WO2020011396A1 - Method for operating a heat exchanger, arrangement comprising a heat exchanger, and air processing system comprising a corresponding arrangement - Google Patents

Method for operating a heat exchanger, arrangement comprising a heat exchanger, and air processing system comprising a corresponding arrangement Download PDF

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WO2020011396A1
WO2020011396A1 PCT/EP2019/025222 EP2019025222W WO2020011396A1 WO 2020011396 A1 WO2020011396 A1 WO 2020011396A1 EP 2019025222 W EP2019025222 W EP 2019025222W WO 2020011396 A1 WO2020011396 A1 WO 2020011396A1
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WO
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heat exchange
exchange zone
operating mode
time
heat exchanger
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PCT/EP2019/025222
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Reinhold Hölzl
Pascal Freko
Alexander WOITALKA
Patrick Haider
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Linde Aktiengesellschaft
Technische Universität München
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    • F25J2280/10Control 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 exchangers” or “main heat exchangers” of air separation plants, but in principle it is also suitable for use in others
  • heat exchanger is used routinely, even if strictly speaking no “exchange” of heat takes place in such an apparatus.
  • 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 like in a
  • Air separation plant a rectification downstream. 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.
  • Air separation plants and other heat exchangers flowed through with warm and cryogenic media when the associated plant and thus the
  • the heat exchanger only warms up to the ambient temperature over a much longer period.
  • This case relates to the present invention. This behavior is observed in particular when the main heat exchanger, which is housed in a cold-insulated manner, is blocked together with the rectification unit when an air separation plant is switched off, ie when no more gas is supplied from the outside. In such a case, typically only gas that is produced due to thermal insulation losses is blown off cold.
  • a system for liquefying a gaseous air product for example liquid nitrogen
  • US 2002/017468 A1, US 3,469,271 A and DE 10 2009 042994 A1 also relate to methods for operating heat exchangers or corresponding arrangements with heat exchangers.
  • the present invention therefore has as its object to provide measures which require certain heat exchangers to be restarted after a prolonged period
  • the present invention proposes a method for operating a heat exchanger and an arrangement with a correspondingly operable Heat exchanger, in particular as an air treatment plant, plant for storing and recovering electrical energy or plant for
  • a “heat exchanger” in the parlance used here is an apparatus which is used for the indirect transfer of heat between at least two e.g. fluid flows guided in countercurrent to one another.
  • a heat exchanger for use in the present invention may be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, e.g. 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 often used synonymously in the professional world. This also applies here.
  • the present invention relates to the apparatus referred to as plate fin heat exchangers in accordance with the German version of ISO 15547-2: 2005. If the term "heat exchanger” is used below, it is understood to mean a fin-plate heat exchanger. A finned plate heat exchanger has a plurality of superimposed flat
  • Chambers or elongated channels which are each separated 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 disclosed, for example, in EP 3 032 203 A1.
  • Liquids are stored and used in the second operating mode for the generation of electrical energy. Examples of corresponding cryogenic
  • Liquids are liquid nitrogen or liquid oxygen or
  • Component mixtures consisting mainly 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 are used. If liquid air is used, it is also possible to use pure air liquefaction systems. As a generic term for Air separation plants and air liquefaction plants, the term “air treatment plants” is therefore also used below.
  • a heat exchanger can be flowed through with cold gas from a tank or exhaust gas from the stationary system during a standstill of the associated system in order to avoid heating or the developed one
  • the process may only be complex to implement.
  • Flow velocities in the heat exchanger can result in an incorrect distribution within a heat exchanger block and in particular over several
  • Heat exchanger blocks cannot be excluded. In principle, however, it is desirable to keep the amounts of gas used low in order to
  • cryogenic media For example, to avoid product losses or the consumption of appropriate cryogenic media. Furthermore, implementation is more appropriate
  • the present invention proposes a method for operating a
  • Heat exchanger which has a heat exchange zone, which extends between a first end and a second end, and which has a plate stack of heat transfer plates, the heat transfer plates, as is customary in this regard for fin-plate heat exchangers, structured (profiled, corrugated and, if necessary have perforated) sheets and corresponding edge bars (English sidebars).
  • a parallelepiped-shaped block is formed by a corresponding plate stack, which block has corresponding headers for feeding and removing fluids, as is common practice.
  • the heat exchanger operated according to the invention is, as mentioned, a fin-plate heat exchanger of a known type.
  • the present invention is applied to a heat exchanger in which a width of the heat transfer plates and a height of that formed therefrom
  • Plate stacks in the heat exchange zone between one fifth and one each Is a third of the length of the heat transfer plates between the first end and the second end.
  • the width of the heat transfer plates is a dimension in a direction that is perpendicular to a main flow direction of the fluids through the heat exchanger or orthogonal to a shortest connection between the first and the second end and in a plane of the respective heat exchanger plates.
  • the stack height denotes the added heights of the respective
  • Heat exchanger plates perpendicular to their plane.
  • the present invention thus already differs in this point from known methods for operating wound heat exchangers.
  • a wound heat exchanger completely different temperature compensation phenomena occur than in a finned plate heat exchanger, because here the wound ones
  • Heat exchanger tubes or capillaries are also subjected to heat exchange with adjacent tubes or capillaries, but primarily with the surrounding jacket space, in which a gaseous medium to be heated typically flows.
  • Heat exchangers present overall in a smaller proportion and in particular less rigid material transitions can be exposed to this, if necessary, significantly harsher temperature gradients. It is therefore not obvious to transfer suitable measures for a wound heat exchanger to a fin-plate heat exchanger. The specialist would have been prevented by the fundamentally different boundary conditions here.
  • Temperature distribution over the entire cross-sectional area of the heat exchanger can adjust. In other words, even with reduced fluid feed, this can result in any cross-sectional plane between the first end and the second In the end, a temperature distribution can be achieved in which a maximum temperature and a minimum temperature do not differ by more than 20, 10 or 5 K.
  • the present invention proposes that, in a first operating mode, fluids are provided at different feed temperature levels and are each passed through the heat exchange zone in a first quantity per unit of time, 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 second temperature level, which is in particular below the first temperature level, is brought.
  • the feed temperature levels are those at which the corresponding fluids are also fed into the heat exchanger or are fed to the heat exchanger at the first or second end. They comprise a first feed temperature level of a fluid to be cooled and a second feed temperature level of a fluid to be heated, the first feed temperature level in the case of an air separation plant in particular at ambient temperature or at 0 to 30 ° C. and the second
  • the first temperature level, to which the first end of the heat exchange zone is brought, and the second temperature level, to which the second end of the heat exchange zone is brought, result in particular from the feed temperature levels mentioned. They are close to these, i.e. in particular, they reject them by no more than 20 ° C. or no more than 10 ° C.
  • Such a first operating mode corresponds to 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. So the first temperature level in particular at 0 to 100 ° C, for example at about 20 ° C and the second temperature level in particular at -100 to -200 ° C, for example at about -175 ° C.
  • 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.
  • Heat exchange zone at the first end of the heat exchange zone set a third temperature level and at the second end of the heat exchange zone a fourth temperature level.
  • the temperature level in the case considered in the context of the present invention is always greater than a difference between the third
  • Temperature level and the fourth temperature level In the second operating mode, therefore, a certain temperature compensation occurs, which can also have the effect that the third and fourth temperature levels are the same or at least do not differ by more than 50, 40, 30, 20 or 10 K.
  • the invention does not relate to the fully heated state of a corresponding heat exchanger.
  • an average value between the third temperature level and the fourth temperature level does not deviate by more than 50, 40, 30, 20 or 10 K from an average value between the first temperature level and the second temperature level.
  • the two mean values are therefore similar or the same and differ only because of a temperature input (which is significantly slower than the heat balance between the warm and the cold end).
  • a temperature difference between the first and the second temperature level can be more than 150 K in particular.
  • the mean value between the third and fourth, and thus also between the first and the second temperature level deviates in particular by more than 50 K and up to 100 K from the closest feed-in temperature level (which may be above or below) ,
  • 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.
  • the present invention can be used in any system in which a heat exchanger can be operated accordingly.
  • plants for liquefaction and separation of natural gas the aforementioned LAES plants, plants for air separation,
  • Liquefaction circuits of all kinds especially for air and nitrogen
  • ethylene plants in particular separation plants that are set up to process gas mixtures from steamer racks
  • Cooling circuits for example with ethane or ethylene on different
  • Pressure levels are used and systems in which carbon monoxide and / or carbon dioxide cycles are provided act.
  • the switchover from the second operating mode to the first operating mode includes the fluids that flow through the first amount per unit time in the first operating mode
  • Heat exchange zone are to be conducted through the heat exchange zone in a second quantity per unit of time, which is less than the first quantity per unit of time, until a point in time of elevation and only through the first heat exchange zone in the first quantity per unit of 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) is 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 in a suitable manner
  • temperature-balanced state as may be present in particular after longer phases of an explained second operating mode, can strongly depend on the speed of the restart. 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 below with reference to Figure 3
  • the present invention exerts its effects in the heat exchangers explained above, since here a sufficiently balanced temperature profile can also be achieved in cross-section through the heat exchange zone by means of a sufficiently fast cross conduction.
  • the temperature profile at Starting of the apparatus from the two ends starting with progressive time to the interior of the heat exchanger or its heat exchange zone.
  • 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, the heat exchanger already has the largest areas occurring during the transition to normal operation
  • the invention therefore proposes, with the above-mentioned measures, first to guide fluids through the heat exchange zone with a smaller amount per unit of time and only afterwards, namely to increase the amount or to increase the amount, if the temperature has already changed sufficiently in corresponding sensitive areas set maximum amount.
