DE3626359A1

DE3626359A1 - Verdampfer sowie verfahren zum verdampfen eines fluids

Info

Publication number: DE3626359A1
Application number: DE19863626359
Authority: DE
Inventors: Detlev Dipl Ing Dr Ing Ringer; Wilhelm Dipl Ing Samaga
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1986-08-04
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1988-02-11
Anticipated expiration: 2006-08-05
Also published as: DE3626359C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer mit in einem Flüssigkeitsbad verlaufenden Rohren zur Führung eines zu verdampfenden Fluides sowie mit einem in das Flüssigkeitsbad eintauchenden Dampfinjektor.

Verdampfer, deren Wärmetauschflächen sich in einem dampfbeheizten Flüssigkeitsbad befinden, werden vorzugsweise zum Verdampfen von tiefsiedenden, verflüssigten Gasen, wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff, LNG, Erdgasprodukten usw. verwendet. Je nach Art und Menge des zu verdampfenden Fluides reicht der Wärmeinhalt des Flüssigkeitsbades allein nicht aus, um die Verdampfung zu gewährleisten und um zu verhindern, daß sich an den Wärmetauschflächen ein übermäßiger Eisansatz bildet. Um diesen Randbedingungen zu entsprechen, ist es daher in vielen Fällen erforderlich, das Flüssigkeitsbad zu beheizen und die Flüssigkeit gegebenenfalls umzuwälzen. Die Beheizung wird mit Vorteil durch Einblasen von Dampf in das Flüssigkeitsbad vorgenommen, wobei hier zugleich durch die aufsteigenden Dampfblasen eine Umwälzung der Flüssigkeit erfolgt.

Allerdings ergeben sich aufgrund der Dampfeinspeisung Probleme, so kann des an den kalten Phasengrenzflächen zu Dampfschlägen kommen, wenn Dampf schlagartig kondensiert. Die durch die Dampfschläge freigesetzten Kräfte führen zu einer starken mechanischen Belastung. Derartige Verdampfer sind daher sehr empfindlich gegenüber Änderungen des Lastverhaltens, d. h. Änderungen der Dampfmenge. Es kommt, insbesondere im Niederlastbereich, verstärkt zu Dampfschlägen durch Rückströmung von kalter Flüssigkeit in das Dampfsystem.

Die Verdampfer werden bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine rasche Änderung des Lastbereiches (oft von 0 auf 100% Last in wenigen Sekunden) erfolgt. Dabei kommt es im Apparat durch schnelle Temperaturänderungen zu mechanischen Spannungen (sogenannter Thermoschockbeanspruchung).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer der eingangs genannten Art zu entwickeln, der eine geringe Störanfälligkeit im gesamten Lastbereich aufweist. Insbesondere sollen Dampfschläge bei der Einspeisung von Dampf über den gesamten auftretenden Lastbereich vermieden und beherrscht, eine hohe mechanische Stabilität erreicht und ein hoher Wärmeübergangswert erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rohre schraubenförmig gewickelt sind, der Rohraußendurchmesser zwischen 15 und 50 mm, der Abstand benachbarter Rohre mindestens 5 mm und das Verhältnis Wicklungshöhe/Wicklungsaußendurchmesser zwischen 1,0 und 3,0 beträgt.

Es hat sich gezeigt, daß die Leistung eines solchen Verdampfers stark von der gewählten Geometrie abhängt. Um zugleich eine möglichst hohe Stabilität gegenüber mechanischen Einflüssen sowie einen guten Wärmeübergang vom Flüssigkeitsbad auf das zu verdampfende Fluid zu erreichen, müssen die Dimensionierung der Rohre und der Rohrabstand im angegebenen Bereich liegen. Obgleich die Anforderungen hinsichtlich Stabilität, Wärmeübergang und Lastverhalten dem Anschein nach einander widersprechen, hat sich in Praxis doch gezeigt, daß beim erfindungsgemäßen Verdampfer allen Anforderungen optimal entsprochen werden kann.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verdampfers sind die Rohre um ein Kernrohr gewickelt und der freie Querschnitt des Kernrohres beträgt zwischen dem 0,5- und 2fachen des freien Querschnitts der Wicklung.

