EP3397912A1 - Verfahren und wärmeaustauscher zur rückgewinnung von kälte bei der regasifizierung tiefkalter flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und wärmeaustauscher zur rückgewinnung von kälte bei der regasifizierung tiefkalter flüssigkeiten

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EP3397912A1
EP3397912A1 EP16742154.4A EP16742154A EP3397912A1 EP 3397912 A1 EP3397912 A1 EP 3397912A1 EP 16742154 A EP16742154 A EP 16742154A EP 3397912 A1 EP3397912 A1 EP 3397912A1
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EP
European Patent Office
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coiled tubing
heat exchanger
intermediate medium
container
liquid
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EP16742154.4A
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Inventor
Rainer Braun
Peter Otto
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Eco Ice Kalte GmbH
Original Assignee
Eco Ice Kalte GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/022—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of two or more media in heat-exchange relationship being helically coiled, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0066—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications with combined condensation and evaporation

Definitions

  • the invention relates to the recovery of cold in the regasification of cryogenic liquids, in particular liquefied natural gas
  • LNG Liquefied Natural Gas at -162 ° C and 1 bar atmospheric pressure
  • LN2 Liquefied Nitrogen
  • L02 Liquefied Oxygen
  • the heat exchanger is for, although relatively small in comparison to the fuel energy, so valuable
  • Natural gas can be transferred under atmospheric pressure after cooling to -162 ° C and subsequent removal of the heat of condensation from the gaseous to the liquid phase. This is the reduction of the volume on the
  • Liquefied natural gas can thus be stored in an attractive manner and transported over long distances.
  • the equally costly and value-adding process chain to be realized ranges from extraction and processing via liquefaction, storage, long-distance transport with tankers, re-storage in large tanks and repeated transport to the user until regasification. The end of this chain very often forms one
  • satellite system namely a double-walled
  • Vacuum-insulated LNG storage without liquefaction facility Vacuum-insulated LNG storage without liquefaction facility.
  • the satellite system has a regasification device,
  • LNG liquefied natural gas
  • PCM Phase Change Material
  • the cold of the LNG is transferred to a liquid refrigerant, which is to be used down to the temperature level of about -60 ° C, without pumping phase change and thus remains safe.
  • a liquid refrigerant which is to be used down to the temperature level of about -60 ° C, without pumping phase change and thus remains safe.
  • Therminol D12 a synthetic liquid based on aliphatic hydrocarbons.
  • Heat transfer properties propane is preferably used as the intermediate medium.
  • This heat exchanger is expediently designed as a cylinder in vertical alignment and closed at the top and bottom by dished ends.
  • the container thus realized contains at least one in the upper part
  • this is filled with the intermediate medium, preferably propane, which is securely encapsulated.
  • the propane is in the lower part to the level of a boiling liquid and in the upper region above the filling level condensing saturated steam.
  • Both surface heat exchangers are designed as tube helices.
  • Intermediate medium can be done on the lower tube coils.
  • the heat transfer from the upper coiled tubing to the deep-frozen liquid to be evaporated is particularly effective because of the long flow path and the resulting on a circular path secondary flow in the interior of the coiled tubing.
  • the largest transport resistance the reduction of which has a particularly positive effect on the entire heat transfer result.
  • the use of a turbulator can further reduce this transport resistance.
  • in the lower part of the cylindrical container further tube spirals protruding freely from below into the inner space, but at least one coiled tubing, are located.
  • the brine gives the evaporation of the
  • the cylindrical container is after its evacuation with the
  • Intermediate medium preferably propane, taking into account temperature, density and mass sustainably filled so that the upper tube coils remain free at each subsequent operating state, while the lower tube coils of liquid intermediate medium in the boiling state are completely flooded.
  • This distance can be calculated with the help of the material values of the intermediate medium. It corresponds approximately to the diameter of the coiled tubing.
  • Boiling state are in phase equilibrium.) Approximately 9.6 bar. The density of the liquid is then about 492 kg / m 3 .