  • the present invention enables 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.
  • the main heat exchangers of air separation plants can be operated in a load-flexible manner (for
  • 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.
  • the corresponding area can be defined in particular by means of a longitudinal coordinate which corresponds to the end of a module connection.
  • a measurement at another location is also possible in principle, provided that a temperature at a corresponding sensitive location can be inferred in this way, for example on the basis of known material properties and possibly
  • Is a corresponding heat exchanger for example, characterized with sufficient accuracy with regard to material and thermal properties, and are
  • Temperature measurement can be dispensed with, because it can be assumed that after a certain time in the sensitive zones, a corresponding one
  • Temperature value is 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. It is also possible, for example, to base the switchover time on a
  • 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 for example, be produced by means of 3D printing. Especially with such
  • Heat exchangers may experience the mentioned potentially high thermal stresses 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 has, the
  • the point in time of the increase is 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.
  • 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. Due to the slow approach, the present invention permits targeted protection of the areas with the module connections or other sensitive zones, that is to say the first and second terminal partial zones, which are particularly critical with regard to rapid temperature changes. Module connections are particularly due to their
  • 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 the increase can be defined 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-zones.
  • the changeover between the first and the second quantity per unit of time can take place suddenly or gradually.
  • 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 the
  • 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 is or will be, and that in the first mode of operation one or more second fluids are supplied to the heat exchange zone at its second end at the second temperature level, passed through the heat exchange zone and removed from the heat exchange zone at its first end at the first temperature level.
  • the present invention also extends to an arrangement with a
  • Heat exchanger which has a heat exchange zone which extends between a first end and a second end and which has a plate stack of heat transfer plates, wherein a width of the
  • Heat exchange zone each a fifth to a third of a length of the
  • Heat transfer plates between the first end and the second end are provided. According to the present invention, technical means are provided which are set up to operate different fluids in a first operating mode
  • Feed temperature levels are provided and each in a first amount per unit of time through the heat exchange zone, whereby 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 in particular below the first temperature level, whereby technical Means are provided which are set up to operate the in a second operating mode
  • Heat exchange zone sets a third temperature level at the first end of the heat exchange zone and a fourth temperature level at the second end of the heat exchange zone, with a difference between the first
  • Temperature level and the second temperature level is greater than a difference between the third temperature level and the fourth temperature level and an average value between the third temperature level and the fourth temperature level does not deviate by more than 50 K from an average value between the first temperature level and the second temperature level.
  • the invention provides that technical means are provided which are set up to switch several times 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 each case in the first quantity per unit of time at a time of increase, are first passed through the first heat exchange zone in a second amount per time unit, which is less than the first amount per time unit, 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, if necessary, for example according to a fixed switching pattern, on the basis of a sensor signal or
  • 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. According to the invention, 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. In this case, it comprises a distillation column system
  • 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 temperature profiles at the warning and cold end of a heat exchanger operable according to the invention after decommissioning.
  • Figure 2 illustrates a finned plate heat exchanger that can be operated using a method according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 illustrates a relationship between fluid flows and thermal stresses in a fin-plate heat exchanger.
  • Figure 4 illustrates temperature gradients in a fin-plate heat exchanger at different times of flow.
  • FIG. 5 illustrates a nitrogen liquefaction plant that can be operated using a method according to an embodiment of the invention
  • elements that are identical or correspond to one another functionally or in terms of meaning are given identical reference numerals and are not explained repeatedly for the sake of clarity.
  • Figure 1 illustrates temperatures in a heat exchanger, particularly a finned plate heat exchanger, after decommissioning, i.e. in a previously and subsequently also referred to as "second operating mode" operating mode, in which the passage of fluids through the heat exchanger is prevented, in the form of a temperature-time diagram.
  • second operating mode operating mode
  • the temperature-time diagram shown in FIG. 1 shows a temperature denoted by H (also referred to here as “first temperature level”) at the warm end of the heat exchanger or its heat exchange zone ("first end") and a temperature denoted by C ( “second temperature level”) at the cold end ("second end”) each in ° C on the ordinate versus a time in hours on the abscissa.
  • H also referred to here as "first temperature level”
  • C cold end
  • the temperature H at the first (warm) end of the heat exchange zone at the beginning of the decommissioning, and thus the temperature during 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 the corresponding fluid is passed through the heat exchanger, approx. 20 ° C and the temperature C at the second (cold) end approx. -175 ° C.
  • These temperatures become increasingly similar over time.
  • 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 a
  • Temperature level at the second end (“fourth temperature level") and 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 one
  • Tensions arise when the first (warm) end of the heat exchanger is again exposed to a warm fluid of approximately 20 ° C. in the example shown after some time in the second operating mode.
  • FIG. 2 illustrates a fin-plate heat exchanger which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, but which is only for illustration purposes with a significantly higher one
  • Plate stack is shown. 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 used of the header 5 distributed over a group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2. After the fluid fed in by means of the header 5 has flowed through the modules 1, 2, it is collected by means of the header 6 and, in the cooled state, is discharged via a connection piece (not visible here).
  • a cold fluid is distributed to another group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2 by means of the header 7. After the fluid fed in by means of the header 7 has flowed through the modules 1, 2, it is collected by means of the header 8 and, in the heated state, is discharged via the nozzle 81.
  • a corresponding one is used of the header 5 distributed over a group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2. After the fluid fed in by means of the header 5 has flowed through the modules 1, 2, it is collected by means of the
  • 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 designated here as 11 and a second end designated here as 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 first
  • second certain
  • a heat exchanger 100 which is constructed from a plurality of modules 1, 2 and is connected to one another by means of corresponding module connections 3.
  • 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.
  • FIG. 3 illustrates a relationship between fluid flows and thermal stresses in a fin-plate heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a standardized cold mass flow in dimensionless units, that is to say an amount of cold fluid supplied to the heat exchanger per unit of time, on the
  • the abscissa and a normalized maximum thermal stress are plotted on the ordinate in dimensionless units.
  • 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.
  • a quantity of fluid is only increased when the areas in which module connections of a finned-plate heat exchanger constructed from a plurality of modules, for example a heat exchanger as shown in FIG. 2, are arranged are sufficiently temperature-controlled, since such Areas particularly negative effects of thermal stresses. This is further explained with reference to FIG. 4.
  • 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 of 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 i.e. from the transition from the second to the first operating mode, starting from the two ends as time progresses to the inside of the heat exchanger or the
  • Heat exchange zone set. If the heat exchanger, e.g. in a sensitive area of module connections, already experiencing the greatest temperature changes occurring during the transition to the first operating mode, only reduced gradients occur here, and thus greatly reduced
  • Heat exchanger for example the heat exchanger 100 shown in Figure 2 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 sub-zones are also denoted here in the diagram 410 by 10, 13 and 14.
  • the time illustrated with diagram 410 there was only a slight change in temperature at the extreme ends of the
  • Heat exchange zone 10 result, which initially only affects the sub-zones 13 and 14. Temperature profiles 402 to 406 arise with increasing time. The highest voltages occur in particular when the one that arises
  • Temperature gradient is present at the inner end of the module connections here, which is approximately the case at the times indicated here with the diagrams 430 and 440.
  • corresponding thermal voltages are reduced, in particular, by deliberately lowering those periods in which the areas of the module connections experience large temperature changes
  • FIG. 5 schematically illustrates a plant for nitrogen liquefaction, which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, and is designated overall by 500.
  • the system 500 illustrated in FIG. 1 has in particular one
  • Heat exchanger on. 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. Part of the compressed gaseous nitrogen (stream b) is in
  • Turbine boosters 520, 530 which are each provided with aftercoolers, further compressed 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, in an expansion turbine
  • Turbine boosters 520 relaxed 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 together with gaseous nitrogen from the container 540 as stream f at one
  • 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 carried in the stream k
  • gaseous nitrogen is fed via stream I to stream a and thus back 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

The invention relates to a method for operating a heat exchanger (100), which has a heat exchange zone (10), which extends between a first end (11) and a second end (12) and which has a plate stack comprising heat exchange plates (4), wherein a width of the heat exchange plates (4) and a height of the plate stack each equals one third to one fifth the length of the heat exchange plates (4) between the first end (11) and the second end (11). After decommissioning and reaching a temperature-compensated state, fluids, which are each directed through the heat exchange zone (10) at a first quantity per unit of time during normal operation, are first each directed through the first heat exchange zone (10) during restarting, up to a time of increase, at a second quantity per unit of time, which is lower than the first quantity per unit of time, and each directed through the first heat exchange zone (10) at the first quantity per unit of time only starting from the time of increase. The invention further relates to a corresponding arrangement, which is in particular designed as an air processing system.

Description

Beschreibung  description
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, Anordnung mit einem Wärmeübertrager und Luftbearbeitungsanlage mit einer entsprechenden Anordnung Method for operating a heat exchanger, arrangement with a heat exchanger and air processing system with a corresponding arrangement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers und eine Anordnung mit einem entsprechend betreibbaren Wärmeübertrager gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. 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.
