EP3790682B1 - Verwendung eines schmierstoffs und wärmetauscher - Google Patents

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EP3790682B1
EP3790682B1 EP19722793.7A EP19722793A EP3790682B1 EP 3790682 B1 EP3790682 B1 EP 3790682B1 EP 19722793 A EP19722793 A EP 19722793A EP 3790682 B1 EP3790682 B1 EP 3790682B1
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EP
European Patent Office
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lubricant
heat exchanger
cleaning element
threaded spindle
contact surface
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EP19722793.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3790682C0 (de
EP3790682A1 (de
Inventor
Ekkehardt Klein
Christoph Nagl
Andreas POLLAK
Werner Muchitsch
Mathias KURRAS
Michael Hernegger
Thomas Karoschitz
Leopold Hauser
Robert Adler
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.)
RAG Austria AG
Linde GmbH
Original Assignee
RAG Austria AG
Linde GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/08—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M169/00—Lubricating compositions characterised by containing as components a mixture of at least two types of ingredient selected from base-materials, thickeners or additives, covered by the preceding groups, each of these compounds being essential
    • C10M169/04—Mixtures of base-materials and additives
    • 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
    • F28D7/10—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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/14—Pull-through rods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10M2201/00—Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2201/04—Elements
    • C10M2201/041—Carbon; Graphite; Carbon black
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10M2201/00—Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2201/06—Metal compounds
    • C10M2201/065—Sulfides; Selenides; Tellurides
    • C10M2201/066—Molybdenum sulfide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2213/00—Organic macromolecular compounds containing halogen as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2213/06—Perfluoro polymers
    • C10M2213/062—Polytetrafluoroethylene [PTFE]
    • C10M2213/0623—Polytetrafluoroethylene [PTFE] used as base material

Definitions

  • the invention relates to a use of a lubricant to reduce friction for a cleaning device of a heat exchanger and a heat exchanger.
  • the invention is therefore particularly in the field of heat exchangers.
  • Heat exchangers for warming or cooling a working medium are widely known from the prior art. Without restricting generality, the working medium natural gas will be examined in more detail below. Natural gas from ground storage often has a particularly high percentage of undesirable accompanying substances and particularly high water content. It is desirable to remove the accompanying substances and the water content from the natural gas before it is used for further purposes. One possibility for this is cooling the natural gas in one or more steps to suitable low temperatures. In particular, liquefying the natural gas can be useful here.
  • Condensing and freezing accompanying substances such as water, CO 2 and hydrocarbon compounds are deposited on the heat transfer surfaces and thus reduce heat transfer. Even at operating temperatures above the freezing point of water, methane hydrate can also form on the heat transfer surfaces.
  • Cylinder tubes of heat exchangers can therefore be provided with a cleaning device, by means of which deposits are removed from the heat transfer surfaces the cylinder tubes can be removed mechanically.
  • a cleaning device by means of which deposits are removed from the heat transfer surfaces the cylinder tubes can be removed mechanically.
  • Such cleaning devices often have a high degree of friction and wear, since many conventional lubricants cannot be used in the temperature ranges prevailing in the heat exchanger. In addition, lubricant secretions can lead to contamination of the working medium to be heated or cooled in the heat exchanger.
  • the writing reveals a lubricant with a similar composition JP-2007 262368 A .
  • the invention relates to the use of a lubricant comprising at least 30% polytetrafluoroethylene, at least 0.5% graphite, and at least 0.5% molybdenum disulfide.
  • the lubricant is used to reduce friction for a cleaning device of a heat exchanger used for cooling and/or liquefying gases at temperatures between 0 and 273K.
  • the invention relates to a heat exchanger with a cylinder tube and a cleaning device with the features of claim 4.
  • first and/or the second contact surface are at least partially coated with a lubricant means that the first and/or the second contact point is at least partially coated with the lubricant. In other words, it is not absolutely necessary, although advantageous, for the entire first contact surface and/or the entire second contact surface to be coated with the lubricant. In addition, locations of the cylinder tube and/or the threaded spindle and/or the cleaning element that do not form part of the first and/or the second contact surface can also be coated with the lubricant.
