DE3818121C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zeitlich unabhängigen Nutzung der Kälte und des erwärmten Zustandes eines kalten Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitlich unabhängigen Nutzung der Kälte eines in kaltem Zustand vorliegenden Mediums sowie des Mediums selbst in erwärmtem Zustand.

Häufig wird in ein und demselben Betrieb ein im kalten Zustand vorhandenes Medium als Kältelieferant und in erwärmter Form anderweitig als Prozeßmedium angewendet. Hierbei ist insbesondere auf die Anwendung von Gasen wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, . . . Bezug genommen, wenn sie in tiefkaltem, verflüssigtem Zustand zur Verfügung stehen. Dabei besteht jedoch häufig das Problem, daß der Bedarf an der erwärmten Form des Flüssiggases, also der Bedarf an Gas, und der Kältebedarf zeitlich nicht übereinstimmen.

Bei der Gasversorgung eines Prozesses auf Flüssiggasbasis ist es bekannt, das Flüssiggas mit Hilfe eines Verdampfers mit Umgebungswärme zu verdampfen und so die benötigte Gasmenge herzustellen. Dabei wird die in den flüssigen Kryomedien enthaltene Kälte ungenutzt an die Umgebung abgegeben.

Besteht gleichzeitig zum Gasbedarf ein Bedarf an Kälte, so besteht prinzipiell die Möglichkeit, zunächst die im Medium enthaltene Kälte auszunutzen , z.B. durch Hinleitung des flüssigen, kalten Flüssiggases zum Ort des Kältebedarfs und dort Durchführung eines Wärmetausches, und anschließende Weiterverwendung der erwärmten, gasförmigen Form des Mediums. Sind aber Kältebedarf und der Bedarf an erwärmtem Medium nicht miteinander verkoppelt, so geht jeweils eine Nutzungsmöglichkeit des kalten Ausgangsmediums verloren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die zeitlich unabhängige Nutzung der Kälte eines in kaltem Zustand vorliegenden Mediums sowie die Nutzung des Mediums selbst in erwärmten Zustand möglich macht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil des zum Verbrauch kommenden kalten Mediums zur Kühlung eines Kältespeichers herangezogen wird. Aus ökonomischen Gründen sollten wenigstens etwa 30% der Mediums, bevorzugt jedoch das gesamte Medium zur Kühlung des Kältespeichers benutzt werden, wobei dies vom jeweiligen Gesamtkältebedarf abhängt.

Einerseits wird so Kälte gespeichert, während andererseits zumindest teilweise erwärmtes Medium erzeugt wird. Die im Kältespeicher so gewonnene Kälte kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt entnommen werden.

Als Kältespeichermaterialien sind feste Materialien und insbesondere flüssige Kältespeichermittel geeignet, die in isolierten Behältern oder Räumen untergebracht sind. Zur Kälteentnahme kann z.B. ein Kältemittel durch den Kältespeicher geführt werden oder bei flüssigem Kältespeichermittel dieses selbst zum Ort des Kältebedarfs gepumpt werden. Als flüssige Kältemittel sind insbesondere Flüssigkeiten geeignet, die bis zu tiefen Temperaturen im flüssigen Aggregatszustand verbleiben und gut handhabbar sind. Beispiele dafür sind Wärmeträgeröle auf Silikonbasis, Freone, Solen und Alkohole. Als günstiger Temperaturbereich für den Kältespeicher bei der Ausführung des Verfahrens ist der Bereich unter -40°C anzusehen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aufgrund eines Kältebedarfs erzeugtes, erwärmtes, in der Regel gasförmiges Medium, das nicht sofort benötigt wird, ebenfalls zwischengespeichert. Auf diese Weise wird auch bei alleinigem Kältebedarf günstigstenfalls nichts an nutzbarem Medium verschwendet.

In vorteilhafter Weise erfolgt eine Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens derart, daß die Temperatur des Kältespeichers ständig gemessen und das kalte Medium dann zur Kühlung des Kältespeichers herangezogen wird, wenn seine Temperatur über einem festgelegten ersten Wert liegt, wobei dann die Kühlung des Kältespeichers bis zum Erreichen eines festgelegten, zweiten, tieferen Temperaturwerts aufrechterhalten wird.

Mit dieser Steuerung ist gewährleistet, daß der Kältespeicher auf etwa konstantem tiefen Temperaturniveau bleibt und eine gleichbleibende, berechenbare Kälteversorgung anderer Einrichtungen möglich ist.