Stand der Technik State of the art
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 Heat exchangers with cryogenic fluids, i.e. Operate fluids at temperatures significantly below 0 ° C, in particular significantly below -100 ° C. In the following, the present invention is mainly described with reference to the main heat exchangers (also referred to as “main heat exchangers” or “main heat exchangers”) of air separation plants, but in principle it is also suitable for use in others
Anwendungsgebieten, beispielsweise für Anlagen zum Speichern und Rückgewinnen von Energie unter Verwendung von Flüssigluft oder die Erdgasverflüssigung. Der Begriff "Wärmetauscher" wird routinemäßig verwendet, auch wenn in einem derartigen Apparat streng genommen kein "Austausch" von Wärme erfolgt. Areas of application, for example for systems for storing and recovering energy using liquid air or natural gas liquefaction. The term "heat exchanger" is used routinely, even if strictly speaking no "exchange" of heat takes place in such an apparatus.
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 For the reasons explained below, 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 like in a
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. Air separation plant, a rectification downstream. 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.
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. For the construction and operation of main heat exchangers of air separation plants and other heat exchangers, reference is made to relevant specialist literature, for example H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular section 2.2.5.6, "Apparatus". Details on heat exchangers in general can be found, for example, in the publication "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers'Association", 2nd edition, 2000, in particular Section 1.2.1, "Components of an Exchanger".
Ohne zusätzliche Maßnahmen erwärmen sich Wärmeübertrager von Heat exchangers heat up without additional measures
Luftzerlegungsanlagen und andere mit warmen und tiefkalten Medien durchströmte Wärmeübertrager beim Stillstand der zugehörigen Anlage und damit der Air separation plants and other heat exchangers flowed through with warm and cryogenic media when the associated plant and thus the
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 Decommissioning of the heat exchanger, or the temperature profile forming in a corresponding heat exchanger, cannot be maintained in such a case. If, for example, fluid is subsequently fed back into a heated or, as explained below, temperature-balanced heat exchanger, this fluid has a large temperature difference from the local one
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. Has metal temperature, this causes high thermal stresses due to the thermal expansion or contraction of the metal, which can lead to damage to the heat exchanger or require a disproportionately high cost of materials or manufacturing. This applies both when warm fluid meets colder metal and when cold fluid meets warmer metal.
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. Diese mittlere Temperatur liegt dabei aber noch deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur, insbesondere wenn der Wärmeübertrager insgesamt in einer temperaturisolierten Einhausung untergebracht ist. Erst über einen sehr viel längeren Zeitraum erwärmt sich der Wärmetauscher ingesamt auf Umgebungstemperatur. Diesen Fall betrifft die vorliegende Erfindung. 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. In particular, when a heat exchanger is decommissioned before it heats up overall, due to the good heat conduction (longitudinal heat conduction) in its metallic material, the temperatures at the previously warm end and at the previously cold end are equalized. In other words, the previously warm end of the heat exchanger becomes colder over time and the previously cold end of the heat exchanger warmer until the temperatures mentioned are at or close to an average temperature. This is also illustrated again in the attached FIG. 1. The temperatures, which were around -175 ° C or +20 ° C at the time of decommissioning, converge over several hours and reach almost a medium temperature. However, this average temperature is still significantly below the ambient temperature, in particular if the heat exchanger as a whole is housed in a temperature-insulated housing. The heat exchanger only warms up to the ambient temperature over a much longer period. This case relates to the present invention. This behavior is observed in particular when the main heat exchanger, which is housed in a cold-insulated manner, is blocked together with the rectification unit when an air separation plant is switched off, ie when no more gas is supplied from the outside. In such a case, typically only gas that is produced due to thermal insulation losses is blown off cold. The same also applies if a system for liquefying a gaseous air product, for example liquid nitrogen, is switched off.
Bei einer ggf. anschließend erfolgenden Einspeisung von warmem Fluid am If there is a subsequent supply of warm fluid on
abgekühlten warmen Ende des Wärmeübertragers bei seiner Wiederinbetriebnahme erhöht sich dort schlagartig die Temperatur. Entsprechend verringert sich die cooled warm end of the heat exchanger when it is restarted, the temperature suddenly increases there. The decreases accordingly
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. The temperature at the warmed up cold end when restarting, if appropriate cold fluid is fed in, suddenly. This leads to the material stresses already mentioned and thus possibly to damage.
Gemäß der US 2017/0292783 A1 wird ein gewickelter, bei der Erdgasverflüssigung eingesetzter Wärmeübertrager langsam heruntergefahren, um Temperaturspannungen zu reduzieren. Dabei sollen sowohl die Temperaturgradienten als auch die According to US 2017/0292783 A1, a wound heat exchanger used in liquefying natural gas is slowly shut down in order to reduce temperature stresses. Both the temperature gradients and the
Temperaturdifferenzen zwischen den warmen und den kalten Strömen innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden. Die US 2002/017468 A1 , die US 3,469,271 A und die DE 10 2009 042994 A1 betreffen ebenfalls Verfahren zum Betreiben von Wärmeübertragern bzw. entsprechende Anordnungen mit Wärmeübertragern. Temperature differences between the warm and the cold currents are kept within acceptable limits. US 2002/017468 A1, US 3,469,271 A and DE 10 2009 042994 A1 also relate to methods for operating heat exchangers or corresponding arrangements with heat exchangers.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Maßnahmen anzugeben, die eine Wiederinbetriebnahme bestimmter Wärmeübertrager nach längerer The present invention therefore has as its object to provide measures which require certain heat exchangers to be restarted after a prolonged period
Außerbetriebnahme ohne die erwähnten nachteiligen Effekte ermöglichen, und zwar für einen Einsatz in Fällen, in denen sich die Temperaturen am warmen und kalten Ende des Wärmeübertragers nach der Außerbetriebnahme zumindest teilweise aneinander angeglichen haben, aber noch deutlich unterhalb der Enable decommissioning without the adverse effects mentioned, for use in cases in which the temperatures at the hot and cold ends of the heat exchanger have at least partially adjusted to one another after decommissioning, but still significantly below that
Umgebungstemperatur liegen. Ambient temperature.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
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 Against this background, the present invention proposes a method for operating a heat exchanger and an arrangement with a correspondingly operable Heat exchanger, in particular as an air treatment plant, plant for storing and recovering electrical energy or plant for
Verflüssigung eines Luftprodukts ausgebildet sein kann, mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Liquefaction of an air product can be designed with the features of the respective independent claims. Refinements are in each case
Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Subject of the dependent claims and the following description.
Zunächst werden nachfolgend einige zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert und definiert. First, some terms used to describe the present invention are explained and defined below.
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. A "heat exchanger" in the parlance used here is an apparatus which is used for the indirect transfer of heat between at least two e.g. fluid flows guided in countercurrent to one another. A heat exchanger for use in the present invention may be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, e.g. 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 often used synonymously in the professional world. This also applies here.
Die vorliegende Erfindung betrifft 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 ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher verstanden. Ein Rippen- Platten-Wärmeaustauscher weist eine Vielzahl übereinanderliegender flacher The present invention relates to the apparatus referred to as plate fin heat exchangers in accordance with the German version of ISO 15547-2: 2005. If the term "heat exchanger" is used below, it is understood to mean a fin-plate heat exchanger. A finned plate heat exchanger has a plurality of superimposed flat
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. Chambers or elongated channels, which are each separated 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. As mentioned, 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). A corresponding system is disclosed, for example, in EP 3 032 203 A1.
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 At times of high electricity supply, air is compressed, cooled, liquefied and stored in an insulated tank system in a first operating mode in a first operating mode. At times of low electricity supply, 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
beispielsweise in ein elektrisches Netz zurückgespeist. for example fed back into an electrical network.
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 Appropriate storage and recovery of energy is fundamentally not only possible using liquid air. Rather, other cryogenically formed using air can also be used in the first operating mode
Flüssigkeiten gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden. Beispiele für entsprechende tiefkalte Liquids are stored and used in the second operating mode for the generation of electrical energy. Examples of corresponding cryogenic
Flüssigkeiten sind flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff bzw. Liquids are liquid nitrogen or liquid oxygen or
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. Component mixtures consisting mainly of liquid nitrogen or liquid oxygen. In corresponding systems, 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.
Zur Bereitstellung entsprechender tiefkalter Flüssigkeiten können klassische Classical can be used to provide appropriate cryogenic liquids
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. Air separation plants are used. If liquid air is used, it is also possible to use pure air liquefaction systems. As a generic term for Air separation plants and air liquefaction plants, the term "air treatment plants" is therefore also used below.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
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 Basically, a heat exchanger can be flowed through with cold gas from a tank or exhaust gas from the stationary system during a standstill of the associated system in order to avoid heating or the developed one
Temperaturprofil zu halten. Ein derartiger Betrieb ist jedoch in herkömmlichen Keep temperature profile. However, such an operation is conventional
Verfahren ggf. nur aufwendig zu realisieren. The process may only be complex to implement.
