EP3284998A1 - Wärmeübertragereinrichtung zum erwärmen und/oder verdampfen einer kryogenen flüssigkeit mit kälterückgewinnung - Google Patents

Wärmeübertragereinrichtung zum erwärmen und/oder verdampfen einer kryogenen flüssigkeit mit kälterückgewinnung Download PDF

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EP3284998A1
EP3284998A1 EP16001803.2A EP16001803A EP3284998A1 EP 3284998 A1 EP3284998 A1 EP 3284998A1 EP 16001803 A EP16001803 A EP 16001803A EP 3284998 A1 EP3284998 A1 EP 3284998A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
region
container
cryogenic liquid
refrigerant medium
heat transfer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16001803.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Schönberger
Christoph Seeholzer
Elise Estiot
Christian Zach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP16001803.2A priority Critical patent/EP3284998A1/de
Publication of EP3284998A1 publication Critical patent/EP3284998A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F17C9/04—Recovery of thermal energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
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    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/03—Mixtures
    • F17C2221/038—Refrigerants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/03—Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/0302—Heat exchange with the fluid by heating
    • F17C2227/0309—Heat exchange with the fluid by heating using another fluid

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer device for heating and / or vaporizing a cryogenic liquid and a corresponding method.
  • cryogenic liquids i.
  • cryogenic liquefied gases such as liquid natural gas (LNG)
  • LNG liquid natural gas
  • the temperature spread is usually very large, so that brines such as water-glycol mixtures or salt solutions on the surface of heat exchangers would immediately form ice.
  • high flow velocities and the highest possible temperatures of the refrigerant medium on the input side of the cryogenic liquid are necessary.
  • a heat exchanger arrangement which is operated in DC.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a heat transfer device of the type mentioned above and a corresponding method for heating and / or vaporizing a cryogenic liquid, which is improved in view of the above problem.
  • the heat exchanger according to the invention can be operated with cryogenic liquids in the supercritical range.
  • a supercritical state the difference between the liquid and gaseous phases is canceled.
  • Such a supercritical medium is referred to herein especially as a liquid.
  • the at least one line to be helically wound in sections in the first and in the second region.
  • a plurality of lines for guiding the cryogenic liquid or a corresponding gaseous phase may be provided, which may be brought together, for example at their ends via suitable collection devices.
  • the said lines are present in the respective area as a tube bundle.
  • the first region is formed by an inner space of a first container and the second region by an inner space of a separate second container, wherein the two containers each have a lower portion, said flow connection on respective lower portion opens into the respective interior or connects the outlet for the refrigerant medium at the second container with the inlet for the refrigerant medium at the first container.
  • the two containers each extend along a longitudinal axis, wherein in the interiors of the two containers in each case a core tube is arranged coaxially to the respective longitudinal axis.
  • the said longitudinal axes are arranged, in particular, relative to an operational state of the heat exchanger device, parallel to the vertical.
  • the two containers may further be arranged side by side in the horizontal, but there is also the possibility of arranging the two containers in the vertical one above the other or in any other spatial relationship.
  • the at least one line in the interior of the first container is helically wound around the core tube of the first container and helically in the interior of the second container around the core tube of the second container.
  • the two containers thus form together with the at least one line and the respective core tube depending on a so-called wound heat exchanger.
  • wound heat exchangers instead of wound heat exchangers, however, other heat exchangers can be used.
  • wound heat exchangers is preferably provided that the core tubes each remove the load of at least one line wound thereon.
  • a direct current is understood to mean, in particular, a flow guidance of the heat exchanging media (coolant and cryogenic liquid), in which the two media each have a velocity component in the same direction, this direction being oriented, for example, parallel to the vertical
  • a countercurrent is understood to mean, in particular, a flow guidance of the heat exchanging media in which the two media each have a speed component pointing in opposite directions. Again, these two opposite directions can be parallel to the vertical.
  • the helical windings of the at least one line provided according to one exemplary embodiment to represent a direct current or countercurrent.
  • the inlet of the at least one conduit is provided at a lower portion of the first container, and that the outlet of the at least one conduit is provided at an upper portion of the second container.
  • a collecting device may be provided downstream of the inlet or upstream of the outlet, into which the different lines open, so that there in each case the cryogenic liquid or the cryogenic material flow the individual lines can be distributed or collected from the individual lines.
  • Heat exchanger device provided that the at least one line is led out at an upper portion of the first container from the interior of the first container and is guided over a lower portion of the second container in the interior of the second container. If a plurality of lines are provided in the respective areas or containers, which are in each case helically wound in each case on the associated core tube, it is sufficient to connect the plurality of lines to one another via at least one individual line, which may then be provided, for example, between two collection devices and in particular in the aforementioned manner between the two containers or areas.
  • the inlet of the second area is provided on an upper portion of the second container, and that the outlet of the first area is provided on an upper portion of the first container.
  • one of the two containers it is also possible for one of the two containers to have a bypass in order to be able to set the starting temperature of the coolant medium.
