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Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Danach dient ein derartiges Wärmetauschersystem dem Wärmeaustausch zwischen zumindest einem ersten Medium, insbesondere in Form einer kohlenwasserstoffreichen Phase, und einem zweiten Medium (z. B. Kältemittelgemisch), wobei das Wärmetauschersystem zumindest zwei erste Rohrraumabschnitte zur Aufnahme des ersten Mediums aufweist, die über ein erstes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, strömungsleitend miteinander verbunden sind. Ein derartiges Wärmetauschersystem ist z. B. aus der
DE 198 48 280 A1 bekannt.
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Solche Wärmetauschersysteme können z. B. zum Verflüssigen einer gasförmig in das Wärmetauschersystem eingespeisten kohlenwasserstoffreichen Phase (Erdgas) eingerichtet sein. Dabei sind in dem eingangs erwähnten bestehenden Apparatedesign drei Wärmetauscherbündel (Vorkühler, Verflüssiger und Unterkühler) übereinander in einem gemeinsamen drucktragenden Mantel angeordnet, der z. B. in ein Stahlgerüst gehängt werden kann. Aufgrund fehlender bzw. unzureichender Infrastruktur gestaltet sich ein Transport eines solchen Wärmetauschersystems als sehr schwierig. Des Weiteren muss insbesondere regelmäßig für solche Systeme eine Aufweitung im Mantel vorgesehen werden, damit eine ordentliche Trennung von Gas und Flüssigkeit stattfinden kann. Diese Aufweitung führt ebenfalls zu erhöhten Kosten, Lieferzeiten und Behältergrößen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher das Problem zugrunde, ein Wärmetauschersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem der Transport und die Handhabung beim Aufbau verbessert sind.
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Dieses Problem wird durch ein Wärmetauschersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass der eine erste Rohrraumabschnitt von einem ersten und der andere erste Rohrraumabschnitt von einem zweiten Mantelraum zur Aufnahme des zweiten Mediums umgeben ist, wobei die beiden Mantelräume jeweils von einem Mantel umschlossen werden, die separat zueinander ausgebildet sind, also z. B. voneinander getrennt bzw. beabstandet zueinander angeordnet sind. Das Rohrraumabschnittsverbindungsmittel ist somit zumindest abschnittsweise außerhalb der beiden Mäntel angeordnet und überbrückt insbesondere eine Distanz zwischen den beiden Mänteln (dies gilt auch für die weiteren Rohrraumabschnittsverbindungsmittel, die die Rohrraumabschnitte separater Mäntel miteinander verbinden). Derartige separate Mäntel sind insbesondere drucktragend ausgebildet und weisen jeweils eine umlaufende Wandung auf, die entlang der Längsachse des Mantels in eine quer zur Längsachse des Mantels erstreckte Decke bzw. einen gegenüberliegenden Boden übergeht. Decke und Boden können gewölbt, insbesondere haubenförmig ausgebildet sein. Des Weiteren können grundsätzlich auch mehr als zwei separate Mäntel, z. B. drei oder vier separate Mäntel vorgesehen sein, die übereinander und/oder beabstandet zueinander angeordnet sein können. Ein Rohrraumabschnittsverbindungsmittel kann z. B. durch zwei über eine Rohrleitung verbundene Stutzen gebildet sein, die je an einen zugeordneten (separaten) Mantel angeformt sind. Die Rohrleitung kann z. B. über Flanschverbindungen mit den Stutzen verbunden sein.
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Bevorzugt ist weiterhin der zweite Mantel – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschersystems – entlang der Vertikalen oberhalb bzw. beabstandet zum ersten Mantel angeordnet. Vorzugsweise sind dabei die beiden Mäntel (oder auch mehr als zwei Mäntel) koaxial zueinander angeordnet (bezüglich ihrer jeweiligen Längs- bzw. Zylinderachse).
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Die Separierung der Mantelräume bzw. Mäntel hat zum einen den Vorteil, dass durch die separaten Apparate der Transport erheblich erleichtert und die aufwändige Schweißnaht, die beim Zusammensetzen einteiliger Mäntel auf der Baustelle anfällt, entfällt. Zum anderen können durch die Teilung der Apparate dem Kunden fertige Bauteile zugeliefert werden, die beispielsweise durch eine verhältnismäßig kostengünstigere Standard-Verrohrung miteinander verbunden werden können. Fehlereinflussgrößen wie z. B. Schweißfehler, Beschädigung von Einbauten, Verschmutzung und Logistik werden somit minimiert. Ebenfalls können Aufweitungen an Mänteln von mehrmanteligen Wärmetauschersystemen erheblich leichter ausgebildet werden als an umlaufenden Wandungen von Wärmetauschersystemen, die mehrere übereinander angeordnete Rohrbündel in einem einheitlichen Mantel aufweisen.
