DE4440405C1 - Verfahren zum Zwischenspeichern eines Kältemittels - Google Patents
Verfahren zum Zwischenspeichern eines KältemittelsInfo
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Description
Verfahren zum Zwischenspeichern des Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes, in dem
das Kältemittel komprimiert, unterkühlt und zumindest teilweise verflüssigt, kälteleistend
entspannt und im Wärmetausch mit dem abzukühlenden Prozeßstrom angewärmt und
verdampft wird, und bei dem die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes unter
Umgebungsbedingungen kondensierenden Kältemittelkomponenten in einen Abscheider
(D1) geleitet und in diesem zwischengespeichert werden.
Kältemittelkreisläufe kommen bei einer Vielzahl von Prozessen zur Anwendung; bei
spielhaft sei hier die Verflüssigung von unter Druck stehendem Erdgas genannt. Muß
eine Anlage, in die der Kältemittelkreislauf eingebunden ist, aufgrund von Wartungsar
beiten oder einer Störung für einen längeren Zeitraum stillgelegt werden, muß das in
nerhalb des Kältemittelkreislaufes verwendete Kältemittel aufgrund hoher Beschaffungs
kosten oder aus Umweltschutzüberlegungen während des Zeitraumes des Anlagenstill
standes zwischengespeichert werden. Da bei einem Anlagenstillstand auch der Kälte
mittelkreislauf nicht weiter betrieben wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anwärmung
des Kältemittels auf Umgebungstemperatur. Dies bedeutet, daß zuvor kaltes und flüs
siges Kältemittel aufgrund der Anwärmung auf Umgebungstemperatur und aufgrund des
nur begrenzt zur Verfügung stehenden Volumens einen sehr hohen Druck annehmen
kann. Aus diesen Gründen ist es unumgänglich, daß entweder Speicherbehälter für das
auf Umgebungsdruck angewärmte Kältemittel vorgesehen sind oder aber der gesamte
Kältemittelkreislauf für die Erwärmung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur und
die dabei entstehenden Drücke ausgelegt ist. Insbesondere die zweite Alternative wür
de den Kältemittelkreislauf jedoch erheblich verteuern.
Aus der US-PS 4 901 533 ist ein Verfahren zum Zwischenspeichern des Kältemittels
eines Kältemittelkreislaufes, in dem das Kältemittel komprimiert, unterkühlt und zumin
dest teilweise verflüssigt, kälteleistend entspannt und in Wärmetausch mit dem abzu
kühlenden Prozeßstrom angewärmt und verdampft wird, bekannt. Bei diesem
Verfahren werden während eines Anlagenstillstandes die auf der Hochdruckseite des
Kältemittelkreislaufes unter Umgebungsbedingungen kondensierenden Kältemittelkom
ponenten in einen Abscheider geleitet und in diesem zwischengespeichert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zum Zwi
schenspeichern des Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes im Falle eines Anlagen
stillstandes anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die innerhalb des kalten Bereichs des
Kältemittelkreislaufes befindlichen flüssigen Kältemittelkomponenten in einen
Hochdruckspeicherbehälter (S1) geleitet und in diesem zwischengespeichert werden,
wobei die Kältemittelkomponenten unter Ausnutzung der Schwerkraft in diesen geleitet
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol
genden näher erläutert.