Insbesondere bei geringen Mengen entsprechender kalter Gase bzw. geringen Especially with small amounts of corresponding cold gases or small
Strömungsgeschwindigkeiten im Wärmeübertrager kann eine Fehlverteilung innerhalb eines Wärmeübertragerblocks und insbesondere über mehrere Flow velocities in the heat exchanger can result in an incorrect distribution within a heat exchanger block and in particular over several
Wärmeübertragerblöcke hinweg nicht ausgeschlossen werden. Grundsätzlich ist es jedoch wünschenswert, die eingesetzten Gasmengen gering zu halten, um Heat exchanger blocks cannot be excluded. In principle, however, it is desirable to keep the amounts of gas used low in order to
beispielsweise Produktverluste bzw. grundsätzlich den Verbrauch von entsprechenden tiefkalten Medien zu vermeiden. Ferner sind zur Umsetzung entsprechender For example, to avoid product losses or the consumption of appropriate cryogenic media. Furthermore, implementation is more appropriate
Maßnahmen stets gewisse Mengen an Fluiden erforderlich, die zur Temperierung eines entsprechenden Wärmeübertragers zusätzlich verbraucht werden. Measures always require certain amounts of fluids that are additionally used to temper an appropriate heat exchanger.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben eines The present invention proposes a method for operating a
Wärmeübertragers, der eine Wärmeaustauschzone aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, und die einen Plattenstapel aus Wärmeüberträgerplatten aufweist, vor, wobei die Wärmeüberträgerplatten, wie insoweit für Rippen-Platten-Wärmeaustauscher üblich, strukturierte (profilierte, gewellte und ggf. gelochte) Bleche und entsprechende Randstäbe (engl. Sidebars) aufweisen. Durch einen entsprechenden Plattenstapel wird ein quaderförmiger Block gebildet, der zur Einspeisung und Entnahme von Fluiden entsprechende Header aufweist, wie allgemein üblich. Der erfindungsgemäß betriebene Wärmeübertrager ist also, wie erwähnt, ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher an sich bekannter Art. Heat exchanger, which has a heat exchange zone, which extends between a first end and a second end, and which has a plate stack of heat transfer plates, the heat transfer plates, as is customary in this regard for fin-plate heat exchangers, structured (profiled, corrugated and, if necessary have perforated) sheets and corresponding edge bars (English sidebars). A parallelepiped-shaped block is formed by a corresponding plate stack, which block has corresponding headers for feeding and removing fluids, as is common practice. The heat exchanger operated according to the invention is, as mentioned, a fin-plate heat exchanger of a known type.
Die vorliegende Erfindung wird bei einem Wärmeübertrager eingesetzt, bei dem eine Breite der Wärmeüberträgerplatten und eine Höhe des daraus gebildeten The present invention is applied to a heat exchanger in which a width of the heat transfer plates and a height of that formed therefrom
Plattenstapels in der Wärmeaustauschzone jeweils zwischen einem Fünftel und einem Drittel einer Länge der Wärmeüberträgerplatten zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende beträgt. Die Breite der Wärmeüberträgerplatten ist dabei eine Dimension in einer Richtung, die senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung der Fluide durch den Wärmeübertrager bzw. orthogonal zu einer kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende und in einer Ebene der jeweiligen Wärmetauscherplatten liegt. Die Stapelhöhe bezeichnet die addierten Höhen der jeweiligen Plate stacks in the heat exchange zone between one fifth and one each Is a third of the length of the heat transfer plates between the first end and the second end. The width of the heat transfer plates is a dimension in a direction that is perpendicular to a main flow direction of the fluids through the heat exchanger or orthogonal to a shortest connection between the first and the second end and in a plane of the respective heat exchanger plates. The stack height denotes the added heights of the respective
Wärmetauscherplatten senkrecht zu deren Ebene. Heat exchanger plates perpendicular to their plane.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich damit bereits in diesem Punkt von bekannten Verfahren zum Betrieb von gewickelten Wärmeübertragern. Bei einem gewickelten Wärmeübertrager treten völlig andere Temperaturausgleichsphänomene auf als bei einem Rippen-Platten-Wärmeaustauscher, da hier die gewickelten The present invention thus already differs in this point from known methods for operating wound heat exchangers. In a wound heat exchanger, completely different temperature compensation phenomena occur than in a finned plate heat exchanger, because here the wound ones
Wärmetauscherrohre bzw. -kapillaren zwar auch einem Wärmeaustausch mit benachbarten Rohren bzw. Kapillaren unterworfen sind, vornehmlich aber einem Wärmeaustausch mit dem umgebenden Mantelraum, in dem typischerweise ein zu erwärmendes, gasförmiges Medium strömt. Durch die in einem gewickelten Heat exchanger tubes or capillaries are also subjected to heat exchange with adjacent tubes or capillaries, but primarily with the surrounding jacket space, in which a gaseous medium to be heated typically flows. By wrapped in one
Wärmetauscher insgesamt in geringerem Anteil vorhandenen und insbesondere weniger starr ausgebildeten Materialübergänge kann dieser ggf. deutlich harscheren Temperaturgradienten ausgesetzt werden. Es ist daher nicht naheliegend, für einen gewickelten Wärmeübertrager evtl geeignete Maßnahmen auf einen Rippen-Platten- Wärmeaustauscher zu übertragen. Der Fachmann wäre durch die hier grundsätzlich anderen Randbedingungen abgehalten gewesen. Heat exchangers present overall in a smaller proportion and in particular less rigid material transitions can be exposed to this, if necessary, significantly harsher temperature gradients. It is therefore not obvious to transfer suitable measures for a wound heat exchanger to a fin-plate heat exchanger. The specialist would have been prevented by the fundamentally different boundary conditions here.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde jedoch erkannt, dass durch die vorgeschlagenen und nachfolgend erläuterten Maßnahmen auch ein Rippen-Platten- Wärmeaustauscher mit deutlich reduzierten Temperaturspannungen betrieben werden kann, sofern dieser eine hierfür geeignete Dimensionierung aufweist, und zwar auch dann, wenn während eines Stillstands keine zusätzlichen Maßnahmen zur In the context of the present invention, however, it was recognized that the measures proposed and explained below can also be used to operate a fin-plate heat exchanger with significantly reduced temperature voltages, provided that the dimensions are suitable for this purpose, even if none occurs during a standstill additional measures to
Aufrechterhaltung des Temperaturprofils ergriffen werden. Maintenance of the temperature profile can be taken.
Ein entsprechend dimensionierter Wärmeübertrager gewährleistet, dass auch bei einer deutlichen Reduktion der Einspeisemenge noch eine hinreichend homogene An appropriately dimensioned heat exchanger ensures that even with a significant reduction in the feed quantity, it is still sufficiently homogeneous
Temperaturverteilung über die gesamte Querschnittsfläche des Wärmeübertragers einstellen kann. Mit anderen Worten kann auch bei reduzierter Fluideinspeisung hierdurch in jeder Querschnittsebene zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende eine Temperaturverteilung erzielt werden, bei der eine Maximaltemperatur und eine Minimaltemperatur um nicht mehr als 20, 10 oder 5 K abweichen. Temperature distribution over the entire cross-sectional area of the heat exchanger can adjust. In other words, even with reduced fluid feed, this can result in any cross-sectional plane between the first end and the second In the end, a temperature distribution can be achieved in which a maximum temperature and a minimum temperature do not differ by more than 20, 10 or 5 K.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dass in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Einspeisetemperaturniveaus bereitgestellt und jeweils 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 insbesondere unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt, gebracht wird. Die Einspeisetemperaturniveaus sind jene, auf denen die entsprechenden Fluide auch in den Wärmeübertrager eingespeist bzw. diesem am ersten oder zweiten Ende zugeführt werden. Sie umfassen ein erstes Einspeisetemperaturniveau eines abzukühlenden und ein zweites Einspeisetemperaturniveau eines zu erwärmenden Fluids, wobei das erste Einspeisetemperaturniveau im Fall einer Luftzerlegungsanlage insbesondere bei Umgebungstemperatur bzw. bei 0 bis 30 °C und das zweite The present invention proposes that, in a first operating mode, fluids are provided at different feed temperature levels and are each passed through the heat exchange zone in a first quantity per unit of time, 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 second temperature level, which is in particular below the first temperature level, is brought. The feed temperature levels are those at which the corresponding fluids are also fed into the heat exchanger or are fed to the heat exchanger at the first or second end. They comprise a first feed temperature level of a fluid to be cooled and a second feed temperature level of a fluid to be heated, the first feed temperature level in the case of an air separation plant in particular at ambient temperature or at 0 to 30 ° C. and the second
Einspeisetemperaturniveau bei -100 bis -200 °C, beispielsweise bei -120 bis - 180 °C liegen können. Jederzeit können auch weitere Fluide auf diesen oder weiteren Einspeisetemperaturniveaus bereitgestellt und in entsprechenden Mengen durch den Wärmeübertrager geführt werden. Feed temperature level at -100 to -200 ° C, for example at -120 to - 180 ° C. Further fluids can also be provided at this or further feed temperature levels at any time and passed through the heat exchanger in appropriate amounts.
Das erste Temperaturniveau, auf das das erste Ende der Wärmeaustauschzone gebracht wird, und das zweite Temperaturniveau, auf das das zweite Ende der Wärmeaustauschzone gebracht wird, ergeben sich insbesondere aus den genannten Enspeisetemperaturniveaus. Sie liegen nahe bei diesen, d.h. sie weisen um insbesondere nicht mehr als 20 °C oder nicht mehr als 10 °C von diesen ab. The first temperature level, to which the first end of the heat exchange zone is brought, and the second temperature level, to which the second end of the heat exchange zone is brought, result in particular from the feed temperature levels mentioned. They are close to these, i.e. in particular, they reject them by no more than 20 ° C. or no more than 10 ° C.
Ein derartiger erster Betriebsmodus entspricht einem üblichen Betrieb des Such a first operating mode corresponds to normal operation of the
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. 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. As is customary in this respect, 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. So the first temperature level in particular at 0 to 100 ° C, for example at about 20 ° C and the second temperature level in particular at -100 to -200 ° C, for example at about -175 ° C.
Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird 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 unterbunden. Ein entsprechender Wärmeübertrager kann dabei auch insbesondere vollständig "eingeblockt" werden, d.h. es wird keine Within the scope of the method proposed according to the invention, in a second operating mode, 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, is at least partially prevented. A corresponding heat exchanger can also be completely "blocked in", i.e. it won't
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 Luftprodukte, beispielsweise von gasförmigem Stickstoff, vorteilhaft sein, da diese nicht wie eine Luftzerlegungsanlage an ein Rektifikationssäulensystem angebunden ist. Fluid flow more carried out and any existing, evaporating fluid 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.
Durch das zumindest teilweise Unterbinden des Durchleitens der Fluide wird ein Temperaturübergang von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der By at least partially preventing the passage of the fluids, a temperature transition from the first end to the second end of the
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. Der Zeitraum wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart gewählt, dass sich durch eine Heat exchange zone or an increasing temperature compensation, as it has already been explained several times, causes. For further details, reference is made to FIG. 1 and the associated explanations below. The time period is selected in the context of the present invention such that a
Wärmeleitung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Heat conduction between the first end and the second end of the
Wärmeaustauschzone an dem ersten Ende der Wärmeaustauschzone ein drittes Temperaturniveau und an dem zweiten Ende der Wärmeaustauschzone ein viertes Temperaturniveau einstellen. Heat exchange zone at the first end of the heat exchange zone set a third temperature level and at the second end of the heat exchange zone a fourth temperature level.
Ein Unterschied zwischen dem ersten Temperaturniveau und dem zweiten A difference between the first temperature level and the second
Temperaturniveau ist dabei in dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachteten Fall stets größer als ein Unterschied zwischen dem dritten The temperature level in the case considered in the context of the present invention is always greater than a difference between the third
Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau. Es stellt sich also in dem zweiten Betriebsmodus ein gewisser Temperaturausgleich ein, der auch bewirken kann, dass sich das dritte und das vierte Temperaturniveau gleichen oder diese zumindest um nicht mehr als 50, 40, 30, 20 oder 10 K voneinander abweichen. Die Erfindung betrifft aber insbesondere nicht den vollständig erwärmten Zustand eines entsprechenden Wärmeübertragers. So weicht hier ein Mittelwert zwischen dem dritten Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau nicht mehr als 50, 40, 30, 20 oder 10 K von einem Mittelwert zwischen dem ersten Temperaturniveau und dem zweiten Temperaturniveau ab. Die beiden Mittelwerte sind also ähnlich oder gleich und unterscheiden sich nur aufgrund eines (gegenüber dem Wärmeausgleich zwischen dem warmen und dem kalten Ende deutlich langsameren) Temperatureintrag. Die beiden Mittelwerte liegen in einer Luftzerlegungsanlage insbesondere beide im tiefkalten Bereich, insbesondere bei weniger als -50 °C und bis zu -100 °C. Ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau kann hier insbesondere bei mehr als 150 K betragen. Dies hat bei einer Einspeisung von Betriebsfluiden auf regulären Temperaturen wie oben erläutert den Effekt, dass diese mit einem Temperaturunterschied von mehr als 50 oder 75 K, der sich durch die jeweiligen Einspeisetemperaturniveaus ergibt, auf den Wärmeübertrager bzw. dessen erstes und zweites Ende treffen. Der Mittelwert zwischen dem dritten und dem vierten, und damit auch zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau weicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere um mehr als 50 K und bis zu 100 K von dem jeweils nächstliegenden Einspeisetemperaturniveau (das darüber oder darunter liegen kann) auf. Temperature level and the fourth temperature level. In the second operating mode, therefore, a certain temperature compensation occurs, which can also have the effect that the third and fourth temperature levels are the same or at least do not differ by more than 50, 40, 30, 20 or 10 K. In particular, the invention does not relate to the fully heated state of a corresponding heat exchanger. Thus, an average value between the third temperature level and the fourth temperature level does not deviate by more than 50, 40, 30, 20 or 10 K from an average value between the first temperature level and the second temperature level. The two mean values are therefore similar or the same and differ only because of a temperature input (which is significantly slower than the heat balance between the warm and the cold end). In an air separation plant, the two mean values in particular both lie in the cryogenic range, in particular at less than -50 ° C. and up to -100 ° C. A temperature difference between the first and the second temperature level can be more than 150 K in particular. When operating fluids are fed in at regular temperatures, as explained above, this has the effect that they meet the heat exchanger or its first and second ends with a temperature difference of more than 50 or 75 K, which results from the respective feed temperature levels. In the context of the present invention, the mean value between the third and fourth, and thus also between the first and the second temperature level, deviates in particular by more than 50 K and up to 100 K from the closest feed-in temperature level (which may be above or below) ,
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. In the method, 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.
Grundsätzlich kann die vorliegenden 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,  In principle, the present invention can be used in any system in which a heat exchanger can be operated accordingly. For example, plants for liquefaction and separation of natural gas, the aforementioned LAES plants, plants for air separation,
Verflüssigungskreisläufe aller Art (insbesondere für Luft und Stickstoff) mit und ohne Luftzerlegung, Ethylenanlagen (also insbesondere Trennanlagen, die zur Bearbeitung von Gasgemischen aus Steamerackern eingerichtet sind), Anlagen, in denen Kühlkreisläufe, beispielsweise mit Ethan oder Ethylen auf unterschiedlichen Liquefaction circuits of all kinds (especially for air and nitrogen) with and without air separation, ethylene plants (in particular separation plants that are set up to process gas mixtures from steamer racks), plants in which Cooling circuits, for example with ethane or ethylene on different
Druckniveaus zum Einsatz kommen, und Anlagen, in denen Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidkreisläufe vorgesehen sind, handeln. Pressure levels are used and systems in which carbon monoxide and / or carbon dioxide cycles are provided act.
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 jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die In the context of the present invention, it is provided that the switchover from the second operating mode to the first operating mode includes the fluids that flow through the first amount per unit time in the first operating mode
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 jeweils 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. Heat exchange zone are to be conducted through the heat exchange zone in a second quantity per unit of time, which is less than the first quantity per unit of time, until a point in time of elevation and only through the first heat exchange zone in the first quantity per unit of time from the time of increase. It goes without saying that 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) is 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.
Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die thermisch induzierten Spannungen beim Wiederanfahren eines in geeigneter Weise The present invention is based on the knowledge that the thermally induced voltages when restarting in a suitable manner
dimensionierten Rippen-Platten-Wärmeübertragers aus einem dimensioned fin-plate heat exchanger from one
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 temperature-balanced state, as may be present in particular after longer phases of an explained second operating mode, can strongly depend on the speed of the restart. 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 below with reference to Figure 3
veranschaulicht. Wie erwähnt, entfaltet die vorliegende Erfindung ihre Wirkung bei den zuvor erläuterten Wärmetauschern ihre Vorteile, da hier durch ausreichend schnelle Querleitung ein hinreichend ausgeglichenes Temperaturprofil auch im Querschnitt durch die Wärmeaustauschzone erzielt werden kann. illustrated. As mentioned, the present invention exerts its effects in the heat exchangers explained above, since here a sufficiently balanced temperature profile can also be achieved in cross-section through the heat exchange zone by means of a sufficiently fast cross conduction.
Da kalte und warme Ströme meistens im Gegenstrom zueinander in einen Since cold and warm currents mostly in countercurrent to one another
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 appropriate heat exchanger are conducted, the temperature profile at Starting of the apparatus from the two ends starting with progressive time to the interior of the heat exchanger or its heat exchange zone. 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, the heat exchanger already has the largest areas occurring during the transition to normal operation
Temperaturänderungen erfahren, treten hier im weiteren Verlauf nur noch reduzierte Gradienten und damit reduzierte thermische Spannungen auf. Die vorliegende If temperature changes are experienced, only reduced gradients and thus reduced thermal stresses occur in the further course. The present
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. The invention therefore proposes, with the above-mentioned measures, first to guide fluids through the heat exchange zone with a smaller amount per unit of time and only afterwards, namely to increase the amount or to increase the amount, if the temperature has already changed sufficiently in corresponding sensitive areas set maximum amount.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht 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. The present invention enables 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.
Erfindungsgemäß vorgeschlagene Inbetriebnahmevorgänge sind insbesondere auch für bestehende Topologien (evtl durch eine Nachrüstung von Commissioning procedures proposed according to the invention are particularly also for existing topologies (possibly by retrofitting
Oberflächentemperaturmessungen bzw. Sensoren und/oder entsprechende Sensoren an Ein- und/oder Ausspeisestellen des Wärmeübertragers, insbesondere in  Surface temperature measurements or sensors and / or corresponding sensors at entry and / or exit points of the heat exchanger, in particular in
Verbindung zu Turbinen) durchführbar, da die vorliegende Erfindung im Wesentlichen um die Optimierung der dynamischen Anfahrweise implementiert werden kann. Connection to turbines) feasible, since the present invention can be implemented essentially to optimize the dynamic approach.
Insbesondere die Hauptwärmeübertrager von Luftzerlegungsanlagen können durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung einer lastflexiblen Betriebsweise (zur In particular, the main heat exchangers of air separation plants can be operated in a load-flexible manner (for
Ausnutzung von bspw. Strommarktpreisen) über die Anlagenlebensdauer besser widerstehen. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Vermeidung von ungeplanten Stillständen, Reparaturkosten und Ersatzteilbeschaffungen. Resist exploitation of e.g. electricity market prices) better over the life of the system. In this way, the present invention makes it possible to avoid unplanned downtimes, repair costs and procurement of spare parts.
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. 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.
