DE3225299A1

DE3225299A1 - Waermetauscher, insbesondere fuer das cargomedium eines fluessiggastankers

Info

Publication number: DE3225299A1
Application number: DE19823225299
Authority: DE
Inventors: Drago Dipl.-Ing. 5020 Frechen Kober; Erich Dipl.-Ing. 5047 Wesseling Martin
Original assignee: Kober drago Dipl-Ing
Current assignee: Kober drago Dipl-Ing
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1984-01-12
Also published as: DE3225299C2

Description

Wärmetauscher, insbesondere für das Cargomedium eines Flüssiggastankers

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere Rekupator als Verdampfer oder Anwärmer für das Cargomedium eines Flüssiggastankers,mit einer unteren Rohrbünde lanordnung, deren Rohrraum von einer Flüssigkeit, insbesondere Seewasser, durchströmbar ist, mit einer oberen Rohrbünde lanordnung, deren Rohrraum von dem Cargomedium durchströmbar ist, mit die Außenräume dieser beiden Rohrbündelanordnungen verbindenden Leitmitteln, insbesondere Rohren und Leitblechen, von denen mindestens eins für die Flüssigphase und mindestens eins für die Dampfphase eines Zwischenmediums, vorzugsweise des Cargomediums, vorhanden ist, und wobei die Außenräume der beiden Rohrbündelapparate durch einen gemeinsamen Mantel oder durch zwei, durch die Leitmittel verbundene Mantel gebildet sind.

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Art, siehe beispielsweise das Betriebshandbuch I der MT GAZ PACIFIC, wird der Wärmetauscher durch zwei Einzelwärmetauscher bzw. Rohrbündelapparate gebildet, die übereinander angeordnet sind und jeweils im Wesentlichen aus einem Rohrbündel und einem, den zugehörigen Außenraum begrenzenden,zylinderförmigen Mantel bestehen.

Der Rohrraum des unteren Rohrbündelapparates kann an eine Flüssigkeit, insbesondere Seewasser, angeschlossen werden. Der Rohrraum des oberen Rohrbündelapparates ist für den Anschluß an ein zu verdampfendes oder anzuwärmendes Cargomedium ausgerüstet. Die beiden Mäntel und somit die beiden Außenräume sind über im Wesentlichen vertikal verlaufende Rohre miteinander verbunden. In dem so gebildeten Gesamtraum aus den beiden Mantelräumen bzw. Außenräumen befindet sich ein Zwischenmedium, das zumeist mit dem Cargomedium identisch ist und sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet, der durch die als Rohre ausgebildeten Leitmittel geführt wird. Die Wärmeübertragung und der Kreislauf werden durch Verdampfen und Kondensation dieses Zwischenmediums erreicht.

Möglich ist jedoch auch eine Ausbildung dieses bekannten Wärmetauschers in einer Form, in der beide Rohrbündel in ein und demselben Mantel untergebracht sind. Die Außenräume sind dann über als Leitbleche ausgebildete Leitmittel miteinander verbunden.

Der auf der "GAZ PACIFIC" eingesetzte Wärmetauscher dieser Art hat eine Wärmeleistung von knapp 1,2 MW. Er kann 42,5 t/h Ammoniak mit einer Eintrittstemperatur von -33°C auf eine Austrittstemperatur von -10"C erwärmen. Hierzu werden 3 50 m³/h Seewasser benötigt, die z„B. mit einer Temperatur von 15°C in den unteren Rohrbündelapparat eintreten und ihn mit einer Temperatur von 12"c verlassen. Allgemein wird die Austrittstemperatur des erwärmten Cargomediums so geregelt, daß der Massenfluß von der minimal.' zulässigen Temperatur abhängt.