Bei dem in der Figur dargestellten Kreislauf handelt es sich um einen Kältekreislauf, wie
er zum Stand der Technik zählt. Als Kältemittel für einen derartigen Kältekreislauf kön
nen z. B. Gemische aus C₂- bis C₃-Kohlenwasserstoffen oder Gemische aus Stickstoff,
Methan sowie C₂- und C₅-Kohlenwasserstoffen verwendet werden. Das aus dem kalten
Teil der Anlage zurückgeführte Kältemittel bzw. Kältemittelgemisch wird mittels Leitung
1 einer ein- oder mehrstufigen, im gezeigten Fall einer zweistufigen Verdichtung V zuge
führt. Nach jeder Verdichterstufe erfolgt eine Abkühlung des Kältemittels, z. B. gegen
Luft, in einem Wärmetauscher bzw. Kühler W. Der Druck auf der Saugseite des ersten
Verdichters liegt hierbei bei ca. 4 bis 6 bar, der Druck auf der Druckseite des zweiten
Verdichters bei ca. 40 bis 60 bar. Das verdichtete Kältemittel wird anschließend über
Leitung 2 in den Abscheider D1 gegeben. Das Absperrventil b ist im Normalbetrieb ge
schlossen, während die Absperrventile a, c und d geöffnet sind. Am Kopf des Abschei
ders D1 werden über Leitung 5 bei geöffnetem Ventil d die leichten Komponenten des
Kältemittels abgeführt und durch die Wärmetauscher E1, E2 und E3 zu dem Entspan
nungsventil e geleitet. Dabei kommt es zu einer Verflüssigung der Kältemittelkompo
nenten. Diese werden nun im Entspannungsventil e unter Ausnutzung des Joule-
Thompson-Effekts kälteleistend entspannt und anschließend mittels Leitung 6 im Ge
genstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom in Leitung 100 und dem Hochdruckkälte
mittel in Leitung 5 durch die Wärmetauscher E3 und E2 geführt. Das im Ventil e ent
spannte Kältemittel dient zur Bereitstellung der für die Verflüssigung und Unterkühlung
des in Leitung 100 durch die Wärmetauscher E2 und E3 geführten Erdgasstromes be
nötigten Spitzenkälte. Die im Abscheider D1 am Sumpf anfallenden schweren Kompo
nenten des Kältemittels werden über Leitung 3 bei geöffnetem Ventil c abgeführt, im
Wärmetauscher E1 abgekühlt und anschließend über Leitung 4 und Entspannungsventil
f in den Abscheider D2, nach vorheriger Beimischung der Kältemittelkomponenten aus
Leitung 6, entspannt. Der Abscheider D2 dient zur Bildung eines homogenen Zwei-
Phasengemisches, welches die im Wärmetauscher E1 notwendige Kälte zur Vorkühlung
des Erdgasstromes liefert. Dazu werden am Kopf des Abscheiders D2 mittels Leitung 7
die leichten Kältemittelkomponenten abgezogen, während am Sumpf des Abscheiders
D2 über Leitung 10 die schweren Kältemittelkomponenten abgezogen werden.
Unmittelbar am Eintritt in den Wärmetauscher E1 mündet die Leitung 10 in die Leitung
7, so daß eine Gleichverteilung des Zwei-Phasengemisches am Eintritt des
Wärmetauschers E1 erreicht wird. Eine Stichleitung 8 mit einem Absperrventil a verbin
det einen Speicherbehälter S2 mit der Leitung 7. Dieser Speicherbehälter S2 dient zum
Zwischenspeichern von gasförmigem Kältemittel. Die restlichen dargestellten Leitungen
und Ventile werden im Falle eines Anlagenstillstandes für die Abfahr- und Wiederan
fahrprozedur benötigt.
Es sei zunächst die Abfahrprozedur beschrieben. Zu Beginn wird das Ventil c langsam
geschlossen. Dadurch wird erreicht, daß alle schweren Kältemittelkomponenten des
Kältemittelkreislaufes, die entsprechend den Bedingungen des Wärmetauschers bzw.
Kühlers W bei einem Druck von 40 bis 60 bar kondensieren, im Abscheider D1 gespei
chert werden. Ist dies geschehen, so wird das Bypassventil b in der Leitung 2′ geöffnet
und anschließend werden die Ventile a und d geschlossen. Während der Verdichter V
weiterläuft, wird der Hochdruckspeicherbehälter S1 mittels eines kleinen Teilstromes,
der bei geöffnetem Ventil k aus dem Sumpf des Abscheiders D2 mittels Leitung 9 ab
gezogen und über die Sammelleitung 14 in den Hochdruckspeicherbehälter S1 geführt
wird, abgekühlt. Die dabei innerhalb des Hochdruckspeicherbehälters S1 anfallende
gasförmige Fraktion wird bei geöffnetem Ventil o über die Leitungen 15 und 17 dem
Abscheider D2 zum Druckausgleich zurückgeführt. Nun werden die Flüssigkeitsablaß
ventile k und m geöffnet, so daß alle innerhalb der Cold-Box auf der Niederdruckseite
gespeicherten Flüssiganteile des Kältemittels über die Leitungen 12, 13 und 14 in den
Hochdruckspeicherbehälter S1 gelangen können. Während des Befüllens des
Hochdruckspeicherbehälters S1 fährt der Verdichter V in Teillastbetrieb mit geöffnetem
Bypassventil b weiter, um so viel wie möglich leichte Bestandteile des Kältemittels zu
verflüssigen, damit diese in den Hochdruckspeicherbehälter S1 abgefüllt werden
können. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangen die
Flüssiganteile unter Ausnutzung der Schwerkraft in den Hochdruckspeicherbehälter S1.