Um zu einem schnelleren Anlauf der erfindungsgemäßen Kälteversorgung zu gelangen, aber auch als grundsätzliche Ausgestaltungsvariante ist es unter Umständen vorteilhaft, mehrere getrennte Kältespeicher vorzusehen, um, im Gegensatz zu einem großen Kältespeicher, schneller tiefe Temperaturen verfügbar zu haben. Dabei ist der Ablauf so, daß der erste Kältespeicher Kälte bereits wieder abgibt, während der zweite Speicher noch gekühlt wird, wobei dann bei Erreichen bestimmter Temperaturwerte eine Wechselschaltung erfolgt, die die Kältespeicher in ihrem Betriebszustand vertauscht. Vorteilhaft können auch mehrere Kältespeicher auf unterschiedlichen Temperaturnivaus sein, um eine Versorgung verschiedener Kälteverbraucher mit unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens mit einem Behälter oder einer Erzeugungseinrichtung für das kalte Medium und einem Verbrauchersystem mit vorgelagertem Wärmetauscher oder Verdampfer ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen Behälter oder Erzeugungs­ einrichtung und dem Verbrauchersystem ein Kältespeicher angeordnet ist, durch den das kalte Medium zur Abgabe seiner Kälte führbar ist, und sich parallel zum Kältespeicher zur Umgehung desselben eine Bypassleitung befindet, die ein- und abschaltbar ist und die bei Einschaltung das gesamte kalte Medium unmittelbar über den Wärmetauscher oder Verdampfer dem Verbrauchersystem zuführt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist am Kältespeicher ein Temperaturfühler angebracht, der mit einer Steuereinheit in Verbindung steht, die wiederum mit einem Schaltventil vor dem Kältespeicher verbunden ist, mit dem das kalte Medium entweder durch den Kältespeicher oder durch die Bypassleitung gelenkt werden kann. Mit diesen Elementen ist eine automatisierte Versorgung von Anlagen mit Kälte und erwärmtem Medium möglich.

Eine weitere günstige Version des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit einer Anlage durchgeführt, bei der zwischen Behälter oder Erzeugungseinrichtung für das kalte Medium und Verbrauchersystem mehrere durch Umschaltung in der Funktion bezüglich Kälteaufnahme und Kälteabgabe vertauschbare Kältespeicher angeordnet sind.

Wegen den prinzipiell vorhandenen Tiefsttemperaturen und der überdies vorhandenen latenten Wärme bei Flüssiggasen ist die Anwendung des Verfahrens bei den in vielen Bereichen eingesetzten Flüssiggasen besonders vorteilhaft.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe der schematischen Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zeitlich unabhängigen Versorgung eines Inertgassystems mit Inertgas und eines Abgasreinigungssystems mit Kälte.

Ein Speichertank 1 für flüssigen Stickstoff ist über ein Dreiwegeventil 2 mit einem mit flüssigem Kältemittel gefüllten Kältespeicher 3 verbunden. Das kalte Kryomedium kann durch eine im Kältespeicherbehälter 3 angeordnete Kühlschlange 4 hindurchgeleitet werden und gibt so seine Kälte an das im Kältespeicher 3 befindliche Kältemittel ab. Ausgangsseitig ist der Kältespeicher 3 mit einem Verdampfer 5 verbunden, der andrerseits über das Dreiwegeventil 2 auch direkt mit dem Speichertank 1 verbunden ist. Das Flüssiggas kann also einerseits über den Kältespeicher 3 zum Verdampfer geführt werden, wobei sich das Flüssiggas in diesem Fall bereits im wesentlichen im Kältespeicher erwärmt und dort seine Kälte zurückläßt, und andrerseits direkt vom Speichertank zum Verdampfer gelenkt werden, wobei die Verdampfung und Erwärmung dann ausschließlich im Verdampfer 5 stattfindet. Nach dem Verdampfer 5 gelangt das jetzt erwärmte Medium zu seiner Verwendung z.B. in einem Inertisierungssystem 6. Mit Hilfe eines zur Verbindung Verdampfer - Inertisierungssystem parallel angeordneten Gasspeicherbehälters 7 ist eine Möglichkeit zur Zwischenspeicherung von gasförmigem Medium gegeben.

Der Kältespeicher 3, in dem sich dann ja kaltes Kältemittel befindet, ist andererseits mit einer Abgas-Reinigungseinheit 12 verbunden, in der Abluft z.B. durch Auskondensation mittels indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittel, das zwischen Kältespeicher 3 und Reinigungseinheit 6 über Verbindungsleitungen 10 im Kreislauf geführt wird, gereinigt wird.

Bei gleichzeitigem Kälte- und Inertgasbedarf findet eine Kühlung des Kältespeichers 3 durch das ständig durch ihn hindurchgeleitete Flüssiggas statt, das dabei verdampft und dann zu seiner Verwendung im Inertisierungssystem gelangt.

