VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES WÄRMETAUSCHERS, ANORDNUNG MIT WÄRMETAUSCHER UND ANLAGE MIT ENTSPRECHENDER ANORDNUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers (1), bei dem in ersten Zeiträumen ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird und in zweiten Zeiträumen, die sich mit den ersten Zeiträumen abwechseln, ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird, in dem ersten Betriebsmodus ein erster Fluidstrom (A) auf einem ersten Temperaturniveau gebildet, in einem ersten Bereich (2) auf dem ersten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) eingespeist, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig abgekühlt wird, in dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Fluidstrom (B) auf einem zweiten Temperaturniveau gebildet, in einem zweiten Bereich (3) auf dem zweiten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) eingespeist, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig erwärmt wird, und in dem zweiten Betriebsmodus die Einspeisung des ersten Fluidstroms (A) und des zweiten Fluidstroms (B) in den Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig ausgesetzt wird. Entweder in dem zweiten Zeitraum oder in einem dritten Zeitraum, der zwischen zumindest einem der zweiten Zeiträume und dem darauf folgenden ersten Zeitraum liegt, wird dem ersten Bereich (2) Wärme zugeführt, indem die Wärme mittels einer außerhalb des Wärmetauschers (1) angeordneten Heizeinrichtung (7) bereitgestellt wird und indem die Wärme von außerhalb des Wärmetauschers (1) zu dem ersten Bereich (2) übertragen wird. Der zweite Bereich (3) wird ohne aktive Wärmeabfuhr betrieben, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich (2) die Wärme zugeführt wird. Eine entsprechende Anordnung (10) und eine Anlage (100) mit einer derartigen Anordnung (10) sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers, eine Anordnung mit einem entsprechend betreibbaren Wärmetauscher und eine Anlage mit einer entsprechenden Anordnung gemäß den Oberbegriffen derjeweiligen unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

[0002] In einer Vielzahl von Anwendungsgebieten werden Wärmetauscher (technisch korrekter: 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 Hauptwärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen beschrieben, sie eignet sich jedoch grundsätzlich auch zum Einsatz in anderen Anwendungsgebieten, beispielsweise für Anlagen zum Speichern und Rückgewinnen von Energie unter Verwendung von Flüssigluft oder die Erdgasverflüssigung bzw. Anlagen in der Petrochemie.

[0003] Die vorliegende Erfindung eignet sich aus den nachfolgend erläuterten Gründen auch in besonderer Weise in Anlagen zur Verflüssigung gasförmiger Luftprodukte, beispielsweise von gasförmigem Stickstoff. Entsprechende Anlagen können insbesondere von Luftzerlegungsanlagen mit gasförmigem Stickstoff versorgt werden und diesen verflüssigen. Der Verflüssigung ist dabei nicht, wie in einer Luftzerlegungsanlage, eine Rektifikation nachgeschaltet. Daher können diese Anlagen bei Überwindung der nachfolgend erläuterten Probleme beispielsweise dann, wenn kein Bedarf an entsprechenden Verflüssigungsprodukten besteht, vollständig abgeschaltet und bis zur nächsten Verwendung im Standby gehalten werden.

[0004] Zum Aufbau und Betrieb von Hauptwärmetauschern von Luftzerlegungsanlagen und anderer Wärmetauscher 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 Wärmetauschern 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.

[0005] Ohne zusätzliche Maßnahmen vollziehen Wärmetauscher von Luftzerlegungsanlagen und andere mit warmen und tiefkalten Medien durchströmte Wärmetauscher einen Temperaturausgleich und erwärmen sich beim Stillstand der zugehörigen Anlage und damit der Außerbetriebnahme des Wärmetauschers, bzw. das sich in einem entsprechenden Wärmetauscher im stationären Betrieb ausbildende Temperaturprofil kann in einem solchen Fall nicht gehalten werden. Wird anschließend beispielsweise bei der Wiederinbetriebnahme in einen erwärmten Wärmetauscher tiefkaltes Gas eingespeist oder umgekehrt, kommt es zu hohen thermischen Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnung wegen differentiellen Temperaturunterschieden, die zur Schädigung des Wärmetauschers führen können bzw. einen überproportional hohen Material- bzw. Fertigungsaufwand erfordern, um derartige Schädigungen zu vermeiden.

[0006] Insbesondere kommt es bei einer Außerbetriebnahme eines Wärmetauschers 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 Wärmetauschers über die Zeit kälter und das zuvor kalte Ende des Wärmetauschers 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.

[0007] Dieses Verhalten wird insbesondere dann beobachtet, wenn beim Abschalten einer Luftzerlegungsanlage der Hauptwärmetauscher, 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 entsteht, kalt abgeblasen. Entsprechendes gilt auch, wenn eine Anlage zur Verflüssigung eines gasförmigen Luftprodukts, beispielsweise von Flüssigstickstoff, abgeschaltet wird.

[0008] Bei einer ggf. anschließend erfolgenden Einspeisung von warmem Fluid am abgekühlten warmen Ende des Wärmetauschers bei seiner Wiederinbetriebnahme erhöht sich dort schlagartig die Temperatur. Entsprechend verringert sich die Temperatur am erwärmten kalten Ende bei der Wiederinbetriebnahme, falls dort entsprechendes kaltes Fluid eingespeist wird, schlagartig. Dies führt zu den bereits erwähnten Materialspannungen und damit ggf. zu Schäden.

[0009] Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Maßnahmen anzugeben, die eine Wiederinbetriebnahme eines entsprechenden Wärmetauschers, insbesondere in einer der zuvor genannten Anlagen, nach längerer Außerbetriebnahme ermöglichen, ohne dass die erwähnten nachteiligen Effekte auftreten.

Offenbarung der Erfindung

[0010] Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers, eine Anordnung mit einem entsprechend betreibbaren Wärmetauscher und eine Anlage mit einer entsprechenden Anordnung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor.

[0011] Zunächst werden nachfolgend einige zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert und definiert.

[0012] Ein "Wärmetauscher" 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 Wärmetauscher zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher weist "Passagen" auf, die zur Fluidführung eingerichtet und von anderen Passagen durch Trennbleche getrennt bzw. nur über die jeweiligen Header ein- und ausgangsseitig verbunden sind. Die Trennung der Passagen nach außen erfolgt über Seitenstäbe (engl. Side Bars). Die genannten Passagen werden nachfolgend als "Wärmetauscherpassagen" bezeichnet. Nachfolgend werden, dem gängigen Sprachgebrauch folgend, die beiden Begriffe "Wärmetauscher" und "Wärmeübertrager" synonym verwendet. Entsprechendes gilt auch für die Begriffe "Wärmetausch" und "Wärmeaustausch".

