DE202015008836U1

DE202015008836U1 - Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten

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Publication number: DE202015008836U1
Application number: DE202015008836.8U
Authority: DE
Original assignee: Eco Ice Kalte GmbH
Current assignee: BRI Immobilien GmbH
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2025-12-29

Abstract

Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten, nämlich verflüssigtem Erdgas (LNG), verflüssigtem Stickstoff (LN2) oder verflüssigtem Sauerstoff (LO2), für Kälteleistungen im Bereich unter 100 kW, bei dem die Kälte der tiefkalten Flüssigkeit zunächst auf ein Zwischenmedium (8) und anschließend von diesem auf einen flüssigen Kälteträger übertragen wird, wobei der Kälteträger bis hinab zu einem Temperaturniveau von –60°C ohne Phasenwechsel bleibt und damit sicher pumpbar ist, die Wärmeübertragung durch Verdampfen und Kondensieren ohne Pumpeneinsatz im Naturumlauf im Wärmeaustauscher erfolgt und die Temperatur des Zwischenmediums (8) im Bereich von –20°C bis –100°C durch die Konzipierung der Wärmeübertragung und der sie treibenden Temperaturdifferenzen frei wählbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Einen Behälter in Vertikalausrichtung, bestehend aus einem Zylinder (1) mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden (2; 3), der ganzheitlich mit einer Isolierung (5) ummantelt ist, – Anordnung einer Rohrwendel (6) im Bereich des oberen Klöpperbodens (2) und einer Rohrwendel (7) im Bereich des unteren Klöpperbodens (3) bei Einhaltung eines Abstandes zwischen den Rohrwendeln (6 und 7), – Befüllung des hermetisch geschlossenen Behälters mit dem dadurch gekapseltem Zwischenmediums (8) zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des Behälters mit einem Füllstand (9) zwischen der oberen Rohrwendel (6) und der unteren Rohrwendel (7), wobei die untere Rohrwendel (7) bei jedem Betriebszustand mit flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) geflutet ist während die obere Rohrwendel (6) von Sattdampf (8.1) umgeben ist, der im Betrieb bei Wärmeabgabe an der Rohrwendel (6) kondensiert, – Realisierung des Wärmetransports vom kondensierenden Zwischenmedium (8.1) an die zu regasifizierende tiefkalte Flüssigkeit (LNG) durch Zu- und Abfluss (10) der Selben über die Rohrwendel (6), – Realisierung des Wärmetransports vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium (8.2) durch Zu- und Abfluss (14) des Kälteträgers über die Rohrwendel (7).

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung von tiefkalten Flüssigkeiten, insbesondere verflüssigtem Erdgas (LNG, Liquified Natural Gas bei –162°C und 1 bar atmosphärischem Druck), verflüssigtem Stickstoff (LN2) und verflüssigtem Sauerstoff (LO2). Dazu werden Merkmale eines Wärmeaustauschers zur Realisierung eines entsprechenden Verfahrens angegeben. Der Wärmeaustauscher ist für, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleine, so doch wertvolle Kälteleistung im Bereich unter 100 kW konzipiert und zeichnet sich durch einfache Konstruktionsmerkmale und einfache Bedienbarkeit aus, die einen der Kälteleistung angemessen niedrigen Investitionsaufwand ermöglichen.
Stand der Technik
Erdgas lässt sich unter atmosphärischem Druck nach Abkühlung auf –162°C und anschließender Abfuhr der Kondensationswärme aus der gasförmigen in die flüssige Phase überführen. Damit ist die Reduktion des Volumens auf das Sechshundertstel des bei 1,013 bar und 15°C gegebenen Wertes verbunden. Verflüssigtes Erdgas ist somit auf attraktive Weise lagerbar und über große Strecken transportierbar. Die zu realisierende, gleichermaßen kostenaufwändige wie wertschöpfende Prozesskette reicht von der Förderung und Aufbereitung über die Verflüssigung, die Lagerung, den Ferntransport mit Tankschiffen, die erneute Lagerung in Großtanks und den nochmaligen Transport zum Verwender bis zur dortigen Regasifizierung. Das Ende dieser Kette bildet sehr häufig eine sogenannte Satellitenanlage, nämlich ein doppelwandiger, vakuumisolierter LNG-Speicher ohne Verflüssigungseinrichtung.