  • the aim here is in particular to heat the cryogenic liquid or the cryogenic stream (in particular liquid natural gas (LNG)) as far as possible and to cool the coolant medium as far as possible (in particular classical countercurrent apparatus) but to avoid the large temperature spread and thus ice formation of the coolant medium ,
  • LNG liquid natural gas
  • the object according to the invention is achieved by a method for heating and / or evaporating a cryogenic liquid having the features of claim 9, wherein the method according to the invention preferably uses a heat exchanger device according to the invention.
  • a fluid coolant medium is guided along a cryogenic liquid to be heated or vaporized, wherein, during a first indirect heat transfer, heat of the coolant medium is indirectly transferred to the cryogenic liquid is, wherein the refrigerant medium is conducted in cocurrent to the cryogenic liquid, and wherein at a second indirect heat transfer heat of the refrigerant medium is indirectly transferred to the cryogenic liquid and this is heated and / or vaporized, wherein the refrigerant medium is conducted in countercurrent to the cryogenic liquid, and wherein the refrigerant used in the first indirect heat transfer has been previously used in the second heat transfer ,
  • the heat transfer is referred to herein as being indirect, in particular, in that the said media are in thermal contact but do not physically contact each other, for example by passing the cryogenic liquid in respective conduits through the reservoirs described herein there is a separation between the two indirectly heat transferring media.
  • a temperature of the cryogenic liquid downstream of the first indirect heat transfer and upstream of the second indirect heat transfer is greater than the freezing point of the refrigerant medium.
  • the refrigerant medium is a water-glycol mixture or a salt solution.
  • Said salt solution may comprise, for example, calcium chloride according to an embodiment of the invention.
  • the refrigerant medium downstream of the first indirect heat transfer so for example after it has flowed through the two areas or the two containers and participated in the two heat transfer is used for cooling an object.
  • the object may, for example, be a cold store for storing objects to be cooled, in particular food.
  • the cold generated in this way can also be used in another further method.
  • FIG. 1 1 shows a heat transfer device 1 according to the invention for heating and / or vaporizing a cryogenic liquid G.
  • the device 1 has a first and a second region I, I ', which are each exemplified by an inner space I, I' of a surrounding container 10, 20 are formed, and are further connected to each other via a flow connection S, that they are successively flowed through by a fluid refrigerant medium K.
  • the two containers 10, 20 preferably extend along a longitudinal axis z, which is aligned in particular in each case parallel to the vertical.
  • the second container 20 for the initial introduction of the refrigerant medium K into the second container 20 has an inlet 52 which is provided at an upper portion 22 of the second container 20. Furthermore, the second container 20 has at a lower portion 21 an outlet 53 for the refrigerant medium K, which is connected via a flow connection S to an inlet 43 which is provided at a lower portion 11 of the first container 10. Furthermore, the first container 10 at an upper portion 12 an outlet 42, via which the refrigerant medium K is finally removable from the first container 10 and then, according to one embodiment, for example, used for cooling a cold store or other device.
  • the coolant medium K can thus be introduced into the interior I 'of the second container 20 via the inlet 52, flows down there along the longitudinal axis z of the second container 20, and then via the outlet 53 and via the said flow connection S and the inlet 43 into the interior I of the first container 10 and flows there along the longitudinal axis z of the first container 10 back up, from where the refrigerant medium K is withdrawn from the interior I of the first container 10 via the said outlet 42.
  • At least one line 30 (or a flow path 30) is provided which extends from an inlet 41 at the lower portion 11 of the first container 10 along the longitudinal axis z in the interior I of the first container 10 extends upward, wherein the line 30 is wound on a coaxial with the longitudinal axis z in the interior of the first container 10 arranged core tube 40.
  • the cryogenic liquid G which is now introduced via the inlet 41 in the conduit 30 and is guided therein, can thus be performed in the interior I of the first container 10 in co-current to the refrigerant medium K and exchange heat with this indirectly, wherein the cryogenic liquid G heated and the refrigerant medium K is cooled.
  • the at least conduit 30 or a corresponding flow path 30 for the cryogenic medium G is then led out of the interior I of the first container 10 at the upper portion 12 of the first container 10 (eg overhead) via a suitable outlet (eg in the form of a nozzle) and via a suitable inlet (eg in the form of a neck) at the lower portion 21 of the second container 20 into the interior I 'of the second container 20 introduced.
  • a suitable outlet eg in the form of a nozzle
  • a suitable inlet eg in the form of a neck
  • the conduit 30 is in turn helically wound on a core tube 50 which is arranged coaxially to the longitudinal axis z in the interior I' of the second container 20, wherein the at least one conduit 30 in the interior I 'of the second container 20 extends up to a provided at the upper portion 22 of the second container 20 outlet 51, via which the then heated and / or vaporized cryogenic liquid G is removable from the second container 20.
  • the cryogenic medium G can be passed in countercurrent to the refrigerant medium K and thereby indirectly exchange with this heat, wherein the cryogenic medium G is heated and / or vaporized and the refrigerant medium K is further cooled.
  • the refrigerant medium K is ultimately at a temperature which allows a further use of the refrigerant medium K as a cold supplier (eg for a cold store) in an economical manner.