[0013] Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die gemäß der deutschen Fassung der ISO 15547-2:2005 als Rippen-Platten-Wärmeaustauscher (engl. Plate-Fin Heat Exchangers) bezeichnete Apparate. Ist nachfolgend von einem "Wärmetauscher" die Rede, sei daher hierunter insbesondere ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher verstanden. Ein Rippen-Platten-Wärmeaustauscher weist eine Vielzahl übereinanderliegender flacher Kammern bzw. langgestreckter Kanäle auf, die jeweils durch gewellte oder anderweitig strukturierte und miteinander verbundene, beispielsweise verlötete Platten, i.d.R. aus Aluminium, voneinander getrennt sind. Die Platten werden mittels Seitenstäben stabilisiert und über diese miteinander verbunden. Die Strukturierung der Wärmetauscherplatten dient insbesondere dazu, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, aber auch dazu, die Stabilität des Wärmetauschers zu erhöhen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf gelötete Rippen-Platten-Wärmeaustauscher aus Aluminium. Grundsätzlich können entsprechende Wärmetauscher aber auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Edelstahl, oder aus verschiedenen unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.

[0014] 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 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. Anlagen zur Verflüssigung von Stickstoff oder anderen gasförmigen Luftprodukten sind ebenfalls aus der Fachliteratur bekannt und zudem unter Bezugnahme auf die Figur 3 beschrieben. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung auch in beliebigen weiteren Anlagen zum Einsatz kommen, in denen ein Wärmeübertrager entsprechend betrieben werden kann. Es kann sich beispielsweise um Anlagen zur Erdgasverflüssigung und Trennung von Erdgas, die erwähnten LAES-Anlagen, Anlagen zur Luftzerlegung, Verflüssigungskreisläufe aller Art (insbesondere für Luft und Stickstoff) mit und ohne Luftzerlegung, Ethylenanlagen (also insbesondere Trennanlagen, die zur Bearbeitung von Gasgemischen aus Steamcrackern eingerichtet sind), Anlagen, in denen Kühlkreisläufe, beispielsweise mit Ethan oder Ethylen auf unterschiedlichen Druckniveaus zum Einsatz kommen, und Anlagen, in denen Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidkreisläufe vorgesehen sind, handeln.

[0015] Zu Zeiten hohen Stromangebots wird in LAES-Anlagen in einem ersten Betriebsmodus Luft unter entsprechendem Stromverbrauch verdichtet, abgekühlt, verflüssigt und in einem isolierten Tanksystem gespeichert. Zu Zeiten geringen Stromangebots wird in einem zweiten Betriebsmodus die in dem Tanksystem gespeicherte verflüssigte Luft, insbesondere nach einer Druckerhöhung mittels einer Pumpe, angewärmt und damit in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Ein hierdurch erhaltener Druckstrom wird in einer Entspannungsturbine entspannt, die mit einem Generator gekoppelt ist. Die in dem Generator gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise in ein elektrisches Netz zurückgespeist.

[0016] Eine entsprechende Speicherung und Rückgewinnung von Energie ist grundsätzlich nicht nur unter Verwendung von Flüssigluft möglich. Vielmehr können in dem ersten Betriebsmodus auch andere unter Verwendung von Luft gebildete tiefkalte Flüssigkeiten gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden. Beispiele für entsprechende tiefkalte Flüssigkeiten sind flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff bzw. Komponentengemische, die überwiegend aus flüssigem Stickstoff oder flüssigem Sauerstoff bestehen. In entsprechenden Anlagen können auch externe Wärme und Brennstoff eingekoppelt werden, um die Effizienz und die Ausgangsleistung zu steigern, insbesondere unter Verwendung einer Gasturbine, deren Abgas zusammen mit dem im zweiten Betriebsmodus aus dem Luftprodukt gebildeten Druckstrom entspannt wird. Auch für derartige Anlagen eignet sich die Erfindung.

[0017] Zur Bereitstellung entsprechender tiefkalter Flüssigkeiten können klassische Luftzerlegungsanlagen dienen. Wenn Flüssigluft verwendet wird, ist es auch möglich, reine Luftverflüssigungsanlagen einzusetzen. Als Oberbegriff für Luftzerlegungsanlagen und Luftverflüssigungsanlagen wird daher nachfolgend auch der Begriff "Luftbearbeitungsanlagen" verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere bekannte sogenannte Stickstoffverflüssiger.

Vorteile der Erfindung

[0018] Grundsätzlich kann ein Wärmetauscher 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 im stationären Betrieb (d.h. insbesondere dem üblichen Produktionsbetrieb einer entsprechenden Anlage) ausgebildete Temperaturprofil zu halten. Ein derartiger Betrieb ist jedoch in herkömmlichen Verfahren ggf. nur aufwendig zu realisieren.

[0019] In bestimmten Fällen kann, wie beispielsweise auch in der US 5,233,839 A vorgeschlagen, zur Vermeidung der Abkühlung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers dort auch eine Einleitung von Wärme aus der Umgebung über Wärmebrücken vorgenommen werden. Befindet sich stromab des Wärmetauschers keine Prozesseinheit mit signifikanter Pufferkapazität für Kälte (z.B. kein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten) wie beispielsweise in einer reinen Luftverflüssigungsanlage, so kann durch eine derartige Warmhaltung das Auftreten übermäßiger thermischer Spannungen beim schlagartigen Zuführen warmer Prozessströme am warmen Ende bei der Wiederinbetriebnahme reduziert werden. Die zugeführten warmen Prozessströme können in diesem Fall beispielsweise nach dem Austritt am kalten Ende des Wärmetauschers zumindest teilweise in einer Expansionsmaschine entspannt und als kalte Ströme (die jedoch in diesem Fall noch nicht die tiefe Temperatur aufweisen, wie sie im Regelbetrieb am kalten Ende vorliegt) über das kalte Ende zum warmen Ende rückgeführt werden. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher durch eine Joule-Thomson-Abkühlung langsam in sein Normaltemperaturprofil gefahren werden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere diesen Fall, also Prozesse, in denen nach dem Wiederanfahren das kalte Ende des Wärmetauschers nicht unmittelbar mit kalten Prozessströmen (auf der im Regelbetrieb vorliegenden Endtemperatur) beaufschlagt wird.

[0020] Befindet sich jedoch, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise nicht der Fall, stromab des Wärmetauschers eine Prozesseinheit mit einer nennenswerten Pufferkapazität für Kälte (z.B. ein Rektifikationskolonnensystem mit Ansammlung kryogener Flüssigkeiten, wie in einer Luftzerlegungsanlage der Fall), so kann man mittels der zuvor beschriebenen Maßnahmen zwar das Auftreten von Thermospannungen an dieser Stelle minimieren, am zugleich angewärmten kalten Ende kann es jedoch hier durch das schlagartige Einsetzen der Durchströmung mit kälterem Fluid zum Auftreten von Thermospannungen durch unzulässig hohe (zeitliche und örtliche) Temperaturgradienten kommen. Hierbei fördert die Warmhaltung des warmen Endes sogar noch die Bildung von höheren Temperaturunterschieden am kalten Ende und damit das Auftreten von erhöhten Thermospannungen.

[0021] Die vorliegende Erfindung betrifft, wie erwähnt, insbesondere den ersten zuvor erläuterten Fall. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung (neben der stets vorgesehenen Erwärmung am warmen Ende des Wärmetauschers) das kalte Ende des Wärmetauschers während Stillstandsphasen unabgekühlt betrieben.