  • the density of the liquid phase is then about 612 kg / m 3 .
  • the following embodiments are related to the regasification of cryogenic liquefied natural gas LNG (Liquefied Natural Gas) stored in a satellite tank farm.
  • LNG Liquified Natural Gas
  • Heat exchangers for brine temperature levels above -60 ° C and for cooling capacities in the range below 100 kW explained in more detail with reference to drawings.
  • the heat exchangers used differ in their design.
  • FIG. 1 A heat exchanger according to the invention is shown in FIG. 1 as a section along its vertical system axis.
  • a coiled tubing 6 and at the lower dished bottom 3 a coiled tubing 7 is arranged directly or indirectly in each case in freely projecting into the container interior.
  • the attachment to the container 1 is realized only on one side.
  • the intermediate medium 8 namely propane 8, which is thus securely encapsulated.
  • the level 9 of the liquid intermediate medium 8 in the container 1 is adjusted so that the upper tube coil 6 is surrounded in each operating state of gaseous intermediate medium 8.1 and the lower tube coil 7 is flooded with liquid intermediate medium 8.2.
  • the two coiled tubing 6 and 7 a
  • the container 1 and the tube coils 6 and 7 are advantageously made of stainless steel. Thus, a sufficient Tiefkaltzähmaschine and a high
  • Therminol D12 is used as a refrigerant.
  • FIG. 2 Another heat exchanger according to the invention is also shown in FIG. 2 as a section along its vertical system axis.
  • both the coiled tubing 6 and the coiled tubing 7 are present in multiple arrangement in the container 1 in otherwise analogous construction.
  • seven tube coils 6 and 7 are arranged in each case. All other features are taken apart from structural adjustments.
  • the inflow 12 of the refrigerant to the coiled tubing 7 is also carried out with the interposition of a manifold 15 directly, while the drain 13 is realized via a further manifold 16 in the lower part of the container 1.
  • the two manifolds 16 may alternatively be arranged outside the container 1. It is recommended to use the headers 16 for each one-sided attachment of the coiled tubing 6 and 7 on the container 1. Depending on the conditions of use, the upper and / or lower tube coils 6 and 7 can be connected individually or in bundles.
  • Heat exchanger effective heat transfer from the refrigerant to be cooled to the boiling intermediate medium 8.2 in the lower
  • the natural circulation of the intermediate medium comes by the dripping of the condensate of the or the upper
  • intermediate medium for example propane, gaseous, condensing
  • intermediate medium for example propane, liquid or boiling

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung von tiefkalten Flüssigkeiten, insbesondere verflüssigtem Erdgas verflüssigtem Stickstoff und verflüssigtem Sauerstoff. Die Kälte wird zunächst aus der tiefkalten Flüssigkeit auf ein Zwischenmedium und anschließend von diesem auf einen flüssigen Kälteträger übertragen, der hinab bis zu einem Temperaturniveau von -60°C ohne Phasenwechsel bleibt und damit sicher pumpbar ist. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Verdampfen und Kondensieren des Zwischenmediums ohne Pumpeneinsatz im Naturumlauf. Die Temperatur des Zwischenmediums ist im Bereich von -20 °C bis -100°C durch Definition der apparativen bzw. Konstruktionsmerkmale des Wärmeaustauschers einstellbar. Der Wärmeaustauscher zeichnet sich durch relativ einfache Konstruktionsmerkmale und einfache Bedienbarkeit aus, die einen der Kälteleistung angemessen niedrigen Investitionsaufwand ermöglichen.

Description

Beschreibung
Titel Verfahren und Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der
Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten
Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung von tiefkalten Flüssigkeiten, insbesondere verflüssigtem Erdgas
(LNG, Liquified Natural Gas bei -162°C und 1 bar atmosphärischem Druck), verflüssigtem Stickstoff (LN2) und verflüssigtem Sauerstoff (L02). Dazu werden Verfahrensmerkmale in Verbindung mit einem Wärmeaustauscher zur
Realisierung des Verfahrens angegeben. Der Wärmeaustauscher ist für, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleine, so doch wertvolle
Kälteleistung im Bereich unter 100 kW konzipiert und zeichnet sich durch einfache Konstruktionsmerkmale und einfache Bedienbarkeit aus, die einen der
Kälteleistung angemessen niedrigen Investitionsaufwand ermöglichen.
