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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher insbesondere Plattenwärmetauscher, Geradrohrwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher oder gewickelte Rohrbündelwärmetauscher, mit Passagen für mindestens zwei gasförmige und/oder flüssige Fluide, wobei mindestens eine Passage mindestens einen Strömungswiderstand im Inneren der Passage aufweist, wobei ein Strömungswiderstand ein mechanisches Bauteil ist, welches die Strömung des in der Passage strömenden gasförmigen und/oder flüssigen Fluides hemmt.
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Die Erfindung wird am Beispiel eines gewickelten Rohrbündelwärmetauschers in der Erdgasverflüssigung beschrieben, ist aber prinzipiell für jeden beliebigen Wärmetauscher anwendbar, wo Fluide gegen die Schwerkraft strömen.
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In LNG-Baseload-Anlagen wird Erdgas in großen Mengen kontinuierlich verflüssigt. Die Verflüssigung des Erdgases erfolgt meist durch Wärmeaustausch mit einem Kälteträger in gewickelten Wärmetauschern. Es sind jedoch auch viele andere Anwendungen von gewickelten Wärmetauschern bekannt.
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Bei einem gewickelten Wärmetauscher sind mehrere Lagen von Rohren schraubenförmig auf ein Kernrohr aufgewickelt. Eine derartige Rohrwicklung bildet ein Rohrbündel. Ein gewickelter Wärmetauscher enthält mindestens ein Rohrbündel. Er kann aber auch zwei oder mehr Rohrbündel aufweisen. Durch das Innere mindestens eines Teils der Rohre wird ein erstes Medium geleitet, welches in Wärmeaustausch mit einem zweiten, in dem Raum zwischen den Rohren und einem umgebenden Mantel strömenden Medium tritt. Die Rohre werden oberhalb und/oder unterhalb des Rohrbündels in mehreren Gruppen zusammengeführt und gebündelt über Sammler (Header) aus dem Außenraum herausgeleitet.
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Derartige gewickelte Wärmetauscher und ihre Anwendung, zum Beispiel zur Erdgasverflüssigung, sind in jeder der folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- – Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Aufl. 1985, S. 471–475
- – W. Scholz, "Gewickelte Rohrwärmeaustauscher", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 33 (1973), S. 34–39
- – Kreis, "Gewickelte Wärmeaustauscher" in Hess, Apparate-Handbuch: Technik, Bau, Anwendung, 1990, S. 262–264
- – W. Bach, "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkälte – Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwärmetauschern", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 64 (1990), S. 31–37
- – W. Förg et al., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwärmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", Nr. 78 (1999), S. 3–11 (englische Fassung: W. Förg et al., "A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger", Linde Reports an Science and Technology, Nr. 61 (1999), S. 3–11)
- – DE 1501519A
- – DE1912341A
- – DE 19517114A
- – DE 19707475 A
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Werden derartige Anlagen zur Erdgasverflüssigung eingesetzt, befindet sich das abzukühlende und zu verflüssigende Erdgas im Rohrinnenraum im indirekten Wärmeaustausch mit einem Kältemittel, welches durch den Mantelraum strömt. Im Allgemeinen werden derartige Wärmetauscher vertikal ausgerichtet, wobei das abzukühlende und zu verflüssigende Erdgas von unten nach oben im Rohrinneren strömt und das Kältemittel möglichst gleichmäßig von oben im Mantelraum verteilt wird. Durch den indirekten Wärmeaustausch nimmt die Temperatur des Erdgases somit über die Höhe des Wärmetauschers von unten nach oben ab, während im gleichen Maß die Temperatur des Kältemittels im Mantelraum von oben nach unten zunimmt. Durch Ungleichmäßigkeiten bei der Verteilung des Mediums auf die einzelnen Rohre bzw. bei der Verteilung des Kältemittels im Mantelraum oder lokale Material- oder Fertigungsunterschiede können sich jedoch auch zusätzlich lokale Unterschiede im Temperaturverlauf zwischen einzelnen Rohren oder Rohrlagen ausbilden.