[0022] Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers vor. Der Wärmetauscher kann, wie nachfolgend auch noch im Detail erläutert, insbesondere Teil einer entsprechenden Anordnung sein, die ihrerseits als Teil einer größeren Anlage ausgebildet sein kann. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere in Luftbearbeitungsanlagen der zuvor und nachfolgend noch im Detail erläuterten Art zum Einsatz kommen. Grundsätzlich ist jedoch auch ein Einsatz in anderen Einsatzgebieten möglich, in denen eine Durchströmung eines entsprechenden Wärmetauschers während bestimmter Zeiten unterbunden wird und sich der Wärmetauscher während dieser Zeiten erwärmt bzw. sich ein in dem Wärmetauscher ausgebildetes Temperaturprofil ausgleicht. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung weniger in einer Luftzerlegungsanlage und eher in einem reinen Verflüssiger zum Einsatz kommen, da in letzterem keine entsprechende Pufferkapazität am kalten Ende vorliegt und daher das Kalthalten des kalten Endes während Stillstandsphasen nicht erforderlich ist.

[0023] Die vorliegende Erfindung betrifft dabei solche Maßnahmen, die eine übermäßige thermische Beanspruchung des warmen Endes eines Wärmetauschers vermeiden. Derartige Maßnahmen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht mit weiteren Maßnahmen kombiniert, die auf eine Reduktion thermischer Spannungen am kalten Ende des Wärmetauschers gerichtet sind. So können die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen und entsprechende Ausgestaltungen durch einen Verzicht auf eine fluidische oder nichtfluidische Kühlung des kalten Endes des Wärmetauschers besondere Vorteile bieten, beispielsweise durch einen Verzicht auf eine Durchströmung des kalten Teils des Wärmetauschers bzw. dessen kalten Endes unter Verwendung entsprechender kalter Gasströme. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine derartige Kühlung in den genannten Fällen nicht erforderlich ist. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Betrieb des Wärmetauschers bietet durch den Verzicht auf die genannten Maßnahmen deshalb Vorteile, weil hierdurch sowohl der Verbrauch kalter Fluide reduziert wird als auch entsprechende Hardware sowie Steuer- und Regelungstechnik nicht aufwendig bereitgestellt werden muss.

[0024] Im Gegensatz zu einer Temperierung des warmen und des kalten Endes eines entsprechenden Wärmetauschers unter Verwendung von Maßnahmen, wie sie in der zuvor bereits erwähnten US 5,233,839 A offenbart sind, kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Warmhalten des warmen Endes des Wärmetauschers ohne eine Kühlung am kalten Ende einfacher und kostengünstiger erfolgen. Dieses Warmhalten kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung entsprechender Steuer- und/oder Regelstrategien auf Grundlage einer oder mehrerer gemessener Temperaturen an dem Wärmetauscher erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist insbesondere nicht vorsehen, dass während einer Stillstandsphase der Anlage, deren Teil der diskutierte Wärmetauscher ist, ein kaltes Ende des Wärmetauschers oder der Wärmetauscher insgesamt mit abdampfendem Gas aus einem oder mehreren Speicherbehältern der Anlage durchströmt wird, wie in der erwähnten US 5,233,839 A beschrieben. Daher kann entsprechendes abdampfendes Gas, soweit vorhanden, im Rahmen der vorliegenden Erfindung anderweitig genutzt werden.

[0025] Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Verfahren in ersten Zeiträumen in einem ersten Betriebsmodus und in zweiten Zeiträumen, die sich mit den ersten Zeiträumen abwechseln, in einem zweiten Betriebsmodus durchzuführen. Die ersten Zeiträume und die zweiten Zeiträume überlappen einander dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht. Die ersten Zeiträume bzw. der in diesem ersten Zeitraum durchgeführte erste Betriebsmodus entspricht dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung dem Produktionsbetrieb einer entsprechenden Anlage, im Fall einer Luftgasverflüssigungsanlage also jenem Betriebszeitraum, in dem ein Verflüssigungsprodukt bereitgestellt wird, bzw. entspräche im Fall einer Luftzerlegungsanlage, die erfindungsgemäß weniger im Fokus steht, jenem Betriebsmodus, in dem flüssige und/oder gasförmige Luftprodukte durch Luftzerlegung bereitgestellt werden. Entsprechend stellt der zweite Betriebsmodus, der in den zweiten Betriebszeiträumen durchgeführt wird, einen Betriebsmodus dar, in dem entsprechende Produkte nicht gebildet werden. Entsprechende zweite Zeiträume bzw. ein zweiter Betriebsmodus dienen insbesondere zur Energieeinsparung, beispielsweise in Anlagen zur Verflüssigung und Rückverdampfung von Luftprodukten zur Energiegewinnung oder in den zuvor bereits erwähnten LAES-Anlagen.

[0026] Wie bereits erwähnt, wird der Wärmetauscher im zweiten Betriebsmodus vorzugsweise nicht bzw. in einem deutlich geringeren Umfang durchströmt als in dem ersten Betriebsmodus. Die vorliegende Erfindung schließt aber nicht grundsätzlich aus, dass in dem zweiten Betriebsmodus auch gewisse Mengen an Gasen durch einen entsprechenden Wärmetauscher geführt werden, wobei jedoch das kalte Ende des Wärmetauschers unabgekühlt, d.h. ohne eine aktive Abfuhr von Wärme, betrieben wird. Die Menge durch den Wärmetauscher geführter Fluide in dem zweiten Betriebsmodus liegt stets deutlich unter den Mengen von Fluiden, die in einem regulären ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Menge der in dem zweiten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführten Fluide beträgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise insgesamt nicht mehr als 20%, 10%, 5% oder 1% oder 0,1%, bezogen auf die in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführte Fluidmenge.

[0027] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus in den jeweiligen Zeiträumen, wie erwähnt, abwechselnd durchgeführt, d.h. auf einem jeweiligen ersten Zeitraum, in dem der erste Betriebsmodus durchgeführt wird, folgt stets ein zweiter Zeitraum, in dem der zweite Betriebsmodus durchgeführt wird und auf den zweiten Zeitraum bzw. den zweiten Betriebsmodus sodann wieder ein erster Zeitraum mit dem ersten Betriebsmodus usw. Dies schließt jedoch insbesondere nicht aus, dass zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Zeiträumen weitere Zeiträume mit weiteren Betriebsmodi vorgesehen sein können, insbesondere ein erfindungsgemäß ggf. vorgesehener dritter Zeitraum mit einem dritten Betriebsmodus. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich für den Fall eines dritten Betriebsmodus dabei insbesondere die folgende Abfolge: erster Betriebsmodus - zweiter Betriebsmodus - dritter Betriebsmodus - erster Betriebsmodus usw.

