DE102007035614A1 - Evaporation of cryogenic liquids - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter (1, 2) und wenigstens einen dem Speicherbehälter (1, 2) zugeordneten Verdampfer (E1), der der Verdampfung von aus dem Speicherbheälter (1, 2) entnommener Flüssigkeit dient, beschrieben. Erfindungsgemäß ist dem Verdampfer (E1) wenigstens ein Wärmetauscher (E2) nachgeschaltet, wobei der Wärmetauscher (E2) dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit (6) und einer weiteren aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient.The invention relates to an arrangement comprising a storage tank (1, 2) and at least one evaporator (E1) associated with the storage tank (1, 2), which serves to evaporate liquid withdrawn from the storage tank (1, 2). According to the invention, the evaporator (E1) is followed by at least one heat exchanger (E2), wherein the heat exchanger (E2) the heat exchange between the vaporized liquid (6) and another from the storage container (1, 2) taken and evaporated, the pressure build-up in the Storage tank (1, 2) serving liquid fraction (8, 10) is used.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient.The The invention relates to an arrangement comprising a storage container and at least one storage container downstream evaporator, the evaporation of removed from the storage tank liquid serves.

Gattungsgemäße Anordnungen bzw. die hierfür vorgesehenen Speicherbehälter dienen beispielsweise der Speicherung von flüssigem Stickstoff, flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Argon. Mittels luftbeheizter Verdampfer erfolgt nach einer Flüssigentnahme ein Überführen des gespeicherten Mediums in die Gasphase, da das gespeicherte Medium im Regelfall seitens der Verbraucher in gasförmiger Form benötigt wird. Anstelle luftbeheizter Verdampfer können auch Wasserbadverdampfer zur Anwendung kommen. Bei diesen handelt es sich üblicherweise um Röhrenwärmetauscher, denen mittels einer Pumpe das für die Anwärmung und Verdampfung des gespeicherten Mediums erforderliche Prozesswasser zugeführt wird. Wasserbadverdampfer erfordern jedoch höhere Investitionen, weswegen oftmals luftbeheizten Verdampfern der Vorzug gegeben wird.Generic arrangements or the one for this provided storage container serve for example the storage of liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid Argon. By means of air-heated evaporator takes place after a liquid intake a transfer of the stored medium in the gas phase, since the stored medium in As a rule, consumers in gaseous form are required. Instead of air-heated evaporator can also water bath evaporator come into use. These are usually around Tube heat exchanger, which by means of a pump for warming up and evaporation of the stored medium required process water is supplied. However, water bath evaporators require higher investment, therefore Often air-heated evaporators is given preference.

Auch der erforderliche Druckaufbau innerhalb der Speicherbehälter gattungsgemäßer Anordnungen erfolgt im Regelfall mittels luftbeheizter Verdampfer. Hierzu wird aus dem Speicherbehälter eine Flüssigfraktion entnommen, im (luftbeheizten) Verdampfer angewärmt und anschließend in den Gasraum des Speicherbehälters zurückgeführt. Ggf. werden zusätzliche Heizeinrichtungen, die einer weiteren Anwärmung der aus dem Speicherbehälter entnommenen Flüssigfraktion dienen, vorgesehen.Also the required pressure build-up within the storage container generic arrangements usually takes place by means of air-heated evaporator. For this purpose is from the storage tank a liquid fraction removed, warmed in the (air-heated) evaporator and then in the gas space of the storage container recycled. Possibly. will be additional Heating devices, the further heating of the removed from the storage container liquid fraction serve, provided.

Von Nachteil bei luftbeheizten Verdampfern ist, dass es an ihnen aufgrund der Luftfeuchtigkeitskondensation zu einer mehr oder weniger starken Eisbildung kommt. Eine zu starke Eisbildung verursacht jedoch u. U. ein sog. Durchschlagen der Verdampfer, was zur Folge hat, dass diese nicht mehr sicher und zuverlässig betrieben werden können. Unter dem Begriff "Durchschlagen" sei hierbei das Austreten unzureichend erwärmten Gases mit einer Temperatur von weniger als –40°C zu verstehen. Im Extremfall kann hier auch eine Zweiphasenströmung aus tiefkalter Flüssigkeit und Gas vorliegen.From Disadvantage of air-heated evaporators is that it is due to them the humidity condensation to a more or less strong ice formation comes. However, too much ice formation causes u. U. a so-called. Breakthrough the evaporator, which has the consequence that these are not more safe and reliable can be operated. The term "penetrate" here is the Leaking inadequately heated Gas with a temperature of less than -40 ° C to understand. In extreme cases can also be a two-phase flow of cryogenic liquid here and gas are present.