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  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. On
entsprechender Bereich kann insbesondere über eine Längskoordiante, 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. the corresponding area can be defined in particular by means of a longitudinal coordinate which corresponds to the end of a module connection. A measurement at another location is also possible in principle, provided that a temperature at a corresponding sensitive location can be inferred in this way, for example on the basis of known material properties and possibly
Modellrechnungen hinsichtlich Wärmeausbreitung und Fluiddynamik. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Model calculations regarding heat spread and fluid dynamics. In particular, one or more can be within the scope of the present invention
Oberflächentemperatursensoren zum Einsatz kommen, die einfach und kostengünstig in bestehenden Wärmeübertragern nachgerüstet werden können. Surface temperature sensors are used that can be easily and inexpensively retrofitted in existing heat exchangers.
Ist ein entsprechender Wärmeübertrager beispielsweise hinsichtlich Material- und thermischen Eigenschaften hinreichend genau charakterisiert ist, und sind die Is a corresponding heat exchanger, for example, characterized with sufficient accuracy with regard to material and thermal properties, and are
Temperaturen und eingesetzten Fluidströme bekannt, kann ggf. auch auf eine Known temperatures and fluid flows used, can possibly also on a
Temperaturmessung verzichtet werden, weil davon ausgegangen werden kann, dass nach einer bestimmten Zeit in den sensiblen Zonen ein entsprechender Temperature measurement can be dispensed with, because it can be assumed that after a certain time in the sensitive zones, a corresponding one
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 Temperature value is 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. It is also possible, for example, to base the switchover time on a
Gesamtmenge der Fluide, die in dem zweiten Betriebsmodus in der zweiten Menge pro Zeiteinheit eingesetzt werden, zu bestimmen. To determine the total amount of fluids that are used in the second operating mode in the second amount per unit of time.
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 As mentioned several times, the present invention unfolds its particular advantages when the heat exchanger is designed as a fin-plate heat exchanger. Such a fin-plate heat exchanger can be made in particular of aluminum and / or stainless steel. A corresponding heat exchanger can also for example, be produced by means of 3D printing. Especially with such
Wärmeübertragern treten ggf. bei wiederholten Anfahrvorgängen die erwähnten potentiell hohen thermischen Spannungen auf. Heat exchangers may experience the mentioned potentially high thermal stresses during repeated start-up processes.
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 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 has, the
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. The point in time of the increase is 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.
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 In particular, 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. Due to the slow approach, the present invention permits targeted protection of the areas with the module connections or other sensitive zones, that is to say the first and second terminal partial zones, which are particularly critical with regard to rapid temperature changes. Module connections are particularly due to their
Kerbwirkung besonders kritisch, jedoch sind die terminalen Endzonen grundsätzlich bezüglich thermisch induzierter Spannungen sensibel, auch wenn hier keine Notch effect particularly critical, but the terminal end zones are fundamentally sensitive to thermally induced stresses, even if none
Modulverbindung vorhanden sind. Zu Details sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen. Module connection are available. For details, please refer to the explanations above.
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 der ersten terminalen Teilzonen eine vorgegebene Temperatur überschreiten und/oder wenn festgestellt oder prognostiziert wird, dass eine oder mehrere Temperaturwerte in der zweiten terminalen Teilzonen 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 In the method according to the invention, as mentioned, 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 the increase can be defined 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-zones. The changeover between the first and the second quantity per unit of time can take place suddenly or gradually. In other words, in a particularly preferred embodiment of the present invention, 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 the
Erhöhungszeitpunkt kontinuierlich oder stufenweise zu erhöhen. Auf diese Weise lassen sich Temperatursprünge weiter verringern. Increase the time of increase continuously or gradually. In this way, temperature jumps can be further reduced.
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. For clarification, it is stated that in a method of the present invention, in particular in the first operating mode, 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 is or will be, and that in the first mode of operation one or more second fluids are supplied to the heat exchange zone at its second end at the second temperature level, passed through the heat exchange zone and removed from the heat exchange zone at its first end at the first temperature level.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anordnung mit einem The present invention also extends to an arrangement with a
Wärmeübertrager, der eine Wärmeaustauschzone aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, und die einen Plattenstapel aus Wärmeüberträgerplatten aufweist, wobei wobei eine Breite der Heat exchanger which has a heat exchange zone which extends between a first end and a second end and which has a plate stack of heat transfer plates, wherein a width of the
Wärmeüberträgerplatten und eine Höhe des Plattenstapels in der Heat transfer plates and a height of the plate stack in the
Wärmeaustauschzone jeweils ein Fünftel bis ein Drittel einer Länge der Heat exchange zone each a fifth to a third of a length of the
Wärmeüberträgerplatten zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende beträgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind technische Mittel bereitgestellt, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen Heat transfer plates between the first end and the second end. According to the present invention, technical means are provided which are set up to operate different fluids in a first operating mode
Einspeisetemperaturniveaus bereitgestellt und jeweils 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 insbesondere 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 jeweils in den ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, zumindest teilweise und für einen Zeitraum zu unterbinden der derart bemessen ist, dass sich durch eine Wärmeleitung zwischen dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der Feed temperature levels are provided and each in a first amount per unit of time through the heat exchange zone, whereby 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 in particular below the first temperature level, whereby technical Means are provided which are set up to operate the in a second operating mode The passage of the fluids, which are conducted through the heat exchange zone in the first operating mode in the first quantity per unit of time, at least partially and for a period of time which is dimensioned such that heat conduction between the first end and the second end of the
Wärmeaustauschzone an dem ersten Ende der Wärmeaustauschzone ein drittes Temperaturniveau und an dem zweiten Ende der Wärmeaustauschzone ein viertes Temperaturniveau einstellt, wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Heat exchange zone sets a third temperature level at the first end of the heat exchange zone and a fourth temperature level at the second end of the heat exchange zone, with a difference between the first
Temperaturniveau und dem zweiten Temperaturniveau größer als ein Unterschied zwischen dem dritten Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau ist und ein Mittelwert zwischen dem dritten Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau um nicht mehr als 50 K von einem Mittelwert zwischen dem ersten Temperaturniveau und dem zweiten Temperaturniveau abweicht. Die Erfindung sieht vor, dass 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. Temperature level and the second temperature level is greater than a difference between the third temperature level and the fourth temperature level and an average value between the third temperature level and the fourth temperature level does not deviate by more than 50 K from an average value between the first temperature level and the second temperature level. The invention provides that technical means are provided which are set up to switch several times in the method from the first operating mode to the second operating mode and from the second operating mode to the first operating mode.
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 jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst jeweils 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 jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone geleitet werden. 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 each case in the first quantity per unit of time at a time of increase, are first passed through the first heat exchange zone in a second amount per time unit, which is less than the first amount per time unit, and are only passed through the first heat exchange zone in the first amount per time unit from the time of increase.
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 For features and advantages of a corresponding arrangement, which is set up in particular to carry out a method as explained above, reference is expressly made to the above statements. In particular, such a system has a control device which is designed, if necessary, for example according to a fixed switching pattern, on the basis of a sensor signal or
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 Request to switch between the first and the second operating mode. A corresponding arrangement can in particular have suitable sensors, in particular temperature and / or strain sensors. As mentioned, 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. According to the invention, this is characterized in that it represents an arrangement with a heat exchanger, as has just been explained. In particular, the arrangement can be designed as an air separation plant. In this case, it comprises a distillation column system
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. fundamentally 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. Regarding features and advantages, reference is made to the above explanations regarding the method according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung und entsprechende The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, which illustrate an embodiment of the invention and corresponding
Wärmeaustauschdiagramme zeigen. Show heat exchange diagrams.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe am warnen und kalten Ende eines erfindungsgemäß betreibbaren Wärmeübertrager nach Außerbetriebnahme. Figure 1 illustrates temperature profiles at the warning and cold end of a heat exchanger operable according to the invention after decommissioning.
Figur 2 veranschaulicht einen Rippen-Platten-Wärmeübertrager, der unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann. Figure 2 illustrates a finned plate heat exchanger that can be operated using a method according to an embodiment of the invention.
Figur 3 veranschaulicht einen Zusammenhang zwischen Fluidströmungen und thermischen Spannungen in einem Rippen-Platten-Wärmeübertrager. Figure 3 illustrates a relationship between fluid flows and thermal stresses in a fin-plate heat exchanger.
Figur 4 veranschaulicht Temperaturgradienten in einem Rippen-Platten- Wärmeübertrager zu unterschiedlichen Durchströmungszeitpunkten. Figure 4 illustrates temperature gradients in a fin-plate heat exchanger at different times of flow.
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. FIG. 5 illustrates a nitrogen liquefaction plant that can be operated using a method according to an embodiment of the invention In the figures, elements that are identical or correspond to one another functionally or in terms of meaning are given identical reference numerals and are not explained repeatedly for the sake of clarity.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
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. Figure 1 illustrates temperatures in a heat exchanger, particularly a finned plate heat exchanger, after decommissioning, i.e. in a previously and subsequently also referred to as "second operating mode" operating mode, in which the passage of fluids through the heat exchanger is prevented, in the form of a temperature-time diagram.
In dem in Figur 1 dargestellten Temperatur-Zeit-Diagramm sind dabei eine mit H bezeichnete Temperatur (hier auch als "erstes Temperaturniveau" bezeichnet) am warmen Ende des Wärmeübertragers bzw. seiner Wärmeaustauschzone ("erstes Ende") und eine mit C bezeichnete Temperatur ("zweites Temperaturniveau") am kalten Ende ("zweites Ende") jeweils in °C auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Stunden auf der Abszisse veranschaulicht. The temperature-time diagram shown in FIG. 1 shows a temperature denoted by H (also referred to here as "first temperature level") at the warm end of the heat exchanger or its heat exchange zone ("first end") and a temperature denoted by C ( "second temperature level") at the cold end ("second end") each in ° C on the ordinate versus a time in hours on the abscissa.