[0028] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten Betriebsmodus ein erster Fluidstrom auf einem ersten Temperaturniveau gebildet, in einem ersten Bereich auf dem ersten Temperaturniveau in den Wärmetauscher eingespeist, und in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig abgekühlt. Als ein entsprechender erster Fluidstrom kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei insbesondere ein lediglich zu verflüssigendes Gas oder Gasgemisch und eher weniger ein durch ein Gasgemischzerlegungsverfahren zu zerlegendes Gasgemisch verwendet werden, da die Erfindung eher den Betrieb von Verflüssigungsanlagen für Luftgase bzw. entsprechende Luftprodukte und weniger den Betrieb von (Luft-) Zerlegungsanlagen betrifft.

[0029] Ferner wird in dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Fluidstrom auf einem zweiten Temperaturniveau gebildet, in einem zweiten Bereich auf dem zweiten Temperaturniveau in den Wärmetauscher eingespeist und in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig erwärmt. Die Bildung des zweiten Fluidstroms kann dabei insbesondere eine Bildung eines Rückstroms in einer Gasverflüssigungsanlage darstellen. Zur Abkühlung des zu verflüssigenden Gases wird in Gasverflüssigungsanlagen ein Teil Druckstroms arbeitsleistend entspannt, hierdurch abgekühlt, und als Kältemittel in einem Wärmetauscher verwendet. Ein zweiter Teil des Druckstroms, der nicht entsprechend entspannt wurde, wird in dem Wärmetauscher aufgrund des vorliegenden Druck- und Mengenunterschieds verflüssigt. Dies wird auch unter Bezugnahme auf Figur 3 unten nochmals erläutert.

[0030] Das zweite Temperaturniveau entspricht insbesondere der Temperatur, auf der ein entsprechender Rückstrom in einer Verflüssigungsanlage gebildet wird. Es liegt vorzugsweise bei kryogenen Temperaturen, insbesondere bei -50° C bis -200° C, beispielsweise bei -100° C bis -200° C oder bei -150° C bis -200° C. Hingegen liegt das erste Temperaturniveau, auf dem der erste Fluidstrom gebildet und dem Wärmetauscher in dem ersten Bereich zugeführt wird, vorzugsweise bei Umgehungstemperatur, jedenfalls aber typischerweise bei einem Temperaturniveau deutlich oberhalb von 0° C, beispielsweise von 10 °C bis 50 °C.

[0031] Ist hier davon die Rede, dass ein erster oder zweiter Fluidstrom auf dem ersten oder zweiten Temperaturniveau gebildet wird, ist hiermit selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass weitere Fluidströme auf dem ersten oder zweiten Temperaturniveau gebildet werden. Entsprechende weitere Fluidströme können eine gleiche oder andere Zusammensetzung wie bzw. als das Fluid des ersten oder zweiten Fluidstroms aufweisen. Beispielsweise kann zunächst ein Gesamtstrom gebildet werden, aus dem durch Abzweigen des zweiten Fluidstroms dieser gebildet wird. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ggf. auch mehrere Fluidströme gebildet und anschließend miteinander vereinigt und auf diese Weise zur Bildung des zweiten Fluidstroms verwendet werden.

[0032] Ist hier davon die Rede, dass ein Fluidstrom in dem Wärmetauscher "teilweise oder vollständig" abgekühlt erwärmt wird, sei hierunter verstanden, dass entweder der gesamte Fluidstrom durch den Wärmetauscher geführt wird, und zwar entweder von einem warmen Ende oder einem Zwischentemperaturniveau zum kalten Ende oder einem Zwischentemperaturniveau oder umgekehrt, oder dass der entsprechende Fluidstrom in dem Wärmetauscher in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt wird, die dem Wärmetauscher auf gleichen oder unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden. Selbstverständlich ist auch möglich, dem jeweiligen Fluidstrom in dem Wärmetauscher einen weiteren Fluidstrom zuzuspeisen und einen auf diese Weise gebildeten Sammelstrom in dem Wärmetauscher weiter abzukühlen bzw. zu erwärmen. In jedem Fall wird jedoch ein entsprechender Fluidstrom in den Wärmetauscher eingespeist, und zwar auf dem ersten bzw. zweiten Temperaturniveau, und dieser wird in dem Wärmetauscher (alleine oder gemeinsam mit weiteren Strömen wie zuvor erläutert) abgekühlt bzw. erwärmt.

[0033] Es versteht sich ferner, dass neben dem ersten und zweiten Fluidstrom auch noch weitere Fluidströme in dem Wärmetauscher abgekühlt bzw. erwärmt werden können, und zwar auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturniveaus und/oder ausgehend von gleichen oder unterschiedlichen Temperaturniveaus wie der erste bzw. der zweite Fluidstrom. Entsprechende Maßnahmen sind im Bereich der Luftzerlegung üblich und bekannt, so dass diesbezüglich auf einschlägige Fachliteratur, wie sie eingangs zitiert wurde, verwiesen werden kann.

[0034] In dem zweiten Betriebsmodus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Einspeisung des ersten Fluidstroms und des zweiten Fluidstroms in den Wärmetauscher und die jeweilige Abkühlung bzw. Erwärmung in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig ausgesetzt. Beispielsweise kann anstelle des ersten Fluidstroms, der in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und in dem Wärmetauscher abgekühlt wird, kein Fluid durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Wärmetauscherpassagen des Wärmetauschers, die in dem ersten Betriebsmodus zur Abkühlung des ersten Fluidstroms verwendet werden, bleiben also in diesem Fall undurchströmt. Es ist jedoch auch möglich, anstelle des ersten Fluidstroms, der in dem ersten Betriebsmodus durch den Wärmetauscher geführt und abgekühlt wird, einen anderen Fluidstrom durch den Wärmetauscher zu führen, insbesondere in deutlich geringerer Menge. Entsprechendes gilt auch für den zweiten Fluidstrom, der in dem zweiten Betriebsmodus durch anderes Gas ersetzt werden kann, jedoch ohne im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abkühlung am kalten Ende des Wärmetauschers, also dem erwähnten zweiten Bereich, zu bewirken.

[0035] Ist hier von einer Abkühlung des kalten Endes des Wärmetauschers die Rede, erfolgt diese insbesondere auf das zweite Temperaturniveau, auf dem dieses kalte Ende in dem ersten Betriebsmodus vorliegt. Dieses zweite Temperaturniveau kann sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wo am kalten Ende keine nennenswerte Pufferkapazität für Fluid vorhanden ist, langsam einstellen.

[0036] Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in dem zweiten oder in einem dritten Zeitraum, der zwischen zumindest einem der zweiten Zeiträume und dem darauffolgenden ersten Zeitraum liegt, dem ersten Bereich dadurch Wärme zugeführt wird, dass diese Wärme mittels einer Heizeinrichtung bereitgestellt und von außerhalb des Wärmetauschers auf den ersten Bereich übertragen wird. Beispielsweise kann diese Wärme mittels der Heizeinrichtung bereitgestellt und über einen außerhalb des Wärmetauschers befindlichen Gasraum zu dem ersten Bereich übertragen werden, oder diese Wärme kann über ein den Wärmetauscher kontaktierendes Bauelement, beispielsweise über metallische oder nichtmetallische Träger, Aufhängungen oder Befestigungen, dem Wärmetauscherblock zugeführt werden Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch elektrische Heizbänder mit Festkörperkontakt verwendet werden. Die Wärmeübertragung erfolgt in der Ausgestaltung, in der die Wärme über den Gasraum übertragen wird, überwiegend oder ausschließlich ohne Festkörperkontakt, d.h. überwiegend oder ausschließlich in Form einer Wärmeübertragung im Gasraum, d.h. ohne oder überwiegend ohne Wärmeübertragung durch Festkörperwärmeleitung. Der Begriff "überwiegend" bezeichnet dabei hier einen Anteil an der Wärmemenge von weniger als 20% oder weniger als 10%. Im Falle der Verwendung von anderen Heizeinrichtungen wie elektrischen Heizbändern weichen diese Verhältnisse natürlich entsprechend ab.