Um ein Durchschlagen der luftbeheizten Verdampfer zu vermeiden, werden manuell und/oder automatisch arbeitende Abtaueinrichtungen vorgesehen, die bei Überschreiten eines bestimmten Eisbildungsgrades einen, vorzugsweise automatisch arbeitenden Abtauvorgang einleiten.Around to avoid a breakthrough of the air-heated evaporator provided manually and / or automatically defrosting devices, when crossing a certain Eisbildungsgrades one, preferably automatically initiate defrosting process.

In der Praxis ist jedoch oftmals eine Erweiterung der Verdampfereinrichtung aufgrund der eventuellen, starken Vereisung erforderlich. Derartige Erweiterungen der Verdampfereinrichtungen erfordern selbstredend einen größeren Platzbedarf und verursachen höhere Investitionskosten.In However, practice is often an extension of the evaporator device due to eventual, heavy icing required. such Expansions of the evaporator devices of course require a larger space requirement and cause higher ones Investment costs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.task the present invention is a generic arrangement, comprising a storage container and at least one evaporator downstream of the storage tank, the evaporation of liquid removed from the storage tank serves to specify that avoids the aforementioned disadvantages.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Verdampfer wenigstens ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, wobei der Wärmetauscher dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit und einer weiteren aus dem Speicherbehälter entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter dienenden Flüssigfraktion dient.to solution This object is an arrangement comprising a storage container and at least one storage container downstream evaporator, the evaporation of removed from the storage tank liquid is proposed, which is characterized in that the evaporator at least one heat exchanger downstream is, the heat exchanger the heat exchange between the evaporated liquid and another taken out of the storage container and evaporated, the pressure buildup in the storage container serving liquid fraction serves.

Erfindungsgemäß wird dem bisher bereits vorgesehenen Wärmetauscher bzw. Verdampfer, der der Verdampfung der aus dem Speicherbehälter entnommenen und einem nachgeschalteten Verbrauch zuzuführenden Flüssigkeit dient, ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet. Dieser dient dazu, eine weitere, aus dem Speicherbehälter entnommene und dem Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters dienende Flüssigfraktion gegen die in dem Verdampfer verdampfte Fraktion anzuwärmen und zu verdampfen.According to the invention is the previously provided heat exchanger or evaporator, the evaporation of the removed from the storage container and a downstream supply of liquid to be supplied, another heat exchangers downstream. This serves to another, taken from the storage container and the pressure buildup within the storage container serving liquid fraction to warm against the fraction evaporated in the evaporator and to evaporate.

Die für den Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters benötigte Verdampfungsenergie wird nunmehr nicht mehr unmittelbar der Umgebungsluft entzogen – wie dies bei einer Verdampfung zum Zwecke des Druckaufbaus mittels luftbeheizten Verdampfern der Fall ist –, sondern der in dem dem Speicherbehälter nachgeschalteten Verdampfer verdampften, einem Verbraucher zuzuführenden Fraktion entzogen. Da diese sich dabei um wenige Kelvin abkühlt, ist in dem dem Wärmetauscher vorgeschalteten Verdampfer eine ausreichende Anwärmung dieser Fraktion zu realisieren.The for the Pressure buildup within the storage tank required evaporation energy is now no longer directly from the ambient air withdrawn - like this in an evaporation for the purpose of pressure build-up by means of air-heated evaporators the case is -, but in the storage vessel downstream evaporator evaporated, withdrawn from a consumer to be supplied fraction. Since this cools down by a few Kelvin, is in the heat exchanger upstream evaporator to realize sufficient heating of this fraction.

Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert einen geringeren Investitionsaufwand, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen kleinere Verdampfereinheiten erfordert. Werden bisher im Regelfall die Verdampfer für die maximale Belastung während des Winters ausgelegt – dies führt je nach Standort oftmals zu einer 5 bis 10fachen Überdimensionierung –, können nunmehr erfindungsgemäß Verdampfer zur Anwendung kommen, deren Nennleistung nicht vervielfacht werden muss.The arrangement according to the invention requires less capital expenditure because it requires smaller evaporator units compared to conventional arrangements. If, as a rule, the evaporators are designed for the maximum load during the winter - this often leads to a 5 to 10-fold oversizing, depending on the location - now, according to the invention evaporators can be used whose nominal performance does not have to be multiplied.