  • the invention offers the advantage that a reduction in friction between the cylinder tube and/or the threaded rod can be achieved, whereby material abrasion and/or wear on the cleaning device and/or on the heat exchanger can also be avoided. This in turn allows repair-related downtimes or downtimes to be reduced and/or required maintenance effort to be reduced. This means operating costs can be reduced.
  • a less powerful drive element or a less powerful motor may be sufficient than is required for conventional heat exchangers.
  • the invention offers the advantage that an effective reduction in friction can be achieved with the lubricant according to the invention even at very low temperatures, such as those which prevail in particular when cooling and/or liquefying gases in the heat exchanger.
  • the lubricant according to the invention is suitable for ensuring reliable lubrication of the surfaces provided with it even at temperatures between 0 K and 273 K.
  • the invention offers the advantage that the lubricant according to the invention can also be used at significantly lower temperatures conventional lubricants that are based on oils and/or fats and therefore typically lose a high degree of lubricating effect below a temperature of approximately 223 K, and also freeze and/or solidify and thus almost completely lose their lubricating effect.
  • the lubricant preferably comprises at most 99% polytetrafluoroethylene and/or at most 50% graphite and/or at most 50% molybdenum disulfide or consists of these proportions. More preferably, the lubricant comprises at least 80% and at most 99% polytetrafluoroethylene and / or at least 0.5% and at most 2% graphite and / or at least 0.5% and at most 2% molybdenum disulfide or consists of these proportions.
  • This offers the advantage that particularly advantageous properties of the lubricant can be achieved with regard to the lubricating effect and temperature stability.
  • a high proportion of polytetrafluoroethylene can lead to particularly advantageous properties at low temperatures.
  • the cylinder tube preferably has at least one guide groove on the inner wall, the first contact surface being at least partially formed by the guide groove. This allows a precise and controlled movement of the cleaning element to be achieved, which can be designed to follow the guide groove when the threaded spindle rotates.
  • the cleaning element can have one or more external grooves, which can be designed to engage in the at least one guide groove of the cylinder tube.
  • the threaded spindle preferably has an external thread and the cleaning element has an internal thread, which at least partially form the second contact surface. This offers the advantage that rotating the threaded rod about the longitudinal axis, which runs in the axial direction, results in the cleaning element moving in the axial direction.
  • a layer thickness of the lubricant on the first contact surface and/or on the second contact surface is at least 20 ⁇ m and at most 200 ⁇ m, particularly preferably at least 50 ⁇ m and at most 100 ⁇ m.
  • the lubricant can be distributed in a uniform thickness or in an uneven thickness over the respective contact surface or at least a part of it.
  • the lubricant can be arranged on the first contact surface in a different thickness or in the same thickness as on the second contact surface.
  • the lubricant can be applied to one or two sides of the first contact surface and/or the second contact surface.
  • the lubricant can be attached to the inner wall of the cylinder tube or in the at least one guide groove or on an outer surface of the cleaning element or both on the inner wall of the cylinder tube or in the at least one guide groove and on an outer surface of the cleaning element . Accordingly, the lubricant can be attached to the threaded spindle or to the cleaning element or both to the threaded spindle and to the cleaning element on the second contact surface.
  • the coating can be carried out, for example, by spray-sintering processes.
  • the coating forms a PTFE (Teflon ® ) compound in a solid state in which the dry lubricants graphite and MoS 2 are arranged.
  • the cleaning element at least partially has or consists of a surface coating comprising carbon or made of carbon.
  • the cleaning element has a coating that differs from the lubricating material, but which can also serve to reduce friction.
  • the surface coating particularly preferably has or consists of a hydrogen-containing, amorphous carbon layer. This offers the advantage that a particularly good reduction in friction can be achieved through interaction of the surface coating of the cleaning element with the lubricant.
  • FIG. 1 shows schematically a longitudinal section through an embodiment of a heat exchanger 13, as it can be used in particular for cooling natural gas.
  • the heat exchanger 13 has an outer cylinder tube 1 which surrounds a cylinder tube which is designed as a cooling coil 2.
  • This cooling coil 2 has at least one, preferably spiral-shaped, channel 23 on its outer surface, which serves to guide a coolant.
  • This channel 23 is created by a corresponding coil 21 on the outer surface of the cooling coil 2.