Nun wird der Verdichter V abgeschaltet, wodurch sich nach einiger Zeit innerhalb des
Kältemittelkreislaufes ein Ausgleichsdruck von ca. 6 bis 8 bar einstellt. Sodann werden
die Entspannungsventile e und f geöffnet, wodurch die auf der Hochdruckseite des
Kältemittelkreislaufes vorliegende Flüssigkeit ebenfalls in den
Hochdruckspeicherbehälter S1 eingefüllt wird. Ist die Abfüllung, die über den
Flüssigkeitsstand im Hochdruckspeicherbehälter S1 kontrolliert werden kann, abge
schlossen, so wird das Ablaßventil o geschlossen. Das Ventil p ist während des be
schriebenen Befüllvorgangs des Hochdruckspeicherbehälters S1 geschlossen. Die
Cold-Box wärmt sich nun zwar langsam auf Umgebungstemperatur an, da jedoch nur
noch Gas in ihr gespeichert ist, steigt der Druck bis zum Stillstandsdruck nurmehr un
erheblich. Da sich auch der Hochdruckspeicherbehälter S1 langsam auf Umgebungs
temperatur anwärmt, ist es notwendig, ihn für diesen Druck auszulegen. Bei herkömm
lichen Kältekreisläufen ist eine Auslegung des Hochdruckspeicherbehälters S1 auf ei
nen Druck von 100 bis 150 bar ausreichend. Der Speicherbehälter S2, auf den gege
benenfalls verzichtet werden kann, dient zur Aufnahme von unter Druck stehendem Gas
während der Stillstandsphase.
Im folgenden sei die Wiederanfahrprozedur des Kältekreislaufes beschrieben. Bei ge
öffnetem Bypassventil b wird der Kreislaufdichter V unter dem Stillstandsdruck ange
fahren. Nun wird das Ablaßventil p am Hochdruckspeicherbehälter S1 langsam geöffnet
und dadurch der Inhalt des Hochdruckspeicherbehälters S1 langsam in den Abscheider
D2 eingespeist. Nachdem der Druck im Hochdruckspeicherbehälter S1 auf den
Saugdruck gefallen und kein Flüssigkeitsstand im Hochdruckspeicherbehälter S1 mehr
festzustellen ist, wird das Ventil p wieder geschlossen, so daß der Hochdruckspeicher
behälter S1 hermetisch abgesperrt ist. Nach Schließen des Ventils b sowie nach dem
Öffnen der Ventile a, c und d, erreicht der Kältekreislauf mit der entsprechenden Stel
lung der Regelventile e und f innerhalb kurzer Zeit seinen Betriebszustand.
Claims (1)
1. Verfahren zum Zwischenspeichern des Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes, in
dem das Kältemittel komprimiert, unterkühlt und zumindest teilweise verflüssigt,
kälteleistend entspannt und im Wärmetausch mit dem abzukühlenden Prozeßstrom
angewärmt und verdampft wird, und bei dem die auf der Hochdruckseite des
Kältemittelkreislaufes unter Umgebungsbedingungen kondensierenden
Kältemittelkomponenten in einen Abscheider (D1) geleitet und in diesem
zwischengespeichert werden dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des
kalten Bereichs des Kältemittelkreislaufes befindlichen flüssigen
Kältemittelkomponenten in einen Hochdruckspeicherbehälter (S1) geleitet und in
diesem zwischengespeichert werden, wobei die Kältemittelkomponenten unter Aus
nutzung der Schwerkraft in diesen geleitet werden.
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