[0037] Die vorliegende Erfindung sieht also vor, in dem zweiten Zeitraum oder in einem separaten weiteren Zeitraum eine aktive Erwärmung des warmen Endes eines entsprechenden Wärmetauschers durchzuführen. Der Begriff "außerhalb des Wärmetauschers" grenzt die vorliegende Erfindung dabei ab von einer alternativ ebenfalls möglichen Erwärmung mittels einer gezielten Fluiddurchströmung der Wärmetauscherpassagen. Die Erwärmung erfolgt also hier nicht durch Übertragung von Wärme von einem durch die Wärmetauscherpassagen geführten Fluid.

[0038] In diesem Zusammenhang sei insbesondere darauf hingewiesen, dass, wenn hier von einem "Bereich" eines Wärmetauschers (dem ersten Bereich bzw. dem zweiten Bereich) die Rede ist, sich derartige Bereiche nicht auf die unmittelbare Einspeisestelle des ersten bzw. zweiten Fluidstroms in den Wärmetauscher beschränken müssen, sondern dass diese Bereiche auch insbesondere terminale Abschnitte eines entsprechenden Wärmetauschers darstellen können, die sich eine vorgegebene Strecke in Richtung der Mitte des Wärmetauschers erstrecken können. Entsprechende Bereiche können dabei insbesondere die terminalen 10%, 20% oder 30% eines entsprechenden Wärmetauschers umfassen. Entsprechende Bereiche sind baulich typischerweise nicht dezidiert von dem Rest des Wärmetauschers abgegrenzt.

[0039] Der zweite Bereich des Wärmetauschers wird erfindungsgemäß ohne aktive Wärmeabfuhr und damit unabgekühlt betrieben, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum dem ersten Bereich die Wärme zugeführt wird. Hierbei soll der Begriff "aktive Wärmeabfuhr" eine intentionell herbeigeführte Wärmeabgabe an die Umgebung bezeichnen, beispielsweise indem der zweite Bereich mit einem Fluid beaufschlagt, d.h. kontaktiert oder durchströmt, wird, das eine geringere Temperatur als der zweite Bereich zum jeweiligen Zeitpunkt der Fluidbeaufschlagung aufweist. Eine Wärmeabfuhr kann auch hier gleichwohl stattfinden, beispielsweise indem Wärme zu kälteren Bereichen abströmt. Es erfolgt jedoch keine Fluiddurchströmung, die eine Abkühlung des zweiten Bereichs bewirkt.

[0040] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Erwärmung des zweiten Bereichs zugelassen, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich die Wärme zugeführt wird. Die zugelassene Erwärmung kann insbesondere mehr als 10 K, mehr als 20 K, mehr als 30 K, mehr als 40 K oder mehr als 50 K betragen. Sie kann bei entsprechender Dauer auch insbesondere auf eine Temperatur erfolgen, auf die das erste Ende durch die Zufuhr der Wärme in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum erwärmt wird. Die Erwärmung des zweiten Bereichs kann insbesondere auch zumindest teilweise durch die aktive Erwärmung des ersten Bereichs und eine Wärmeeinströmung durch Wärmeleitung erfolgen. Insbesondere kann dabei auch ein Wärmeeintrag durch die Umgebung erfolgen.

[0041] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeübertragung mittels der Heizeinrichtung durch Festkörperwärmeleitung über ein den ersten Bereich kontaktierendes Wärmeleitelement von außerhalb der Wärmetauscherpassagen auf den Wärmetauscher übertragen werden. Dies kann beispielsweise, wie bereits angesprochen, über Träger oder metallische oder nichtmetallische Elemente als Wärmeleitelemente erfolgen, die den Wärmetauscher kontaktieren, und die ihrerseits beispielsweise mittels einer resistiven oder induktiven Heizung erwärmt werden. Eine entsprechende Anordnung kann dabei grundsätzlich wie in der US 5,233,839 A vorgeschlagen ausgebildet sein. Es sei jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung vorschlägt, den zweiten Bereich des Wärmetauschers in den zweiten Zeiträumen bzw. ggf. in den dritten Zeiträumen unabgekühlt zu betreiben. Daher schlägt die vorliegende Erfindung auch gegenüber diesem Stand der Technik ein neues und nicht naheliegendes Verfahren vor.

[0042] Alternativ zu der Wärmeübertragung durch Festkörperwärmeleitung kann die mittels der Heizeinrichtung bereitgestellte Wärme aber auch über einen außerhalb des Wärmetauschers befindlichen Gasraum zu dem ersten Bereich übertragen werden, wie erläutert, und zwar zumindest teilweise konvektiv und/oder radiativ.

[0043] Die vorliegende Erfindung in der Ausgestaltung, in der Wärme von der Heizeinrichtung über den außerhalb des Wärmetauschers befindlichen Gasraum zu dem ersten Bereich übertragen wird, den besonderen Vorteil, dass, beispielsweise im Gegensatz zu der erwähnten US 5,233,839 A keine Aufhängung eines entsprechenden Bereichs erforderlich ist, die dort zur Übertragung der Wärme vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt damit in dieser Ausgestaltung eine Temperierung auch in Fällen, in denen ein Wärmetauscherblock in anderen Bereichen, beispielweise unten oder mittig, gelagert wird, um auf diese Weise die Spannungen auf die Leitungen, die einen entsprechenden Wärmetauscher mit der Umgebung verbinden, zu verringern. Das im Stand der Technik vorgestellte Verfahren kann hingegen nur zum Einsatz kommen, wenn ein entsprechender Wärmetauscherblock oben abgehängt wird. Ein weiterer Nachteil des im erwähnten Stand der Technik beschriebenen Verfahrens gegenüber der erwähnten Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass Wärme dort nur begrenzt an den Auflagern eingebracht wird und nicht über die gesamte Fläche eines Wärmetauschers in einem entsprechenden Bereich. Hierdurch kann es beispielsweise zu Auseisungen an den Blechmantelübergängen eines entsprechenden Wärmetauschers kommen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht in der erwähnten Ausgestaltung demgegenüber eine vorteilhafte Einbringung von Wärme und auf diese Weise eine effektive Temperierung ohne die zuvor beschriebenen Nachteile.

