[0001] Die Erfindung betrifft ein 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.
[0002] Kältemittelkreisläufe kommen bei einer Vielzahl von Prozessen zur Anwendung; beispielhaft
sei hier die Verflüssigung von unter Druck stehendem Erdgas genannt. Muß eine Anlage,
in die der Kältemittelkreislauf eingebunden ist, aufgrund von Wartungsarbeiten oder
einer Störung für einen längeren Zeitraum stillgelegt werden, muß das innerhalb des
Kältemittelkreislaufes verwendete Kältemittel aufgrund hoher Beschaffungskosten oder
aus Umweltschutzüberlegungen während des Zeitraumes des Anlagenstillstandes zwischengespeichert
werden. Da bei einem Anlagenstillstand auch der Kältemittelkreislauf nicht weiter
betrieben wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anwärmung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur.
Dies bedeutet, daß zuvor kaltes und flüssiges 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 würde den Kältemittelkreislauf jedoch erheblich verteuern.
[0003] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zum Zwischenspeichern
des Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes im Falle eines Anlagenstillstandes anzugeben.
[0004] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes
unter Umgebungsbedingungen kondensierenden Kältemittelkomponenten in einen Abscheider
D1 geleitet und in diesem zwischengespeichert werden und die innerhalb des kalten
Bereichs des Kältemittelkreislaufes befindlichen flüssigen Kältemittelkomponenten
in einen Hochdruckspeicherbehälter S1 geleitet und in diesem zwischengespeichert werden.
[0005] Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur näher erläutert.
[0006] 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
können 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
zugeführt. 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
geschlossen, während die Absperrventile a, c und d geöffnet sind. Am Kopf des Abscheiders
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 Entspannungsventil e geleitet.
Dabei kommt es zu einer Verflüssigung der Kältemittelkomponenten. Diese werden nun
im Entspannungsventil e unter Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts kälteleistend
entspannt und anschließend mittels Leitung 6 im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom
in Leitung 100 und dem Hochdruckkältemittel in Leitung 5 durch die Wärmetauscher E3
und E2 geführt. Das im Ventil e entspannte Kältemittel dient zur Bereitstellung der
für die Verflüssigung und Unterkühlung des in Leitung 100 durch die Wärmetauscher
E2 und E3 geführten Erdgasstromes benötigten Spitzenkälte. Die im Abscheider D1 am
Sumpf anfallenden schweren Komponenten 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, sodaß
eine Gleichverteilung des Zwei-Phasengemisches am Eintritt des Wärmetauschers E1 erreicht
wird. Eine Stichleitung 8 mit einem Absperrventil a verbindet 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 Wiederanfahrprozedur benötigt.
[0007] 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 gespeichert 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 abgezogen 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 Flüssigkeitsablaßventile
k und m geöffnet, sodaß 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, abgeschlossen, so wird das Ablaßventil o geschlossen. Das Ventil p ist während
des beschriebenen 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 unerheblich.
Da sich auch der Hochdruckspeicherbehälter S1 langsam auf Umgebungstemperatur anwärmt,
ist es notwendig, ihn für diesen Druck auszulegen. Bei herkömmlichen Kältekreisläufen
ist eine Auslegung des Hochdruckspeicherbehälters S1 auf einen Druck von 100 bis 150
bar ausreichend. Der Speicherbehälter S2, auf den gegebenenfalls verzichtet werden
kann, dient zur Aufnahme von unter Druck stehendem Gas während der Stillstandsphase.
[0008] Im folgenden sei die Wiederanfahrprozedur des Kältekreislaufes beschrieben. Bei geöffnetem
Bypassventil b wird der Kreislaufdichter V unter dem Stillstandsdruck angefahren.
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, sodaß der Hochdruckspeicherbehälter S1 hermetisch abgesperrt
ist. Nach Schließen der Ventile b, e und f sowie nach dem Öffnen der Ventile a, c
und d, erreicht der Kältekreislauf innerhalb kurzer Zeit seinen Betriebszustand.
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, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes unter Umgebungsbedingungen
kondensierenden Kältemittelkomponenten in einen Abscheider (D1) geleitet und in diesem
zwischengespeichert werden und die innerhalb des kalten Bereichs des Kältemittelkreislaufes
befindlichen flüssigen Kältemittelkomponenten in einen Hochdruckspeicherbehälter (S1)
geleitet und in diesem zwischengespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hochdruckspeicherbehälter (S1) zwischengespeicherten Kältemittelkomponenten
unter Ausnutzung der Schwerkraft in diesen geleitet werden.