Stand der Technik
Erdgas lässt sich unter atmosphärischem Druck nach Abkühlung auf -162 °C und anschließender Abfuhr der Kondensationswärme aus der gasförmigen in die flüssige Phase überführen. Damit ist die Reduktion des Volumens auf das
Sechshundertstel des bei 1 ,013 bar und 15°C gegebenen Wertes verbunden. Verflüssigtes Erdgas ist somit auf attraktive Weise lagerbar und über große Strecken transportierbar. Die zu realisierende, gleichermaßen kostenaufwändige wie wertschöpfende Prozesskette reicht von der Förderung und Aufbereitung über die Verflüssigung, die Lagerung, den Ferntransport mit Tankschiffen, die erneute Lagerung in Großtanks und den nochmaligen Transport zum Verwender bis zur dortigen Regasifizierung. Das Ende dieser Kette bildet sehr häufig eine
sogenannte Satellitenanlage, nämlich ein doppelwandiger,
vakuumisolierter LNG- Speicher ohne Verflüssigungseinrichtung. Die Satellitenanlage verfügt über eine Regasifizierungseinrichtung,
üblicherweise ein atmosphärischer Verdampfer mit vertikalen längsberippten Rohren, an denen das verflüssigte Erdgas, im folgenden Text mit LNG bezeichnet, verdampft und auf Umgebungstemperatur überhitzt wird, während die
erforderliche Wärme aus der Umgebungsluft durch freie Konvektion zugeführt wird.
Der beschriebene Stand der Technik ist umfangreich in der DE10201 1081673 „Verfahren und Anlage zur Regasifizierung von Flüssigerdgas" und in weiteren Veröffentlichungen dargelegt, beispielsweise in folgenden Schriften:
US6089022 „Regasification of liquefied natural gas (LNG) aboard a transport vessel", US 6367265„Vaporizer for a low temperature liquid", US 6367429 „Intermediate fluid type vaporizer" und WO 2004031644„Regasification system and method".
Unbefriedigend ist, dass das vorhandene energetische Potential im LNG in Form von Kälte bei der Regasifizierung ungenutzt bleibt.
Daraus ergibt sich das Ziel der Erfindung, nämlich die besonders einfach gestaltete Nutzbarmachung der in diesem Prozess freiwerdenden, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleinen, so doch wertvollen Kälte im
Bereich unter 100 kW und zwar auf einem für den praktischen Bedarf
nachgefragten mäßig tiefen Temperaturniveau oberhalb -60°C, z.B. für die
Tieftemperaturlagerung oder die Kältespeicherung mit Phase Change Material (PCM).
Aufgabenstellung
Die erfinderische Aufgabenstellung ist somit in der Angabe von technologischen und apparativen Merkmalen zu sehen, die es ermöglichen, die vorgenannte Zielstellung zu erreichen.
Basierend auf der vorzuschlagenden Verfahrensweise ist ein Wärmeaustauscher für Temperaturniveaus oberhalb von -60°C zu entwickeln, der die bei der
Regasifizierung der tiefkalten Flüssigkeiten auftretenden großen
Temperaturdifferenzen beherrscht. Tiefkalte Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung sind einleitend näher spezifiziert. Lösung der Aufgabenstellung
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Hauptanspruch 1 angegeben.
Die jeweils untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
Erfindungsgemäß wird Folgendes vorgeschlagen: Verfahrensseitig wird die Kälte des LNG auf einen flüssigen Kälteträger übertragen, der bis hinab zum Temperaturniveau von ca. -60°C eingesetzt werden soll, dabei ohne Phasenwechsel und damit sicher pumpbar bleibt. Vorteilhaft verwendbar ist beispielsweise Therminol D12, eine synthetische Flüssigkeit auf der Basis aliphatischer Kohlenwasserstoffe.