[0044] Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, vorgesehen sein, die Wärme über den Gasraum zumindest teilweise konvektiv und/oder radiativ zu dem ersten Bereich zu übertragen. Zu konvektiven Wärmeübertragung kann dabei insbesondere eine Gasverwirbelung induziert werden, so dass sich Wärmestaus vermeiden lassen. Eine reine Strahlungsheizung kann hingegen direkt über die entsprechende Infrarotstrahlung auf die den ersten Bereich des ersten Wärmetauschers einwirken.

[0045] Das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich, wie mehrfach erwähnt, insbesondere zum Einsatz im Rahmen eines Gasverflüssigungsverfahrens, beispielsweise im Rahmen eines Verfahrens zur Verflüssigung von Stickstoff, von Luft oder von Erdgas, bei dem ein entsprechend verflüssigtes Gasgemisch keiner Zerlegung zugeführt wird. In dem Gasverflüssigungsverfahren ist, mit anderen Worten, vorgesehen, den ersten Fluidstrom zumindest teilweise zu verflüssigen und unzerlegt, d.h. insbesondere in im Wesentlichen unveränderter stofflicher Zusammensetzung als Verfahrensprodukt bereitzustellen. Gewisse, jedoch im Vergleich zur Zerlegung geringfügige Veränderungen können sich durch die Verflüssigung selbst aufgrund der unterschiedlichen Kondensationstemperaturen ergeben.

[0046] Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf eine Anordnung mit einem Wärmetauscher, wobei die Anordnung Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, in ersten Zeiträumen einen ersten Betriebsmodus durchzuführen und in zweiten Zeiträumen, die sich mit den ersten Zeiträumen abwechseln, einen zweiten Betriebsmodus durchzuführen, in dem ersten Betriebsmodus einen ersten Fluidstrom auf einem ersten Temperaturniveau zu bilden, in einem ersten Bereich auf dem ersten Temperaturniveau in den Wärmetauscher einzuspeisen, und in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig abzukühlen, in dem ersten Betriebsmodus ferner einen zweiten Fluidstrom auf einem zweiten Temperaturniveau zu bilden, in einem zweiten Bereich auf dem zweiten Temperaturniveau in den Wärmetauscher einzuspeisen, und in dem Wärmetauscher teilweise oder vollständig zu erwärmen, und in dem zweiten Betriebsmodus die Einspeisung des ersten Fluidstroms und des zweiten Fluidstroms in den Wärmetauscher teilweise oder vollständig auszusetzen.

[0047] Erfindungsgemäß ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, entweder in dem zweiten Zeitraum oder in einem dritten Zeitraum, der zwischen zumindest einem der zweiten Zeiträume und dem darauffolgenden ersten Zeitraum liegt, dem ersten Bereich Wärme zuzuführen, indem die Wärme mittels einer Heizeinrichtung bereitgestellt und von außerhalb des Wärmetauschers zu dem ersten Bereich übertragen wird. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der zweite Bereich ohne aktive Wärmeabfuhr betrieben wird, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich die Wärme zugeführt wird.

[0048] Zu weiteren Aspekten einer derartigen Anordnung sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen. Die erfindungsgemäße Anordnung profitiert von den Vorteilen, die für entsprechende Verfahren und Verfahrensvarianten beschrieben wurden. Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einer Coldbox angeordnet, wobei ein Gasraum, durch den die Wärme übertragen werden kann, durch einen an Isoliermaterial freien Bereich innerhalb der Coldbox gebildet ist. Der erste Bereich des Wärmetauschers kann in diesem Fall insbesondere ohne den ersten Bereich kontaktierende Aufhängungen in dem Gasraum innerhalb der Coldbox angeordnet sein. Auch zu dem diesbezüglichen Vorteil sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

[0049] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Heizeinrichtung als Heizstrahler ausgebildet sein, die beispielsweise elektrisch oder unter Verwendung von Heizgas beheizt werden kann. Die Heizeinrichtung kann aber auch insbesondere als resistive oder konvektive Heizeinrichtung ausgebildet sein, die ein den ersten Bereich des Wärmetauschers kontaktierendes Wärmeleitelement aufheizt.

[0050] Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Anlage, die dadurch gekennzeichnet ist, dass hier eine Anordnung aufweist, wie sie zuvor erläutert wurde. Die Anlage kann insbesondere als Gasverflüssigungsanlage oder, weniger bevorzugt, als Gasgemischzerlegungsanlage ausgebildet sein. Sie zeichnet sich ferner insbesondere dadurch aus, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde.

[0051] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung und entsprechende Wärmeaustauschdiagramme zeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0052] 

Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 veranschaulicht eine Anordnung mit einem Wärmetauscher gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3 veranschaulicht eine Luftverflüssigungsanlage, die mit einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet sein kann.

[0053] In den Figuren sind identische oder einander funktional oder bedeutungsmäßig entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0054] Figur 1 veranschaulicht Temperaturverläufe in einem Wärmetauscher nach Außerbetriebnahme (der nicht durchströmt wird) ohne Einsatz von Maßnahmen gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in Form eines Temperaturdiagramms.

[0055] In dem in Figur 1 dargestellten Diagramm sind eine mit H bezeichnete Temperatur am warmen Ende eines entsprechenden Wärmetauschers und eine mit C bezeichnete Temperatur am kalten Ende jeweils in °C auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Stunden auf der Abszisse dargestellt.

[0056] Wie aus Figur 1 ersichtlich, beträgt die Temperatur H am warmen Ende des Wärmeaustauschers zu Beginn der Außerbetriebnahme, die noch der Temperatur in einem regulären Betrieb des Wärmetauschers entspricht, ca. 20 °C und die Temperatur C am kalten Ende ca. -175 °C. Diese Temperaturen gleichen sich über die Zeit zunehmend einander an. Hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der in dem Wärmetauscher verbauten Materialien verantwortlich. Mit anderen Worten fließt hier Wärme vom warmen Ende in Richtung des kalten Endes. Zusammen mit dem Wärmeeintrag aus der Umgebung ergibt sich eine mittlere Temperatur von ca. -90 °C. Die deutliche Temperaturerhöhung am kalten Ende kommt zum größten Teil durch den internen Temperaturausgleich in dem Wärmetauscher zustande und nur in einem geringeren Anteil durch externen Wärmeeintrag.

[0057] Wie mehrfach erwähnt, kann es im dargestellten Fall zu starken thermischen Spannungen kommen, wenn das warme Ende des Wärmetauschers nach einiger Zeit der Regeneration ohne weitere Maßnahmen wieder mit einem warmen Fluid von im dargestellten Beispiel ca. 20 °C beaufschlagt wird. Entsprechend kann es aber auch zu thermischen Spannungen kommen, wenn eine dem Wärmetauscher nachgeschaltete Anlage sofort wieder tiefkalte Fluide liefert, beispielsweise tiefkalte Flüssigkeiten aus einem Rektifikationskolonnensystem einer Luftzerlegungsanlage. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch Anlagen, in denen das letztere Problem auftritt, weniger oder gar nicht.