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Bevorzugt sind die beiden Mantelräume bzw. die entsprechenden Mäntel durch ein erstes Mantelraumverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, miteinander strömungsleitend verbunden, so dass das zweite Medium von dem einen Mantelraum in den anderen Mantelraum gelangen kann. Ein derartiges Mantelraumverbindungsmittel (z. B. über Rohrleitungen miteinander verbundene Stutzen, siehe oben) kann mittels einer Standardverrohrung aufgebaut werden, was die Herstellungskosten entsprechend senkt.
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Weiterhin kann das Mantelraumverbindungsmittel dazu eingerichtet und vorgesehen sein, eine gasförmige Fraktion des zweiten Mediums getrennt von einer flüssigen Fraktion des zweiten Mediums aus dem zweiten Mantelraum in den ersten Mantelraum zu leiten. Diese Trennung vereinfacht die Gas- und Flüssigkeitsverteilung im Mantel bzw. Wärmetauscher darunter. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der (entlang der Vertikalen obere) zweite Mantel z. B. an einem unteren Abschnitt eine Aufweitung aufweist. Hierdurch kann die Strömungsgeschwindigkeit einer im Mantelraum abwärts strömenden gasförmigen Fraktion des zweiten Mediums gesteuert (gebremst) werden, um die Gleichverteilung zwischen jener Fraktion und einer flüssigen Fraktion des zweiten Mediums im (ersten) Mantelraum darunter zu gewährleisten (die Aufweitung kann auch an einem anderen Abschnitt des Mantels vorgesehen sein, sofern dort das entsprechende Abbremsen einer gasförmigen Phase vorgenommen werden soll). Alternativ bzw. ergänzend kann der zweite Mantel beispielsweise in einem unteren Abschnitt des zweiten Mantels eine Abscheideeinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die besagte flüssige Fraktion des im zweiten Mantelraum geführten zweiten Mediums von der entsprechenden gasförmigen Fraktion zu trennen. Durch die Unterbringung von einem ”Abscheider” bzw. eines Abscheidemechanismus in Form einer Abscheideeinrichtung im jeweiligen Mantel unterhalb des darin angeordneten Rohrbündels bzw. Rohrraumes kann gegebenenfalls auf eine Aufweitung der Mäntel verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß sind zumindest zwei Mäntel voneinander separiert und dabei insbesondere übereinander und/oder beabstandet zueinander angeordnet. Hierbei kann der erste Mantel (und das darin angeordnete Rohrbündel) zum Vorkühlen des ersten Mediums und der darüber angeordnete zweite Mantel (und das darin angeordnete Rohrbündel) zum Verflüssigen des ersten Mediums eingerichtet und vorgesehen sein.
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Alternativ hierzu kann jedoch auch der erste Mantel (und das darin angeordnete Rohrbündel) zum Verflüssigen des ersten Mediums und der darüber angeordnete zweite Mantel (und das darin angeordnete Rohrbündel) zum Unterkühlen des ersten Mediums eingerichtet und vorgesehen sein. In diesem Fall ist bevorzugt ein vom ersten Mantelraum umgebener zweiter Rohrraumabschnitt des ersten Mantels, der dazu ausgebildet ist, z. B. über einen ersten Einlass des ersten Mantels eine gasförmige Fraktion des zweiten Mediums aufzunehmen, wobei jener zweite Rohraumabschnitt des ersten Mantels vorzugsweise entlang des ersten Rohrraumabschnittes des ersten Mantels verläuft, um einen indirekten Wärmeaustausch zwischen den in den betreffenden Rohrraumabschnitten aufgenommenen Medien zu ermöglichen. Weiterhin ist hierbei bevorzugt ein vom ersten Mantelraum umgebener dritter Rohrraumabschnitt des ersten Mantels vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, z. B. über einen zweiten Einlass des ersten Mantels eine flüssige Fraktion des zweiten Mediums aufzunehmen, wobei jener dritte Rohraumabschnitt des ersten Mantels insbesondere entlang des ersten Rohrraumabschnittes des ersten Mantels verläuft, um einen indirekten Wärmeaustausch zwischen den in den betreffenden Rohrraumabschnitten aufgenommenen Medien zu ermöglichen. Weiterhin ist bevorzugt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der dritte Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels an einem oberen Ende des ersten Mantels in den zweiten Mantelraum geführt, um eine flüssige Fraktion des zweiten Mediums (Kältemittel) in den ersten Mantelraum einzuleiten, die in indirekten Wärmeaustausch mit den in den Rohrraumabschnitten geführten Medien tritt, insbesondere mit dem in dem ersten Rohrraumabschnitt aufgenommenen ersten Medium, so dass dieses im ersten Mantel verflüssigt werden kann. Der zweite Rohrraumabschnitt des ersten Mantels ist weiterhin bevorzugt über ein zweites Rohrraumabschnittsverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, mit einem durch den zweiten Mantel umgebenen zweiten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels strömungsleitend verbunden, wobei jener zweite Rohrraumabschnitt