Die Energieübertragung erfolgt allerdings nicht direkt auf den flüssigen
Kälteträger, sondern zunächst auf ein Zwischenmedium (intermediate fluid) und von diesem dann auf den flüssigen Kälteträger. Die Verwendung des
Zwischenmediums dient der Überwindung der zwischen der zu regasifizierenden tiefkalten Flüssigkeit und dem Kälteträger vorhandenen großen
Temperaturdifferenz ohne dass der Kälteträger zu stark abkühlt, bis hin zum Erstarren des Selben. Die Temperatur des Zwischenmediums und damit die seriellen treibenden Temperaturdifferenzen sind erfindungsgemäß mit Hilfe der apparativen Konzipierung der Wärmeübertragung, insbesondere über die
Wärmeübertragungsflächen, frei einstellbar. Wegen seiner günstig liegenden Erstarrungslinie, die Tripelpunktdaten sind -187,7°C und 0,0002 Pa, und wegen der durch Verdampfung und Kondensation gegebenen sehr guten
Wärmeübertragungseigenschaften wird bevorzugt Propan als Zwischenmedium eingesetzt.
Die Wärmeübertragung über dieses Zwischenmedium erfolgt bei einer wählbaren Zwischentemperatur durch Verdampfen und Kondensieren im Naturumlauf, also ohne den Einsatz einer Pumpe, in einem erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher für Kälteleistungen unter 100 kW.
Dieser Wärmeaustauscher ist zweckmäßig als Zylinder in Vertikalausrichtung ausgeführt und oben und unten durch Klöpperböden verschlossen. Der so realisierte Behälter enthält im oberen Teil wenigstens einen
Oberflächenwärmeaustauscher zur Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit, beispielsweise LNG, und im unteren Teil mindestens einen weiteren
Oberflächenwärmeaustauscher zur Abkühlung des flüssigen Kälteträgers.
Zur Realisierung des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters ist dieser mit dem Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, gefüllt, welches sicher gekapselt ist. Das Propan ist im unteren Bereich bis zum Füllstand eine siedende Flüssigkeit und im oberen Bereich oberhalb des Füllstandes kondensierender Sattdampf.
Beide Oberflächenwärmeaustauscher sind als Rohrwendeln ausgeführt.
Vorteilhafterweise sind diese mehrfach angeordnet, wobei eine zahlenmäßige Symmetrie nicht zwingend erforderlich ist.
Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit erfolgt somit über die oberen Rohrwendeln. Diese ragen von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Gleichermaßen ragen die unteren Rohrwendeln von unten her frei nach oben in den Behälterinnenraum. Als Befestigungen am Behälter sind zweckmäßig die den Rohrwendeln
zugeordneten Sammelrohre nutzbar, wobei auch andere Befestigungslösungen realisierbar sind.
Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige
Zwischenmedium kann an den unteren Rohrwendeln erfolgen.
Mit der Wahl des Werkstoffes Edelstahl für Behälter und Rohrwendeln sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit garantiert. Der Einsatz von Rohrwendeln ermöglicht es, auf engem Raum relativ große Wärmeübertragungsflächen unterzubringen.
Der Wärmeübergang von den oberen Rohrwendeln an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit ist wegen des langen Strömungsweges und der sich auf einer Kreisbahn ergebenden Sekundärströmung im Inneren der Rohrwendel besonders wirksam. Hier liegt der größte Transportwiderstand vor, dessen Reduzierung einen besonders positiven Einfluss auf den gesamten Wärmedurchgang zur Folge hat. Der Einsatz eines Turbulators kann diesen Transportwiderstand weiter verringern. Wie bereits erwähnt, befinden sich im unteren Teil des zylindrischen Behälters weitere von unten her frei in den Innenraum ragende Rohrwendeln, wenigstens aber eine Rohrwendel. Hier gibt der Kälteträger die zur Verdampfung des
Zwischenmediums Propan erforderliche Wärme in der vorbeschriebenen Weise ab. Dies führt auch hier zu einem sehr guten Wärmedurchgang, weil hier kälteträgerseitig der größte Transportwiderstand vorliegt.