  • the refrigerant medium e.g. a saline solution (e.g., based on calcium chloride) is used.
  • the cryogenic liquid may be e.g. to trade liquid natural gas.
  • the refrigerant medium K can thereby with a pressure of e.g. about 13 bar, wherein at the inlet 52 e.g. a temperature of about 10 ° C and at the transition to the second container 20 (flow connection S), for. a temperature of about -3 to about -6 ° C.
  • the refrigerant medium K may e.g. have a temperature of -32 ° C to about -35 ° C.
  • the cryogenic medium e.g., liquid natural gas
  • the cryogenic medium G may be present at the inlet 41 of the first container 10, e.g. have a pressure of 100 bar and a temperature of about -162 ° C.
  • the cryogenic medium G may have a temperature of about -42 to about -34 ° C.
  • the temperature of the heated or vaporized cryogenic medium G at the outlet 51 of the first container 10 may be e.g. 5 to 9 ° C amount.
  • the heat transfer device 1 can furthermore have a plurality of bypass lines B, B ', B ", via which the coolant medium K or cryogenic medium G can be guided past the respective container 10, 20.
  • the coolant medium K can be guided past the two containers 10, 20 via a bypass line B, which branches off upstream of the second container 20. Furthermore, the coolant medium K can be led past the second container 20 via a further bypass line B "and introduced into the first container 10. Finally, the cryogenic medium G can also be led past the first container 10 via a further bypass line B 'and introduced into the second container 20
  • the bypass lines B, B ', B " can each be equipped with valves, so that in each case a variable flow of the refrigerant medium K or of the cryogenic medium G via the respective bypass line B, B', B" to the respective container 10 or 20 can be passed by.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragereinrichtung (1) zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (G) durch indirekten Wärmetausch mit einem fluiden Kälteträgermedium (K), wobei die Wärmeübertragereinrichtung (1) einen ersten und einen zweiten Bereich (I', I) aufweist, und wobei der zweite Bereich (I') einen Einlass (52) aufweist, über den das Kälteträgermedium (K) in den zweiten Bereich (I') einleitbar ist, und wobei der zweite Bereich einen Auslass (53) für das Kälteträgermedium (K) aufweist, der mit einem Einlass (43) für das Kälteträgermedium (K) zu dem ersten Bereich (I) in Strömungsverbindung (S) steht, und wobei der erste Bereich (I) einen Auslass (42) aufweist, über den das Kälteträgermedium (K) nach einem Durchströmen des zweiten und des ersten Bereiches (I', I) aus dem ersten Bereich (I) abziehbar ist, und wobei die Wärmeübertragereinrichtung (1) zumindest eine Leitung (30) aufweist, die zum Führen der zu erwärmenden und/oder zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit (G) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Leitung (30) einen Einlass (41) zum Einleiten der kryogenen Flüssigkeit (G) sowie einen Auslass (51) zum Auslassen der erwärmten und/oder verdampften kryogenen Flüssigkeit (G) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Leitung (30) ausgehend von ihrem Einlass (41) zunächst durch den ersten Bereich (I) geführt ist und sodann durch den zweiten Bereich (I'), derart, dass eine in der mindestens einen Leitung (30) geführte kryogene Flüssigkeit (G), die über den Einlass (41) der mindestens einen Leitung (30) in diese eingeleitet wird und über den Auslass (51) der mindestens einen Leitung (30) abgezogen wird, im ersten Bereich (I) im Gleichstrom zum Kälteträgermedium (K) und im zweiten Bereich (I`) im Gegenstrom zum Kälteträgermedium (K) führbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragereinrichtung zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit sowie ein entsprechendes Verfahren.
  • Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, welche bei der Verstromung von flüssigem Erdgas eingesetzt werden, um im Kreisprozess der Verstromung die Kälte wirtschaftlich zu nutzen.