entlang des ersten Rohrraumabschnitts des zweiten Mantels verläuft, um wiederum einen indirekten Wärmeaustausch zwischen den in den betreffenden Rohrraumabschnitten aufgenommenen Medien zu ermöglichen. Vorzugsweise wird der zweite Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels an einem oberen Ende des zweiten Mantels in den zweiten Mantelraum geführt, um eine gasförmige Fraktion des zweiten Mediums in den zweiten Mantelraum einzuleiten, so dass diese in indirekten Wärmeaustausch mit den in den Rohrraumabschnitten des zweiten Mantels geführten Medien treten kann, um eine Unterkühlung des ersten Mediums zu erzielen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer (separater) dritter Mantel vorgesehen, der vorzugsweise oberhalb des zweiten Mantels und ggf. beabstandet zu diesem zweiten Mantel angeordnet ist, wobei ein weiterer erster Rohrraumabschnitt des dritten Mantels zur Aufnahme des ersten Mediums (z. B. Erdgas) vorgesehen ist, der über ein zweites Rohrraumabschnittsverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, mit dem ersten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels strömungsleitend verbunden ist (der erste und der zweite Mantel dienen nun insbesondere zum Vorkühlen bzw. Verflüssigen des ersten Mediums, siehe oben, der dritte Mantel insbesondere zum Unterkühlen des ersten Mediums). Dabei ist der weitere erste Rohrraumabschnitt von einem zugeordneten dritten Mantelraum bzw. dem dritten Mantel zur Aufnahme des zweiten Mediums umgeben, der separat zum ersten und zweiten Mantelraum bzw. Mantel ausgebildet ist. Der dritte Mantel ist vorzugsweise entlang der Vertikalen oberhalb bzw. beabstandet zum zweiten Mantel (und ersten Mantel) angeordnet. Hierbei sind der zweite und der dritte Mantelraum vorzugsweise durch ein zweites Mantelraumverbindungsmittel miteinander strömungsleitend verbunden, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung. Bevorzugt sind die drei Mäntel bezüglich ihrer Längsachsen (Zylinderachsen) koaxial zueinander angeordnet. Zum Ablassen des ersten Mediums (z. B. flüssige kohlenwasserstoffreichen Phase) aus dem Wärmetauschersystem weist der oberste dritte Mantel bevorzugt einen ersten Auslass an einem oberen Ende des dritten Mantels auf. Des Weiteren weist das Wärmetauschersystem am untersten ersten Mantel einen ersten Einlass zum Einlassen des ersten Mediums (z. B. gasförmige kohlenwasserstoffreiche Phase) in den ersten Rohrraumabschnitt des ersten Mantels auf. Für den Fall, dass das Wärmetauschersystem zum Verflüssigen einer kohlenwasserstoffreichen gasförmigen Phase (Erdgas) verwendet wird, wird also jene Phase durch die drei miteinander verbundenen ersten Rohrraumabschnitte der drei Mäntel entlang der Vertikalen nach oben geführt und dabei unter Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium vorgekühlt, kondensiert und unterkühlt.
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Bevorzugt erstrecken sich die vorgenannten (wie auch die weiteren) Rohrraumabschnitte entlang der Längsachse der jeweiligen Mäntel bzw. entlang der Vertikalen. Die Rohrraumabschnitte können insbesondere durch Gruppen von Rohren eines Rohrbündels, insbesondere eines gewickelten Rohrbündels, gebildet sein, bei dem die einzelnen Rohre um ein Kernrohr gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse des jeweiligen (ggf. zylinderförmigen) Mantels erstreckt.
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Zum Vorkühlen des ersten Mediums ist ein vom ersten Mantel umgebener zweiter Rohrraumabschnitt zur Aufnahme des zweiten Mediums vorgesehen, wobei dieser zweite Rohrraumabschnitt des ersten Mantels entlang des ersten Rohrraumabschnittes des ersten Mantels verläuft, so dass die in jenen Rohrraumabschnitten geführten Medien in indirekten Wärmeaustausch treten können. Um eine flüssige Fraktion des zweiten Mediums (Kältemittelgemisch) in jenen zweiten Rohrraumabschnitt des ersten Mantels einleiten zu können, weist der unterste erste Mantel vorzugsweise einen zweiten Einlass auf, wobei insbesondere jener zweite Einlass in einen Sumpf eines ersten Abscheiders münden kann, aus dem jene flüssige Fraktion des Kältemittels (zweites Medium) abziehbar ist. Der zweite Rohrraumabschnitt des ersten Mantels ist nun vorzugsweise an einem oberen Ende (bezogen auf Vertikale) des ersten Mantels in den ersten Mantelraum geführt (z. B. über ein Ventil), um die flüssige Fraktion des zweiten Mediums (Kältemittels) in den ersten Mantelraum einzuleiten. Diese Fraktion strömt also im ersten Mantel entlang der Vertikalen bzw. der Längsachse des Mantels nach unten, wobei das erste Medium (Erdgas) im ersten Rohrraumabschnitt des ersten Mantels z. B. im Kreuzgegenstrom hierzu (bei einem gewickelten Rohrbündel) geführt werden kann. Hierdurch wird eine Vorkühlung der zu verflüssigenden kohlenwasserstoffreichen Phase (erstes Medium) bewirkt.
