DE2133582C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE-OS 19 09 478 beschrieben. In einer Turbine wird die erzeugte Energie von einer energieverzehrenden Vorrichtung aufgenonv men und in die Abgasöffnung der Turbine ein Verdampfer für das verflüssigte Erdgas gebracht, so daß die Abgaswärme zum Verdampfen dieses Erdgases benutzt werden kann. Die energie verzehr ende Vorrichtung kann beispielsweise ein von der Turbine angetriebener elektrischer Generator sein, und die Turbinenzuluft kann durch den Verdampfer zusätzlich vorgekühlt werden. Bei diesem Verfahren besteht der Nachteil, daß der Wärmetauscher für das verflüssigte Erdgas den relativ heißen und aggressiven Abgasen der Turbine direkt ausgesetzt ist Dadurch können nach relativ kurzer Betriebszeit an den Wärmetauscher Kanälen Lecks entstehen, die das Austreten von Erdgas zur Folge haben. Durch die heißen Abgase kann eine Entzündung des Erdgases erfolgen, wodurch Explosionen und daraus folgende Beschädigungen der gesamten

is Anlage auftreten könne:!.

In der US-PS 31 35 247 ist ein weiteres Verfahren zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten beschrieben, bei dem eine Vorwärmung der Verbrennungsluft einen hohen Wirkungsgrad der Verbrennung ergibt und gleichzeitig eine sehr rasche Anpassung der an den Wärmetauscher abgegebenen Wärmemenge an den jeweils vorliegenden Erdgasbedarf ermöglicht werden soll. Auch bei diesem Verfahren bestehen grundsätzlich die gleichen Nachteile wie bei dem erstgenannten Verfahren.

Zur Vermeidung des direkten Kontakts der heißen Verbrennungsgase mit den Wärmetauscherröhren wird in der US-PS 33 68 548 ein Verfahren Geschrieben, bei dem die Wärme der heißen Verbrennungsgase nicht direkt, sondern über als Zwischenmedium dienendes Wasser den Wärmetauscherleitungen zugeführt wird. Dabei ist zwar die Gefahr von Explosionen bei Entstehen von Lecks weitgehend ausgeschaltet, jedoch erfordert ein derartiges Verfahren eine platzraubende, teure und komplizierte Vorrichtung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Gattung zu schaffen, mit dem auf einfache und unkomplizierte Weise die Gefahr durch austretende kryogene Flüssigkeit vermieden und dennoch ein hoher Wärmeübergangswirkungsgrad erzielbar ist, sowie eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Durch dieses Verfahren wird ein beträchtlicher Teil des Wärmeinhalts der Abgase in Verdampfungswarme des eingesprühten Wassers umgewandelt. Damit wird die Temperatur des Abgasstroms so weit erniedrigt, daß sowohl die Korrosionsgefahr für die Wärrcstauscherleitungen herabgesetzt als auch die Gefahr der Entzündung bei Verwendung von Erdgas als kryogener Flüssigkeit ausgeschaltet ist. Der hohe Dampfanteil in dem Heißgas-Wasserdampfgeuiisch des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt eine Kondensation des Wassers an den vergleichsweise kalten Außenwänden des Wärmetauschers. Auf diese Weise wird die Kondensationswärme des Wasserdampfs frei und die Wärmeübertragung auf die Außenwände des Wärmetauschers ist besonders wirkungsvoll.

Als besonders wirkungsvoll erweist sich ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2. Es läßt sich auf diese Weise die Gefährdung der Wärmetauscher-Außenwände praktisch ausschal-

ten. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird dadurch stark erhöht.

Eine Ausbildung des Verfahrens nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 3 ergibt eine weitere

Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäQen Verfahrens.

In vorteilhafter Weise wird das Verfahren in der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 4 festgelegten Vorrichtung durchgeführt. Eine derartige Vorrichtung ist gegenüber der bekannten Vorrichtung mit Zwischenmedium besonders einfach und relativ billig in der Herstellung und bietet auch gegenüber den anderen bekannten Vorrichtungen insofern Vorteile, als wegen der möglichen niedrigeren Temperaturen einfachere Werkstoffe verwendet werden können. Besondere Vorteile bieten sich mit einer Vorrichtung, die nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 weitergebildet ist, da diese Vorrichtung eine besonders innige Durchmischung des Heißgasstromes mit Wasserdampf ermöglicht und die Rückführung des an den Wärmetauscher-Wandungen kondensierenden Wassers erleichtert.