[0058] In Figur 2 ist eine Anordnung mit einem Wärmetauscher gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Wärmetauscher ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Er weist einen ersten Bereich 2 und einen zweiten Bereich 3 auf, die hier jeweils durch punktierte Linien abgegrenzt veranschaulicht sind, in der Realität jedoch nicht baulich von einem Rest des Wärmetauschers 1 unterschieden sind. Der erste Bereich 2 und der zweite Bereich 3 sind insbesondere durch die Einspeisung bzw. Entnahme von Fluidströmen gekennzeichnet. Im dargestellten Beispiel werden durch den Wärmetauscher 1 zwei Fluidströme A und B geführt, wobei der Fluidstrom A zuvor als erster Fluidstrom und der Fluidstrom B zuvor als zweiter Fluidstrom bezeichnet wurde. Der erste Fluidstrom A wird in dem Wärmetauscher 1 abgekühlt, der zweite Fluidstrom B hingegen erwärmt. Zu weiteren Details sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Es sei insbesondere betont, dass in dem mehrfach erläuterten zweiten Betriebsmodus der Wärmetauscher nicht oder nicht in dem Umfang wie in dem ersten Betriebsmodus von den entsprechenden Fluidströmen A und B durchströmt wird. Beispielsweise können im zweiten Betriebsmodus andere als die Fluidströme A und B bzw. die Fluidströme A und B in geringerer Menge verwendet werden.

[0059] Der Wärmetauscher 1 ist in der Anordnung 10 in einer Coldbox 4 aufgenommen, die teilweise mit einem Isoliermaterial, beispielsweise Perlit, gefüllt ist, das bis zu einer Füllhöhe 6 in der Coldbox 4 angeordnet und hier schraffiert veranschaulicht ist. Ein an dem Isoliermaterial freier Bereich, der zugleich einen den ersten Bereich 2 des Wärmetauscher 1 umgebenden Gasraum darstellt, ist mit 5 angegeben.

[0060] In der Anordnung 10 ist eine Heizeinrichtung 7 vorgesehen, die während gewisser Zeiträume des zweiten Betriebsmodus, während des gesamten zweiten Betriebsmodus oder, wie erwähnt, in separaten Zeiträumen in einem dritten Betriebsmodus den ersten Bereich 2 des Wärmetauschers 1 erwärmt. Hierzu kann mittels der Heizeinrichtung 7 in der Anordnung 10 Wärme, hier in Form eines gewellten Pfeils 8 veranschaulicht, auf das erste Ende 2 bzw. den ersten Bereich 2 des Wärmetauschers 1 übertragen werden. Wenngleich hier die Übertragung der Wärme über den Gasraum 5 veranschaulicht ist, kann diese grundsätzlich auch über ein beispielsweise metallisches Wärmeleitelement erfolgen, falls die Heizeinrichtung 7 entsprechend ausgebildet ist. In dem ersten Betriebsmodus erfolgt typischerweise keine entsprechende Wärmeübertragung. Der zweite Bereich 3 des Wärmetauschers bleibt unabgekühlt bzw. wird von diesem keine Wärme aktiv abgeführt.

[0061] In Figur 3 ist eine Luftverflüssigungsanlage 100 mit einer Anordnung 10 welche einen Wärmetauscher 1 aufweist, schematisch veranschaulicht. Eine entsprechende Anlage wird auch als "Stickstoffverflüssiger" bezeichnet. Zu weiteren Details bezüglich der Anordnung 10 sei insbesondere auf die zuvor erläuterte Figur 2 verwiesen. Die Luftverflüssigungsanlage 100 dient beispielsweise zur Bereitstellung von Flüssigstickstoff bzw. zur Verflüssigung von gasförmigem Stickstoff. Zur Bereitstellung des gasförmigen Stickstoffs kann beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage vorgesehen sein.

[0062] Wie mehrfach zuvor erläutert, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für die Verwendung im Zusammenhang mit Anlagen zur Verflüssigung gasförmiger Luftprodukte, da an diese selbst kein weiteres Rektifikationssystem mehr angebunden ist, diese daher bei Bedarf vereinfacht und häufiger außer Betrieb gesetzt werden können, und nach der Wiederinbetriebnahme noch kein kaltes Fluid bereitsteht, mit dem das kalte Ende des Wärmetauschers 1 unmittelbar beaufschlagt wird.

[0063] Der Wärmetauscher 1 ist auch hier mit dem ersten Bereich 2 und dem zweiten Bereich 3 veranschaulicht. Diese Bereiche sind hier jedoch nur angedeutet. Wie nachfolgend im Detail erläutert, werden in einem ersten Betriebsmodus dem Wärmeaustauscher 1 mehrere abzukühlende erste Fluide in dem ersten Bereich 2 auf einem ersten Temperaturniveau zugeführt und durch den Wärmeaustauscher 1 geführt, und dem Wärmetauscher 1 werden in dem ersten Betriebsmodus mehrere zu erwärmende zweite Fluide in dem zweiten Bereich 3 auf einem zweiten Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus zugeführt und durch den Wärmeaustauscher 1 geführt. Die ersten Fluide werden dabei abgekühlt, die zweiten Fluide erwärmt.

[0064] Der Wärmeaustauscher 1 weist hier eine Anzahl von Wärmetauscherpassagen auf, die mit W bis Z bezeichnet sind. In dem ersten Betriebsmodus, der in Figur 3 veranschaulicht ist, und der einem Normalbetrieb der Verflüssigungsanlage 100 entspricht, d.h. einem Produktionsbetrieb, wird ein gasförmiger Stickstoffstrom a zusammen mit einem Stickstoffstrom b in einer mehrstufigen Verdichteranordnung 101, welcher auf einer Zwischenstufe ein weiterer Stickstoffstrom c zugespeist wird, auf ein Verflüssigungsdruckniveau verdichtet. Der entsprechend verdichtete Stickstoff wird auf zwei Teilströme d und e aufgeteilt, von denen der Teilstrom d dem Wärmetauscher 1 bzw. dessen erstem Bereich 2 zugeführt wird. Der Teilstrom e wird in zwei Turbinenboostern 102 und 103 weiter verdichtet und anschließend ebenfalls dem Wärmetauscher 1 bzw. dessen erstem Bereich 2 zugeführt.

[0065] In dem zweiten Bereich 3 wird dem Wärmetauscher 1 verflüssigter Stickstoff, bei dem es sich um einen Teil des Teilstroms e handelt, entnommen. Dieser verflüssigte Stickstoff wird über ein Ventil 104 in einen Behälter 105 geflasht. Vom Boden des Behälters 105 abgezogener flüssiger Stickstoff kann in Form eines flüssigen Stickstoffstroms f dem warmen Ende eines Unterkühlers 106 zugeführt werden, welcher unter Verwendung eines Teilstroms g des flüssigen Stickstoffstroms f, dessen Menge über ein Ventil 107 eingestellt wird, gekühlt wird. Der Teilstrom g wird nach Verdampfung in dem Unterkühler 106 in dem Wärmetauscher 1 weiter erwärmt und in Form des bereits erwähnten Stickstoffstroms b zur Verdichtung zurückgeführt. Der verbleibende Rest des flüssigen Stickstoffstroms f, hier in Form eines flüssigen Stickstoffstroms h veranschaulicht, kann beispielsweise als Produkt abgegeben bzw. in einen Tank 108 eingespeichert werden.