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Aufgrund der Gravitation ergibt sich für das im Rohrinneren strömende Fluid eine Differenz des Schweredruckes zwischen dem unteren Ende des Rohres und dem oberen Ende des Rohres. Nach dem allgemeinen Stand der Technik strömt dabei das abzukühlende Erdgas gegen diese Druckdifferenz von unten nach oben an. Der Schweredruck einer Flüssigkeits- oder Gassäule ist abhängig von ihrer jeweiligen Dichte. Die Dichte selbst ist wiederum eine Funktion der Temperatur. Je höher die Temperatur im Rohr, desto geringer die Dichte und somit der zu überwindende Schweredruck. Ein lokaler Unterschied in den Temperaturen zwischen benachbarten Rohren wird dadurch verstärkt. Durch die höhere Temperatur verringert sich der zu überwindende Schweredruck, wodurch ein größerer Volumenstrom abzukühlenden Erdgases durch das Rohr mit der höheren Temperatur fließt. Bei dieser erhöhten Menge abzukühlenden Erdgases und gleich bleibender Menge an Kältemittel im Mantelraum verstärkt sich der Temperatureffekt.
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Um derartige lokale Temperaturunterschiede, insbesondere in Wärmetauschern, bei denen Fluide zumindest teilweise gegen die Schwerkraft strömen, zu vermeiden, wird in
DE 10 2007 059 541 vorgeschlagen, dass mindestens eine Passage mindestens einen Strömungswiderstand im Inneren der Passage aufweist, welcher die Strömung des in der Passage strömenden gasförmigen und/oder flüssigen Fluides hemmt.
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Dem Schweredruck entgegen wirkt der Druckverlust, den jedes Fluid aufgrund der inneren Reibung beim Durchströmen einer Passage erfährt. Der Druckverlust wird gemäß
DE 10 2007 059 541 durch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes der Passagen vergrößert. Durch diese Vergrößerung des Druckverlustes durch Reibung oder durch Umlenkung wird der Einfluss des unterschiedlichen Schweredruckes bei unterschiedlichen Temperaturen minimiert. Der Strömungswiderstand wird dabei am unteren und/oder oberen Ende im Inneren der Passage angebracht. Speziell bei einem gewickelten Rohrbündelwärmetauscher mit einem Rohrbündel aus einer Mehrzahl von Rohren, welche in mehreren konzentrischen Rohrlagen um ein Kernrohr gewickelt sind, und einen Behältermantel auf, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, wird in mindestens einem Rohr einen Strömungswiderstand im Rohrinneren, am Rohrein- und/oder Rohraustritt, am unteren und/oder oberen Ende des Rohres eingebracht und befestigt.
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In der
DE 10 2008 08 51 812 wird vorgeschlagen, in Wärmeaustauschern in Kreislaufverbundsystemen zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit einen Einsatz in den Rohrinnen einzulegen. Als Einsatz wird hierbei ein Stab oder Draht aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Glas offenbart, wobei der Stab oder Draht ein, zwei oder mehr Biegungen aufweisen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 apparativ derart auszugestalten, dass der Wärmeaustausch optimiert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird der Strömungswiderstand als durchströmbares Bauteil ausgeführt. Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird ein durchströmbares Bauteil in mindestens eine der am Wärmeaustausch teilnehmenden Passagen platziert. Dadurch kann der Strömungswiderstand der Passage derart beeinflusst werden, dass der Wärmeaustausch optimiert wird und der Einfluss eines unterschiedlichen Schweredrucks bei unterschiedlichen Temperaturen minimiert wird. Im Gegensatz zu einem Strömungshindernis wie einem gebogenen Draht nach dem Stand der Technik kann dabei nicht nur die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, sondern der Strömungswiderstand gezielt an das strömende Medien und die Temperaturen der am Wärmeaustausch beteiligten Medien angepasst werden. Durch die Verwendung von durchströmbaren Bauteilen, die in die Passagen eingepasst werden können, wird zusätzlich vermieden, dass die Strömungswiderstände durch die strömenden Fluide zu schwingen beginnen, so dass