  • the inner surface of the hollow cylindrical cooling coil 2 has guide grooves 22 which serve to guide a cleaning element 12, which is also referred to as a scraper.
  • the cleaning element 12 can be designed as an ice scraper.
  • the heat exchanger 13 has a cleaning device 10, which has a threaded spindle 3 located inside the cooling coil 2 and running in an axial direction 100.
  • the threaded spindle 3 is driven via a coupling element 30 and is mounted in a bearing point, which is preferably designed as an axial/radial mixed bearing 5.
  • a bearing point which is preferably designed as an axial/radial mixed bearing 5.
  • At the other end of the heat exchanger 13 there can also be a thermally decoupled condensate reservoir and a heating element for heating condensate in the condensate reservoir in order to melt and remove the condensate conveyed there by the cleaning element 12.
  • the cleaning element 12 is displaced on the threaded spindle 3 along the cooling coil 2 in the axial direction.
  • a threaded spindle 3 for example with a trapezoidal profile, is used. A reversal of the direction of movement of the scraper 12 requires a reversal of the direction of rotation of the threaded spindle 3.
  • the cylinder tube or the cooling coil 2 is coated on the inner wall 2a with a lubricant, which serves to reduce the friction between the cleaning element 12 and the cooling coil 2, which form a first contact surface.
  • the lubricant comprises polytetrafluoroethylene, graphite and molybdenum sulfide.
  • the outside of the cleaning element 12 facing the inner wall 21a of the cylinder tube or the cooling coil 2 can be coated with the lubricant.
  • the external thread of the threaded spindle 3 and/or the internal thread of the cleaning element 12 is also coated with the lubricant in order to reduce the friction at this contact point as well.
  • moist, contaminated working medium for example, is guided into the space between the threaded spindle 3 and between the cooling coil 2 or into the interior of the cylinder tube via a working medium inlet opening 14 on both sides and flows in the axial direction 100 to the working medium outlet opening (not shown ) at the other end of the heat exchanger 13.
  • the working medium flows on the inner surface of the hollow cylindrical cooling coil 2 along the axial direction 100.
  • Coolant is supplied to the space between the cooling coil 2 and the outer cylinder tube 1 via a coolant inlet opening 16 on both sides, which flows to the other end of the heat exchanger 13 flows and leaves it through the coolant outlet opening (not shown).
  • the coolant flows spirally in the axial direction in the channel 23 formed between the outer cylinder tube 1 and the cooling coil 2. The coolant removes heat from the cooling coil 2, so that heat is in turn removed from the working medium.
  • nitrogen can be used as an accompanying substance at high pressure (e.g. at 10 bar) using liquid nitrogen low Pressure (e.g. at 1 bar), caused by the different pressure-dependent phase transitions, are liquefied and separated.
  • the heat exchanger 13 proposed here can therefore also be used to liquefy nitrogen.
  • the threaded spindle 3 is rotated by a drive element via the coupling element.
  • the cleaning element 12, which engages in the thread of the threaded spindle 3 and thereby forms a second contact surface, is thereby set into a translational movement in the axial direction.
  • the movement of the cleaning element 12 can take place with little friction due to the lubricant provided on the two contact surfaces.
  • the cleaning element 12 takes the above-mentioned condensed accompanying substances with it. When they reach the condensate reservoir at the other end of the heat exchanger, these are pushed into it.
  • heat exchanger 13 explained here can be adapted and used not only for natural gas liquefaction, but also for a variety of industrial applications with appropriate working media.
  • the cleaning device 10 and/or the cleaning element 12 can be adapted as less complex replacement parts to the needs of the respective areas of application and can be quickly replaced in the event of damage.
  • Figure 2 shows a cylinder tube of a heat exchanger 13, which is designed as a cooling coil 2, according to a preferred embodiment. It can be seen that the channel 23 is created by a corresponding cooling coil 2 on the outer surface of the cooling coil 2.
  • the inner surface or inner wall 2a of the hollow cylindrical cooling coil 2 has guide grooves 22. This at least one guide groove 22 serves to guide a cleaning element or scraper 12 and, according to this preferred embodiment, is coated with lubricant according to the invention, so that the cleaning element 12 can be moved through the cooling coil 2 or through the guide grooves 22 with as little friction as possible.