  • Diesbezüglich ist bei kryogenen Flüssigkeiten, d.h. bei tiefkalt verflüssigten Gasen, wie zum Beispiel flüssigem Erdgas (LNG), die Temperaturspreizung meist sehr groß, so dass Kälteträger wie zum Beispiel Wasser-Glykol-Gemische oder Salzlösungen an der Oberfläche von Wärmeübertragern sofort Eis bilden würden. Aus diesem Grund sind hohe Anströmgeschwindigkeiten und möglichst hohe Temperaturen des Kälteträgermediums an der Eingangsseite der kryogenen Flüssigkeit notwendig. Aus diesem Grund ergibt sich zwangsläufig eine Wärmeübertrageranordnung, die im Gleichstrom betrieben wird. Durch diese Anordnung ist es jedoch nicht möglich, den Kälteträger auf eine Temperatur unterhalb der für die kryogenen Flüssigkeit notwendigen Austrittstemperatur abzukühlen, um die Kälte dann wirtschaftlich (zum Beispiel zum Kühlen von Kühlhäusern) zu verwenden.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragereinrichtung der eingangs genannten Art sowie ein entsprechendes Verfahren zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit bereitzustellen, die bzw. das im Hinblick auf die vorstehend genannte Problematik verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Wärmeübertragereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
  • Danach ist gemäß Anspruch 1 eine Wärmeübertragereinrichtung zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit durch indirekten Wärmetausch mit einem fluiden Kälteträgermedium vorgesehen, wobei die Wärmeübertragereinrichtung einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, und
    • wobei der zweite Bereich einen Einlass aufweist, über den das Kälteträgermedium in den zweiten Bereich einleitbar ist, und wobei der zweite Bereich einen Auslass für das Kälteträgermedium aufweist, der mit einem Einlass für das Kälteträgermedium zu dem ersten Bereich in Strömungsverbindung steht, und wobei der erste Bereich einen Auslass aufweist, über den das Kälteträgermedium nach einem Durchströmen des zweiten und des ersten Bereiches aus dem ersten Bereich abziehbar ist, und wobei
    • die Wärmeübertragereinrichtung zumindest einer Leitung aufweist, die zum Führen der zu erwärmenden und/oder zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Leitung einen Einlass zum Einleiten der kryogenen Flüssigkeit sowie einen Auslass zum Auslassen der erwärmten und/oder verdampften kryogenen Flüssigkeit aufweist, und wobei
    • die mindestens eine Leitung ausgehend von ihrem Einlass zunächst durch den ersten Bereich geführt ist und sodann durch den zweiten Bereich, derart, dass eine in der mindestens einen Leitung geführte kryogene Flüssigkeit, die über den Einlass der mindestens einen Leitung in diese eingeleitet wird und über den Auslass der mindestens einen Leitung abgezogen wird, im ersten Bereich im Gleichstrom zum Kälteträgermedium und im zweiten Bereich im Gegenstrom zum Kälteträgermedium führbar ist.
  • Insbesondere kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit kryogenen Flüssigkeiten im überkritischen Bereich betrieben werden. Bei einem solchen überkritischen Zustand ist der Unterschied zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase aufgehoben. Dadurch können die unangenehmen Konsequenzen einer Zweiphasenströmung wie Pulsationen oder Entmischung vermieden werden. Ein solchermaßen überkritisches Medium wird hierin insbesondere auch als Flüssigkeit bezeichnet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Leitung im ersten und im zweiten Bereich abschnittsweise helikal gewickelt ist. In beiden Bereichen können natürlich auch jeweils eine Mehrzahl an Leitungen zum Führen der kryogenen Flüssigkeit bzw. einer entsprechenden gasförmigen Phase vorgesehen sein, die zum Beispiel an ihren Enden über geeignete Sammeleinrichtungen zusammengeführt sein können. Insofern liegen dann die besagten Leitungen in dem jeweiligen Bereich als ein Rohrbündel vor.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung vorgesehen, dass der erste Bereich durch einen Innenraum eines ersten Behälters und der zweite Bereich durch einen Innenraum eines separaten zweiten Behälters gebildet ist, wobei die beiden Behälter je einen unteren Abschnitt aufweisen, wobei die besagte Strömungsverbindung am jeweiligen unteren Abschnitt in den jeweiligen Innenraum einmündet bzw. den Auslass für das Kälteträgermedium am zweiten Behälter mit dem Einlass für das Kälteträgermedium am ersten Behälter verbindet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung ist vorgesehen, dass sich die beiden Behälter jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei in den Innenräumen der beiden Behälter jeweils ein Kernrohr koaxial zur jeweiligen Längsachse angeordnet ist. Die besagten Längsachsen sind insbesondere, bezogen auf einen betriebsbereiten Zustand der Wärmeübertragereinrichtung, parallel zur Vertikalen angeordnet. Die beiden Behälter können des Weiteren in der Horizontalen nebeneinander angeordnet werden, wobei jedoch auch die Möglichkeit besteht, die beiden Behälter in der Vertikalen übereinander anzuordnen oder in einer sonstigen räumlichen Beziehung zueinander.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die mindestens eine Leitung im Innenraum des ersten Behälters helikal um das Kernrohr des ersten Behälters und im Innenraum des zweiten Behälters helikal um das Kernrohr des zweiten Behälters gewickelt ist. Die beiden Behälter bilden also zusammen mit der mindestens einen Leitung und dem jeweiligen Kernrohr je einen sogenannten gewickelten Wärmeübertrager. Anstelle von gewickelten Wärmeübertragern können jedoch auch andere Wärmeübertrager verwendet werden. Bei den hier verwendeten gewickelten Wärmeübertragern ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kernrohre jeweils die Last der darauf gewickelten mindestens einen Leitung abtragen.