Die Satellitenanlage verfügt über eine Regasifizierungseinrichtung, üblicherweise ein atmosphärischer Verdampfer mit vertikalen längsberippten Rohren, an denen das verflüssigte Erdgas, im folgenden Text mit LNG bezeichnet, verdampft und auf Umgebungstemperatur überhitzt wird, während die erforderliche Wärme aus der Umgebungsluft durch freie Konvektion zugeführt wird. Der beschriebene Stand der Technik ist umfangreich in der DE 10 2011 081 673 „Verfahren und Anlage zur Regasifizierung von Flüssigerdgas” und in weiteren Veröffentlichungen dargelegt, beispielsweise in folgenden Schriften: US 6089022 „Regasification of liquefied natural gas (LNG) aboard a transport vessel”, US 6367265 „Vaporizer for a low temperature liquid”, US 6367429 „Intermediate fluid type vaporizer” und WO 2004031644 „Regasification system and method”. Unbefriedigend ist, dass das vorhandene energetische Potential im LNG in Form von Kälte bei der Regasifizierung ungenutzt bleibt. Daraus ergibt sich das Ziel der Erfindung, nämlich die besonders einfach gestaltete Nutzbarmachung der in diesem Prozess freiwerdenden, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleinen, so doch wertvollen Kälte im Bereich unter 100 kW und zwar auf einem für den praktischen Bedarf nachgefragten mäßig tiefen Temperaturniveau oberhalb –60°C, z. B. für die Tieftemperaturlagerung oder die Kältespeicherung mit Phase Change Material (PCM).
Aufgabenstellung
Die erfinderische Aufgabenstellung ist somit in der Angabe von apparativen Merkmalen zu sehen, die es ermöglichen, die vorgenannte Zielstellung zu erreichen. Konkret ist ein Wärmeaustauscher für Temperaturniveaus oberhalb von –60°C zu entwickeln, der die bei der Regasifizierung der tiefkalten Flüssigkeiten auftretenden großen Temperaturdifferenzen beherrscht. Tiefkalte Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung sind einleitend näher spezifiziert.
Lösung der Aufgabenstellung
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Schutzanspruch 1 angegeben. Die jeweils untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
Verfahrensseitig wird die Kälte des LNG auf einen flüssigen Kälteträger übertragen, der bis hinab zum Temperaturniveau von ca. –60°C eingesetzt werden soll, dabei ohne Phasenwechsel und damit sicher pumpbar bleibt. Vorteilhaft verwendbar ist beispielsweise Therminol D12, eine synthetische Flüssigkeit auf der Basis aliphatischer Kohlenwasserstoffe. Die Energieübertragung erfolgt allerdings nicht direkt auf den flüssigen Kälteträger, sondern zunächst auf ein Zwischenmedium (intermediate fluid) und von diesem dann auf den flüssigen Kälteträger. Die Verwendung des Zwischenmediums dient der Überwindung der zwischen der zu regasifizierenden tiefkalten Flüssigkeit und dem Kälteträger vorhandenen großen Temperaturdifferenz ohne dass der Kälteträger zu stark abkühlt, bis hin zum Erstarren des Selben. Die Temperatur des Zwischenmediums und damit die seriellen treibenden Temperaturdifferenzen sind erfindungsgemäß mit Hilfe der apparativen Konzipierung der Wärmeübertragung, insbesondere über die Wärmeübertragungsflächen, frei einstellbar. Wegen seiner günstig liegenden Erstarrungslinie, die Tripelpunktdaten sind –187,7°C und 0,0002 Pa, und wegen der durch Verdampfung und Kondensation gegebenen sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften wird bevorzugt Propan als Zwischenmedium eingesetzt. Die Wärmeübertragung über dieses Zwischenmedium erfolgt bei einer wählbaren Zwischentemperatur durch Verdampfen und Kondensieren im Naturumlauf, also ohne den Einsatz einer Pumpe.
