CN101233378B - 具有不同管径的缠绕式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种缠绕式换热器，其具有多个绕一芯管缠绕的管及具有一个壳，该壳构成一围绕这些管的外腔的边界，其中第一管组(7)的管具有第一内径和第一外径，第二管组(8、9)的管具有第二内径和第二外径。该第二内径与第一内径不同和/或该第二外径与第二外径不同。

Description

具有不同管径的缠绕式换热器
技术领域
本发明涉及一种缠绕式换热器，它具有多个绕一芯管缠绕的管及具有一个壳，该壳构成了围绕着这些管的外腔的边界。
背景技术
在LNG基荷型设备中，天然气被大量地连续液化。天然气的液化通常通过与缠绕式换热器中的载冷介质的热交换来进行。但是也公开了缠绕式换热器的很多其他应用。
在缠绕式换热器中，多个管的层螺旋形地在一个芯管上缠绕。通过管的至少一部分的内部来引导第一介质，该第一介质与一个在所述管与周围的壳之间的腔中流动的第二介质进行热交换，这些管在换热器端部聚集成多个组并且成束地从该外腔中导出。
这种缠绕式换热器及其应用、例如用于天然气的液化、在以下的公开文件中都有所描述：
-Hausen/Linde，低温技术，1985年第二版，第471-475页
-W.Scholz，“缠绕式换热器”，林德技术和经济报告，编号33(1973)，第34-39页
-W.Bach，“具有氮冷的离岸天然气液化——绕管式换热器和板式换热器的工艺设计和比较”，林德技术和经济报告，编号64(1990)，第31-37页
-W.F
Figure 2006800279028_0
rg et al.，“新式LNG基荷型工艺和主换热器的制造，林德技术和经济报告”，编号78(1999)，第3-11页(英语文本：W.F
Figure 2006800279028_1
rg etal.，“新式LNG基荷型工艺和主换热器的制造，林德科学和技术报告，编号61(1999)，第3-11页)
-DE 1501519A
-DE 1912341A
-DE 19517114A
-DE 19707475A
-DE 19848280A
在这些已公开的缠绕式换热器中都使用具有统一横截面的管。
发明内容
本发明的目的是，进一步优化这种类型的缠绕式换热器，尤其是在重量、管数、工艺条件和/或运行可靠性方面进行优化。
本发明的目的通过以下方式来解决，即，至少两个管组的管具有不同的外径和/或不同的内径。在此，“管组”由至少一个、优选多个管组成。一个管组的管可以、但是不必须在切向上和/或径向上相邻。这两个管组优选位于同一管束中，“管束”是指由芯管、缠绕在芯管上的管层以及处于其间的辅助装置(如桥接件等)构成的缠绕式换热器的内部部件的整体，其通过缠绕步骤制成。一个缠绕式换热器在一个壳的内部具有一个或多个此类型的管束。
通过这种方式，管的几何布置能更好地适应特定工艺技术的要求。这种特定要求例如可能存在于不同过程馏分的不同热性能，这些过程馏分流经相应的管组，或者也存在于不同管层中的不同管长。另一优点在于，壁厚适配于在管中流动的介质的不同过程压力并且从而能节省重量。
在本发明范围内，两个管组的管的几何参数的以下组合都可以：
外径 内径 壁厚
相同 不同 不同
不同 相同 不同
[0020]
不同 不同 相同或不同
在此，“不同”应理解为相应尺寸上的偏离，该偏离明显大于对此适用的加工公差。当一个参数的值偏离至少2％、优选至少5％时，这样的参数尤其是被认为与另一参数不同。
在本发明范围内，尤其是内径是可变的，而优选外径保持不变。
通过内径的改变可以例如影响沿着管的压力降。由此，两个不同的管组可以相互无关地针对两种不同的过程馏分进行优化。原则上，上述情况在相同壁厚的情况下进行，也就是说，这两个管组也具有不同的外径。作为替代实施方案，所有管可以具有相同的外径；然后仅仅是壁厚和内径变化。
因此，在本发明的范围内，在很多情况下有利的是，两个管组设有相同的外径，而内径通过使用不同的壁厚被影响。由此能将内径不同的两个管组缠绕在同一管层上并且被两种不同的过程馏分流过。与将不同过程馏分对应不同的管层的构型相比，实现了热流在换热器中的更好的均匀分配。
对于两个管组可以在使用相同或在使用不同材料的情况下(例如铝和钥)实现不同的壁厚。在与本申请同时提交的德国专利申请102005036413.6(申请人的内部编号P05164DE/AVA)和与此相关联的申请文件中详细描述了不同材料的使用。
所述两个管组可以设置在同一管层或不同管层中。当然，也可以设置多于两个具有不同尺寸的管组。例如可以将第一管组和第二管组设置在第一管层的内部，而将第三管组设置在第二管层中。