Die Verwendung eines Kernrohres erhöht die Stabilität der mantelseitigen Flüssigkeitsströmung und verringert die Gefahr von Erosion. Überdies lassen sich besser definierte Betriebszustände einstellen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist der Dampfinjektor durch ein oder mehrere mit Dampfblasenaustrittsöffnungen versehene Rohre gebildet, die im Bereich der Wickelachse angeordnet sind.

Die Dampfaustrittsöffnungen befinden sich bei einer vertikal ausgerichteten Wickelachse im unteren Bereich des Wickelkerns oder darunter. Der austretende Dampf kondensiert innerhalb des Kernrohrbereichs, so daß es zu einer aufwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung kommt. Dadurch bildet sich eine natürliche Umwälzströmung, wobei die Rohre von einem nach unten gerichteten Flüssigkeitsstrom bestrichen werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes beträgt der Durchmesser der Dampfblasenaustrittsöffnungen 4 bis 8 mm, vorzugsweise 6 mm.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird eine Heizflächenbelastung für die Rohre von maximal 50 000 W/m² eingestellt.

Die Heizflächenbelastung wird durch die Bereitstellung einer ausreichenden Heizfläche, d. h. Anzahl von Rohren, je nach dem Einsatzzweck des Verdampfers, unterhalb dieses Grenzwerts eingestellt.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Verdampfen eines Fluides durch Wärmetausch mit einem Flüssigkeitsbad, bei dem Dampf in das Flüssigkeitsbad eingeleitet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens zwei Dampfzuleitungssysteme vorgesehen sind und der Dampf bis zu einer vorgegebenen Höchstmenge ausschließlich durch ein erstes Dampfzuleitungssystem und bei einer die vorgegebene Höchstmenge überschreitenden Menge ausschließlich oder zusätzlich durch ein oder mehrere andere Dampfzuleitungssysteme zugeführt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein sehr weiter Lastbereich abgedeckt. Wenn das Dampfzuleitungssystem für große Dampfmengen ausgelegt ist, dann ergibt sich das Problem, daß bei niedrigen Dampflasten, (z. B. im Bereich zwischen ¹/₁₀ und ¹/₁₀₀ der Maximallast oder noch darunter) Flüssigkeit in das Dampfzuleitungssystem eindringt und es dort zu Dampfschlägen kommt. Aus diesem Grund sind erfindungsgemäß zumindest zwei derartige Systeme vorgesehen, wobei eines der Systeme für die Dampfeinspeisung von 0 bis zu einem Zwischenwert zuständig ist, während das zweite oder die übrigen Systeme von dem Zwischenwert bis zum Maximalwert die Dampfeinspeisung übernehmen. Dabei ist es denkbar, daß das erste System weiterhin Dampf liefert, d. h. sich die Dampfmengen der einzelnen Systeme addieren, oder daß bei den Zwischenwert übersteigendem Bedarf das erste System abgeschaltet und zugleich das oder die weiteren Systeme auf den entsprechenden Wert geregelt werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die durch das erste Dampfzuleitungssystem zugeführte vorgegebene Höchstmenge zwischen 2 und 4 t/h, vorzugsweise ca. 3 t/h.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verdampfungsverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers;

Fig. 4 einen Ausschnitt A aus Fig. 3.

Fig. 1 zeigt ein Fließschema eines Verfahrens zum Verdampfen einer tiefsiedenden Flüssigkeit. Die tiefsiedende Flüssigkeit, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Ammoniak, LNG oder ein Erdgasprodukt, wie Methan, Propan, Butan oder ein Fackelgas, ist in einem Behälter 1 in flüssiger Form gespeichert. Aus dem Behälter 1 wird das verflüssigte Gas mittels einer Rohrleitung 2 entnommen und Rohren 3 eines Verdampfers zugeführt. Der Verdampfer weist einen mit einer Flüssigkeit 6 gefüllten Behälter 4 auf. Die Rohre 3 sind schraubenförmig um ein Kernrohr 5 gewickelt und sind völlig in das Flüssigkeitsbad 6 eingetaucht.

