DE3626359A1 - Evaporator and method for evaporating a fluid - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to an evaporator in one Tubes of liquid bath for guiding a evaporating fluids as well as with one in that Liquid bath immersed steam injector.
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. Evaporators, whose heat exchange surfaces are in one steam-heated liquid bath are located preferably for evaporating low-boiling, liquefied gases, such as B. nitrogen, oxygen, LNG, Natural gas products etc. used. Depending on the type and amount of The heat content of the fluid to be evaporated is sufficient Liquid bath alone is not enough to prevent evaporation ensure and to prevent that the Excess ice build-up forms on heat exchange surfaces. Around it is therefore in In many cases, the liquid bath is required heat and if necessary circulate the liquid. The heating is advantageous by blowing steam made in the liquid bath, being here at the same time due to the rising steam bubbles a revolution of the Liquid occurs.
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.However, due to the steam feed Problems can arise at the cold phase interfaces Steam strikes come when steam condenses suddenly. The forces released by the steam strikes lead to a strong mechanical load. Such evaporators are therefore very sensitive to changes in the Load behavior, d. H. Changes in the amount of steam. It comes especially in the low load area Steam strikes due to backflow of cold liquid in the steam system.
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).The evaporators are preferred for applications used, where a rapid change of the Load range (often from 0 to 100% load in a few Seconds). It gets through in the apparatus rapid temperature changes to mechanical stresses (so-called thermal shock stress).
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.The present invention is based on the object to develop an evaporator of the type mentioned at the beginning, which has a low susceptibility to failure in the entire load range having. In particular, steam shocks at the Feed of steam over the entire occurring Load range avoided and controlled, a high one mechanical stability achieved and a high Heat transfer value can be achieved.
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. This object is achieved in that the Pipes are wound helically, the Pipe outside diameter between 15 and 50 mm, the distance neighboring pipes at least 5 mm and the ratio Winding height / outside diameter between 1.0 and Is 3.0.
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.It has been shown that the performance of such Evaporator strongly depends on the geometry selected. Around at the same time the highest possible stability towards mechanical influences and good heat transfer from the liquid bath to the fluid to be evaporated must achieve the dimensioning of the pipes and the Pipe spacing is in the specified range. Although the Requirements regarding stability, heat transfer and Load behavior contradict the appearance, has shown in practice that the Evaporator according to the invention optimally all requirements can be met.
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.In a preferred development of the invention The tubes are wrapped around a core tube and evaporator the free cross section of the core tube is between the 0.5 and 2 times the free cross-section of the winding.
Die Verwendung eines Kernrohres erhöht die Stabilität der mantelseitigen Flüssigkeitsströmung und verringert die Gefahr von Erosion. Überdies lassen sich besser definierte Betriebszustände einstellen.The use of a core tube increases the stability of the jacket-side liquid flow and reduces the Risk of erosion. In addition, you can define better Set operating states.
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.In a further preferred embodiment of the The subject of the invention is the steam injector through a or more provided with vapor bubble outlet openings Tubes formed, which are arranged in the region of the winding axis are.
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. The steam outlet openings are at one vertically aligned winding axis in the lower area of the Winding core or below. The escaping steam condenses within the core tube area, causing it to an upward flow of liquid comes. This creates a natural circulation flow, whereby the pipes from one facing down Liquid flow can be coated.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes beträgt der Durchmesser der Dampfblasenaustrittsöffnungen 4 bis 8 mm, vorzugsweise 6 mm.In a further advantageous embodiment of the Subject of the invention is the diameter of Vapor outlet openings 4 to 8 mm, preferably 6 mm.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird eine Heizflächenbelastung für die Rohre von maximal 50 000 W/m2 eingestellt.In a preferred development of the subject matter of the invention, a heating surface load for the pipes of a maximum of 50,000 W / m 2 is set.
Die Heizflächenbelastung wird durch die Bereitstellung einer ausreichenden Heizfläche, d. h. Anzahl von Rohren, je nach dem Einsatzzweck des Verdampfers, unterhalb dieses Grenzwerts eingestellt.The heating surface load is provided by the a sufficient heating area, d. H. Number of tubes, each according to the purpose of the evaporator, below this Limit set.
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. The invention also relates to a method for Evaporation of a fluid by heat exchange with one Liquid bath, with the steam in the liquid bath is initiated, which is characterized in that at least two steam supply systems are provided and the steam up to a predetermined maximum amount exclusively through a first steam supply system and if the quantity exceeds the specified maximum Quantity exclusively or additionally by one or several other steam supply systems are supplied.
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.The method according to the invention makes it very broad Load range covered. If the steam supply system for large amounts of steam is designed, then this results Problem that with low steam loads, (e.g. in the area between ¹ / ₁₀ and ¹ / ₁₀₀ the maximum load or still below) liquid into the steam supply system penetrates and there are steam strikes. For this The reason according to the invention is at least two such Systems provided, one of the systems for the Steam feed from 0 to an intermediate value while the second or the remaining systems of the Intermediate value up to the maximum value the steam feed take over. It is conceivable that the first System continues to deliver steam, i.e. H. the amount of steam of the individual systems add up, or that with the Intermediate value exceeding demand the first system switched off and at the same time the other system or systems be regulated to the appropriate value.