  • Figure 3 shows a cleaning element 12 according to a preferred embodiment, as it can be used in the heat exchanger 13. Shown are the outer grooves 122 of the cleaning element 12, which correspond to the guide grooves 22 of the cooling coil 2 and engage in them.
  • the internal thread 121 of the cleaning element 12 corresponds to the thread of the threaded spindle 3.
  • the cleaning element 12 has recesses or millings 123. As a result of the latter, the cleaning element 12 contains “teeth” or “claws” which prevent deposits from accumulating in the thread and leading to the cleaning element 12 becoming blocked. The deposits can enter the gap through the recesses or millings 123 and fall downwards towards the condensate reservoir when the heat exchanger 13 is in a vertical position.
  • the inner diameter of the scraper 12 which increases in the direction of movement of cleaning, serves to facilitate insertion into the contaminated threaded spindle at the start of the cleaning process.
  • the cleaning element 12 is provided with a surface coating which consists of a hydrogen-containing, amorphous carbon layer. Furthermore, the coating consists of hydrogen-free, amorphous carbon layers in which the sp 3 -hybridized carbon bond proportion is higher than in the hydrogen-containing coatings.
  • the surface coating can be limited to the outer surface and/or the outer grooves 122 and/or the internal thread 121 or can be formed on the entire cleaning element 12.
  • the surface coating can reduce the friction between the internal thread 121 and the threaded rod 3 and/or between the outer surface of the cleaning element and the inner wall 2a of the cooling coil 2.
  • the outer surface of the cleaning element 12 and/or the internal thread 121 can be provided with lubricant according to the invention in order to further reduce friction.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Schmierstoffs zur Reibungsreduktion für eine Reinigungsvorrichtung eines Wärmetauschers und einen Wärmetauscher. Die Erfindung liegt somit insbesondere auf dem Gebiet der Wärmetauscher. Wärmetauscher zum Wärmen oder zum Abkühlen eines Arbeitsmediums sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit soll im Folgenden das Arbeitsmedium Erdgas näher betrachtet werden. Erdgas aus Bodenspeichern weist häufig einen besonders hohen Prozentsatz an unerwünschten Begleitstoffen und besonders hohe Wasseranteile auf. Es ist wünschenswert, die Begleitstoffe sowie den Wasseranteil aus dem Erdgas zu entfernen, bevor es für weitere Zwecke eingesetzt wird. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Kühlung des Erdgases in einem oder mehreren Schritten auf geeignete tiefe Temperaturen dar. Insbesondere kann hierbei eine Verflüssigung des Erdgases zweckmäßig sein.
  • Bei der Abkühlung von Erdgas kommt es durch die genannten Begleitstoffe im Wärmetauscher zumeist zu Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen, wobei der zeitliche Verlauf solcher Ablagerungen von den Betriebsbedingungen und der jeweiligen Erdgaszusammensetzung abhängt. Die Wärmeübertragungsflächen müssen daher in bestimmten Intervallen gereinigt werden. Aus den genannten Gründen ist es allerdings schwierig, allgemein gültige Reinigungsintervalle für die betreffenden Wärmetauscher anzugeben.
  • Kondensierende und gefrierende Begleitstoffe wie Wasser, CO2 sowie Kohlenwasserstoffverbindungen scheiden sich an den Wärmeübertragungsflächen ab und reduzieren somit den Wärmeübergang. Auch bei Betriebstemperaturen über dem Gefrierpunkt von Wasser kann es ferner an den Wärmeübertragungsflächen zu Bildung von Methanhydrat kommen.
  • Zylinderrohre von Wärmetauschern können daher mit einer Reinigungsvorrichtung versehen sein, mittels welcher Ablagerungen von den Wärmeübertragungsflächen in den Zylinderrohren mechanisch beseitigt werden können. Beispielsweise offenbart die DE 10 2015 010 455 A1 eine solche Reinigungsvorrichtung.
  • Derartige Reinigungsvorrichtungen weisen oftmals ein hohes Maß an Reibung und Verschleiß auf, da viele herkömmliche Schmierstoffe bei den im Wärmetauscher vorherrschenden Temperaturbereichen nicht einsetzbar sind. Außerdem können Absonderungen von Schmierstoff zu einer Verunreinigung des im Wärmetauscher zu erwärmenden oder abzukühlenden Arbeitsmediums führen.