[0066] Die Turbinenbooster 102 und 103 werden unter Verwendung des Teilstroms d und eines weiteren Teilstroms des Teilstroms e, der hier mit i bezeichnet ist, angetrieben. Die Teilströme d und i werden dabei jeweils auf geeigneten Zwischentemperaturen dem Wärmetauscher 1 entnommen. Der entsprechend entspannte Teilstrom d wird dem Wärmetauscher 1 auf einer Zwischentemperatur zugeführt, in dem Wärmetauscher 1 mit Stickstoff, der gasförmig vom Kopf des Behälters 106 abgezogen und dem Wärmetauscher 1 am kalten Ende zugeführt wird, vereinigt, erwärmt und in Form des bereits erwähnten Stickstoffstroms c zur Verdichtung zurückgeführt. Der Teilstrom i wird nach einer entsprechenden Entspannung in den Behälter 105 eingespeist.

[0067] Es versteht sich, dass in einem zweiten Betriebsmodus, in dem die Einspeisung der erwähnten Fluidströme in den Wärmetauscher 1 ausgesetzt wird, ein zu Figur 1 erläuterter Temperaturausgleich einsetzt. Daher werden die zu Figur 2 erläuterten Maßnahmen ergriffen. Da hier kein kältepufferndes Rektifikationskolonnensystem kaltseitig des Wärmetauschers 1 bereitgestellt ist, wird der zweite Bereich 3 bei Wiederinbetriebnahme nicht unmittelbar mit kaltem Fluid beaufschlagt, sondern dieser kann durch die Entspannung in den Ventilen 104 und 107 sukzessive kaltgefahren werden. Eine Erwärmung am warmen Ende reicht daher aus.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers (1), bei dem

- in ersten Zeiträumen ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird und in zweiten Zeiträumen, die sich mit den ersten Zeiträumen abwechseln, ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird,

- in dem ersten Betriebsmodus ein erster Fluidstrom (A) auf einem ersten Temperaturniveau gebildet, in einem ersten Bereich (2) auf dem ersten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) eingespeist, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig abgekühlt wird,

- in dem ersten Betriebsmodus ein zweiter Fluidstrom (B) auf einem zweiten Temperaturniveau gebildet, in einem zweiten Bereich (3) auf dem zweiten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) eingespeist, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig erwärmt wird, und

- in dem zweiten Betriebsmodus die Einspeisung des ersten Fluidstroms (A) und des zweiten Fluidstroms (B) in den Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig ausgesetzt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

- entweder in dem zweiten Zeitraum oder in einem dritten Zeitraum, der zwischen zumindest einem der zweiten Zeiträume und dem darauf folgenden ersten Zeitraum liegt, dem ersten Bereich (2) Wärme zugeführt wird, indem die Wärme mittels einer außerhalb des Wärmetauschers (1) angeordneten Heizeinrichtung (7) bereitgestellt wird und indem die Wärme von außerhalb des Wärmetauschers (1) zu dem ersten Bereich (2) übertragen wird, und

- der zweite Bereich (3) ohne aktive Wärmeabfuhr betrieben wird, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich (2) die Wärme zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Erwärmung des zweiten Bereichs (3) zugelassen wird, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich (2) die Wärme zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Übertragung der mittels der Heizeinrichtung (7) bereitgestellten Wärme durch Festkörperwärmeleitung über ein den ersten Bereich (2) kontaktierendes Wärmeleitelement vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Übertragung der mittels der Heizeinrichtung (7) bereitgestellten Wärme über einen außerhalb des Wärmetauschers (1) befindlichen Gasraum zu dem ersten Bereich (2) übertragen wird, wobei die Wärme über den Gasraum (3) zumindest teilweise konvektiv und/oder radiativ zu dem ersten Bereich (2) übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wärmetauscher (1) im Rahmen eines Gasverflüssigungsverfahrens betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Gasverflüssigungsverfahren umfasst, den ersten Fluidstrom (A) zumindest teilweise zu verflüssigen und unzerlegt als Verfahrensprodukt bereitzustellen.

7. Anordnung (10) mit einem Wärmetauscher (1), wobei die Anordnung (10) Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind,

- in ersten Zeiträumen einen ersten Betriebsmodus durchzuführen und in zweiten Zeiträumen, die sich mit den ersten Zeiträumen abwechseln, einen zweiten Betriebsmodus durchzuführen,

- in dem ersten Betriebsmodus einen ersten Fluidstrom (A) auf einem ersten Temperaturniveau zu bilden, in einem ersten Bereich (2) auf dem ersten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) einzuspeisen, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig abzukühlen,

- in dem ersten Betriebsmodus einen zweiten Fluidstrom (B) auf einem zweiten Temperaturniveau zu bilden, in einem zweiten Bereich (3) auf dem zweiten Temperaturniveau in den Wärmetauscher (1) einzuspeisen, und in dem Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig zu erwärmen, und

- in dem zweiten Betriebsmodus die Einspeisung des ersten Fluidstroms (A) und des zweiten Fluidstroms (B) in den Wärmetauscher (1) teilweise oder vollständig auszusetzen,

dadurch gekennzeichnet, dass

- eine außerhalb des Wärmetauschers (1) angeordnete Heizeinrichtung (7) bereitgestellt ist, die dafür eingerichtet ist, entweder in dem zweiten Zeitraum oder in einem dritten Zeitraum, der zwischen zumindest einem der zweiten Zeiträume und dem darauf folgenden ersten Zeitraum liegt, dem ersten Bereich (2) Wärme zuzuführen, indem Wärme mittels der Heizeinrichtung (7) bereitgestellt und von außerhalb des Wärmetauschers (1) zu dem zweiten Bereich (2) übertragen wird, und

- der zweite Bereich (3) ohne aktive Wärmeabfuhr betrieben wird, während in dem zweiten Zeitraum oder in dem dritten Zeitraum gleichzeitig dem ersten Bereich (2) die Wärme zugeführt wird.

8. Anordnung (10) nach Anspruch 7, bei der der Wärmetauscher (1) in einer Coldbox (4) angeordnet ist, wobei ein Gasraum (5) durch einen an Isoliermaterial freien Bereich innerhalb der Coldbox (4) gebildet ist.

9. Anordnung (10) nach Anspruch 8, die dafür eingerichtet ist, die mittels der Heizeinrichtung (7) bereitgestellte Wärme über den Gasraum (5) zu dem zweiten Bereich (2) zu übertragen.

10. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der erste Bereich (2) des Wärmetauschers (1) ohne den ersten Bereich kontaktierende Aufhängungen in dem Gasraum (5) innerhalb der Coldbox (4) angeordnet ist.

11. Anordnung (10) nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Heizeinrichtung (7) über ein Wärmeleitelement mit dem ersten Bereich (2) gekoppelt ist.

12. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Heizeinrichtung (7) als Heizstrahler und/oder als resistiver und/oder induktiver Heizer ausgebildet ist.

13. Anlage (100), gekennzeichnet durch eine Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Anlage (100) als Gasverflüssigungsanlage ausgebildet ist.

14. Anlage (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.

Zeichnung