Wenn die an das Cargomedium einen Teil des fühlbaren' Wärmeinhalts abgebende Flüssigkeit, ζ ^B. also Seewasser, eine ausreichend hohe Temperatur über O⁰C besitzt, arbeitet dieser bekannte Wärmetauscher problemlos. Hat allerdings die Flüssigkeit eine niedrige Temperatur, befindet sich z.B. der Flüssiggastanker in Zonen mit kälterem Seewasser, z.B. im nördlichen Nordatlantik, so kann die Gefahr auftreten, daß das Seewasser im Wärmetauscher einfriert. Aus Sicher- _fl heitsgründen und um dies zu verhindern, wird eine Austrittstemperatur der Flüssigkeit bzw. des Seewassers von 5°C nicht unterschritten. Bei Absinken der Flüssigkeitstemperatur unter diesen Temperaturwert oder aber auch bei einer Unterbrechung des Zuflusses an Flüssigkeit wird die Zufuhr weiteren, anzuwärmenden oder zu verdampfenden Cargomediums gedrosselt bzw. gestoppt, der Wärmetauschvorgang also unterbrochen. In diesem Fall besteht keine Möglichkeit, das Cargomedium wie gewünscht anzuwärmen oder zu verdampfen.

Typische Cargomedien für die Flüssiggastanker sind Propan (auch sog. commercial propan)., Butan, Ammoniak und Kohlen—

Wasserstoffe verschiedener Art, auch in Form von Gasgemischen. Für derartige Cargomedien besteht die Notwendigkeit, auch in relativ kalten oder kühlen Zonen unserer Erde ein Verdampfen bzw. Erwärmen vornehmen zu können. Um dies zu erreichen, könnte man nun das an sich zu kalte Seewasser zunächst aufheizen, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, der seinerseits von einer gewärmten Flüssigkeit, z.B. Thermalöl, durchströmt wird. Hierfür ist jedoch ein vollständiger Wärmetauscher mit kompletter Steuerung und Regelung notwendig. Weiterhin erfordert dieser, dem eigentlichen Wärmetauschvorgang vorgeschaltete Wärmetauscher Energie in Form von Wärme, z.B. zum Ausgleich seiner Verluste, aber insbesondere dann, wenn die Temperatur des den Flüssiggastankers umgebenden Seewassers unter etwa 15⁰C liegt.

Da die Wärmetauscher bedingt durch das Zwischenmedium und eine wirtschaftliche Größe ihrer Wärmetauschflächen üblicherweise bei Seewassertemperaturen unter 15°C nicht ihre Nennleistung erreichen, ist es insbesondere bei relativ niedrigen Seewassertemperaturen nicht zu vermeiden, daß das vorgewärmte und im Wärmetauscher der eingangs genannten Art wieder etwas abgekühlte Seewasser eine höhere Temperatur als das das Schiff umgebende Seewasser hat. Angesichts der hohen spezifischen Wärme von Wasser und der relativ großen stündlichen Wassermenge erkennt man, daß der Verlust an Wärmeenergie bei diesem Vorschlag relativ hoch sein kann. Bei einer Differenz zwischen der Temperatur des Austrittswassers und der Temperatur des das Schiff umgeben-0 den Seewassers von 3°C verschenkt man pro Stunde über 1 Gcal (= 4,19 mal 10^sJ). Ein vorgeschalteter Wärmetauscher hat somit deutliche Nachteile hinsichtlich der zusätzlichen Kosten für den Wärmetauscher selbst einschließlich Steuerrung und Regelung, sowie im Betrieb auf Grund der beschrie-5 benen Energieverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Wärmetauschers der eingangs genannten Art zu vermeiden und diesen Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, daß ohne umfangreiche zusätzliche Maßnahmen, insbesondere Steuer- und Regeleinheiten ein energiegünstiges Verdampfen oder Anwärmen eines Cargomediums auch dann möglich ist, wenn die Temperatur des Seewassers unter etwa 15°C bzw. der Temperatur, für die der Wärmetauscher ausgelegt ist, liegt.
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^w Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zweites, unteres

und von einer gewärmten Flüssigkeit, insbesondere Thermalö.l, durchströmbares Rohrbündel vorgesehen ist, das sich