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, an Stelle zweier separater Behälter einen einheitlichen Behälter eines Wärmeübertragers zu verwenden, in dem dann die beiden Bereiche zum Beispiel hintereinander angeordnet sind, wobei der besagte Gleich- bzw. Gegenstrom der wärmetauschenden Medien durch eine entsprechende Führung der kryogenen Flüssigkeit durch die besagten Bereiche dargestellt werden kann.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Gleichstrom insbesondere eine Strömungsführung der miteinander Wärme austauschenden Medien (Kälteträgermedium und kryogenen Flüssigkeit) verstanden, bei denen die beiden Medien je eine Geschwindigkeitskomponente in die gleiche Richtung aufweisen, wobei diese Richtung zum Beispiel parallel zur Vertikalen orientiert sein kann. In gleicher Weise wird unter einem Gegenstrom insbesondere eine Strömungsführung der miteinander Wärme austauschenden Medien verstanden, bei denen die beiden Medien je eine Geschwindigkeitskomponente aufweisen, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Auch hier können diese beiden entgegengesetzten Richtungen parallel zur Vertikalen verlaufen. Insofern lässt sich auch mit den gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehenen helikalen Windungen der mindestens einen Leitung ein Gleich- bzw. Gegenstrom darstellen.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung vorgesehen, dass der Einlass der mindestens einen Leitung an einem unteren Abschnitt des ersten Behälters vorgesehen ist, und dass der Auslass der mindestens einen Leitung an einem oberen Abschnitt des zweiten Behälters vorgesehen ist. Sofern mehrere Leitungen vorgesehen sind, die jeweils helikal um das jeweilige Kernrohr gewickelt sind, kann stromab des Einlasses bzw. stromauf des Auslasses eine Sammeleinrichtung vorgesehen sein, in die die unterschiedlichen Leitungen einmünden, so dass dort jeweils die kryogenen Flüssigkeit bzw. der kryogene Stoffstrom auf die einzelnen Leitungen verteilbar ist bzw. aus den einzelnen Leitungen gesammelt werden kann.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung vorgesehen, dass die mindestens eine Leitung an einem oberen Abschnitt des ersten Behälters aus dem Innenraum des ersten Behälters herausgeführt ist und über einen unteren Abschnitt des zweiten Behälters in den Innenraum des zweiten Behälters hereingeführt ist. Sofern in den jeweiligen Bereichen bzw. Behältern mehrere Leitungen vorgesehen sind, die insbesondere jeweils helikal auf das zugeordnete Kernrohr gewickelt sind, reicht es aus, die mehreren Leitungen über mindestens eine einzelne Leitung miteinander zu verbinden, die dann zum Beispiel zwischen zwei Sammeleinrichtungen vorgesehen sein kann und insbesondere in der vorstehend genannten Weise zwischen den beiden Behältern bzw. Bereichen verläuft.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung vorgesehen, dass der Einlass des zweiten Bereichs an einem oberen Abschnitt des zweiten Behälters vorgesehen ist, und dass der Auslass des ersten Bereichs an einem oberen Abschnitt des ersten Behälters vorgesehen ist.
  • Es ist gemäß einer Ausführungsform auch möglich, dass einer der beiden Behälter einen Bypass aufweist, um die Ausgangstemperatur des Kälteträgermediums einstellen zu können. Ziel ist es hierbei insbesondere, die kryogene Flüssigkeit bzw. den kryogenen Stoffstrom (insbesondere flüssiges Erdgas (LNG)) so weit als möglich anzuwärmen und das Kälteträgermedium soweit als möglich abzukühlen (insbesondere klassischer Gegenstromapparat) jedoch die große Temperaturspreizung und damit Eisbildung des Kälteträgermediums zu vermeiden.
  • Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, wobei das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt eine erfindungsgemäße Wärmeübertragereinrichtung verwendet.
  • Gemäß Anspruch 9 ist bei dem Verfahren zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit vorgesehen, dass ein fluides Kälteträgermedium entlang einer zu erwärmenden bzw. zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit geführt wird, wobei bei einer ersten indirekten Wärmeübertragung Wärme des Kälteträgermediums auf die kryogene Flüssigkeit indirekt übertragen wird, wobei das Kälteträgermedium im Gleichstrom zur kryogenen Flüssigkeit geführt wird, und wobei bei einer zweiten indirekten Wärmeübertragung Wärme des Kälteträgermediums auf die kryogene Flüssigkeit indirekt übertragen wird und diese erwärmt und/oder verdampft wird, wobei das Kälteträgermedium im Gegenstrom zur kryogenen Flüssigkeit geführt wird, und wobei das bei der ersten indirekten Wärmeübertragung verwendete Kälteträgermedium zuvor bei der zweiten Wärmeübertragung verwendet worden ist.
    Die Wärmeübertragung wird hierin insbesondere insofern als indirekt bezeichnet, als dass die besagten Medien in einem thermischen Kontakt stehen, sich jedoch gegenseitig nicht physisch kontaktieren, indem zum Beispiel die kryogenen Flüssigkeit in entsprechenden Leitungen durch die hierin beschriebenen Bereiche bzw. Behälter geführt wird, so dass eine Trennung zwischen den beiden indirekt Wärme übertragenden Medien besteht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur der kryogenen Flüssigkeit stromab der ersten indirekten Wärmeübertragung sowie stromauf der zweiten indirekten Wärmeübertragung größer ist als der Gefrierpunkt des Kälteträgermediums.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Kälteträgermedium ein Wasser-Glykol-Gemisch oder eine Salzlösung ist. Die besagte Salzlösung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Beispiel Calciumchlorid aufweisen.