Neben den geringeren Kosten reduziert sich auch der für die Verdampfer erforderliche Platzbedarf erheblich, was insbesondere bei Kunden, deren Platzverhältnisse beengt sind, ein nicht zu unterschätzendes Verkaufsargument darstellt.Next the lower cost also reduces the required for the evaporator Space requirements significantly, which is particularly true of customers whose space are a restrictive selling point, which should not be underestimated.

Des Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf das Enteisen bzw. Abtauen der Verdampfer im Regelfall verzichtet werden. Die bisher vorzusehenden Verdampferabtaueinrichtungen können daher ersatzlos entfallen.Of Further, in the inventive arrangement on the deicing or defrosting the evaporator are usually dispensed with. The So far to be provided evaporator defrosting devices can therefore omitted without replacement.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – Mittel zur Regelung der dem Wärmetauscher zugeführten Flüssigfraktion vorgesehen sind, wobei diese Mittel zur Regelung vorzugsweise als wenigstens ein Regelventil ausgebildet sind,
  • – zusätzlich zu dem Wärmetauscher wenigstens eine Heizeinrichtung, die der Anwärmung der dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter dienenden Flüssigfraktion dient, vorgesehen ist,
  • – der Verdampfer ein luftbeheizter Verdampfer oder ein Wasserbad-Verdampfer ist und
  • – der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.
Further advantageous embodiments of the arrangement according to the invention, comprising a storage tank and at least one evaporator downstream of the storage tank, which serves for the evaporation of liquid withdrawn from the storage tank, are the subject of the dependent claims, characterized in that
  • - means are provided for controlling the heat exchanger supplied to the liquid fraction, these means are preferably designed to control as at least one control valve,
  • In addition to the heat exchanger, there is provided at least one heating device which serves to heat up the liquid fraction serving to build up the pressure in the storage container,
  • - The evaporator is an air-heated evaporator or a water bath evaporator and
  • - The heat exchanger is designed as a plate heat exchanger or tube bundle heat exchanger.

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The inventive arrangement and further advantageous embodiments thereof are below explained in more detail with reference to the embodiment shown in the figure.

Die Figur zeigt einen Speicherbehälter, bestehend aus einem Außenbehälter 1 sowie einem Innenbehälter 2. Sofern dieser Speicherbehälter 1/2 für die Speicherung kryogener Flüssigkeiten, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon verwendet wird, ist im Regelfall zwischen dem Außenbehälter 1 und dem Innenbehälter 2 eine (Super)Isolierung vorgesehen. In der Figur nicht dargestellt sind wenigstens eine Zuführleitung, über die das zu speichernde Medium in den Speicherbehälter 1/2 geführt wird, sowie – sofern erforderlich – weitere, dem Betrieb des Speicherbehälters 1/2 dienende Leitungen und Armaturen, um deren Funktion der Fachmann weiß.The figure shows a storage container consisting of an outer container 1 as well as an inner container 2 , Unless this storage tank 1 / 2 is used for the storage of cryogenic liquids, such as liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon, is usually between the outer container 1 and the inner container 2 a (super) insulation provided. Not shown in the figure are at least one supply line, via which the medium to be stored in the storage container 1 / 2 is guided, and - if necessary - further, the operation of the storage container 1 / 2 serving lines and fittings to their function the expert knows.

Über eine Entnahmeleitung 5 wird Flüssigkeit aus dem Innenbehälter 2 des Speicherbehälters entnommen und einem Verdampfer E1, der vorzugsweise als luftbeheizter Verdampfer bzw. Luft-Verdampfer ausgebildet ist, zugeführt. Nach erfolgter Verdampfung wird die verdampfte Fraktion über Leitung 6 einem erfindungsgemäß vorzusehenden, dem Verdampfer E1 nachgeschalteten Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem erfolgt eine Abkühlung der verdampften Fraktion gegen eine zu verdampfende Flüssigfraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Die im Verdampfer E1 verdampfte Fraktion wird nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher E2 über Leitung 7 ihrer weiteren Verwendung bzw. einem oder mehreren, in der Figur nicht dargestellten Verbrauchern zugeführt.About a sampling line 5 becomes liquid from the inner container 2 taken from the storage container and an evaporator E1, which is preferably designed as an air-heated evaporator or air evaporator supplied. After evaporation, the evaporated fraction via line 6 an inventively provided, the evaporator E1 downstream heat exchanger E2 supplied. In this, a cooling of the vaporized fraction is carried out against a liquid fraction to be evaporated, which will be discussed in more detail below. The vaporized in the evaporator E1 fraction is after passing through the heat exchanger E2 via line 7 their further use or one or more, not shown in the figure consumers supplied.