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Weiterhin weist der unterste erste Mantel einen dritten Rohrraumabschnitt zur Aufnahme einer gasförmigen Fraktion des zweiten Mediums auf, wobei der dritte Rohrraumabschnitt des ersten Mantels entlang des ersten Rohrraumabschnittes des ersten Mantels verläuft, in dem das erste Medium geführt wird, so dass ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den in den besagten Rohrraumabschnitten geführten Medien möglich ist. Zum Einlassen jener gasförmigen Fraktion in den dritten Rohrraumabschnitt des ersten Mantels weist der erste Mantel an einem unteren Ende bevorzugt einen dritten Einlass auf, der beispielsweise in einen Kopf eines zweiten Abscheiders einmünden kann, aus dem jene gasförmige Fraktion des Kältemittels (zweites Medium) abziehbar ist.
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Hierbei ist der dritte Rohrraumabschnitt des ersten Mantels bevorzugt über einen ersten Auslass an einem oberen Ende des ersten Mantels und einen ersten Einlass an einem unteren Ende des zweiten Mantels mit einem durch den zweiten Mantel umgebenden zweiten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels verbunden, wobei jener zweite Rohraumabschnitt des zweiten Mantels insbesondere entlang des ersten Rohrraumabschnittes des zweiten Mantels verläuft, in dem das erste Medium aufwärts geführt wird, so dass ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den in den besagten Rohrraumabschnitten geführten Medien möglich ist.
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Jener erste Auslass des ersten Mantels kann nun über einen Kopf eines dritten Abscheiders mit dem ersten Einlass des zweiten Mantels verbunden sein, so dass aus jenem Kopf eine gasförmige Fraktion des zweiten Mediums abziehbar und in den zweiten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels einleitbar ist. Hierbei ist des Weiteren bevorzugt ein Sumpf des dritten Abscheiders über einen zweiten Einlass des zweiten Mantels mit einem dritten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels verbunden, der vom zweiten Mantel umgeben ist und entlang des ersten und zweiten Rohrraumabschnittes des zweiten Mantels verläuft, so dass ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den in den besagten Rohrraumabschnitten geführten Medien möglich ist. Dieser dritte Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels ist nun bevorzugt an einem oberen Ende (bezogen auf Vertikale Z) des zweiten Mantels in den zweiten Mantelraum geführt (insbesondere über ein Ventil), so dass die (aus dem Sumpf des dritten Abscheiders abgezogene) flüssige Fraktion des zweiten Mediums in den zweiten Mantelraum eingeleitet werden kann und darin abwärts strömen kann, wobei das erste Medium im ersten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels z. B. im Kreuzgegenstrom hierzu (bei einem gewickelten Rohrbündel) geführt werden kann. In dem zweiten Mantel kann somit das im ersten Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels geführte erste Medium weiter abgekühlt und verflüssigt werden.
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Weiterhin ist bevorzugt der zweite Rohrraumabschnitt des zweiten Mantels über ein drittes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, mit einem durch den dritten Mantel umgebenen zweiten Rohrraumabschnitt des dritten Mantels strömungsleitend verbunden, wobei jener zweite Rohrraumabschnitt des dritten Mantels entlang des ersten Rohrraumabschnitts des dritten Mantels verläuft, wobei insbesondere der zweite Rohrraumabschnitt des dritten Mantels an einem oberen Ende (bezogen auf Vertikale) des dritten Mantels in den dritten Mantelraum geführt ist (insbesondere über ein Ventil), um das zweite Medium in Form einer gasförmigen Fraktion eines Kältemittels in den dritten Mantelraum einzuleiten, das daraufhin entlang der Vertikalen nach unten strömt. Im obersten dritten Mantel wird somit eine Unterkühlung des im ersten Rohrraumabschnitt des dritten Mantels (z. B. im Kreuzgegenstrom) geführten ersten Mediums bewirkt.