Der zylindrische Behälter wird nach seiner Evakuierung mit dem
Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, unter Berücksichtigung von Temperatur, Dichte und Masse nachhaltig so gefüllt, dass die oberen Rohrwendeln bei jedem nachfolgenden Betriebszustand frei bleiben, während die unteren Rohrwendeln von flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand völlig geflutet sind.
Dies setzt erfindungsgemäß die Berücksichtigung eines angemessenen
Abstandes zwischen den oberen und den unteren Rohrwendeln voraus.
Dieser Abstand kann mit Hilfe der Stoffwerte des Zwischenmediums berechnet werden. Er entspricht in etwa dem Durchmesser der Rohrwendeln.
Kennzeichnende Stoffwerte des Zwischenmediums Propan sind Folgende:
Bei 25°C beträgt der Druck des Propans (Sattdampf und Flüssigkeit im
Siedezustand befinden sich im Phasengleichgewicht.) ca. 9,6 bar. Die Dichte der Flüssigkeit beträgt dann ca. 492 kg/m3.
Bei -70°C stellt sich das Phasengleichgewicht bei ca. 0,27 bar ein. Die Dichte der flüssigen Phase ist dann ca. 612 kg/m3.
Mit Hilfe der beabstandeten Anordnung der Rohrwendeln im Behälter und mit deren Dimensionierung, sprich Konzipierung der Wärmeübertragungsflächen, die die Temperatur des im Naturumlauf verdampfenden und kondensierenden Zwischenmediums festlegt und eine inhärente Sicherheit derart erreicht, dass das mit dem Abschalten des Wärmeaustauschers durch Unterbrechung des
Kälteträger- und des LNG- Massenstromes einhergehende thermische
Gleichgewicht nie zu einer Erstarrung des Kälteträgers führt. Ausführungsbeispiele
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind auf die Regasifizierung von tiefkalten in einem Satelliten- Tanklager gelagerten verflüssigtem Erdgas LNG (Liquified Natural Gas) bezogen. Bei 1 bar LNG- Lagerdruck beträgt dessen Temperatur ca. -162°C und bei 5 bar LNG- Lagerdruck ca. -138°C.
In den Ausführungsbeispielen werden das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Kälte aus verflüssigtem Erdgas (LNG) in Verbindung mit
Wärmeaustauschern für Kälteträger- Temperaturniveaus oberhalb von -60°C und für Kälteleistungen im Bereich unterhalb 100 kW, an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Die verwendeten Wärmeaustauscher unterscheiden sich dabei in der apparativen Gestaltung.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher ist in Figur 1 als Schnitt entlang seiner vertikalen Systemachse dargestellt.
Es handelt sich um einen zylindrischen Behälter 1 in Vertikalausrichtung, der mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden 2 bzw. 3 abgeschlossen und mit einer Isolierung 5 ganzheitlich ummantelt ist.
Im Bereich des oberen Klöpperbodens 2 ist eine Rohrwendel 6 und am unteren Klöpperboden 3 eine Rohrwendel 7 mittelbar oder unmittelbar jeweils in frei in das Behälterinnere hineinragender Weise angeordnet. Die Befestigung am Behälter 1 ist jeweils nur einseitig realisiert. Zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters 1 ist dieser mit dem Zwischenmedium 8, nämlich Propan 8 gefüllt, welches damit sicher gekapselt ist. Der Füllstand 9 des flüssigen Zwischenmediums 8 im Behälter 1 ist so eingestellt, dass die obere Rohrwendel 6 bei jedem Betriebszustand von gasförmigen Zwischenmedium 8.1 umgeben und die untere Rohrwendel 7 mit flüssigem Zwischenmedium 8.2 geflutet ist. Dazu ist zwischen den beiden Rohrwendeln 6 und 7 ein
angemessener Abstand von etwa dem Durchmesser der Rohrwendel 6 bzw. 7 vorhanden und die entsprechende Masse des Zwischenmediums 8 in den
Behälter eingefüllt. Der Behälter 1 und die Rohrwendeln 6 und 7 sind vorteilhaft aus Edelstahl gefertigt. Damit sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe
Korrosionsbeständigkeit garantiert.
Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan- Sattdampf 8.1 an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit LNG erfolgt somit über die obere
Rohrwendel 6. Diese ragt, wie bereits ausgeführt, von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Das hat den Vorteil, dass mechanische Spannungen in Folge der im Betrieb auftretenden großen zeitlichen Temperaturänderungen ausreichend vermieden werden.
Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige, siedende Propan 8.2 erfolgt an der unteren Rohrwendel 7.
Da die untere Rohrwendel 7 in gleicher Art und Weise mit dem unteren Bereich des Behälters mechanisch verbunden ist, ergeben sich die beschriebenen Vorteile dieser Anbringung für diese analog zur oberen Rohrwendel 6.
Als Kälteträger kommt vorteilhafterweise Therminol D12 zum Einsatz.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher ist in Figur 2 ebenfalls als Schnitt entlang seiner vertikalen Systemachse dargestellt.
Er unterscheidet sich zum vorbeschriebenen Wärmeaustauscher dadurch, dass sowohl die Rohrwendel 6 als auch die Rohrwendel 7 in Mehrfachanordnung im Behälter 1 in ansonsten analoger Bauweise vorhanden sind. Im gewählten Beispiel sind jeweils sieben Rohrwendeln 6 und 7 angeordnet. Alle übrigen Merkmale sind abgesehen von konstruktiven Anpassungen übernommen.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den Zufluss 10 des LNG unter
Zwischenschaltung eines Verteilers 15 direkt zu gestalten und den Abfluss 1 1 des regasifizierten LNG über ein Sammelrohr 16 im oberen Teil des Behälters 1 zu realisieren. Der Zufluss 12 des Kälteträgers zu den Rohrwendeln 7 erfolgt ebenfalls unter Zwischenschaltung eines Verteilers 15 direkt, während der Abfluss 13 über ein weiteres Sammelrohr 16 im unteren Teil des Behälters 1 realisiert ist. Die beiden Sammelrohre 16 können alternativ auch außerhalb des Behälters 1 angeordnet werden. Es empfiehlt sich, die Sammelrohre 16 zur jeweils einseitigen Befestigung der Rohrwendeln 6 und 7 am Behälter 1 zu nutzen. Abhängig von den Einsatzbedingungen sind die oberen und/oder die unteren Rohrwendeln 6 bzw. 7 einzeln bzw. bündelweise anschließbar.
Verfahrensgemäß ermöglichen die beschriebenen erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher einen effektiven Wärmetransport von dem zu kühlenden Kälteträger an das siedende Zwischenmedium 8.2 im Bereich der unteren
Rohrwendel bzw. Rohrwendeln 7 und von dem kondensierenden, gasförmigen Zwischenmedium 8.1 an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit im Bereich der oberen Rohrwendel bzw. Rohrwendeln 6. Der Naturumlauf des Zwischenmediums kommt durch das Abtropfen des Kondensates von der bzw. den oberen
Rohrwendeln 6 zu Stande.