Wird die Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 weitergebildet, so ist eine Regelung der gesamten Anlage besonders vereinfacht, da durch eine Erhöhung der Brennerhistung die durch die Heißgasturbine an die Pumpen weiten»egebpne Leistung erhöht wird und so eine Erhönung der Brennerleistung automatisch die kritischen Werte der gesamten Anlage regelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Vorrichtung zum Aufheizen kryogener Flüssigkeiten und

F i g. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fi g. 1.

Die in F i g. 1 beispielsweise dargestellte bevorzugte Ausführung einer Vorrichtung zum Erwärmen kryogener Flüssigkeiten umfaßt eine Wärmequelle, die in der dargestellten Art beispielsweise ein Düsenbrenner 10 ist, mit einer Verbrennungsgasleiteinrichtung 12. An diese Leiteinrichtung 12 schließt sich eine sich zunehmend erweiternde Leitwand 14 an, die eine Kammer 20 bildet, in der die Geschwindigkeit der Abgase vermindert wird und in der die Abgase oder Verbrennungsgase des Brenners die Flächen von Windungen 16 umspülen, in der eine kryogene Flüssigkeit, beispielsweise verflüssigtes Erdgas enthalten ist. Durch die sich erweiternde Kammer wird die Berührungszeit zwischen dem sich verlangsamenden Gasstrom und den Wärmeübertragungsfiächen der Windungen 16 erhöht.

Im Anfang des sich erweiternden Bereichs der Kammer 20 ist ein Vielfachverteilerkopf zum Einsprühen von Wasser angeordnet, der in der dargestellten Ausführung aus zwei konzentrisch angeordneten, ringförmigen Sprührohren 22 und 23 besteht, die sich im Entspannungsabschnitt 24 zwischen der Verbrennungsgas-Leiteinrichtuni' 12 und der Kammer 20 befinden. Zum Einspritzen von Wasser sind die Rohre des Sprühkopfes mit auf dem gesamten Umfang der Rohre in der Strömungsrichtung der Abgase angeordneten Sprühöffnungen 26 (oder vorzugsweise Düsenöffnungen) versehen. Der Sprühkopf ist durch Rohrleitungen 28 und 29 mit einer Wasser-Einspritzpumpe 30 verbunden, die dem Sprühkopf ständig Sprühwasser zuführt

Im Betrieb wird Wasser aus dem Verteiler 22, 23 unter genügend großem Druck in die vorbeiströmenden Verbrennungsgase eingespritzt, so daß an den Einsprühöffnungen die bei 32 angedeuteten, divergierenden Sprühnebel über die gesamte Querschnittsfläche der Verbrennungsgase entstehen.

ίο Die Wärme des Gasstroms teilt sich dem eingesprühten Wasser mit, dieses verdampft und senkt dadurch die Temperatur des entstehenden Verbrennungsgas/Wasserdampf-Gemisches. Die beim Verdampfen absorbierte Wärmemenge Q₃ ist definiert durch

ft= M(C-At+ h"),

wobei M die Masse des eingesprühten Wassers, c die spezifische Wärme des Wassers, At der Temperaturunterschied zwischen dem eintretenden Wasser und dem Wasserdampf und A"die Verdampfungswärme bei der Dampftsmperatur ist.