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Zum Abziehen des zweiten Mediums aus dem Sumpf des ersten Mantels ist schließlich bevorzugt ein zweiter Auslass an einem unteren Ende des ersten Mantels vorgesehen, wobei jener zweite Auslass des ersten Mantels insbesondere mit einem zweistufigen Verdichter zum Verdichten des zweiten Mediums verbunden sein kann, wobei insbesondere der besagte erste und der besagte zweite Abscheider über je einen weiteren Wärmetauscher mit dem Verdichter verbunden sind.
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Es ist grundsätzlich natürlich auch möglich, bei einer Anzahl von z. B. drei separaten Mänteln zwei benachbarte Mäntel zusammenzulegen. So kann bspw. vorliegend der erste mit dem zweiten oder der zweite mit dem dritten Mantel einen einheitlichen Mantel bilden, so dass lediglich zwei separate Mäntel vorliegen. Die entsprechende Mantelraumverbindung liegt dann aufgrund des einheitlichen Mantelraums vor, die Rohrraumabschnittsverbindungsmittel verlaufen dann entsprechend innerhalb dieses Mantelraumes als Verbindungen der Rohrraumabschnitte, die einstückig mit den Rohrraumabschnitten ausgebildet sein können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind vier separate Mäntel vorgesehen, wobei z. B. der vierte Mantel durch eine Unterteilung des ersten Mantels in einen oberen ersten Mantel und einen unteren ersten Mantel gebildet sein kann (z. B. um einen ersten Vorkühler und einen nachfolgenden zweiten Vorkühler darzustellen). Hierbei kann z. B. der untere erste Mantel die am unteren Ende des ersten Mantels vorgesehen Aus- und/oder Einlässe und der obere erste Mantel die am oberen Ende des ersten Mantels vorgesehene Aus- und/oder Einlässe aufweisen. Der untere erste Mantel kann wie die anderen Mäntel einen mantelseitigen Eintrittsstrom aufweisen, z. B. in Form eines Rohrraumabschnittes der an einem oberen Ende in den unteren ersten Mantel geführt ist, so dass das darin geführte zweite Medium in den unteren ersten Mantelraum eingeleitet werden kann.
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Auch diese beiden ersten Mäntel sind bevorzugt entlang der Vertikalen beabstandet zueinander bzw. übereinander angeordnet. Es ist hierbei natürlich möglich, die Benennung der einzelnen Mäntel umzuordnen, so dass etwa der unterste Mantel stets der erste Mantel ist und die anderen (drei) Mäntel nach oben hin fortlaufend durchnummeriert werden.
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Bevorzugt umgibt der untere erste Mantel einen unteren ersten Mantelraum, der seinerseits einen unteren Abschnitt des zugeordneten ersten Rohrraumabschnitts umgibt, wobei insbesondere jener untere Abschnitt über einen an einem oberen Ende des unteren ersten Mantels ausgebildeten dritten Auslass mit einem vierten Abscheider verbunden ist, von dessen Kopf eine gasförmige Fraktion des ersten Mediums abziehbar ist, die über einen vierten Einlass des oberen ersten Mantels in einen oberen Abschnitt des zugeordneten ersten Rohrraumabschnitts einlassbar ist, der durch einen vom oberen ersten Mantel definierten oberen ersten Mantelraum umgeben ist. Weiterhin sind der obere und der untere erste Mantelraum bevorzugt miteinander über ein drittes Mantelraumverbindungsmittel, insbesondere in Form zumindest einer Rohrleitung, strömungsleitend verbunden, wobei des Weiteren vorzugsweise ein vom unteren ersten Mantelraum umgebener unterer Abschnitt des zugeordneten zweiten Rohrraumabschnitts mit einem vom oberen ersten Mantelraum umgebenen oberen Abschnitt des zugeordneten zweiten Rohrraumabschnitts über ein viertes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel strömungsleitend verbunden ist. Schließlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise ein vom unteren ersten Mantelraum umgebener unterer Abschnitt des zugeordneten dritten Rohrraumabschnitts mit einem vom oberen ersten Mantelraum umgebenen oberen Abschnitt des zugeordneten dritten Rohrraumabschnitts über ein fünftes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel strömungsleitend verbunden.
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Zum Tragen der einzelnen Mäntel ist bevorzugt ein Gerüst, insbesondere in Form eines Stahlgerüsts, vorgesehen, an dem die Mäntel jeweils separat aufgehängt sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems zum Verflüssigen einer kohlenwasserstoffreichen Phase, und
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2 eine schematische Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems zum Verflüssigen einer kohlenwasserstoffreichen Phase.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems 1. Dieses weist drei übereinander angeordnete, separate Mäntel 301, 303, 305 auf, die jeweils einen zugeordneten Mantelraum 201, 203, 205 einschließen. Die drei Mäntel 301, 303, 305 sind im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und weisen entsprechend eine Längsachse (Zylinderachse) auf, die parallel zur Vertikalen Z verläuft (bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschersystems 1). Die Mäntel 301, 303, 305 weisen des Weiteren eine umlaufende Wandung auf sowie eine Decke und einen Boden, die entlang der Vertikalen Z einander gegenüber liegen und den jeweiligen Mantel nach oben bzw. unten hin abschließen.