Bezugszeichenliste
1 Behälter,
2 oberer Klöpperboden,
3 unterer Klöpperboden,
4 Drucktransmitter,
5 Isolierung,
6 obere Rohrwendel,
7 untere Rohrwendel,
8 Zwischenmedium, beispielsweise Propan,
8.1 Zwischenmedium, beispielsweise Propan, gasförmig, kondensierend;
Propan- Sattdampf,
8.2 Zwischenmedium, beispielsweise Propan, flüssig bzw. siedend,
9 Füllstand des flüssigen Zwischenmediums; Propan 8 im Siedezustand,
10 Zufluss des LNG zur Rohrwendel 6 bzw. zu den Rohrwendeln 6,
1 1 Abfluss des regasifizierten LNG aus der Rohrwendel 6 bzw. aus den Rohrwendeln 6,
12 Zufluss des Kälteträgers zur Rohrwendel 7 bzw. zu den Rohrwendeln 7, 13 Abfluss des Kälteträgers aus der Rohrwendel 7 bzw. aus den
Rohrwendeln 7,
14 Vorrichtung zum Entleeren und Befüllen mit Zwischenmedium 8,
zum Beispiel mit Propan 8
15 Verteiler,
16 Sammelrohr.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren und Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten, nämlich verflüssigtem Erdgas (LNG), verflüssigtem Stickstoff (LN2) oder verflüssigtem Sauerstoff (L02),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kälte der tiefkalten Flüssigkeit in einem Wärmeaustauscher, der für Kälteleistungen im Bereich unter 100 kW konzipiert ist, zunächst auf ein
Zwischenmedium (8) und anschließend von diesem auf einen flüssigen
Kälteträger übertragen wird, wobei der Kälteträger bis hinab zu einem
Temperaturniveau von -60°C ohne Phasenwechsel bleibt und damit sicher pumpbar ist, dass die Wärmeübertragung ferner durch Verdampfen und
Kondensieren ohne Pumpeneinsatz im Naturumlauf im Wärmeaustauscher erfolgt, wobei die Temperatur des Zwischenmediums (8) im Bereich von -20 °C bis -100°C durch die Konzipierung der Wärmeübertragung und der sie treibenden
Temperaturdifferenzen frei wählbar ist, und zwar mittels folgender
kennzeichnender Merkmale des Wärmeaustauschers:
- Einen Behälter (1 ) in Vertikalausrichtung mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden (2; 3), der ganzheitlich mit einer Isolierung (5) ummantelt ist,
- Anordnung wenigstens einer Rohrwendel (6) im Bereich des oberen
Klöpperbodens (2) und wenigstens einer Rohrwendel (7) im Bereich des unteren Klöpperbodens (3) bei Einhaltung eines Abstandes zwischen den
Rohrwendeln (6 und 7),
- Befüllung des hermetisch geschlossenen Behälters (1 ) mit dem dadurch gekapseltem Zwischenmedium (8) zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des Behälters (1 ) mit einem Füllstand (9) zwischen den oberen und den unteren Rohrwendeln (6 bzw. 7), wobei die unteren Rohrwendeln (7) bei jedem
Betriebszustand mit flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) geflutet sind, während die oberen Rohrwendeln (6) von Sattdampf (8.1 ) umgeben sind, der im Betrieb bei Wärmeabgabe an den Rohrwendeln (6) kondensiert, und wobei die Rohrwendeln (6 und/oder 7) in Einzel- bzw. Mehrfachanordnung vorhanden sind.
- Realisierung des Wärmetransports vom kondensierenden Zwischenmedium (8.1 ) an die zu regasifizierende tiefkalte Flüssigkeit (LNG) durch Zufluss (10) und Abfluss (1 1) der Selben über die Rohrwendel (6) bzw. bei Mehrfachanordnung über die Rohrwendeln (6) und das zugehörige Sammelrohr (16),
- Realisierung des Wärmetransports vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium (8.2) durch Zufluss (12) und Abfluss (13) des
Kälteträgers über die Rohrwendel (7) bzw. bei Mehrfachanordnung über die Rohrwendeln (7) und das zugehörige Sammelrohr (16).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass ein flüssiger Kälteträger verwendet wird, dessen Erstarrungstemperatur tiefer als -60°C ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass als Zwischenmedium (8) Propan (8) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur des im Naturumlauf verdampfenden und kondensierenden Zwischenmediums (8) wesentlich durch die apparative bzw. konstruktive
Gestaltung der Wärmeübertragung, d.h., der Strömungen und der
Wärmeübertragungsflächen der Rohrwendeln (6 und 7) so festlegbar ist, dass das mit dem Abschalten des Wärmeaustauschers durch Unterbrechung des
Kälteträger- und LNG- Massenstroms einhergehende thermische Gleichgewicht nie zu einer Erstarrung des Kälteträgers führt.
5. Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten, nämlich verflüssigtem Erdgas (LNG), verflüssigtem
Stickstoff (LN2) oder verflüssigtem Sauerstoff (L02),
gekennzeichnet durch,
- Einen Behälter (1) in Vertikalausrichtung mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden (2; 3), der ganzheitlich mit einer Isolierung (5) ummantelt ist, - Anordnung einer Rohrwendel (6) im Bereich des oberen Klöpperbodens (2) und wenigstens einer Rohrwendel (7) im Bereich des unteren Klöpperbodens (3) bei Einhaltung eines Abstandes zwischen den Rohrwendeln (6 und 7),
- Befüllung des hermetisch geschlossenen Behälters (1 ) mit dem dadurch gekapseltem Zwischenmedium (8) zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des Behälters (1 ) mit einem Füllstand (9) zwischen den oberen und den unteren Rohrwendeln (6 und 7), wobei die unteren Rohrwendeln (7) bei jedem
Betriebszustand mit flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) geflutet sind, während die oberen Rohrwendeln (6) von Sattdampf (8.1 ) umgeben sind, der im Betrieb bei Wärmeabgabe an den Rohrwendeln (6) kondensiert, und wobei die Rohrwendeln (6 und/oder 7) in Einzel- bzw. Mehrfachanordnung vorhanden sind.
- Realisierung des Wärmetransports vom kondensierenden Zwischenmedium (8.1 ) an die zu regasifizierende tiefkalte Flüssigkeit (LNG) durch Zufluss (10) und Abfluss (1 1) der Selben über die Rohrwendel (6) bzw. bei Mehrfachanordnung über die Rohrwendeln (6) und das zugehörige Sammelrohr (16),
- Realisierung des Wärmetransports vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium (8.2) durch Zufluss (12) und Abfluss (13) des
Kälteträgers über die Rohrwendel (7) bzw. bei Mehrfachanordnung über die Rohrwendeln (7) und das zugehörige Sammelrohr (16).
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohrwendeln (6 und 7) ein berechenbarer Abstand von wenigstens dem Durchmesser der Rohrwendeln (6 bzw. 7) realisiert ist,
der sicherstellt, dass die oberen Rohrwendeln (6) bei jedem Betriebszustand von Sattdampf (8.1 ) umgeben und die unteren Rohrwendeln (7) von flüssigem
Zwischenmedium im Siedezustand (8.2) völlig geflutet sind.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwendeln (6 und 7) jeweils frei in das Behälterinnere hineinragen bei jeweils einseitiger Befestigung am Behälter (1).
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) und die Rohrwendeln (6 und 7) aus Edelstahl gefertigt sind.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Rohrwendeln (6 und 7) jeweils eine Kreisströmung realisiert ist.
10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Turbulatoren eingesetzt sind.
1 1. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung mehrerer Rohrwendeln (6) der Zufluss (10) des LNG unter Zwischenschaltung eines Verteilers (15) direkt und der Abfluss (1 1 ) des
regasifizierten LNG über ein Sammelrohr (16) im oberen Teil des Behälters (1 ) realisiert ist.
12. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung mehrerer Rohrwendeln (7) der Zufluss (12) des Kälteträgers unter Zwischenschaltung eines Verteilers (15) direkt und der Abfluss (13) des Kälteträgers über ein Sammelrohr (16) im unteren Teil des Behälters (1 ) realisiert ist.
13. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung mehrerer Rohrwendeln (6 bzw. 7) die Sammelrohre (16) sowohl innerhalb als alternativ auch außerhalb des Behälters (1) anordenbar sind.
14. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (16) zur einseitigen Befestigung der
Rohrwendeln (6 bzw. 7) nutzbar sind.
Es folgen zwei Blätter Zeichnungen (Figur 1 und 2)!
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