Das verflüssigte Gas wird den Rohren 3 am unteren Ende zugeführt. Auf seinem Wege durch die Rohrwicklungen nach oben verdampft das verflüssigte Gas durch Wärmetausch mit dem Wasserbad 6. Das verdampfte Gas wird vom oberen Ende der Rohrwicklungen mittels einer Leitung 7 entnommen.

Zur Beheizung der Flüssigkeit 6 wird Dampf über ein Dampfeinleitungssystem 11 im unteren Bereich des Flüssigkeitsbades eingeleitet. Die Zuführung des Dampfes erfolgt im Inneren des Kernrohres 5 in der Nähe seines unteren Endes. Neben einer Erwärmung der Flüssigkeit bewirkt das Einleiten von Dampf eine natürliche Umwälzung der Flüssigkeit, wie durch Pfeile 12 angedeutet ist. Die aufsteigenden Dampfblasen bewirken im Inneren des Kernrohres ein Aufsteigen von warmer Flüssigkeit, während gleichzeitig kältere Flüssigkeit entlang der Rohre nach unten fließt.

Überschüssiges Kondensat wird durch eine Leitung 8 vom oberen Rand des Behälters 4 entnommen und in einen Flüssigkeitsbehälter 9 gepumpt. Über eine Leitung 10 wird vom Kopf des Behälters 9 Dampf entnommen und dem Dampfzuleitungssystem 11 zugeführt. Die verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdampfer im Längsschnitt. Für analoge Bauteile werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Der Verdampfer weist einen Stutzen 14 für die Zuführung des zu verdampfenden Fluides auf, der über ein durch das Kernrohr nach unten geführtes Rohr mit einer Rohrtasse verbunden ist, in die die um das Kernrohr 5 gewickelten Rohre 3 eingesetzt sind. Die oberen Enden der Rohre 3 sind in einer Rohrtasse 15 zusammengefaßt, über die das verdampfte Fluid entnommen wird. Ein weiterer Stutzen 16 am oberen Ende des Verdampfers dient zur Zuführung von Dampf. Der Stutzen 16 ist mit einem innerhalb des Kernrohres 5 nach unten führenden Rohr 13 verbunden, das kurz vor dem unteren Ende des Kernrohres 5 endet und dessen Stirnseite verschlossen ist. An seinem unteren Ende trägt das Rohr 13 über seinen Umfang verteilt Dampfaustrittsöffnungen 17, durch die Dampfblasen in die Flüssigkeit 6 austreten.

Das Rohr 13 weist beispielsweise eine Nennweite von 50 mm auf, es sind 100 Öffnungen 17 vorgesehen, von denen jede einen Durchmesser von 6 mm aufweist. Der Außendurchmesser der äußersten Wicklung beträgt ca. 1000 mm, der Abstand von der untersten zur oberen Windung beträgt beispielsweise 1500 mm, d. h. das Verhältnis von Wicklungshöhe zu Wicklungsdurchmesser beträgt 1,50. Der freie Querschnitt der Rohrwicklung beträgt ca. 0,21 m², derjenige des Kernrohres ca. 0,49 m², d. h. der freie Querschnitt des Kernrohres ist 1,7mal so groß wie der der Wicklung.