尤其是为了适配不同压力的过程馏分——这两个管组被确定用于这些过程馏分——有利的是，这两个管组具有不同的壁厚。对于具有较小设计压力的管组可使用较小的壁厚从而节省重量。在此，根据需要的压力损失和加工技术上的可能性而或是使这两个管组的内径或是使外径不同；作为替代方案，这两个直径可以都不同。
原则上也可以使换热器内部的同一管的内径和/或外径改变，例如为了更好地与蒸发的或凝结的过程流的体积相匹配。在这种情况下，第一管组例如包括这些管的第一段，而第二管组包括例如同一管的连接在所述第一段上的另一段。
此外，本发明涉及这种换热器的应用，用于在含碳氢化合物的流与至少一个热流体或冷流体之间进行间接热交换。
其中，所述含碳氢化合物的流例如由天然气构成。
所述含碳氢化合物的流在间接的换热中被液化、被冷却、被加热和/或被蒸发。优选使用该换热器来用于天然气的液化或天然气的蒸发。
附图说明
以下借助在附图中示意性示出的实施例详细描述本发明以及本发明的细节。在此，示出了根据本发明的缠绕式换热器1，用于通过与三个制冷介质流的热交换将天然气流2液化成液化天然气2(LNG-液化天然气)，所述三个制冷介质流为低压制冷介质4、第一高压制冷介质5和第二高压制冷介质6。
在此，缠绕式换热器具有唯一一个带有三个管组的管束。所述管组的管在不同的层中交替螺旋形地缠绕在一个共同的芯管上。(管的缠绕符合缠绕式换热器的普遍公知的原理；因此其几何上的结构在示意性的视图中未示出)。这些管组在该实施例中根据过程流进行划分。天然气2流过第一管组7的管；流过第二及第三管组8的管的分别是两个高压制冷介质5、6中的一个。在此，这些高压制冷介质从下向上流动、即与天然气同向流动地被引导。低压制冷介质4从上向下流动(即与天然气的流动方向相反)、流经管的外部空间并在此蒸发。蒸发的低压制冷介质10在换热器的下端部又被从该外部空间中取出。
在具体的数据实例中，工艺压力为：
天然气2............................120bar
低压制冷介质4......................15bar
第一高压制冷介质5................60bar
第二高压制冷介质6................60bar
这些管由轻金属材料、例如铝或铝合金制成并且视管组的不同而具有不同的壁厚。在此，所有管层中的管的外径相同。
在一个对重量进行优化的第一变型方案中，壁厚为：
管组7..............1.4mm
管组8和9........0.9mm
在另一变型方案中，在热力学设计和液压设计方面以及在尽可能均匀构成的管束方面对壁厚进行了优化，其中，应遵循由处理过程决定的参数(例如，在各过程流中预先给定的最大压降)。在该第二变型方案中，壁厚为：
管组7..............1.4mm
管组8和9........1.2mm
在该第二变型方案中，在各管组中实现了相同的管长度，由此，该换热器不仅在热传递方面而且在经济性方面都得到了优化。

Claims (7)

1.缠绕式换热器，具有多个绕一芯管缠绕的管及具有一个壳，该壳构成围绕这些管的、适于介质流动的一外腔的边界，其中，第一管组(7)的管具有第一内径和第一外径并且具有由此得出的第一壁厚，而第二管组(8、9)的管具有第二内径和第二外径并且具有由此得出的第二壁厚，其特征在于：第二内径与第一内径不同和/或第二外径与第一外径不同，其中，第二壁厚与第一壁厚不同，第一管组(7)的管和第二管组(8、9)的管处于同一管束中。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，第二内径与第一内径不同，而第二外径与第一外径相同。
3.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，第一和第二管组(7、8、9)被设置在同一管层的内部。
4.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，第一和第二管组(7、8、9)被设置在不同的管层中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的换热器的应用，用于在一含碳氢化合物的流(2)与至少一个热流体或冷流体(4、5、6)之间进行间接的热交换。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述含碳氢化合物的流(2)由天然气构成。
7.根据权利要求5或6所述的应用，其特征在于，所述含碳氢化合物的流(2)在间接的热交换时被液化、被冷却、被加热和/或被蒸发。
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