Während so der Temperaturgra'. '.nt der die Wärmeübertragungsfiächen der Windungu-n *6 des Wärmetauschers umspülenden Gase herabgesetzt wird, sorgt die entstehende Zusatzmenge von Wasserdampf für eine wirksame Wärmeübertragung auf diese Wärmeübertraeungsflächen. Durch die an diesen Flächen sich ergebende Kondensation des Wasserdampfs ergibt sich eine wirksamere und gleichmäßigere Wärmeübertragung auf den Wärmetauscher, als es durch den Kontakt mit den Verbrennungsgasen allein möglich wäre. Gleichzeitig entsteht um den Wärmetauscher ein inertes Gemisch mit hohem Wasserdampfanteil. In der Praxis wird die günstigste Anbringung des Wassersprühkopfes 22, 23, d. h. sein Abstand vor den Wärmetauscherwindungen 16 empirisch bestimmt. Dabei muß der Abstand so groß sein, daß das versprühte Wasser bzw. eine etwaige andere Flüssigkeit vollständig verdampft ist, bevor das entstehende Dampf/Gas-Gemisch die Flächen der Wärmetauscherwindungen erreicht.

Schließlich werden die Abgase zusammen mit etwa noch verbliebenem Wasserdampf über einen Kamin od.r Abgasschacht 34 abgezogen. Der durch Berührung -mit den Wärmetauscherflächen kondensierte Anteil des Wasserdampfes sammelt sich bei 36 in einei Vertiefung am Boden der Kammer 20, wird von dort mittels einer Kondensat-Rückführpumpe 38 abgezogen und in den Kreislauf an den Einlaß der Wassereinspritzpumpe 30 zurückgeführt. Zur Rückgewinnung der noch in den entweichenden Abgasen verbliebenen Feuchtigkeit kann ein üblicher Wasserabscheider in dem Abzugsrohr 34 angebracht werden, wie es bei 35 angedeutet ist.

Die kryogene Flüssigkeit, bevorzugterweise flüssiges Erdgas (fl. EG.) wird von einem Vorrat durch die Leitvng 41 zur Pumpe 42 zugeführt und von ihr durch die Wärmetauscherwindungen 16 gedrückt, worauf das verdampfte Erdga: (EG) bei 44 zu einem Speicher oder zum Verbraucher abgezogen wird. Der Antrieb der genannten Pumpen 30,38 und 42 geschieht über eine mit 40 angedeutete Verbindung durch eine Heißgasturbine, die stromab des Bf <;nners 10 angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten bei dem durch Verbrennung ein hocherhitztes Gas erzeugt und durch einen von der kryogenen Flüssigkeit durchströmten Wärmetauscher geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß der Verbrennung und um einen zur Verdampfung ausreichenden Zeitraum vor dem Wärmetausch eine solche Menge Wasser in den Heißgasstrom eingesprüht wird, daß an den Wänden des Wärmetauschers eine Wasser-Kondensation stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verdampfung von verflüssigtem Erdgas eine so große Menge Wasser in den Heißgasstrom eingesprüht wird, daß das entstehende Gas-Wasserdampf-Gemisch im wesentlichen inert ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Wänden des Wärmetauschers kondensierende Wasser gesammelt und wieder in den Heißgasstrom eingesprüht wird.

4. Vorrichtung für ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen kontinuierlichen Strom hocherhitzter Verbrennungsgase liefernder Brenner (10) vorgesehen ist, daß an den Brenner anschließend eine Leiteinrichtung (12) für die Verbrennungsgase vorgesehen ist, daß sich die Leiteinrichtung zu einer Wärmetausuikammer (20) erweitert, daß in Gasstromrichtung am Anfing de; Wärmetauschkammer (20) eine Wasser-Sprihanordnung (22, 23, 26) angeordnet ist und daß mii einem Abstand in Richtung der strömenden Gase von dieser Anordnung in dem Gasstrom liegende Wärmetauschkanäle (16) für die kryogene Flüssigkeit angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassersprüheinrichtung aus konzentrischen, in einer Ebene liegenden Ringrohren (22, 23) besteht, in die gasabstromseitig Sprühöffnungen (26) eingearbeitet sind, und daß die Kammer (20) unterhalb der Wärmetauschkanäle mit einer wannenförmigen Vertiefung (36) versehen ist, an die eine Kondensat-Rückführpumpe (38) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasser-Einspritzpumpe (30), die Kondensat-Rückführpumpe (38) und eine Pumpe (42) für die kryogene Flüssigkeit von einer zwischen dem Brenner (10) und der Wassersprüheinrichtung (22, Z3, 26) vorgesehenen Heißgasturbine angetrieben sind.