- entweder im Außenraum der ersten, unteren Rohrbünde1-

anordnung befindet,

- oder Teil eines getrennten Rohrbündelapparates ist, der über mindenstens ein Rohr für die Flüssigphase und mindestens ein Rohr für die Dampfphase mit dem Außenraum der oberen Rohrbündelanordnung verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird also ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem entweder die beiden Rohrbündel der unteren Rohrbündelanordnungen in einem gemeinsamen Außenraum oder in getrennten Außenräumen, also getrennten Mänteln, angeordnet sind. Im ersten Fall kann das obere Rohrbündel in demselben Mantel wie die beiden unteren Rohrbündelanordnungen untergebracht sein, so daß der gesamte Wärmetauscher nach außen einstückig erscheint, insbesondere die Form eines Zylinders hat. Im ersten Fall oder im zweiten Fall kann das Rohrbündel des oberen Rohrbünde lapparates aber auch in einem getrennten Mantel untergebracht sein, so daß sich neben der soeben beschriebenen einstückigen Ausführung noch zwei Ausführungen ergeben, bei denen der erfindungsgemäße Wärmetauscher im Wesentlichen aus entweder zwei, übereinander angeordneten Zylindern (oder entsprechenden Körpern) oder aus drei einzelnen

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Teilen, insbesondere Zylindern, aufgebaut ist.

Gegenüber dem bekannten Wärmetauscher der eingangs genannten Art wird praktisch keine zusätzliche Steuerungs- oder Regeleinrichtung benötigt, vielmehr kann die am bekannten Wärmetauscher ohnehin vorhandene Steuer- und Regeleinheit, unabhängig davon, welche der beiden unteren Rohrbündel die Wärme liefert, eingesetzt werden. Dadurch werden einerseits Herstellungskosten gespart, andererseits aber ist die Steuerung und Überwachung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch das Bedienungspersonal deutlich vereinfacht.

Besonders vorteilhaft ist die mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zu erreichende Energieeinsparung. Das Thermalöl gibt seine Wärme direkt an das Zwischenmedium ab, ohne erst indirekt Seewasser vorzuheizen. Damit wird nur diejenige Wärmemenge über das Thermalöl zugeführt, die für das Verdampfen und Anwärmen des Cargomediums tatsächlieh erforderlich ist, insbesondere wird hinter dem Austritt des Wärmetauschers kein Seewasser in die See zurückgegeben, das eine höhere Temperatur als die Temperatur des das Schiff umgebenden Seewassers hat. Schließlich erfordert der erfindungsgemäße Wärmetauscher, insbesondere in seiner Ausführung mit nur einem, allen drei Rohrbündeln gemeinsamen Mantel, mit zwei getrennten Mänteln, von denen der untere die beiden unteren Rohrbündel aufnimmt oder mit drei getrennten Mänteln immer noch wenig Platz und auch vergleichbar geringe Herstellung- und Wartungskosten.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Mischbetrieb der beiden unteren Rohrbündel vorgeschlagen. Bei Seewassertemperaturen, die im Bereich derjenigen Temperatur liegen, für die der Wärmetauscher berechnet ist, kann demnach ein Teil der für das Anwärmen oder Verdampfen des Cargomediums benötigten Wärme dem Seewasser entnommen werden, der andere Teil wird über die gewärmte Flüssigkeit, also insbcson-

dere das Thermalöl/ zugeführt. Dabei ist ein serieller oder ein paralleler Mischbetrieb möglich.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

- Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers mit zwei unteren, getrennten Rohrbündelapparaten und einem oberen, ebenfalls separaten Rohrbündelapparat, und

- Fig. 2 eine Ansicht des Wärmetauschers gemäß II-II in Fig. 1.

Der in den Figuren gezeigte Wärmetauscher ist als Rekuperator ausgelegt und dient zusätzlich zu den hier zu erläuternden Funktionen als Verdampfer und Anwärmer auch noch als Kondensator. Auf letzere, an sich bekannte Betriebsweise wird hier jedoch nicht eingegangen.

Der Wärmetauscher setzt sich aus insgesamt drei Rohrbündelanordnungen zusammen, die hier als separate Rohrbündelapparate 10,12 und 14 ausgeführt sind. Der obere Rohrbündelapparat ist mit 10 bezeichnet, der erste untere, mit Seewasser betriebene Rohrbündelapparat trägt die Bezugsziffer 12, während der zweite untere, mit Thermalöl betriebene Rohrbündelapparat die Bezugsziffer 14 hat. Diese drei Rohrbündelapparate 10 bis 14 sind, über mehrere Rohre 16 bis 22 auf die später im Einzelnen eingegangen Wird, miteinander verbunden.