zusätzlich die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Wärmetauschers und die schwingungsinduzierte Beschädigung der Passagen vermieden bzw. minimiert wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Strömungswiderstand als hydraulisch glattes Rohr ausgeführt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Strömungswiderstand in einfacher Weise durch eine Veränderung des Querschnittes angepasst. Der Strömungswiderstand eines bestehenden Wärmetauschers kann durch Einführung eines glatten Rohres mit kleinerem Querschnitt als die betreffende Passage in die betreffende Passage einfach und flexibel auf verändernde Betriebsparameter angepasst werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungswiderstand als Rohr mit spezieller innerer Geometrie ausgebildet, welche eine einfache oder mehrfache rechtwinklige Umlenkung der Strömungsrichtung erzwingt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich der Strömungswiderstand durch die erzwungenen zusätzlichen Richtungsänderungen des strömenden und am Wärmeaustausch teilnehmenden Mediums drastisch erhöhen. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist daher besonders zur Nachrüstung bestehender Wärmetauscher geeignet, bei dem die späteren Betriebsbedingungen drastisch von den eigentlichen Designbedingungen das heißt der ursprünglichen Auslegung abweichen.
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Vorteilhafterweise weist das Rohr einen trompetenförmigen Einlauf auf, mittels geometrischen Schluss in der Passage fixiert und mit Dichtstoff oder Kleber abgedichtet ist. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird gewährleistet, dass das Medium ungehindert in das Strömungshindernis und somit in die betreffende Passage des Wärmetauschers strömen kann. Die Verbindung zwischen dem entsprechenden Verteiler, wie beispielsweise dem Rohrboden eines gewickelten Rohrbündelwärmetauschers, und der entsprechenden Passage, wie beispielsweise den entsprechenden Rohren eines gewickelten Rohrbündelwärmetauschers, wird so verlustarm bzw. verlustfrei gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Strömungswiderstand als Ringwellschlauch ausgeführt ist. Hier wird der Strömungswiderstand durch die Verwirbelung des strömenden Mediums an den Wellen erzeugt. Durch Amplitude und Wellenlänge der Wellen des Ringwellenschlauches kann auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung der Strömungswiderstand in einfacher und präziser Weise an die jeweiligen Betriebsparameter angepasst werden.
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Vorteilhafterweise weisen das Rohr oder der Ringwellschlauch eine Kunststoffhülse auf. Durch die Kunststoffhülse wird ein Vibrieren des Rohres oder des Ringwellenschlauches in der Passage des Wärmetauschers und somit eine Beschädigung derselben vermieden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Rohr oder der Ringwellschlauch mit Verschraubung oder Sicherungsring mit einem Konus verbunden. Dieser Konus kann mittels dem Fachmann bekannter Mittel in dem jeweiligen Verteiler, wie beispielsweise dem Rohrboden eines gewickelten Rohrbündelwärmetauschers, fixiert werden. Beispielsweise kann der Konus in den Rohrboden eingeschraubt werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausführung des Wärmetauscher als gewickelter Rohrbündelwärmetauscher sowie seine Verwendung zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einen kohlenwasserstoffreichen Strom, bevorzugt Erdgas, und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid, wobei der kohlenwasserstoffhaltige Strom bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird.
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Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art apparativ derart nachzurüsten, dass sie an veränderte Betriebsbedingungen flexibel angepasst werden können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausgestaltung der Erfindung
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2 eine zweite Ausgestaltung der Erfindung
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3 eine dritte Ausgestaltung der Erfindung.