  • Einen Schmierstoff in ähnlicher Zusammensetzung offenbart die Schrift JP-2007 262368 A .
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schmierstoff und einen Wärmetauscher bereitzustellen, die eine zuverlässige Reduktion der Reibung einer Reinigungsvorrichtung eines Wärmetauschers ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung eines Schmierstoffs und einen Wärmetauscher mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
  • In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Schmierstoffs, umfassend zumindest 30% Polytetrafluorethylen, zumindest 0,5% Graphit, und zumindest 0,5% Molybdändisulfid. Dabei wird der Schmierstoff zur Reibungsreduktion für eine Reinigungsvorrichtung eines zum Kühlen und/oder Verflüssigen von Gasen dienenden Wärmetauschers bei Temperaturen zwischen 0 und 273K eingesetzt.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher mit einem Zylinderrohr und einer Reinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
  • Dass die erste und/oder die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise mit einem Schmierstoff beschichtet sind, bedeutet dabei, dass die erste und/oder die zweite Kontaktstelle zumindest stellenweise mit dem Schmierstoff beschichtet sind. Mit anderen Worten ist es nicht zwingend erforderlich, wenngleich vorteilhaft, dass die gesamte erste Kontaktfläche und/oder die gesamte zweite Kontaktfläche mit dem Schmierstoff beschichtet sind. Zudem können auch Stellen des Zylinderrohrs und/oder der Gewindespindel und/oder des Reinigungselements mit dem Schmierstoff beschichtet sein, die nicht einen Teil der ersten und/oder der zweiten Kontaktfläche bilden.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Reduktion der Reibung zwischen dem Zylinderrohr und/oder der Gewindestange erzielt werden kann, wodurch auch ein Materialabrieb und/oder ein Verschleiß an der Reinigungsvorrichtung und/oder am Wärmetauscher vermieden werden können. Dadurch können wiederum reparaturbedingte Standzeiten bzw. Ausfallzeiten reduziert werden und/oder ein erforderlicher Wartungsaufwand reduziert werden. Somit können die Betriebskosten gesenkt werden.
  • Durch die verringerte Reibung kann ferner die erforderliche Antriebskraft zum Drehen der Gewindestange reduziert werden. Somit kann für einen Wärmetauscher mit einer erfindungsgemäßen Schmierstoffbeschichtung ein weniger leistungsstarkes Antriebselement bzw. ein weniger leistungsstarker Motor ausreichend sein, als dies bei herkömmlichen Wärmetauschern erforderlich ist.
  • Zudem bietet die Erfindung den Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Schmierstoff auch bei sehr tiefen Temperaturen, wie diese insbesondere beim Kühlen und/oder Verflüssigen von Gasen in dem Wärmetauscher vorherrschen, eine effektive Reibungsreduktion erzielt werden kann. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Schmierstoff dazu geeignet, auch bei Temperaturen zwischen 0 K und 273 K ein zuverlässiges Schmieren der damit versehenen Flächen zu gewährleisten. Insbesondere bietet die Erfindung den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Schmierstoff auch bei deutlich niedrigeren Temperaturen verwendbar ist, als herkömmliche Schmierstoffe, die auf Ölen und/oder Fetten basieren und daher typischerweise unterhalb einer Temperatur von ca. 223 K einen hohen Grad an Schmierwirkung einbüßen, ferner gefrieren und/oder erstarren und somit ihre Schmierwirkung nahezu gänzlich verlieren.
  • Vorzugsweise umfasst der Schmierstoff höchstens 99% Polytetrafluorethylen und/oder höchstens 50% Graphit und/oder höchstens 50% Molybdändisulfid oder besteht aus diesen Anteilen. Weiter bevorzugt umfasst der Schmierstoff zumindest 80% und höchstens 99% Polytetrafluorethylen und/oder zumindest 0,5 % und höchstens 2% Graphit und/oder zumindest 0,5% und höchstens 2% Molybdändisulfid oder besteht aus diesen Anteilen. Dies bietet den Vorteil, dass besonders vorteilhafte Eigenschaften des Schmierstoffs hinsichtlich des Schmiereffektes und hinsichtlich der Temperaturstandhaftigkeit erzielt werden können. Insbesondere kann ein hoher Anteil von Polytetrafluorethylen zu besonders vorteilhaften Eigenschaften bei tiefen Temperaturen führen.