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In den einzelnen Mänteln 301, 303, 305 bzw. Mantelräumen 201, 203, 205 ist jeweils ein gewickeltes Rohrbündel angeordnet, das jeweils eine Mehrzahl an Rohren aufweist, die um ein Kernrohr gewickelt sind.
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Die Rohrbündel bilden im untersten ersten Mantel 301 ebenso wie im mittleren zweiten Mantel 303 einen ersten, einen zweiten und einen dritten Rohrraumabschnitt 101, 121, 111 bzw. 103, 123, 124 sowie im obersten dritten Mantel 305 einen ersten und einen zweiten Rohrraumabschnitt 105, 127 aus. Hierbei können die einzelnen Rohrraumabschnitte 101, 121, 111 bzw. 103, 123, 124 bzw. 105, 127 durch Gruppen von Rohren des jeweiligen Rohrbündels gebildet sein.
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Die ersten Rohrraumabschnitte 101, 103 und 105 des ersten, zweiten und dritten Mantels 301, 303, 305 dienen zur Aufnahme eines ersten Mediums M in Form einer zu verflüssigenden kohlenwasserstoffreichen Phase, die durch einen ersten Einlass E in einem unteren Teil (Boden) des ersten Mantels 301 in das Wärmetauschersystem 1 eingespeist wird und entlang der Vertikalen Z nach oben strömt. Dabei wird eine Beabstandung zwischen den Mänteln 301, 303, 305 durch Rohrraumabschnittsverbindungsmittel 102, 104 in Form von Rohrleitungen überbrückt, so dass ein durchgängiger Rohrraum gebildet wird, der sich entlang der Vertikalen Z durch die drei separaten Mäntel 301, 303, 305 erstreckt.
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Beim Durchlaufen jenes Rohrraumes wird das erste Medium M in mehreren Schritten im Bereich des ersten Mantels 301 abgekühlt, im Bereich des zweiten Mantels 303 verflüssigt und im Bereich des dritten Mantels 305 unterkühlt. Die verflüssigte Phase M kann dann über einen ersten Auslass A an einem oberen Teil des dritten Mantels 305 (Decke) aus dem Wärmetauschersystem 1 abgelassen werden.
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In den weiteren Rohrraumabschnitten 121, 111 bzw. 123, 124 bzw. 127 wird das zweite Medium K (Kältemittelgemisch) entlang der Vertikalen Z nach oben geführt und jeweils an oberen Enden der Mäntel in die jeweiligen Mantelräume eingeführt, so dass das zweite Medium K in den Mantelräumen 301, 303, 305 entlang der Vertikalen Z nach unten strömen kann. Hierzu sind die separaten Mäntel 301, 303, 305 über ein erstes und ein zweites Mantelraumverbindungsmittel 202, 204 miteinander verbunden.
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Zum Verflüssigen des ersten Mediums M wird dabei das erste Medium M und das zweite Medium K im Kreuzgegenstrom zu dem in den Mantelräumen 301, 303, 305 abwärts strömenden zweiten Medium K geführt. Das kalte Ende des Wärmetauschersystems 1 befindet sich somit am oberen Ende (dritter Mantel 305). Das zweite Medium K kann aus dem Sumpf des ersten Mantels 301 über einen zweiten Auslass A des ersten Mantels 301 abgezogen werden und in eine flüssige und eine gasförmige Fraktion aufgetrennt werden, um diese einzeln dem Wärmetauschersystem 1 zuführen zu können. Hierzu kann das aus dem Sumpf des ersten Mantels 301 abgezogene zweite Medium K einem Verdichter (nicht gezeigt) zugeführt werden. Der Verdichter kann zwei Verdichtungsstufen aufweisen. Das in der ersten Verdichtungsstufe verdichtete zweite Medium K (Kältemittelgemisch) kann dabei in einem Nachkühler bzw. Wärmetauscher gegen Umgebungsluft oder Wasser teilkondensiert und einem ersten Abscheider zugeführt werden, in dem eine Auftrennung in eine gasförmige sowie eine flüssige Fraktion erfolgt. Die gasförmige Fraktion wird dabei der zweiten Verdichterstufe zugeführt und in dieser auf den gewünschten Enddruck verdichtet. Auch der zweiten Verdichtungsstufe ist dabei ein Nachkühler bzw. Wärmetauscher nachgeordnet, in dem das verdichtete erste Medium K vorzugsweise gegen Umgebungsluft oder Wasser abgekühlt und anschließend einem weiteren zweiten Abscheider zugeführt wird.