Der obere Rohrbündelapparat 14 hat ein Rohrbündel aus U-Rohren und einen abnehmbaren, verschraubten Stutzen** deckel 24. An diesem sind ein Einlaßflansch 26 und ein Auslaßflansch 28 für ein Cargomedium, z.B. flüssiges Ammoniak, angeschweißt. Der Mantel 30 des oberen Rohrbündelapparates 10 hat eine Gesamtlänge von ca. 4 m und einen

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Außendurchmesser von etwa 60 cm.

Vertikal unterhalb dieses oberen Rohrbünde lapparates .10-befindet sich der erste untere Rohrbündelapparat 12, der hinsichtlich seiner Abmessungen der Größte der drei -Rohrbündel apparate 10 bis 14 ist. Sein als Verdampfer ode"r Anwärmer arbeitendes Rohrbündel ist aus geraden, in Rohrboden eingeschweißten Rohren gefertigt. Er hat an seinem, in Fig. 1 rechten Endbereich einen abnehmbaren, verschraubten Stutzendeckel 32, an dem ein Eintrittsflansch 34 und ein Austrittsflansch 3 6 für Seewasser vorgesehen sind, und am entgegengesetzten Ende einen Umkehrdeckel 38. Seine Gesamtlänge beträgt ca. 5m, sein Außendurchmesser liegt bei 1 m.

Auf gleicher Höhe mit dem Boden des ersten unteren Rohrbündelapparates 12 befindet sich der Boden eines zweiten unteren Rohrbündelapparates 14, der alternativ (gegebenenfalls aber auch im Mischbetrieb) mit dem ersten unteren Rohrbünde!apparat 12 Zwischenmedium ζ verdampft. Sein Rohrbündel ist aus U-Rohren gebildet, er hat einen abnehmbaren, verschraubten Stutzendeckel 40. Sein Rohrbündel ist so angeordnet, daß fast die gesamte obere Hälfte seines Äußenraums, also hier seines Mantelraums frei bleibt und nur die untere Hälfte durch das Rohrbündel ausgefüllt wird. Dadurch wird in bekannter Weise vermieden, daß mit dem Dampf wesentliche Mengen an Flüssigkeit mitgerissen werden.

Die Außenräume und damit die Mantel des ersten unteren Rohrbündelapparates 12 und des oberen Rohrbündelapparates 10 sind in bekannter Weise über Rohe 16 und 18 miteinander verbunden. Die dickeren Rohre 18 für die Dampfphase münden bündig im höchsten Mantelbereich des ersten unteren Rohrbündelapparates 12 und stehen ein Stück in den Mantelraum des oberen Rohrbündelapparates 12 vor, so daß durch sie keine Flüssigkeit zurücklaufen kann. Ebenso wie die dünneren Rohre 16 verlaufen sie auf einer durch die bei-

den Zylinderachsen der beiden Rohrbündelapparate 10 und 12 festgelegten Ebene. Die dünneren Rohre 16 haben etwa ein Drittel des Durchmessers der dickeren Rohre 18, sie münden bündig in die Unterwand, also den Mantel, des oberen Rohrbündelapparates 10, so daß sie von dort alle Flüssigkeit abführen können, und ragen etwa bis zur Mittelachse des ersten unteren Rohrbündelapparates. 12. Sie übertragen die flüssige Phase des Zwischenmediums Z»

In die dickeren Rohre 18 mündet unter einem 65° Winkel seitlich und in ihrer Längenmitte ein Rohr 20 für die Dampfphase, das bündig mit dem Mantel des zweiten unteren Rohrbündelapparates 14 in dessen höchsten Bereich eingeschweißt ist. Insgesamt sind drei derartige Rohre vorgesehen. Ihr Durchmesser liegt bei etwa dem halben Durchmesser der dickeren Rohre 18, in die sie münden.

Im Bereich ihrer tiefsten Stellen schließlich werden die beiden unteren Rohrbündelapparate 12 und 14 über das das tiefste Niveau bildende Rohr 22 miteinander als kommunizierende Gefässe verbunden. Dieses Rohr 20, das etwa nur den halben Durchmesser des Rohrs 20 hat, dient somit dem Ausgleich der Flüssigphase des Zwischenmediums Z.

