EP2020559A2 - Verdampfung kryogener Flüssigkeiten - Google Patents

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EP2020559A2
EP2020559A2 EP20080010981 EP08010981A EP2020559A2 EP 2020559 A2 EP2020559 A2 EP 2020559A2 EP 20080010981 EP20080010981 EP 20080010981 EP 08010981 A EP08010981 A EP 08010981A EP 2020559 A2 EP2020559 A2 EP 2020559A2
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evaporator
heat exchanger
storage container
liquid
arrangement according
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Withdrawn
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EP20080010981
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Gerd Waning
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F17C2227/0388—Localisation of heat exchange separate
    • F17C2227/0393—Localisation of heat exchange separate using a vaporiser

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising a storage container and at least one evaporator arranged downstream of the storage container, which serves for the evaporation of liquid withdrawn from the storage container.
  • Generic arrangements or the storage containers provided for this purpose serve for example for the storage of liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon.
  • an air-heated evaporator takes place after a liquid taking a transfer of the stored medium in the gas phase, since the stored medium is usually required by the consumer in gaseous form.
  • air-heated evaporator and water bath evaporator can be used. These are usually tubular heat exchangers to which the process water required for the heating and evaporation of the stored medium is supplied by means of a pump.
  • water bath evaporators require higher investment, which is why preference is often given to air-heated evaporators.
  • the required pressure build-up within the storage container generic arrangements is usually carried out by means of air-heated evaporator.
  • a liquid fraction is taken from the storage tank, warmed in the (air-heated) evaporator and then returned to the gas space of the storage tank. Possibly. Additional heating devices, which serve to further warm the withdrawn from the storage tank liquid fraction provided.
  • a disadvantage of air-heated evaporators is that they are due to the condensation of moisture to a more or less strong ice formation. However, too much ice formation causes u. U. a so-called. Strike the evaporator, which has the consequence that they can not be operated safely and reliably. The term "strike through” in this case, the leakage of insufficiently heated gas at a temperature of less than -40 ° C to understand. In extreme cases, a two-phase flow of cryogenic liquid and gas can also be present here.
  • defrosting devices In order to avoid penetration of the air-heated evaporator, manually and / or automatically operating defrosting devices are provided, which initiate a preferably automatic defrosting process when a certain degree of ice formation is exceeded.
  • Object of the present invention is to provide a generic arrangement, comprising a storage tank and at least one of the storage tank downstream evaporator, which serves for the evaporation of liquid withdrawn from the storage tank, indicate that avoids the aforementioned disadvantages.
  • an arrangement comprising a storage tank and at least one evaporator arranged downstream of the storage tank, which serves for the evaporation of liquid withdrawn from the storage tank, proposed, which is characterized in that the evaporator is followed by at least one heat exchanger, wherein the heat exchanger Heat exchange between the vaporized liquid and another taken from the storage tank and to be evaporated, the pressure build-up in the storage container serving liquid fraction serves.
  • a further heat exchanger is connected downstream of the previously provided heat exchanger or evaporator, which serves to vaporize the liquid withdrawn from the storage container and to supply it to a downstream consumption. This serves to heat a further, taken from the storage container and the pressure build-up within the storage container serving liquid fraction against the vaporized fraction in the evaporator and evaporate.
  • the arrangement according to the invention requires less capital expenditure because it requires smaller evaporator units compared to conventional arrangements. If, as a rule, the evaporators are designed for the maximum load during the winter - this often leads to a 5 to 10-fold over-dimensioning, depending on the location - evaporators can now be used according to the invention whose rated power does not have to be multiplied.
  • the defrosting or defrosting of the evaporator can be dispensed with as a rule.
  • the previously provided evaporator defrosting devices can therefore be omitted without replacement.
  • the figure shows a storage container consisting of an outer container 1 and an inner container 2. If this storage container 1/2 is used for the storage of cryogenic liquids, such as liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon, is usually between the outer container 1 and the Inner container 2 a (super) insulation provided. Not shown in the figure, at least one supply line through which the medium to be stored is guided into the storage container 1/2, and - if necessary - more, the operation of the storage container 1/2 serving lines and fittings to know their function the expert ,
  • cryogenic liquids such as liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon
  • Liquid is taken from the inner container 2 of the storage container via a removal line 5 and fed to an evaporator E1, which is preferably designed as an air-heated evaporator or air evaporator.
  • the vaporized fraction is fed via line 6 to an inventively provided, the evaporator E1 downstream heat exchanger E2.
  • a cooling of the vaporized fraction is carried out against a liquid fraction to be evaporated, which will be discussed in more detail below.
  • the fraction evaporated in the evaporator E1, after passing through the heat exchanger E2 is supplied via line 7 to its further use or to one or more consumers, not shown in the figure.