Erfindungsgemäß wird dazu ein Wärmeaustauscher für Kälteleistungen unter 100 kW angegeben.
Dieser Wärmeaustauscher ist als Zylinder in Vertikalausrichtung ausgeführt und oben und unten durch Klöpperböden verschlossen. Der so realisierte Behälter enthält im oberen Teil einen Oberflächenwärmeaustauscher zur Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit, beispielsweise LNG, und im unteren Teil einen weiteren Oberflächenwärmeaustauscher zur Abkühlung des flüssigen Kälteträgers. Zur Realisierung des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters ist dieser mit dem Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, gefüllt, welches sicher gekapselt ist. Das Propan ist im unteren Bereich bis zum Füllstand eine siedende Flüssigkeit und im oberen Bereich oberhalb des Füllstandes kondensierender Sattdampf. Beide Oberflächenwärmeaustauscher sind als Rohrwendel ausgeführt. Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit erfolgt somit über die obere Rohrwendel. Diese ragt von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Eine Befestigung am Behälter ist nur oben vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass mechanische Spannungen in Folge der im Betrieb auftretenden großen zeitlichen Temperaturänderungen ausreichend vermieden werden. Die untere Rohrwendel ist in gleiche Art und Weise mit dem unteren Bereich des Behälters mechanisch verbunden. Die beschriebenen Vorteile dieser Anbringung gelten analog zur oberen Rohrwendel. Somit kann der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium an der unteren Rohrwendel erfolgen. Mit der Wahl des Werkstoffes Edelstahl für Behälter und Rohrwendeln sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit garantiert. Der Einsatz von Rohrwendeln ermöglicht es, auf engem Raum relativ große Wärmeübertragungsflächen unterzubringen. Der Wärmeübergang von der oberen Rohrwendel an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit ist wegen des langen Strömungsweges und der sich auf einer Kreisbahn ergebenden Sekundärströmung im Inneren der Rohrwendel besonders wirksam. Hier liegt der größte Transportwiderstand vor, dessen Reduzierung einen besonders positiven Einfluss auf den gesamten Wärmedurchgang zur Folge hat. Der Einsatz eines Turbulators kann diesen Transportwiderstand weiter verringern.
Wie bereits erwähnt, befindet sich im unteren Teil des zylindrischen Behälters eine weitere von unten her frei in den Innenraum ragende Rohrwendel. Hier gibt der Kälteträger die zur Verdampfung des Zwischenmediums Propan erforderliche Wärme in der vorbeschriebenen Weise ab. Dies führt auch hier zu einem sehr guten Wärmedurchgang, weil hier kälteträgerseitig der größte Transportwiderstand vorliegt. Der zylindrische Behälter wird nach seiner Evakuierung mit dem Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, unter Berücksichtigung von Temperatur, Dichte und Masse nachhaltig so gefüllt, dass die obere Wendel bei jedem nachfolgenden Betriebszustand frei bleibt, während die untere Wendel von flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand völlig geflutet ist. Dies setzt erfindungsgemäß die Berücksichtigung eines angemessenen Abstandes zwischen den beiden Rohrwendeln voraus. Dieser kann mit Hilfe der Stoffwerte des Zwischenmediums berechnet werden. Er entspricht in etwa dem Durchmesser der Rohrwendeln. Kennzeichnende Stoffwerte des Zwischenmediums Propan sind Folgende: Bei 25°C beträgt der Druck des Propans (Sattdampf und Flüssigkeit im Siedezustand befinden sich im Phasengleichgewicht.) ca. 9,6 bar. Die Dichte der Flüssigkeit beträgt dann ca. 492 kg/m³. Bei –70°C stellt sich das Phasengleichgewicht bei ca. 0,27 bar ein. Die Dichte der flüssigen Phase ist dann ca. 612 kg/m³. Mit Hilfe der beabstandeten Anordnung der Rohrwendeln im Behälter und mit deren Dimensionierung, sprich Konzipierung der Wärmeübertragungsflächen, die die Temperatur des im Naturumlauf verdampfenden und kondensierenden Zwischenmediums festlegt und eine inhärente Sicherheit derart erreicht, dass das mit dem Abschalten des Wärmeaustauschers durch Unterbrechung des Kälteträger- und des LNG-Massenstromes einhergehende thermische Gleichgewicht nie zu einer Erstarrung des Kälteträgers führt.