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 ein As can be seen from FIG. 1, the temperature H at the first (warm) end of the heat exchange zone at the beginning of the decommissioning, and thus the temperature during 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 the corresponding fluid is passed through the heat exchanger, approx. 20 ° C and the temperature C at the second (cold) end approx. -175 ° C. These temperatures become increasingly similar over time. 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 a
Temperaturniveau am ersten Ende ("drittes Temperaturniveau") und ein Temperature level at the first end ("third temperature level") and a
Temperaturniveau am zweiten Ende ("viertes Temperaturniveau") sowie eine mittlere Temperatur von ca. -90 °C. Die deutliche Temperaturerhöhung am zweiten (kalten) Ende der Wärmeaustauschzone kommt zum größten Teil durch den internen Temperature level at the second end ("fourth temperature level") and 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 one
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 Temperature compensation in the heat exchanger and only to a lesser extent through external heat input. As mentioned several times, it can be too strong thermal in the case shown
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. Tensions arise when the first (warm) end of the heat exchanger is again exposed to a warm fluid of approximately 20 ° C. in the example shown after some time in the second operating mode.
Entsprechendes gilt für ein zweites (kaltes) Ende. The same applies to a second (cold) end.
Figur 2 veranschaulicht einen Rippen-Platten-Wärmeübertrager, der unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung betrieben werden kann, welcher jedoch lediglich zur Veranschaulichung mit einem deutlich höheren FIG. 2 illustrates a fin-plate heat exchanger which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, but which is only for illustration purposes with a significantly higher one
Plattenstapel gezeigt ist. 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. Plate stack is shown. 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. However, 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.
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. In the example shown, 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. In the example shown, 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.
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. 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.
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 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 used of the header 5 distributed over a group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2. After the fluid fed in by means of the header 5 has flowed through the modules 1, 2, it is collected by means of the header 6 and, in the cooled state, is discharged via a connection piece (not visible here). Correspondingly, a cold fluid is distributed to another group of heat exchanger plates 4 of the modules 1, 2 by means of the header 7. After the fluid fed in by means of the header 7 has flowed through the modules 1, 2, it is collected by means of the header 8 and, in the heated state, is discharged via the nozzle 81. As mentioned, a corresponding one
Wärmeübertrager 100 auch zur Bearbeitung weiterer Fluidströme eingerichtet sein. Hierzu sind entsprechende Gruppen von Wärmeübertragerplatten 4 und Header bereitgestellt. 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.
Zum Wärmetausch durchströmen entsprechende Fluide eine hier mit 10 bezeichnete Wärmeaustauschzone 10 des Wärmeübertragers 100, die sich zwischen einem hier mit 1 1 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 1 1 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. 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 designated here as 11 and a second end designated here as 12. In a regular (“first”) operating mode, 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. In this way, 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.
Wird der Wärmeübertrager 100 außer Betrieb genommen ("zweiter" Betriebsmodus), wird das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus in den 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 If the heat exchanger 100 is taken out of operation (“second” operating mode), the passage of the fluids, which in the first operating mode are conducted in the first quantity per unit of time through the heat exchange zone 2, is at least partially prevented. In this way, a temperature transition is effected from the first end 11 to the second end 12 of the heat exchange zone 10. In one
entsprechenden Verfahren wird mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten corresponding method is repeated several times from the first operating mode to the second operating mode and from the second operating mode to the first
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. Operating mode switched. This can result in very strong thermal stresses without the use of the measures proposed within the scope of the present invention, as explained several times before. This applies in particular in the case of a heat exchanger 100 which is constructed from a plurality of modules 1, 2 and is connected to one another by means of corresponding module connections 3. 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.
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. In the course of investigations, as also mentioned, it has been shown that the thermally induced voltages when restarting a corresponding heat exchanger 100, in particular a fin-plate heat exchanger, from a temperature-balanced state, i.e. if the second operating mode has been carried out for a long time, it may depend heavily on the speed of the restart. While high mass flows can lead to high thermal voltages, thermal stress can be almost completely avoided at low start-up speeds with sufficiently small mass flows.
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 Figure 3 illustrates a relationship between fluid flows and thermal stresses in a fin-plate heat exchanger. FIG. 3 shows a standardized cold mass flow in dimensionless units, that is to say an amount of cold fluid supplied to the heat exchanger per unit of time, on the
Abszisse und eine normierte maximale thermische Spannung in dimensionslosen Einheiten auf der Ordinate aufgetragen. The abscissa and a normalized maximum thermal stress are plotted on the ordinate in dimensionless units.
Wie ersichtlich, sind die bei geringen Massenströmen induzierten thermischen As can be seen, the thermal induced at low mass flows
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. Voltages significantly lower than with 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. In particular, a quantity of fluid is only increased when the areas in which module connections of a finned-plate heat exchanger constructed from a plurality of modules, for example a heat exchanger as shown in FIG. 2, are arranged are sufficiently temperature-controlled, since such Areas particularly negative effects of thermal stresses. This is further explained with reference to FIG. 4. In other words, 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 of 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.
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 Since cold and warm currents are typically conducted in countercurrent to one another in a corresponding heat exchanger, as also in the example shown in FIG. 2, the temperature profile when starting, i.e. from the transition from the second to the first operating mode, starting from the two ends as time progresses to the inside of the heat exchanger or the
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 Heat exchange zone, set. If the heat exchanger, e.g. in a sensitive area of module connections, already experiencing the greatest temperature changes occurring during the transition to the first operating mode, only reduced gradients occur here, and thus greatly reduced
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 Thermal stresses 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 will one
entsprechender Wärmeübertrager mit den vollen Fluidmengen betrieben. appropriate heat exchanger operated with the full amounts of fluid.
In Figur 4 sind jeweils Diagramme 410 bis 460 dargestellt, in denen jeweils 4, diagrams 410 to 460 are shown, in each of which
Temperaturverläufe 401 bis 406 in einer Wärmeaustauschzone eines Temperature profiles 401 to 406 in a heat exchange zone
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 Heat exchanger, for example the heat exchanger 100 shown in Figure 2 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. For better clarity and comparability with FIG. 2, the heat exchange zone and its sub-zones are also denoted here in the diagram 410 by 10, 13 and 14. At the time illustrated with diagram 410, there was only a slight change in temperature at the extreme ends of the
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 Heat exchange zone 10 result, which initially only affects the sub-zones 13 and 14. Temperature profiles 402 to 406 arise with increasing time. The highest voltages occur in particular when the one that arises
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. Temperature gradient is present at the inner end of the module connections here, which is approximately the case at the times indicated here with the diagrams 430 and 440.
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 In the context of the present invention, corresponding thermal voltages are reduced, in particular, by deliberately lowering those periods in which the areas of the module connections experience large temperature changes
Massenströme einzusetzen (entsprechend den Diagrammen 410 bis 440). Hat sich der örtliche Temperaturgradient bereits über die Modulverbindungen ausgebildet Use mass flows (according to diagrams 410 to 440). Has the local temperature gradient already developed over the module connections
(entsprechend Diagramm 550), kann die Anfahrgeschwindigkeit ggf. wieder (according to diagram 550), the approach speed can be changed again if necessary
beschleunigt und damit an übliche Prozeduren angelehnt werden, ohne weitere signifikante Spannungsspitzen zu erzeugen. accelerated and thus based on common procedures without generating further significant voltage peaks.
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. FIG. 5 schematically illustrates a plant for nitrogen liquefaction, which can be operated using a method according to an embodiment of the invention, and is designated overall by 500.
Die in Figur 1 veranschaulichte Anlage 500 weist insbesondere einen The system 500 illustrated in FIG. 1 has in particular one
Wärmeüberträger 100 der zuvor erläuterten Art oder einen vergleichbaren Heat exchanger 100 of the type explained above or a comparable
Wärmeübertrager auf. Anlagen zur Stickstoffverflüssigung sind grundsätzlich bekannt und nicht auf das zgezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Heat exchanger on. Plants for nitrogen liquefaction are known in principle and are not restricted to the exemplary embodiment shown.
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 In the example 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. Part of the compressed gaseous nitrogen (stream b) is 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 Turbine boosters 520, 530, which are each provided with aftercoolers, further compressed 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, in an expansion turbine
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. Turbine boosters 520 relaxed 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).
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 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 together with gaseous nitrogen from the container 540 as stream f at one
Zwischendruckniveau in den Verdichter 510 zurückgeführt. Intermediate pressure level returned to the compressor 510.
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. 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.
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. 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. In the case shown here, this gaseous nitrogen is combined with the stream g upstream of the subcooler 550.
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 In this way, the cooling energy of the electricity k in the heat exchanger 100 can be used, as a result of which the entire liquefaction process becomes more efficient. 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 carried in the stream k
gasförmigen Stickstoffs wird über den Strom I dem Strom a und damit wieder dem Verflüssigungsprozess zugeführt. gaseous nitrogen is fed via stream I to stream a and thus back to the liquefaction process.