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Kälteträgermedium stromab der ersten indirekten Wärmeübertragung, also zum Beispiel nachdem es die beiden Bereiche bzw. die beiden Behälter durchströmt hat und an den beiden Wärmeübertragung teilgenommen hat, zum Kühlen eines Objektes verwendet wird.
  • Bei dem Objekt kann es sich zum Beispiel um ein Kühlhaus zum Lagern zu kühlender Gegenstände, insbesondere Lebensmittel, handeln.
  • Die solchermaßen erzeugte Kälte kann jedoch auch in einem sonstigen weiteren Verfahren verwendet werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur erläutert werden. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit unter gleichzeitiger Kälterückgewinnung mittels eines Kälteträgermediums.
  • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeübertragereinrichtung 1 zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit G. Die Einrichtung 1 weist hierzu einen ersten und einen zweiten Bereich I, I' auf, die hier exemplarisch durch je einen Innenraum I, I' eines umgebenden Behälters 10, 20 gebildet sind, und des Weiteren so über eine Strömungsverbindung S miteinander verbunden sind, dass sie nacheinander von einem fluiden Kälteträgermedium K durchströmbar sind. Die beiden Behälter 10, 20 erstrecken sich vorzugsweise entlang einer Längsachse z, die insbesondere jeweils parallel zur Vertikalen ausgerichtet ist.
  • Dabei weist der zweite Behälter 20 zum initialen Einleiten des Kälteträgermediums K in den zweiten Behälter 20 einen Einlass 52 auf, der an einem oberen Abschnitt 22 des zweiten Behälters 20 vorgesehen ist. Weiterhin weist der zweite Behälter 20 an einem unteren Abschnitt 21 einen Auslass 53 für das Kälteträgermedium K auf, der über eine Strömungsverbindung S mit einem Einlass 43 verbunden ist, der an einem unteren Abschnitt 11 des ersten Behälters 10 vorgesehen ist. Weiterhin weist der erste Behälter 10 an einem oberen Abschnitt 12 einen Auslass 42 auf, über den das Kälteträgermedium K letztendlich aus dem ersten Behälter 10 abziehbar ist und sodann gemäß einer Ausführungsform zum Beispiel zum Kühlen eines Kühlhauses oder einen sonstigen Einrichtung verwendet werden kann.
  • Das Kälteträgermedium K kann somit über den Einlass 52 in den Innenraum I' des zweiten Behälters 20 eingeleitet werden, strömt dort entlang der Längsachse z des zweiten Behälters 20 nach unten, wird dann über den Auslass 53 sowie über die besagte Strömungsverbindung S und den Einlass 43 in den Innenraum I des ersten Behälters 10 überführt und strömt dort entlang der Längsachse z des ersten Behälters 10 wieder nach oben, von wo aus das Kälteträgermedium K aus dem Innenraum I des ersten Behälters 10 über den besagten Auslass 42 abgezogen wird.
  • Zum Erwärmen und/oder Verdampfen der kryogenen Flüssigkeit G ist nun zumindest eine Leitung 30 (bzw. ein Strömungspfad 30) vorgesehen, die sich ausgehend von einem Einlass 41 am unteren Abschnitt 11 des ersten Behälters 10 entlang der Längsachse z im Innenraum I des ersten Behälters 10 nach oben erstreckt, wobei die Leitung 30 auf ein koaxial zur Längsachse z im Innenraum I des ersten Behälters 10 angeordnetes Kernrohr 40 gewickelt ist. Die kryogene Flüssigkeit G, die nun über den Einlass 41 in die Leitung 30 eingeleitet wird und darin geführt wird, kann somit im Innenraum I des ersten Behälters 10 im Gleichstrom zum Kälteträgermedium K geführt werden und mit diesem indirekt Wärme austauschen, wobei die kryogene Flüssigkeit G erwärmt und das Kälteträgermedium K abgekühlt wird.
  • Die mindestens Leitung 30 bzw. ein entsprechender Strömungspfad 30 für das kryogenen Medium G wird sodann an oberen Abschnitt 12 des ersten Behälters 10 (z.B. über Kopf) über einen geeigneten Auslass (z.B. in Form eines Stutzens) aus dem Innenraum I des ersten Behälters 10 herausgeführt und über einen geeigneten Einlass (z.B. in Form eines Stutzens) am unteren Abschnitt 21 des zweiten Behälters 20 in den Innenraum I' des zweiten Behälters 20 hereingeführt. Im Innenraum I' des zweiten Behälters 20 ist die Leitung 30 wiederum helikal auf ein Kernrohr 50 gewickelt, das koaxial zur Längsachse z im Innenraum I' des zweiten Behälters 20 angeordnet ist, wobei sich die mindestens eine Leitung 30 im Innenraum I' des zweiten Behälters 20 nach oben zu einem am oberen Abschnitt 22 des zweiten Behälters 20 vorgesehenen Auslass 51 erstreckt, über den die dann erwärmte und/oder verdampfte kryogenen Flüssigkeit G aus dem zweiten Behälter 20 abziehbar ist. Entsprechend kann im Innenraum I' des zweiten Behälters 20 das kryogene Medium G im Gegenstrom zum Kälteträgermedium K geführt werden und dabei indirekt mit diesem Wärme austauschen, wobei das kryogene Medium G erwärmt und/oder verdampft wird und das Kälteträgermedium K weiter abgekühlt wird.