  • the evaporated fraction is returned via the line sections 10 to 12 in the gas space 4 of the storage container 1/2 and serves in this way the pressure build-up within the storage space 3/4 of the storage container 1/2.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Es wird eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter (1, 2) und wenigstens einen dem Speicherbehälter (1, 2) nachgeordneten Verdampfer (E1), der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommener Flüssigkeit dient, beschrieben. Erfindungsgemäß ist dem Verdampfer (E1) wenigstens ein Wärmetauscher (E2) nachgeschaltet, wobei der Wärmetauscher (E2) dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit (6) und einer weiteren aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient.
  • Gattungsgemäße Anordnungen bzw. die hierfür vorgesehenen Speicherbehälter dienen beispielsweise der Speicherung von flüssigem Stickstoff, flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Argon. Mittels luftbeheizter Verdampfer erfolgt nach einer Flüssigentnahme ein Überführen des gespeicherten Mediums in die Gasphase, da das gespeicherte Medium im Regelfall seitens der Verbraucher in gasförmiger Form benötigt wird. Anstelle luftbeheizter Verdampfer können auch Wasserbadverdampfer zur Anwendung kommen. Bei diesen handelt es sich üblicherweise um Röhrenwärmetauscher, denen mittels einer Pumpe das für die Anwärmung und Verdampfung des gespeicherten Mediums erforderliche Prozesswasser zugeführt wird. Wasserbadverdampfer erfordern jedoch höhere Investitionen, weswegen oftmals luftbeheizten Verdampfern der Vorzug gegeben wird.
  • Auch der erforderliche Druckaufbau innerhalb der Speicherbehälter gattungsgemäßer Anordnungen erfolgt im Regelfall mittels luftbeheizter Verdampfer. Hierzu wird aus dem Speicherbehälter eine Flüssigfraktion entnommen, im (luftbeheizten) Verdampfer angewärmt und anschließend in den Gasraum des Speicherbehälters zurückgeführt. Ggf. werden zusätzliche Heizeinrichtungen, die einer weiteren Anwärmung der aus dem Speicherbehälter entnommenen Flüssigfraktion dienen, vorgesehen.
  • Von Nachteil bei luftbeheizten Verdampfern ist, dass es an ihnen aufgrund der Luftfeuchtigkeitskondensation zu einer mehr oder weniger starken Eisbildung kommt. Eine zu starke Eisbildung verursacht jedoch u. U. ein sog. Durchschlagen der Verdampfer, was zur Folge hat, dass diese nicht mehr sicher und zuverlässig betrieben werden können. Unter dem Begriff "Durchschlagen" sei hierbei das Austreten unzureichend erwärmten Gases mit einer Temperatur von weniger als -40 °C zu verstehen. Im Extremfall kann hier auch eine Zweiphasenströmung aus tiefkalter Flüssigkeit und Gas vorliegen.
  • Um ein Durchschlagen der luftbeheizten Verdampfer zu vermeiden, werden manuell und/oder automatisch arbeitende Abtaueinrichtungen vorgesehen, die bei Überschreiten eines bestimmten Eisbildungsgrades einen, vorzugsweise automatisch arbeitenden Abtauvorgang einleiten.
  • In der Praxis ist jedoch oftmals eine Erweiterung der Verdampfereinrichtung aufgrund der eventuellen, starken Vereisung erforderlich. Derartige Erweiterungen der Verdampfereinrichtungen erfordern selbstredend einen größeren Platzbedarf und verursachen höhere Investitionskosten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Verdampfer wenigstens ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, wobei der Wärmetauscher dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit und einer weiteren aus dem Speicherbehälter entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter dienenden Flüssigfraktion dient.
  • Erfindungsgemäß wird dem bisher bereits vorgesehenen Wärmetauscher bzw. Verdampfer, der der Verdampfung der aus dem Speicherbehälter entnommenen und einem nachgeschalteten Verbrauch zuzuführenden Flüssigkeit dient, ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet. Dieser dient dazu, eine weitere, aus dem Speicherbehälter entnommene und dem Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters dienende Flüssigfraktion gegen die in dem Verdampfer verdampfte Fraktion anzuwärmen und zu verdampfen.
  • Die für den Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters benötigte Verdampfungsenergie wird nunmehr nicht mehr unmittelbar der Umgebungsluft entzogen - wie dies bei einer Verdampfung zum Zwecke des Druckaufbaus mittels luftbeheizten Verdampfern der Fall ist -, sondern der in dem dem Speicherbehälter nachgeschalteten Verdampfer verdampften, einem Verbraucher zuzuführenden Fraktion entzogen. Da diese sich dabei um wenige Kelvin abkühlt, ist in dem dem Wärmetauscher vorgeschalteten Verdampfer eine ausreichende Anwärmung dieser Fraktion zu realisieren.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert einen geringeren Investitionsaufwand, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen kleinere Verdampfereinheiten erfordert. Werden bisher im Regelfall die Verdampfer für die maximale Belastung während des Winters ausgelegt - dies führt je nach Standort oftmals zu einer 5 bis 10fachen Überdimensionierung -, können nunmehr erfindungsgemäß Verdampfer zur Anwendung kommen, deren Nennleistung nicht vervielfacht werden muss.