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. As mentioned, 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.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (100), der eine 1. A method of operating a heat exchanger (100), the one
Wärmeaustauschzone (10) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende (1 1 ) und einem zweiten Ende (12) erstreckt, und die einen Plattenstapel aus  Has heat exchange zone (10) which extends between a first end (1 1) and a second end (12), and which comprises a stack of plates
Wärmeüberträgerplatten (4) aufweist,  Has heat transfer plates (4),
- wobei eine Breite der Wärmeüberträgerplatten (4) und eine Höhe des - A width of the heat transfer plates (4) and a height of the
Plattenstapels in der Wärmeaustauschzone (10) jeweils ein Drittel bis ein Fünftel einer Länge der Wärmeüberträgerplatten (4) zwischen dem ersten Ende (11 ) und dem zweiten Ende (11 ) beträgt,  Plate stack in the heat exchange zone (10) is in each case one third to one fifth of a length of the heat transfer plates (4) between the first end (11) and the second end (11),
- wobei in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen - In a first operating mode, fluids on different
Einspeisetemperaturniveaus bereitgestellt und jeweils in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, wodurch das erste Ende (11 ) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein erstes  Feed temperature levels are provided and each in a first amount per unit of time through the heat exchange zone (10), whereby the first end (11) of the heat exchange zone (10) to a first
Temperaturniveau und das zweite Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein zweites Temperaturniveau gebracht wird,  Temperature level and the second end (12) of the heat exchange zone (10) is brought to a second temperature level,
- wobei in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (2) geleitet werden, zumindest teilweise und für einen Zeitraum unterbunden wird, der derart bemessen ist, dass sich durch eine Wärmeleitung zwischen dem ersten Ende (1 1 ) der Wärmeaustauschzone (10) und dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) an dem ersten Ende (11 ) der Wärmeaustauschzone (10) ein drittes Temperaturniveau und an dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) ein viertes - Wherein in a second operating mode, the passage of the fluids, which are passed in the first operating mode in each case in the first amount per unit of time through the heat exchange zone (2), is at least partially and for a period of time which is dimensioned such that by a Heat conduction between the first end (1 1) of the heat exchange zone (10) and the second end (12) of the heat exchange zone (10) at the first end (11) of the heat exchange zone (10) a third temperature level and at the second end (12) of the Heat exchange zone (10) a fourth
Temperaturniveau einstellt,  Sets temperature level,
- wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Temperaturniveau und dem - With a difference between the first temperature level and the
zweiten Temperaturniveau größer als ein Unterschied zwischen dem dritten Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau ist und ein Mittelwert zwischen dem dritten Temperaturniveau und dem vierten Temperaturniveau um nicht mehr als 50 K von einem Mittelwert zwischen dem ersten  second temperature level is greater than a difference between the third temperature level and the fourth temperature level and an average value between the third temperature level and the fourth temperature level is not more than 50 K from an average value between the first
Temperaturniveau und dem zweiten Temperaturniveau abweicht, - wobei in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird, und Temperature level and the second temperature level deviates, - In the method, multiple switching from the first operating mode to the second operating mode and from the second operating mode to the first operating mode, and
- wobei das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten - Switching from the second operating mode to the first
Betriebsmodus umfasst, die Fluide, die in dem ersten Betriebsmodus jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden, bis zu einem Erhöhungszeitpunkt zunächst jeweils in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro  Operating mode comprises, the fluids, which are conducted in the first operating mode in each case in the first amount per unit time through the heat exchange zone (10), up to a time of increase initially in a second amount per unit time, which is less than the first amount per
Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone (10) zu leiten.  The unit of time is to pass through the first heat exchange zone (10) and to pass through the first heat exchange zone (10) in the first quantity per unit of time only from the time of the increase.
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. 2. The method of claim 1, wherein the time of increase is determined based at least in part on one or more temperature measurements at one or more points of the heat exchange zone (10).
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. 3. The method as claimed in claim 1 or claim 2, in which the time of increase is determined at least in part on the basis of a time period which has elapsed since the switching was initiated.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Wärmeübertrager (100) als ein Rippen-Platten-Wärmeübertrager ausgebildet ist.  Heat exchanger (100) is designed as a fin-plate heat exchanger.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
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. Heat exchange zone (10) a first terminal partial zone (13) extending from the first end (11), a second terminal partial zone (14) extending from the second end (12) and one between the first terminal partial zone (13) and of the second terminal subzone (14) arranged central subzone, the time of increase being determined as reached when it is determined or predicted that one or more temperature values in at least one of the terminal subzones (13, 14) will exceed or fall below a predetermined temperature ,
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. 6. The method according to claim 5, wherein the heat exchanger (100) has a number of modules (1, 2) which are connected to one another by means of module connections (3), one or more of each in the terminal sub-zones (13, 14) Module connections (3) is or are, and wherein the central subzone is free of the module connections (3).
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. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein switching from the second operating mode to the first operating mode comprises an amount per unit time of the fluids which are conducted in the first operating mode in the first amount per unit time through the heat exchange zone (10), to increase continuously or in stages up to the time of the increase.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem ersten 8. The method according to any one of the preceding claims, in which in the first
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 (1 1 ) auf dem ersten  Operating mode one or more first fluids of the heat exchange zone (10) at its first end (11) at the first temperature level, passed through the heat exchange zone (10) and removed from the heat exchange zone (10) at its second end (12) at the second temperature level or, and in which, in the first operating mode, one or more second fluids are fed to the heat exchange zone (10) at its second end (12) at the second temperature level, passed through the heat exchange zone (10) and to the heat exchange zone (10) at its first end (1 1) on the first
Temperaturniveau entnommen wird oder werden.  Temperature level is or will be taken.
9. Anordnung mit einem Wärmeübertrager (100), der eine Wärmeaustauschzone (10) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende (1 1 ) und einem zweiten Ende (12) erstreckt, und die einen Plattenstapel aus Wärmeüberträgerplatten (4) aufweist, 9. Arrangement with a heat exchanger (100) which has a heat exchange zone (10) which extends between a first end (11) and a second end (12) and which has a plate stack of heat exchanger plates (4),
- wobei eine Breite der Wärmeüberträgerplatten (4) und eine Höhe des - A width of the heat transfer plates (4) and a height of the
Plattenstapels in der Wärmeaustauschzone jeweils ein Drittel bis ein Fünftel einer Länge der Wärmeüberträgerplatten (4) zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende beträgt, wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus Fluide auf unterschiedlichen  Plate stack in the heat exchange zone is in each case one third to one fifth of a length of the heat transfer plates (4) between the first end and the second end, technical means being provided which are set up in a first operating mode to provide fluids on different levels
Einspeisetemperaturniveaus bereitzustellen und jeweils in einer ersten Menge pro Zeiteinheit durch die Wärmeaustauschzone (10) zu leiten, wodurch das erste Ende (1 1 ) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein erstes To provide feed temperature levels and each in a first amount per unit time through the heat exchange zone (10), whereby the first end (1 1) of the heat exchange zone (10) to a first
Temperaturniveau und das zweite Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) auf ein zweites Temperaturniveau, gebracht werden,  Temperature level and the second end (12) of the heat exchange zone (10) are brought to a second temperature level,
- wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Betriebsmodus das Durchleiten der Fluide, die in dem ersten - wherein technical means are provided, which are set up in a second operating mode, the passage of the fluids in the first
Betriebsmodus jeweils in den ersten Menge pro Zeiteinheit durch die  Operating mode in each case in the first amount per unit of time through the
Wärmeaustauschzone (2) geleitet werden, zumindest teilweise und für einen Zeitraum zu unterbinden, der derart bemessen ist, dass sich durch  Heat exchange zone (2) are passed, at least partially and for a period that is dimensioned such that through
Wärmeleitung zwischen dem ersten Ende (1 1 ) der Wärmeaustauschzone (10) und dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) an dem ersten Ende (11 ) der Wärmeaustauschzone (10) ein drittes Temperaturniveau und an dem zweiten Ende (12) der Wärmeaustauschzone (10) ein viertes  Heat conduction between the first end (1 1) of the heat exchange zone (10) and the second end (12) of the heat exchange zone (10) at the first end (11) of the heat exchange zone (10) a third temperature level and at the second end (12) of the Heat exchange zone (10) a fourth
Temperaturniveau einstellt,  Sets temperature level,
- wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, in dem Verfahren mehrfach von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten - Where technical means are provided, which are set up for the procedure several times from the first operating mode to the second
Betriebsmodus und von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten  Operating mode and from the second operating mode to the first
Betriebsmodus umzuschalten, und  Switch operating mode, and
- wobei technische Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, das Umschalten von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus jeweils 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 jeweils in einer zweiten Menge pro Zeiteinheit, die geringer als die erste Menge pro technical means are provided which are set up to switch 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 (10) in the first quantity per unit of time per unit time, up to an increase in time initially in a second quantity per unit of time, which is less than the first quantity per
Zeiteinheit ist, durch die erste Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden und erst ab dem Erhöhungszeitpunkt jeweils in der ersten Menge pro Zeiteinheit durch die erste Wärmeaustauschzone (10) geleitet werden.  Unit of time is passed through the first heat exchange zone (10) and is only passed through the first heat exchange zone (10) in the first quantity per unit of time from the time of the increase.
10. Anordnung nach Anspruch 9, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtete technische Mittel aufweist. 10. Arrangement according to claim 9, which has technical means set up to carry out a method according to one of claims 1 to 8.
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. 11. The arrangement (100) according to claim 9 or claim 10, which has means for liquefying and / or low-temperature separation of air and / or one or more gaseous air products.
12. Anordnung (100) nach Anspruch 1 1 , bei der die Mittel zur Verflüssigung und/oder12. The arrangement (100) according to claim 1 1, wherein the means for liquefaction and / or
Tieftemperaturtrennung von Luft ein Destillationssäulensystem (20) umfassen. Cryogenic separation of air comprise a distillation column system (20).
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