Über eine Flüssigkeitsentnahmeleitung 8 wird eine weitere Flüssigfraktion aus dem Flüssigkeitsraum 3 des Speicherbehälters 1/2 abgezogen und dem vorbeschriebenen Wärmetauscher E2 zugeführt. Die Regelung des Mengenstromes dieser Flüssigfraktion erfolgt mittels des Regelventils 9.Via a liquid extraction line 8th becomes another liquid fraction from the liquid space 3 of the storage container 1 / 2 withdrawn and fed to the above-described heat exchanger E2. The control of the flow rate of this liquid fraction by means of the control valve 9 ,

Nach erfolgter Verdampfung im Wärmetauscher E2 wird die verdampfte Fraktion über die Leitungsabschnitte 10 bis 12 in den Gasraum 4 des Speicherbehälters 1/2 zurückgeführt und dient auf diese Weise dem Druckaufbau innerhalb des Speicherraumes 3/4 des Speicherbehälters 1/2.After evaporation in the heat exchanger E2, the vaporized fraction over the line sections 10 to 12 in the gas space 4 of the storage container 1 / 2 returned and serves in this way the pressure build-up within the storage space 3 / 4 of the storage container 1 / 2 ,

U. U. kann es erforderlich sein, dass zumindest zeitweilig eine zusätzliche Erwärmung der dem Druckaufbau dienenden Fraktion erforderlich ist. Um dieser Forderung zu begegnen, ist – entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung – zusätzlich zu dem Wärmetauscher E2 eine in der Figur gestrichelt dargestellte Heizeinrichtung E3, die bspw. als Elektroheizung ausgebildet ist, vorgesehen. Diese kann dem Wärmetauscher E2 vor- und/oder nachgeschaltet sein.U. It may be necessary that at least temporarily an additional warming the pressure build-up fraction is required. To this To meet demand is - accordingly an advantageous embodiment of the inventive arrangement - in addition to the heat exchanger E2 a dashed line shown in the figure heater E3, the For example, is designed as an electric heater provided. This can the heat exchanger E2 forward and / or downstream.

Claims (5)

Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter (1, 2) und wenigstens einen dem Speicherbehälter (1, 2) nachgeordneten Verdampfer (E1), der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommener Flüssigkeit dient, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (E1) wenigstens ein Wärmetauscher (E2) nachgeschaltet ist, wobei der Wärmetauscher (E2) dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit (6) und einer weiteren aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient.Arrangement comprising a storage container ( 1 . 2 ) and at least one storage container ( 1 . 2 ) downstream evaporator (E1), the evaporation of from the storage tank ( 1 . 2 ) Liquid removed is used, characterized in that (the evaporator E1) is connected downstream of at least one heat exchanger (E2), wherein the heat exchanger (E2) to the heat exchange between the evaporated liquid ( 6 ) and another from the storage container ( 1 . 2 ) withdrawn and vaporized, the pressure build-up in the storage container ( 1 . 2 ) serving liquid fraction ( 8th . 10 ) serves. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Regelung der dem Wärmetauscher (E2) zugeführten Flüssigfraktion (8, 10) vorgesehen sind, wobei diese Mittel zur Regelung vorzugsweise als wenigstens ein Regelventil (9) ausgebildet sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that means for regulating the heat exchanger (E2) supplied liquid fraction ( 8th . 10 ), these means for regulating preferably as at least one control valve ( 9 ) are formed. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Wärmetauscher (E2) wenigstens eine Heizeinrichtung (E3), die der Anwärmung der dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient, vorgesehen ist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that in addition to the heat exchanger (E2) at least one heating device (E3), the heating of the pressure build-up in the storage container (E3) 1 . 2 ) serving liquid fraction ( 8th . 10 ), is provided. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (E1) ein luftbeheizter Verdampfer oder ein Wasserbad-Verdampfer ist.Arrangement according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the evaporator (E1) an air-heated Evaporator or a water bath evaporator is. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E2) als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the heat exchanger (E2) as a plate heat exchanger or Tube heat exchanger is trained.
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