Ausführungsbeispiel
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel ist auf die Regasifizierung von tiefkalten in einem Satelliten-Tanklager gelagerten verflüssigtem Erdgas LNG (Liquified Natural Gas) bezogen. Bei 1 bar LNG-Lagerdruck beträgt dessen Temperatur ca. –162°C und bei 5 bar LNG-Lagerdruck ca. –138°C.
Als Ausführungsbeispiel wird der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher für Kälteträger-Temperaturniveaus oberhalb von –60°C und für Kälteleistungen im Bereich unterhalb 100 kW nachfolgend an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Er ist zur Realisierung eines Verfahrens zur Rückgewinnung von Kälte aus verflüssigtem Erdgas (LNG) vorgesehen. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ist in 1 als Schnitt entlang seiner vertikalen Systemachse dargestellt. Es handelt sich um einen Behälter in Vertikalausrichtung, der aus einem Zylinder 1 mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden 2 bzw. 3 zusammengesetzt und mit einer Isolierung 5 ganzheitlich ummantelt ist. Im Bereich des oberen Klöpperbodens 2 ist eine Rohrwendel 6 und am unteren Klöpperboden 3 eine Rohrwendel 7 mittelbar oder unmittelbar jeweils in frei in das Behälterinnere hineinragender Weise angeordnet. Die Befestigung am Behälter ist jeweils nur einseitig realisiert. Zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters ist dieser mit dem Zwischenmedium 8, nämlich Propan 8 gefüllt, welches damit sicher gekapselt ist. Der Füllstand 9 des flüssigen Zwischenmediums 8 im Behälter ist so eingestellt, dass die obere Rohrwendel 6 bei jedem Betriebszustand von gasförmigen Zwischenmedium 8.1 umgeben und die untere Rohrwendel 7 mit flüssigem Zwischenmedium 8.2 geflutet ist. Dazu ist zwischen den beiden Rohrwendeln 6 und 7 ein angemessener Abstand von etwa dem Durchmesser der Rohrwendel 6 bzw. 7 vorhanden und die entsprechende Masse des Zwischenmediums 8 in den Behälter eingefüllt. Der Behälter und die Rohrwendeln 6 und 7 sind vorteilhaft aus Edelstahl gefertigt. Damit sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit garantiert.
Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan-Sattdampf 8.1 an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit LNG erfolgt somit über die obere Rohrwendel 6. Diese ragt, wie bereits ausgeführt, von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Das hat den Vorteil, dass mechanische Spannungen in Folge der im Betrieb auftretenden großen zeitlichen Temperaturänderungen ausreichend vermieden werden. Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige, siedende Propan 8.2 erfolgt an der unteren Rohrwendel 7. Da die untere Rohrwendel 7 in gleiche Art und Weise mit dem unteren Bereich des Behälters mechanisch verbunden ist, ergeben sich die beschriebenen Vorteile dieser Anbringung für diese analog zur oberen Rohrwendel 6. Als Kälteträger kommt im gewählten Bespiel Therminol D12 zum Einsatz.