Die soeben beschriebene Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers eignet sich für die Nachrüstung bereits vorhandener Wärmetauscher der eingangs genannten Art und · mit zwei Einzelapparaten 10, 12. Dabei wird der zweite untere Rohrbündelapparat 14 hinzugefügt. Auf Grund dieser 0 Nachrüstung sind insbesondere auch die angegebenen Durchmesser der Rohre 16 bis 22 bedingt, ihre Durchmesser sind ansonsten nicht eingeschränkt oder festgelegt. Das Rohr 20 könnte auch beispielsweise den oberen Rohrbünde lapparat 10 übergreifen und im oberen Bereich des Mantels 30 dieses Rohrbündelapparates 10 münden. Dadurch aber würde das Rohr 20 langer und die Anordnung etwas sperriger.

Bei Neukonstruktionen könnte eine Vereinigung aller drei Rohrbündelapparate 10 bis 14 oder zumindest der beiden unteren Rohrbündelapparate 12 und 14 wirtschaftlicher sein. Die Aufteilung des gemeinsamen Mantels in Außenräume für die betreffenden Rohrbündelapparate 10 bis 14 bzw. 12 und 14 erfolgt dann nach dem Stand der Technik.

Leerseite

Claims

DR. HER. NAT. WULF BAUER

PATENTANTVAtT 15-5000 KÖXPi 31 (MAItIKNIlUHO)

TEI,. (0221) 38 25 71

KOB 1/82

Anmelder: Dipl.-Ing. D. Kober, Carl-Goerdeler-Str. 8.in. 5020 Frechen - Bachern und Dipl.-Ing. E. Martin, Zeisigweg 41 in 5047 Wesseling _iC_.

Bezeichnung: Wärmetauscher, insbesondere für das medium eines Flüssiggastankers

Ansprüche

/ 1. !Wärmetauscher, insbesondere Rekupator als Verdampfer ^ oder Anwärmer für das Cargomedium eines Flüssiggastankers,,

*- mit einer unteren Rohrbündelanordnung, deren Rohrraum. von einer Flüssigkeit, insbesondere Seewassar, durchströmbar ist,

- mit einer oberen Rohrbündelanordnung, deren Rohrraum von dem Cargomedium durchströmbar ist, - mit die Außenräume dieser beiden Rohrbündelanordnungen verbindenden Leitmitteln, insbesondere Rohren oder Leitblechen, von denen mindestens eins für die Flüssigphase und mindestens eins für die Dampfphase eines Zwischenmediums, vorzugsweise des Cargomediums, vorhanden ist, und

- wobei die Außenräume der beiden Rohrbündelapparate durch einen gemeinsamen Mantel oder durch zwei, durch die Leitmittel verbundene Mantel gebildet sind,

2Q dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, unteres und von einer gewärmten Flüssigkeit, insbesondere Therrnalöl, durchströmbäres Rohrbündel vorgesehen ist, das sich

- entweder im Außonrnuni <\or ογκΙ.ιμι, unLonm Kohrbündn] -

anordnung (12) befindet,

- oder Teil eines getrennten Rohrbündelapparates (14) ist, der über mindestens ein Rohr (22) für die Flüssigphase und mindestens ein Rohr (20) für die Dampfphase mit dem Außenraum der oberen Rohrbündelanordnung (10) verbunden ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Teil eines getrennten Rohrbündelapparates

(14) bildende zweite untere Rohrbündel einen Mantel hat, in dem ein Rohr (20) für die Dampfphase eingeschweißt ist, das in das Rohr (18) für die Dampfphase oder in den oberen Bereich des Außenraumes der oberen Rohrbündelanordnung mündet, und daß ein die Mantel der beiden unteren, voneinander getrennten Rohrbündelapparate (12,14) in Form von kommunizierenden Gefässen verbindendes Rohr (22) vorgesehen ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefsten Stellen der Außenräume der beiden Rohrbündelanordnungen (12,14) auf gleichem Niveau liegen.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel der drei Rohrbündelanordnungen (10,12,14) im Wesentlichen dieselbe Länge haben.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rohren (16 bis 22) oder im Bereich ihrer Mündungen Drossel- oder Sperrorgane vorgesehen sind.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu der gesamte obere Halbraum des Außenraums der zweiten unteren Rohrbündelanordnung (14) ein Freiraum ist, in dem sich keine- Rohre des Rohrbündels dieser Rohrbünde!anordnung (140 befinden.