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Aus dem Sumpf des besagten ersten Abscheiders wird dann die flüssige Fraktion des ersten Mediums K abgezogen, über einen zweiten Einlass E' am unteren Ende des ersten Mantels 301 in den zweiten Rohrraumabschnitt 111 des ersten Mantels 301 eingespeist und entlang der Vertikalen Z nach oben geführt und sodann an einem oberen Ende des ersten Mantels 301 unter Entspannung in den ersten Mantelraum 201 eingeleitet, so dass die flüssige Fraktion des ersten Mediums K im ersten Mantelraum 201 nach unten strömen kann und dabei in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten Medium M treten kann, das durch den ersten Rohrraumabschnitt 101 nach oben strömt, (sowie mit dem zweiten Medium K im dritten Rohrraumabschnitt 121 des ersten Mantels 301). Des Weiteren wird durch einen dritten Einlass E'' am unteren Ende des ersten Mantels 301 die (aus dem Kopf des zweiten Abscheiders abgezogene) gasförmige Fraktion des zweiten Mediums K in den dritten Rohrraumabschnitt 121 des ersten Mantels 301 eingeleitet und entlang der Vertikalen Z nach oben geführt. Im ersten Mantel 301 kann somit im Ergebnis eine Vorkühlung des ersten Mediums M vorgenommen werden.
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Das in dem dritten Rohrraumabschnitt 121 nach oben strömende zweite Medium K wird aus einem ersten Auslass 122a am oberen Ende des ersten Mantels 301 aus dem ersten Mantel 301 herausgeführt und bezüglich flüssiger und gasförmiger Fraktionen separiert. Hierzu kann das zweite Medium K über den ersten Auslass 122a einem dritten Abscheider (nicht gezeigt) zugeführt werden. Eine über den Kopf des dritten Abscheiders abgezogene gasförmige Fraktion wird dann über einen ersten Einlass 122b am unteren Ende des zweiten Mantels 303 in den zweiten Rohrraumabschnitt 123 des zweiten Mantels 303 eingeleitet, wohingegen eine aus dem Sumpf des dritten Abscheiders abgezogene flüssige Fraktion K über einen zweiten Einlass 122c am unteren Ende des zweiten Mantels 303 in den dritten Rohrraumabschnitt 124 des zweiten Mantels 303 eingeleitet wird und am oberen Ende des zweiten Mantels 303 unter Entspannung in den zweiten Mantelraum 203 eingeleitet wird, so dass jene flüssige Fraktion entlang der Vertikalen Z nach unten zum ersten Mantel 301 strömen kann, wobei es insbesondere in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten Medium M im ersten Rohrraumabschnitt 103 des zweiten Mantels 303 tritt (sowie dem zweiten Medium K im zweiten Rohrraumabschnitt 123 des zweiten Mantels 303). Des Weiteren wird die gasförmige Fraktion des zweiten Mediums K über den zweiten Rohrraumabschnitt 123 sowie über ein drittes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel 126 in den zweiten Rohrraumabschnitt 127 des obersten dritten Mantels 305 geführt. Im zweiten Mantel 303 kann damit im Ergebnis eine weitere Abkühlung/Verflüssigung des ersten Mediums M erzielt werden.
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Schließlich erfolgt im dritten Mantel 305 eine Unterkühlung des ersten Mediums M, indem das in dem zweiten Rohrraumabschnitt 127 des dritten Mantels 305 geführte zweite Medium K an einem oberen Ende des dritten Mantels 305 in den dritten Mantelraum 205 unter Entspannung eingeleitet wird (gasförmige Fraktion) und entlang der Vertikalen Z im dritten Mantelraum 305 nach unten geleitet wird. Hierbei tritt das zweite Medium K in indirekten Wärmeaustausch mit dem im ersten Rohrraumabschnitt 105 des dritten Mantels 305 geführten ersten Medium M, wodurch eine Unterkühlung des verflüssigten ersten Mediums M erzielt wird.