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.In a preferred development of the invention The procedure is through the first Predetermined maximum quantity supplied to the steam supply system between 2 and 4 t / h, preferably about 3 t / h.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt The invention and further details of the invention are shown schematically using Embodiments explained in more detail. Here shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verdampfungsverfahrens gemäß der Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of an evaporation process according to the invention.
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers; Fig. 2 shows an embodiment of an evaporator according to the invention;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers; Fig. 3 shows another embodiment of an evaporator according to the invention;
Fig. 4 einen Ausschnitt A aus Fig. 3. Fig. 4 shows a detail A from 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. Fig. 1 shows a flow diagram of a method for vaporizing a low-boiling liquid. The low-boiling liquid, for example nitrogen, oxygen, argon, ammonia, LNG or a natural gas product such as methane, propane, butane or a flare gas, is stored in a container 1 in liquid form. The liquefied gas is removed from the container 1 by means of a pipeline 2 and fed to pipes 3 of an evaporator. The evaporator has a container 4 filled with a liquid 6 . The tubes 3 are wound helically around a core tube 5 and are completely immersed in the liquid bath 6 .
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.The liquefied gas is fed to the tubes 3 at the lower end. On its way up through the pipe windings, the liquefied gas evaporates by exchanging heat with the water bath 6 . The vaporized gas is removed from the upper end of the pipe windings by means of a line 7 .
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.To heat the liquid 6 , steam is introduced via a steam introduction system 11 in the lower region of the liquid bath. The steam is supplied inside the core tube 5 near its lower end. In addition to heating the liquid, the introduction of steam causes the liquid to circulate naturally, as indicated by arrows 12 . The rising vapor bubbles cause warm liquid to rise inside the core tube, while at the same time colder liquid flows down the tube.
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.Excess condensate is removed through a line 8 from the upper edge of the container 4 and pumped into a liquid container 9 . Steam is withdrawn from the head of the container 9 via a line 10 and fed to the steam supply system 11 . The liquid used is preferably water.
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. Fig. 2 shows an evaporator according to the invention in longitudinal section. The same reference numerals as in FIG. 1 are used for analog components. The evaporator has a nozzle 14 for the supply of the fluid to be evaporated, which is connected via a tube guided downward through the core tube to a tube cup into which the tubes 3 wound around the core tube 5 are inserted. The upper ends of the tubes 3 are combined in a tube cup 15 , through which the evaporated fluid is removed. Another nozzle 16 at the upper end of the evaporator is used to supply steam. The connecting piece 16 is connected to a tube 13 leading downward within the core tube 5 , which tube ends shortly before the lower end of the core tube 5 and the end face of which is closed. At its lower end, the tube 13 has steam outlet openings 17 distributed over its circumference, through which steam bubbles emerge into the liquid 6 .
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.The tube 13 has, for example, a nominal width of 50 mm, 100 openings 17 are provided, each of which has a diameter of 6 mm. The outer diameter of the outermost winding is approximately 1000 mm, the distance from the lowest to the upper winding is, for example, 1500 mm, ie the ratio of the winding height to the winding diameter is 1.50. The free cross-section of the tube winding is approximately 0.21 m 2 , that of the core tube is approximately 0.49 m 2 , ie the free cross-section of the core tube is 1.7 times as large as that of the winding.
Der Verdampfer weist außerdem einen Stutzen 19 zur Zuführung von Flüssigkeit sowie einen Überlauf 18 für überschüssiges Kondensat auf.The evaporator also has a nozzle 19 for supplying liquid and an overflow 18 for excess condensate.
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. FIG. 3 shows a further embodiment of an evaporator according to the invention, in which, in contrast to the evaporator according to FIG. 2, two steam supply systems 20, 21 are provided, both of which open into the liquid 6 below the lower edge of the core tube 5 . The first steam supply system has a connecting piece 20 which is connected to a pipe 22 leading downward through the core pipe 5 . The tube, which has a diameter of 80 mm, has steam outlet openings 17 with a diameter of 6 mm each at its lower end. A second steam supply system has a pipe 23 leading downward from a connecting piece 21 through the core pipe. The tube 23 , the diameter of which is 150 mm, likewise has steam outlet openings 17, each with a diameter of 6 mm, at its lower end.
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.If the steam requirement is between 0 and 3 t / h, the steam is supplied exclusively through the thinner tube 22 . If a larger amount of steam is required, the steam supply to the nozzle 20 is suddenly interrupted and the steam is instead supplied to the nozzle 21 . A quantity of steam is accordingly supplied via the nozzle 21 , which is between the minimum value of 3 t / h and a predetermined maximum value. Instead, it is also possible to use two steam supply systems of the same type, each of which can supply, for example, between 0 and 3 t steam / h. If there is a demand between 0 and 3 t / h, the steam is only supplied via one of the systems; if there is a higher demand, the first system remains at the maximum value, while for the second system between 0 and 3 t / h of steam as required are fed. Analogously, more than two such systems can also be operated.
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. FIG. 4 shows a section A from FIG. 3. As an example, six tubes 3 of a winding are drawn out, the outer diameter d of which is between 15 and 50 mm. The distance between adjacent tubes ( l 1 in the horizontal direction, l 2 in the vertical direction) is at least 5 mm and is preferably in the range between 10 and 25 mm for l 1 and between 5 and 20 mm for l 2 .
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