  • Aufgrund der solchermaßen hintereinander ausgeführten indirekten Wärmeübertragungen im Gleich- bzw. Gegenstrom liegt das Kälteträgermedium K letztlich mit einer Temperatur vor, die eine weitere Verwendung des Kälteträgermediums K als Kältelieferant (z.B. für ein Kühlhaus) in wirtschaftlicher Weise erlaubt.
  • Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass als Kälteträgermedium z.B. eine Salzlösung (z.B. basierend auf Calciumchlorid) verwendet wird. Bei der kryogenen Flüssigkeit kann es sich z.B. um flüssiges Erdgas handeln.
  • Im Innenraum I des ersten Behälters 10 kann das Kälteträgermedium K dabei mit einem Druck von z.B. ca. 13 bar vorliegen, wobei es am Einlass 52 z.B. eine Temperatur von ca. 10 °C aufweist sowie am Übergang zum zweiten Behälter 20 (Strömungsverbindung S) z.B. eine Temperatur von ca. -3 bis ca. -6 °C. Am Auslass 42 des zweiten Behälters 20 kann das Kälteträgermedium K z.B. eine Temperatur von -32 °C bis ca. -35 °C aufweisen.
  • Demgegenüber kann das zu erwärmende und/oder verdampfende kryogene Medium (z.B. flüssiges Erdgas) am Einlass 41 des ersten Behälters 10 z.B. einen Druck von 100 bar sowie eine Temperatur von ca. -162 °C aufweisen. Beim Übergang auf den zweiten Behälter 20 kann das kryogene Medium G eine Temperatur von ca. -42 bis ca. -34 °C aufweisen. Die Temperatur des erwärmten bzw. verdampften kryogenen Mediums G am Auslass 51 des ersten Behälters 10 kann z.B. 5 bis 9 °C betragen.
  • Die Wärmeübertragereinrichtung 1 kann weiterhin gemäß einer Ausführungsform mehrere Bypassleitungen B, B', B" aufweisen, über die das Kälteträgermedium K bzw. kryogene Medium G an dem jeweiligen Behälter 10, 20 vorbeiführbar ist.
  • So kann zum Beispiel das Kälteträgermedium K über eine Bypassleitung B, die stromauf des zweiten Behälters 20 abzweigt, an den beiden Behältern 10, 20 vorbeigeführt werden. Weiterhin kann das Kälteträgermedium K über eine weitere Bypassleitung B" am zweiten Behälter 20 vorbeigeführt und in den ersten Behälter 10 eingeleitet werden. Schließlich kann auch das kryogenen Medium G über eine weitere Bypassleitung B' am ersten Behälter 10 vorbeigeführt und in den zweiten Behälter 20 eingeleitet werden. Die Bypassleitungen B, B', B" können jeweils mit Ventilen ausgestattet sein, sodass jeweils eine variabler Strom des Kälteträgermediums K bzw. des kryogenen Mediums G über die jeweilige Bypassleitung B, B', B" an dem betreffenden Behälter 10 bzw. 20 vorbei geleitet werden kann. Bezugszeichenliste
    1 Wärmeübertragereinrichtung
    10 Erster Behälter
    11, 21 Unterer Abschnitt
    12, 22 Oberer Abschnitt
    30 Leitung
    40, 50 Kernrohr
    41 Einlass für kryogene Flüssigkeit
    42 Auslass für Kälteträgermedium
    43 Einlass für Kälteträgermedium
    51 Auslass für kryogene Flüssigkeit
    52 Einlass für Kälteträgermedium
    53 Auslass für Kälteträgermerdium
    B, B, B" Bypassleitungen
    G Kryogene Flüssigkeit
    I Erster Bereich bzw. Innenraum
    I' Zweiter Bereich bzw. Innenraum
    K Kälteträgermedium
    S Strömungsverbindung
    Z Vertikale bzw. Längsachse

Claims (13)

  1. Wärmeübertragereinrichtung (1) zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (G) durch indirekten Wärmetausch mit einem fluiden Kälteträgermedium (K), wobei die Wärmeübertragereinrichtung (1) einen ersten und einen zweiten Bereich (I', I) aufweist, und
    - wobei der zweite Bereich (I') einen Einlass (52) aufweist, über den das Kälteträgermedium (K) in den zweiten Bereich (I') einleitbar ist, und wobei der zweite Bereich (I') einen Auslass (53) für das Kälteträgermedium (K) aufweist, der mit einem Einlass (43) für das Kälteträgermedium (K) zu dem ersten Bereich (I) in Strömungsverbindung (S) steht, und wobei der erste Bereich (I) einen Auslass (42) aufweist, über den das Kälteträgermedium (K) nach einem Durchströmen des zweiten und des ersten Bereiches (I', I) aus dem ersten Bereich (I) abziehbar ist, und
    - wobei die Wärmeübertragereinrichtung (1) zumindest eine Leitung (30) aufweist, die zum Führen der zu erwärmenden und/oder zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit (G) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Leitung (30) einen Einlass (41) zum Einleiten der kryogenen Flüssigkeit (G) sowie einen Auslass (51) zum Auslassen der erwärmten und/oder verdampften kryogenen Flüssigkeit (G) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mindestens eine Leitung (30) ausgehend von ihrem Einlass (41) zunächst durch den ersten Bereich (I) geführt ist und sodann durch den zweiten Bereich (I`), derart, dass eine in der mindestens einen Leitung (30) geführte kryogene Flüssigkeit (G), die über den Einlass (41) der mindestens einen Leitung (30) in diese eingeleitet wird und über den Auslass (51) der mindestens einen Leitung (30) abgezogen wird, im ersten Bereich (I) im Gleichstrom zum Kälteträgermedium (K) und im zweiten Bereich (I') im Gegenstrom zum Kälteträgermedium (K) führbar ist.