Der beschriebene erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ermöglicht somit einen effektiven Wärmetransport vom zu kühlenden Kälteträger an das siedende Zwischenmedium 8.2 im Bereich der unteren Rohrwendel 7 und vom kondensierenden, gasförmigen Zwischenmedium 8.1 an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit im Bereich der oberen Rohrwendel 6. Der Naturumlauf des Zwischenmediums kommt durch das Abtropfen des Kondensates von der oberen Rohrwendel 6 zu Stande.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder,
2: oberer Klöpperboden,
3: unterer Klöpperboden,
4: Drucktransmitter,
5: Isolierung,
6: obere Rohrwendel,
7: untere Rohrwendel,
8: Zwischenmedium/Propan,
8.1: Zwischenmedium/Propan, gasförmig, kondensierend/Propan-Sattdampf,
8.2: Zwischenmedium/Propan, flüssig bzw. siedend,
9: Füllstand des flüssigen Zwischenmediums 8/Propan 8 im Siedezustand,
10: Zufluss des LNG zur Rohrwendel 6 und Abfluss des regasifizierten LNG,
11: Sicherheitsventil,
13: Vorrichtung zum Entleeren und Befüllen mit Zwischenmedium 8/Propan 8
14: Zufluss und Abfluss des Kälteträgers über die Rohrwendel 7.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011081673 [0003]
US 6089022 [0003]
US 6367265 [0003]
US 6367429 [0003]
WO 2004031644 [0003]

Claims

Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten, nämlich verflüssigtem Erdgas (LNG), verflüssigtem Stickstoff (LN2) oder verflüssigtem Sauerstoff (LO2), für Kälteleistungen im Bereich unter 100 kW, bei dem die Kälte der tiefkalten Flüssigkeit zunächst auf ein Zwischenmedium (8) und anschließend von diesem auf einen flüssigen Kälteträger übertragen wird, wobei der Kälteträger bis hinab zu einem Temperaturniveau von –60°C ohne Phasenwechsel bleibt und damit sicher pumpbar ist, die Wärmeübertragung durch Verdampfen und Kondensieren ohne Pumpeneinsatz im Naturumlauf im Wärmeaustauscher erfolgt und die Temperatur des Zwischenmediums (8) im Bereich von –20°C bis –100°C durch die Konzipierung der Wärmeübertragung und der sie treibenden Temperaturdifferenzen frei wählbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Einen Behälter in Vertikalausrichtung, bestehend aus einem Zylinder (1) mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden (2; 3), der ganzheitlich mit einer Isolierung (5) ummantelt ist, – Anordnung einer Rohrwendel (6) im Bereich des oberen Klöpperbodens (2) und einer Rohrwendel (7) im Bereich des unteren Klöpperbodens (3) bei Einhaltung eines Abstandes zwischen den Rohrwendeln (6 und 7), – Befüllung des hermetisch geschlossenen Behälters mit dem dadurch gekapseltem Zwischenmediums (8) zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des Behälters mit einem Füllstand (9) zwischen der oberen Rohrwendel (6) und der unteren Rohrwendel (7), wobei die untere Rohrwendel (7) bei jedem Betriebszustand mit flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) geflutet ist während die obere Rohrwendel (6) von Sattdampf (8.1) umgeben ist, der im Betrieb bei Wärmeabgabe an der Rohrwendel (6) kondensiert, – Realisierung des Wärmetransports vom kondensierenden Zwischenmedium (8.1) an die zu regasifizierende tiefkalte Flüssigkeit (LNG) durch Zu- und Abfluss (10) der Selben über die Rohrwendel (6), – Realisierung des Wärmetransports vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium (8.2) durch Zu- und Abfluss (14) des Kälteträgers über die Rohrwendel (7).
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrungstemperatur des flüssigen Kälteträgers unter –60°C liegt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenmedium (8) Propan (8) ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung mittel der apparativen und konstruktiven Gestaltung der Strömungen und der Wärmeübertragungsflächen der Rohrwendeln (6 und 7) so festlegbar ist, dass das mit dem Abschalten des Wärmeaustauschers durch Unterbrechung des Kälteträger- und LNG-Massenstroms einhergehende thermische Gleichgewicht nie zu einer Erstarrung des Kälteträgers führt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohrwendeln (6 und 7) ein berechenbarer Abstand von wenigstens dem Durchmesser der Rohrwendel (6 bzw. 7) realisiert ist, der sicherstellt, dass die obere Rohrwendel (6) bei jedem Betriebszustand von Sattdampf (8.1) umgeben und die untere Rohrwendel (7) von flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) völlig geflutet ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwendeln (6 und 7) jeweils frei in das Behälterinnere hineinragen bei jeweils einseitiger Befestigung am Behälter.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter und die Rohrwendeln (6 und 7) aus Edelstahl gefertigt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Rohrwendeln (6 und 7) jeweils eine Kreisströmung realisiert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Turbulatoren eingesetzt sind.