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Es ist grundsätzlich natürlich auch möglich, benachbarte Mäntel 301, 303 oder 303, 305 zusammenzulegen. So kann bspw. vorliegend der erste mit dem zweiten oder der zweite mit dem dritten Mantel 301, 303 bzw. 303, 305 einen einheitlichen Mantel bilden, so dass lediglich zwei separate Mäntel vorliegen.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der im Unterschied zur 1 der erste Mantel 301 in zwei separate Mäntel unterteilt ist, die entlang der Vertikalen Z beabstandet zueinander angeordnet sind, und zwar in einen oberen ersten Mantel 301b und einen unteren ersten Mantel 301a, so dass insgesamt vier separate Mäntel 301a, 301b, 303, 305 vorliegen. Durch diese Unterteilung wird der gemäß 1 den ersten Mantel 301 umfassende Vorkühler in einen ersten und einen zweiten Vorkühler unterteilt. Dabei wird zwischen dem unteren ersten und dem oberen ersten Mantel 301a, 301b das erste Medium M abgezogen, um schwere Komponenten des ersten Mediums M (Erdgas) abzutrennen und die resultierende Gasphase dem zweiten Vorkühler zuzuführen. Die beiden Mäntel 301a, 301b bilden entsprechend einen unteren ersten Mantelraum 201a und einen dazu separaten oberen ersten Mantelraum 201b, die über ein drittes Mantelraumverbindungsmittel 211 strömungsleitend miteinander verbunden sind.
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Zum Abtrennen der schweren Komponenten aus dem Strom des ersten Mediums M, das über einen ersten Einlass E des unteren ersten Mantels 301a in einen unteren Abschnitt 101a des ersten Rohrraumabschnittes 101 eingeleitet wird, wird jener untere Abschnitt 101a des ersten Rohrraumabschnittes 101 über einen dritten Auslass 101c an einem oberen Ende des unteren ersten Mantels 301a einem vierten Abscheider zugeführt, wobei am Kopf jenes vierten Abscheiders die besagte gasförmige Fraktion des ersten Mediums M abgezogen wird und über einen vierten Einlass 101d an einem unteren Ende des oberen ersten Mantels 301b in einen oberen Abschnitt 101b des ersten Rohrraumabschnittes 101 eingeleitet wird, wobei jener obere Abschnitt 101b vom oberen ersten Mantelraum 201b umgeben ist.
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Das über den zweiten und dritten Einlass E', E'' nunmehr am unteren Ende des unteren ersten Mantels
301a in die unteren Abschnitte
121a,
111a des zweiten bzw. des dritten Rohrraumabschnittes
111,
121 eingeleitete zweite Medium K wird in jene unteren Abschnitte
121a,
111a wie zuvor in Form einer gasförmigen Fraktion (unterer Abschnitt
121a) und einer flüssigen Fraktion (unterer Abschnitt
111a) in die vom oberen ersten Mantel
301b bzw. Mantelraum
201b umgebenen oberen Abschnitte
111b,
121b der zweiten und dritten Rohrraumabschnitte
111,
121 über ein viertes und fünftes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel
111c bzw.
121c geleitet. Der zweite Auslass A' ist nunmehr an einem unteren Ende (Sumpf) des unteren ersten Mantels
301a ausgebildet. Bezugszeichenliste
| 1 | Wärmetauschersystem |
| 101 | Erster Rohrraumabschnitt |
| 102 | Erstes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel |
| 103 | Erster Rohrraumabschnitt |
| 104 | Zweites Rohrraumabschnittsverbindungsmittel |
| 105 | Erster Rohrraumabschnitt |
| 111 | Zweiter Rohrraumabschnitt |
| 121 | Dritter Rohrraumabschnitt |
| 122a | Erster Auslass |
| 122b | Erster Einlass |
| 122c | Zweiter Einlass |
| 123 | Zweiter Rohrraumabschnitt |
| 124 | Dritter Rohrraumabschnitt |
| 126 | Drittes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel |
| 127 | Zweiter Rohrraumabschnitt |
| 201 | Erster Mantelraum |
| 202 | Erster Mantelraumverbindungsmittel |
| 203 | Zweiter Mantelraum |
| 204 | Zweites Mantelraumverbindungsmittel |
| 205 | Dritter Mantelraum |
| 301 | Erster Mantel |
| 303 | Zweiter Mantel |
| 305 | Dritter Mantel |
| 201a | Unterer erster Mantelraum |
| 201b | Oberer erster Mantelraum |
| 301a | Unterer erster Mantel |
| 301b | Oberer erster Mantel |
| 101a | Unterer Abschnitt |
| 101b | Oberer Abschnitt |
| 111a | Unterer Abschnitt |
| 111b | Oberer Abschnitt |
| 121a | Unterer Abschnitt |
| 121b | Oberer Abschnitt |
| 111c | Viertes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel |
| 121c | Fünftes Rohrraumabschnittsverbindungsmittel |
| 211 | Drittes Mantelraumverbindungsmittel |
| 101c | Dritter Auslass |
| 101d | Vierter Einlass |
| A | Erster Auslass |
| A' | Zweiter Auslass |
| E | Erster Einlass |
| E' | Zweiter Einlass |
| E'' | Dritter Einlass |
| M | Erstes Medium |
| K | Zweites Medium |
| Z | Vertikale |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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