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Gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausgestaltung der Erfindung wird der durchströmbare Strömungswiderstand als ein hydraulisch glattes Rohr 1 zur Verwendung in einem gewickelten Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt. Sowohl der Einlauf als auch der Auslauf sind in Form einer Trompete 2 ausgeführt. Das Rohr 1 besteht aus einem für die Strömungsverhältnisse und Medien geeigneten und widerstandsfähigen Material. Das Rohr 1 wird mit einem Konus 3 durch geometrischen Schluss im Rohrboden des gewickelten Rohrbündelwärmetauschers fixiert und mit geeigneten Dichtstoff oder Kleber abgedichtet. Der Konus 3 besteht aus einem Material, das geeignet ist diesen mit einer vorgegebenen Kraft im Rohrboden zu fixieren. Das Rohr 1 ist von einer Kunststoffhülse 4 umgeben, um ein Vibrieren des Rohres 1 in den Wärmetauscherrohr des gewickelten Rohrbündelwärmetauschers und somit eine Beschädigung des Wärmetauscherrohres zu vermeiden. Der Außendurchmesser und die Dicke der Kunststoffhülse werden dabei derart gewählt, dass die Kombination aus Rohr 1 und Kunststoffhülse 4 in das Wärmetauscherrohr eingeführt werden kann.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung bei der der durchströmbare Strömungswiderstand als Rohr 5 mit spezieller innerer Geometrie 6 ausgestaltet ist. Auch diese Ausgestaltung der Erfindung dient zur Verwendung in einem gewickelten Rohrbündelwärmetauscher. Die mäanderförmige innere Geometrie 6 des Rohres 5 erzwingt die mehrfache, rechtwinklige Umlenkung der Strömungsrichtung des durch das Rohr 5 strömenden Mediums. Das Rohr 5 besteht ebenfalls aus einem Material, welches für die herrschenden Strömungsverhältnisse und Medien geeignet ist. Der Außendurchmesser des Rohres 5 wird dabei so gewählt, dass es in das Wärmetauscherrohr des gewickelten Rohrbündelwärmetauschers eingeführt werden kann. Das Rohr 5 ist am oberen Ende formschlüssig mittels Verschraubung oder Sicherungsring mit einem Konus 3 verbunden. Der Konus 3 kann analog zur ersten Ausgestaltung der Erfindung im Rohrboden des gewickelten Rohrbündelwärmetauschers fixiert werden.
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3 zeigt eine dritte Ausgestaltung der Erfindung zur Verwendung in einem gewickelten Rohrbündelwärmetauscher. Der durchströmbare Strömungswiderstand ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung als Ringwellschlauch 7 ausgeführt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Strömungswiderstand durch die Verwirbelungen des vorbeiströmenden Mediums an den Wellungen des Ringwellschlauches erzeugt. Der Ringwellschlauch 7 ist formschlüssig mit einem Sicherungsring 8 mit einem Konus 3 verbunden. Der Konus 3 besteht aus einem geeigneten Material, um ihn mit einer vorgegebenen Kraft im Rohrboden des gewickelten Rohrbündelwärmetauschers zu fixieren. Der Ringwellschlauch 7 ist ebenfalls mit einer Kunststoffhülse 4 umschlossen, um ein Vibrieren im Wärmetauscherrohr zu vermeiden. Außendurchmesser des Ringwellschlauches 7 und der Kunststoffhülse 4 werden derart gewählt, dass die Kombination in das Wärmetauscherrohr eingeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1501519 A [0005]
- DE 1912341 A [0005]
- DE 19517114 A [0005]
- DE 19707475 A [0005]
- DE 102007059541 [0008, 0009]
- DE 1020080851812 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Aufl. 1985, S. 471–475 [0005]
- W. Scholz, ”Gewickelte Rohrwärmeaustauscher”, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 33 (1973), S. 34–39 [0005]
- Kreis, ”Gewickelte Wärmeaustauscher” in Hess, Apparate-Handbuch: Technik, Bau, Anwendung, 1990, S. 262–264 [0005]
- W. Bach, ”Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkälte – Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwärmetauschern”, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 64 (1990), S. 31–37 [0005]
- W. Förg et al., ”Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwärmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft”, Nr. 78 (1999), S. 3–11 (englische Fassung: W. Förg et al., ”A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger”, Linde Reports an Science and Technology, Nr. 61 (1999), S. 3–11) [0005]