Ist der Kältebedarf geringer, als er von dem benötigten Inertgas geliefert werden kann, so kann mit Hilfe des Dreiwegeventils 7, einer Steuereinheit 8 und einem Temperaturfühler 9 eine Umschaltung ausgelöst werden, die das Flüssiggas direkt vom Speichertank zum Luftverdampfer unter Umgehung des Kältespeicherbehälters leitet.

Besteht zunächst nur ein Bedarf an Inertgas oder besteht ein kontinuierlicher Bedarf an Inertgas und nur ein phasenweiser Bedarf an Kälte, so kann die Kälte des Flüssiggases von Anfang an oder kontinuierlich zur Kühlung der Kältemittelmenge ausgenutzt werden, auch ohne daß zu diesem Zeitpunkt ein tatsächlicher Kältebedarf besteht, und die so gespeicherte Kälte erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgenutzt werden. Hierbei ist es ebenfalls möglich, mit Hilfe des Dreiwegeventils 7, der Steuereinheit 8 und des Temperaturfühlers 9 eine vorbestimmte Temperatur anzusteuern und genau einzuhalten. Die Steuerung erfolgt dabei so, daß nach dem der Kältespeicher die festgelegte Temperatur erreicht hat, die Steuereinheit eine Umschaltung des Dreiwegeventils bewirkt, wodurch dann das Flüssiggas direkt dem Verdampfer zugeführt wird. In diesem Schaltzustand geht, wie bei bekannten Verfahren, die in den Flüssiggasen enthaltene Kälte ungenutzt verloren. Mit Wärmeträgerölen auf Silikonbasis können so beispielsweise Temperaturen von etwa -100°C eingestellt werden.

Auch zu Zeiten, in denen kein Inertgas benötigt wird, kann der Kältebedarf durch Einleiten von Flüssiggas in die Kühlschlange 4 des Kältespeicherbehälters 3 gedeckt werden. Dazu wird ebenfalls mit Hilfe des Temperaturfühlers 9, der Steuereinheit 8 und des Dreiwegeventils 2 je nach Kältebedarf die Flüssiggaszufuhr zum Kältespeicherbehälter geöffnet oder unterbrochen, wobei am Ausgang des Kältespeicherbehälters das verdampfte Inertgas mit Hilfe eines Abzweigventils 15 direkt in die Umgebung abgeleitet wird. Mit Hilfe des Gasspeicherbehälters 7 ist aber auch die Zwischenspeicherung von Gas möglich.

Die Auslegung einer erfindungsgemäßen Anlage ist insbesondere von der Anlagengröße bezüglich Inertgas- und Kältebedarf und der Betriebssituation bezüglich gleichzeitigem und versetztem Bedarf abhängig .

In vielen Fällen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Anlagen erreichbar, die sowohl die Kälte als auch die erwärmte Form von kalten Ausgangsmedien nutzen.

Claims (9)

1. Verfahren zur zeitlich unabhängigen Nutzung der Kälte eines in kaltem Zustand vorliegenden Mediums sowie des Mediums selbst in erwärmtem Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des zum Verbrauch kommenden kalten Mediums zur Kühlung eines Kältespeichers herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der Kälte ein flüssiges Kältemittel enthaltender Kältespeicher verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß erwärmtes Medium, das nicht sofort verbraucht wird, zwischengespeichert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß die Temperatur des Kältespeichers ständig gemessen und das kalte Medium dann zur Kühlung des Kältespeichers herangezogen wird, wenn seine Temperatur einen gewünschten ersten Wert überschreitet, wobei dann die Kühlung des Kältespeichers bis zum Erreichen eines festgelegten, zweiten, tieferen Temperaturwerts aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der Kälte mehrere Kältespeicher verwendet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Versorgungs­ behälter oder einer Erzeugungseinrichtung für das kalte Medium und einem Verbrauchersystem mit vorgelagertem Wärmetauscher oder Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem Versorgungsbehälter 1 oder der Erzeugungseinrichtung und dem Verbrauchersystem 6 der erwärmten Form des kalten Mediums mindestens ein Kältespeicher 3 angeordnet ist, durch den das kalte Medium zur Abgabe seiner Kälte führbar ist, und sich parallel zum Kältespeicher 3 zur Umgehung desselben eine Bypassleitung 14 befindet, die ein- und abschaltbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Kältespeicher ein Temperaturfühler 9 angebracht ist, der mit einer Steuereinheit 8 in Verbindung steht, die wiederum mit einem Schaltventil 2 vor dem Kältespeicher verbunden ist, mit dem das kalte Medium durch den Kältespeicher 3 oder durch die Bypassleitung 14 gelenkt werden kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Versorgungsbehälter oder Erzeugungseinrichtung für das kalte Medium und Verbrauchersystem mehrere parallel geschaltete Kältespeicher angeordnet sind.

9. Anwendung des Verfahrens bei tiefkalten, verflüssigten Gasen.