wärmetauschers, der einen Teil einer Kältemaschine (16) bildet, d) Abpumpen des entstehenden Flüssigeises in einen Flüssigeisspeicher (12) und e) Ersetzen des abgepumpten Flüssigeises durch frische Flüssigkeit, insbesondere durch Frischwasser, wobei die im Behälter (2) enthaltene Mischung aus Flüssigkeit und Eis insbesondere ständig gerührt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Flüssigkeit Wasser, bevorzugt demine- ralisiertes Wasser ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in Schritt b) auf den Tripelpunktdruck der Flüssigkeit abgesenkt wird, bei Wasser auf weniger als 10 mbar, bevorzugt auf etwa 6 mbar.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherf lache (15) , an dem in Schritt c) der innerhalb des Behälters (2) aufsteigende Dampf kondensiert, eine Temperatur unterhalb des Tripelpunkts der Flüssigkeit aufweist, bei Wasser auf eine Temperatur geringfügig unterhalb von 0°C, insbesondere etwa -2°C.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisanteil innerhalb des Behälters (2) auf maximal 50-60% gehalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn sich an der Wärmetauscherf lä- che (15) eine Eisschicht bildet, der Wärmetauscher abgetaut wird, insbesondere durch temporäres Umschalten im Kältemittelkreislauf der Kältemaschine (16) .

11. Verfahren zur Kühlung der von einem Verdichter (19) einer Gasturbine (20) angesaugten Luft unter Verwendung von Flüssigeis dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem eine Flüssigeisherstellungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingesetzt und/oder mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 hergestellten Flüssigeis eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigeis direkt durch einen in einem Ansaugkanal des Verdichters (19) angeordneten Wärmetauscher (23) gepumpt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigeis durch einen Wärmetauscher gepumpt wird, der einen einen Wärmetauscher (23) enthaltenden Ansaugkühlkreislauf eines Ansaugkanals des Verdichters (19) rückkühlt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser nach Kühlung der angesaugten Luft einer weiteren Nutzung zugeführt wird, ggf. nach einer Zwischenspeicherung.