  2. Wärmeübertagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leitung (30) im ersten und im zweiten Bereich (I, I') zumindest abschnittsweise helikal gewickelt ist.
  3. Wärmeübertragereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (I) durch einen Innenraum (I) eines ersten Behälters (10) und der zweite Bereich (I') durch einen Innenraum (I') eines separaten zweiten Behälters (20) gebildet ist, wobei die beiden Behälter (10, 20) je einen unteren Abschnitt (11, 21) aufweisen, wobei der Auslass (53) für das Kälteträgermedium (K) am unteren Abschnitt (21) des zweiten Behälters (20) und der Einlass (43) für das Kälteträgermedium (K) am unteren Abschnitt (11) des ersten Behälters (10) vorgesehen ist.
  4. Wärmeübertragereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Behälter (10, 20) jeweils entlang einer Längsachse (z) erstrecken, wobei in den Innenräumen (I, I') der beiden Behälter (10, 20) jeweils ein Kernrohr (40, 50) koaxial zur jeweiligen Längsachse (z) angeordnet ist.
  5. Wärmeübertragereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leitung (30) im Innenraum (I) des ersten Behälters (10) helikal um das Kernrohr (40) des ersten Behälters (10) und im Innenraum (I') des zweiten Behälters (20) helikal um das Kernrohr (50) des zweiten Behälters (20) gewickelt ist.
  6. Wärmeübertragereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (41) der mindestens einen Leitung (30) an dem unteren Abschnitt (11) des ersten Behälters (10) vorgesehen ist, und dass der Auslass (51) der mindestens einen Leitung (30) an einem oberen Abschnitt (22) des zweiten Behälters (20) vorgesehen ist.
  7. Wärmeübertragereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leitung (30) an einem oberen Abschnitt (12) des ersten Behälters (10) aus dem Innenraum (I) des ersten Behälters (10) herausgeführt ist und über einen unteren Abschnitt (21) des zweiten Behälters (20) in den Innenraum (I') des zweiten Behälters (20) hereingeführt ist.
  8. Wärmeübertragereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (52) des zweiten Bereichs (I') an einem oberen Abschnitt (22) des zweiten Behälters (20) vorgesehen ist, und dass der Auslass (42) des ersten Bereichs (I) an einem oberen Abschnitt (12) des ersten Behälters (10) vorgesehen ist.
  9. Verfahren zum Erwärmen und/oder Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (G), insbesondere unter Verwendung einer Wärmeübertragereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein fluides Kälteträgermedium (K) in indirekten Wärmetausch mit einer zu verdampfenden und/oder zu erwärmenden kryogenen Flüssigkeit (G) gebracht wird, wobei bei einer ersten indirekten Wärmeübertragung Wärme des Kälteträgermediums (K) auf die kryogene Flüssigkeit (G) übertragen wird, und wobei das Kälteträgermedium (K) im Gleichstrom zur kryogenen Flüssigkeit (G) geführt wird, und wobei bei einer zweiten indirekten Wärmeübertragung Wärme des Kälteträgermediums (K) auf die kryogene Flüssigkeit (G) übertragen wird und diese verdampft und/oder erwärmt wird, wobei das Kälteträgermedium (K) im Gegenstrom zur kryogenen Flüssigkeit (G) geführt wird, wobei das bei der ersten indirekten Wärmeübertragung verwendete Kälteträgermedium (K) zuvor bei der zweiten indirekten Wärmeübertragung (K) verwendet worden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der kryogenen Flüssigkeit (G) stromab der ersten Wärmeübertragung sowie stromauf der zweiten Wärmeübertragung größer ist als der Gefrierpunkt des Kälteträgermediums (K).
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteträgermedium (K) ein Wasser-Glykol-Gemisch oder eine Salzlösung, insbesondere aufweisend Calciumchlorid, ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteträgermedium (K) stromab der ersten Wärmeübertragung zum Kühlen eines Objektes verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit (G) Erdgas ist.
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