Der Verdampfer weist außerdem einen Stutzen 19 zur Zuführung von Flüssigkeit sowie einen Überlauf 18 für überschüssiges Kondensat auf.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers, bei dem im Gegensatz zu dem Verdampfer gemäß Fig. 2 zwei Dampfzuleitungssysteme 20, 21 vorgesehen sind, die beide unterhalb des unteren Randes des Kernrohres 5 in die Flüssigkeit 6 münden. Das erste Dampfzuleitungssystem weist einen Anschlußstutzen 20 auf, der mit einem durch das Kernrohr 5 nach unten führenden Rohr 22 verbunden ist. Das Rohr, das einen Durchmesser von 80 mm besitzt, weist an seinem unteren Ende Dampfaustrittsöffnungen 17 mit einem Durchmesser von jeweils 6 mm auf. Ein zweites Dampfzuleitungssystem besitzt ein von einem Stutzen 21 durch das Kernrohr nach unten führendes Rohr 23. Das Rohr 23, dessen Durchmesser 150 mm beträgt, besitzt ebenfalls an seinem unteren Ende Dampfaustrittsöffnungen 17 mit einem Durchmesser von jeweils 6 mm.

Bei einem Dampfbedarf zwischen 0 und 3 t/h wird der Dampf ausschließlich durch das dünnere Rohr 22 zugeführt. Wird eine größere Dampfmenge benötigt, so wird die Dampfzufuhr zum Stutzen 20 schlagartig unterbrochen und der Dampf stattdessen dem Stutzen 21 zugeführt. Über den Stutzen 21 wird demgemäß eine Dampfmenge zugeführt, die zwischen dem Mindestwert von 3 t/h und einem vorgegebenen Maximalwert liegt. Es ist stattdessen auch möglich, zwei gleichartige Dampfzuleitungssysteme zu verwenden, von denen jedes beispielsweise zwischen 0 und 3 t Dampf/h zuzuführen vermag. Bei einem Bedarf zwischen 0 und 3 t/h wird der Dampf nur über eines der Systeme zugeführt, bei einem höheren Bedarf bleibt das erste System auf dem Maximalwert in Betrieb, während für das zweite System je nach Bedarf zwischen 0 und 3 t/h Dampf zugeführt werden. In analoger Weise können auch mehr als zwei derartige Systeme betrieben werden.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt A aus Fig. 3. Als Beispiel sind sechs Rohre 3 einer Wicklung herausgezeichnet, deren Außendurchmesser d zwischen 15 und 50 mm beträgt. Der Abstand benachbarter Rohre (l ₁ in horizontaler, l ₂ in vertikaler Richtung) beträgt mindestens 5 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 25 mm für l ₁ und zwischen 5 und 20 mm für l ₂.

Claims

1. Verdampfer mit in einem Flüssigkeitsbad verlaufenden Rohren zur Führung eines zu verdampfenden Fluides sowie mit einem in das Flüssigkeitsbad eintauchenden Dampfinjektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) schraubenförmig gewickelt sind, der Rohraußendurchmesser zwischen 15 und 50 mm, der Abstand benachbarter Rohre (3) mindestens 5 mm und das Verhältnis Wicklungshöhe/Wicklungsaußendurchmesser zwischen 1,0 und 3,0 beträgt.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) um ein Kernrohr (5) gewickelt sind und der freie Querschnitt des Kernrohres (5) zwischen dem 0,5- und 2fachen des freien Querschnitts der Wicklung beträgt.

3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfinjektor durch ein oder mehrere mit Dampfblasenaustrittsöffnungen (17) versehene Rohre (13; 22, 23) gebildet ist, die im Bereich der Wickelachse angeordnet sind.

4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Dampfblasenaustrittsöffnungen (17) zwischen 4 und 8 mm beträgt.

5. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizflächenbelastung für die Rohre (3) von maximal 50 000 W/m² eingestellt wird.

6. Verfahren zum Verdampfen eines Fluides durch Wärmetausch mit einem Flüssigkeitsbad, bei dem Dampf in das Flüssigkeitsbad eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Dampfzuleitungssysteme vorgesehen sind, und der Dampf bis zu einer vorgegebenen Höchstmenge ausschließlich durch ein erstes Dampfzuleitungssystem und bei einer die vorgegebene Höchstmenge überschreitenden Menge ausschließlich oder zusätzlich durch ein oder mehrere andere Dampfzuleitungssysteme zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das erste Dampfzuleitungssystem zugeführte vorgegebene Höchstmenge zwischen 2 und 4 t/h beträgt.