  • Neben den geringeren Kosten reduziert sich auch der für die Verdampfer erforderliche Platzbedarf erheblich, was insbesondere bei Kunden, deren Platzverhältnisse beengt sind, ein nicht zu unterschätzendes Verkaufsargument darstellt.
  • Des Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf das Enteisen bzw. Abtauen der Verdampfer im Regelfall verzichtet werden. Die bisher vorzusehenden Verdampferabtaueinrichtungen können daher ersatzlos entfallen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter und wenigstens einen dem Speicherbehälter nachgeordneten Verdampfer, der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter entnommener Flüssigkeit dient, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • Mittel zur Regelung der dem Wärmetauscher zugeführten Flüssigfraktion vorgesehen sind, wobei diese Mittel zur Regelung vorzugsweise als wenigstens ein Regelventil ausgebildet sind,
    • zusätzlich zu dem Wärmetauscher wenigstens eine Heizeinrichtung, die der Anwärmung der dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter dienenden Flüssigfraktion dient, vorgesehen ist,
    • der Verdampfer ein luftbeheizter Verdampfer oder ein Wasserbad-Verdampfer ist und
    • der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Speicherbehälter, bestehend aus einem Außenbehälter 1 sowie einem Innenbehälter 2. Sofern dieser Speicherbehälter 1/2 für die Speicherung kryogener Flüssigkeiten, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon verwendet wird, ist im Regelfall zwischen dem Außenbehälter 1 und dem Innenbehälter 2 eine (Super)Isolierung vorgesehen. In der Figur nicht dargestellt sind wenigstens eine Zuführleitung, über die das zu speichernde Medium in den Speicherbehälter 1/2 geführt wird, sowie - sofern erforderlich - weitere, dem Betrieb des Speicherbehälters 1/2 dienende Leitungen und Armaturen, um deren Funktion der Fachmann weiß.
  • Über eine Entnahmeleitung 5 wird Flüssigkeit aus dem Innenbehälter 2 des Speicherbehälters entnommen und einem Verdampfer E1, der vorzugsweise als luftbeheizter Verdampfer bzw. Luft-Verdampfer ausgebildet ist, zugeführt. Nach erfolgter Verdampfung wird die verdampfte Fraktion über Leitung 6 einem erfindungsgemäß vorzusehenden, dem Verdampfer E1 nachgeschalteten Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem erfolgt eine Abkühlung der verdampften Fraktion gegen eine zu verdampfende Flüssigfraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Die im Verdampfer E1 verdampfte Fraktion wird nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher E2 über Leitung 7 ihrer weiteren Verwendung bzw. einem oder mehreren, in der Figur nicht dargestellten Verbrauchern zugeführt.
  • Über eine Flüssigkeitsentnahmeleitung 8 wird eine weitere Flüssigfraktion aus dem Flüssigkeitsraum 3 des Speicherbehälters 1/2 abgezogen und dem vorbeschriebenen Wärmetauscher E2 zugeführt. Die Regelung des Mengenstromes dieser Flüssigfraktion erfolgt mittels des Regelventils 9.
  • Nach erfolgter Verdampfung im Wärmetauscher E2 wird die verdampfte Fraktion über die Leitungsabschnitte 10 bis 12 in den Gasraum 4 des Speicherbehälters 1/2 zurückgeführt und dient auf diese Weise dem Druckaufbau innerhalb des Speicherraumes 3/4 des Speicherbehälters 1/2.
  • U. U. kann es erforderlich sein, dass zumindest zeitweilig eine zusätzliche Erwärmung der dem Druckaufbau dienenden Fraktion erforderlich ist. Um dieser Forderung zu begegnen, ist - entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung - zusätzlich zu dem Wärmetauscher E2 eine in der Figur gestrichelt dargestellte Heizeinrichtung E3, die bspw. als Elektroheizung ausgebildet ist, vorgesehen. Diese kann dem Wärmetauscher E2 vor- und/oder nachgeschaltet sein.

Claims (5)

  1. Anordnung, aufweisend einen Speicherbehälter (1, 2) und wenigstens einen dem Speicherbehälter (1, 2) nachgeordneten Verdampfer (E1), der der Verdampfung von aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommener Flüssigkeit dient, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (E1) wenigstens ein Wärmetauscher (E2) nachgeschaltet ist, wobei der Wärmetauscher (E2) dem Wärmeaustausch zwischen der verdampften Flüssigkeit (6) und einer weiteren aus dem Speicherbehälter (1, 2) entnommenen und zu verdampfenden, dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Regelung der dem Wärmetauscher (E2) zugeführten Flüssigfraktion (8, 10) vorgesehen sind, wobei diese Mittel zur Regelung vorzugsweise als wenigstens ein Regelventil (9) ausgebildet sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Wärmetauscher (E2) wenigstens eine Heizeinrichtung (E3), die der Anwärmung der dem Druckaufbau in dem Speicherbehälter (1, 2) dienenden Flüssigfraktion (8, 10) dient, vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (E1) ein luftbeheizter Verdampfer oder ein Wasserbad-Verdampfer ist.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E2) als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.
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