  • Vorzugsweise weist das Zylinderrohr an der Innenwand zumindest eine Führungsnut auf, wobei die erste Kontaktfläche zumindest teilweise durch die Führungsnut gebildet wird. Dadurch kann eine präzise und kontrollierte Bewegung des Reinigungselements erzielt werden, welches entsprechend dazu ausgelegt sein kann, bei einer Drehung der Gewindespindel der Führungsnut zu folgen. Insbesondere kann das Reinigungselement eine oder mehrere Außennuten aufweisen, welche dazu ausgelegt sein können, in die zumindest eine Führungsnut des Zylinderrohrs einzugreifen.
  • Vorzugsweise weisen die Gewindespindel ein Außengewinde und das Reinigungselement ein Innengewinde auf, welche zumindest teilweise die zweite Kontaktfläche bilden. Dies bietet den Vorteil, dass durch ein Drehen der Gewindestange um die Längsachse, welche in axiale Richtung verläuft, zu einer Fortbewegung des Reinigungselements in axiale Richtung führt.
  • Vorzugsweise beträgt eine Schichtdicke des Schmierstoffs an der ersten Kontaktfläche und/oder an der zweiten Kontaktfläche zumindest 20 µm und höchstens 200 µm, besonders bevorzugt zumindest 50 µm und höchstens 100 µm, beträgt. Das Schmiermittel kann dabei in gleichmäßiger Dicke oder in ungleichmäßiger Dicke über die jeweilige Kontaktfläche oder zumindest einen Teil davon verteilt sein. Auch kann der Schmierstoff auf der ersten Kontaktfläche in einer anderen Dicke oder in gleicher Dicke als auf der zweiten Kontaktfläche angeordnet sein. An der ersten Kontaktfläche und/oder an der zweiten Kontaktfläche kann das Schmiermittel einseitig oder zweiseitig aufgebracht sein. D.h. dass an der ersten Kontaktfläche der Schmierstoff an der Innenwand des Zylinderrohrs bzw. in der zumindest einen Führungsnut oder an einer Außenfläche des Reinigungselements oder sowohl an der Innenwand des Zylinderrohrs bzw. in der zumindest einen Führungsnut als auch an einer Außenfläche des Reinigungselement angebracht sein kann. Entsprechend kann an der zweiten Kontaktfläche der Schmierstoff an der Gewindespindel oder an dem Reinigungselement oder sowohl an der Gewindespindel als auch an dem Reinigungselement angebracht sein.
  • Die Beschichtung kann beispielsweise durch Spritz-Sinterverfahren erfolgen. Die Beschichtung bildet dabei ein PTFE (Teflon®) Compound festen Aggregatszustands in dem die Trockenschmierstoffe Graphit und MoS2 angeordnet sind.
  • Vorzugsweise weist das Reinigungselement zumindest teilweise eine Kohlenstoff umfassende oder aus Kohlenstoff bestehende Oberflächenbeschichtung auf oder besteht aus einer solchen. Mit anderen Worten weist das Reinigungselement eine von dem Schierstoff abweichende Beschichtung auf, welche jedoch auch zur Reibungsreduktion dienen kann. Besonders bevorzugt weist die Oberflächenbeschichtung eine wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschicht auf oder besteht aus einer solchen. Dies bietet den Vorteil, dass durch ein Zusammenwirken der Oberflächenbeschichtung des Reinigungselements mit dem Schmierstoff eine besonders gute Reibungsreduktion erzielt werden kann.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
    • Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauschers.
    • Figur 2 zeigt ein Zylinderrohr eines Wärmetauschers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
    • Figur 3 zeigt ein Reinigungselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
    Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Wärmetauschers 13, wie er insbesondere zur Kühlung von Erdgas verwendet werden kann. In dieser einfachen Ausgestaltung weist der Wärmetauscher 13 ein Außenzylinderrohr 1 auf, das ein Zylinderrohr umgibt, welches als eine Kühlwendel 2 ausgebildet ist. Diese Kühlwendel 2 weist wenigstens einen, vorzugsweise spiralförmigen, Kanal 23 an ihrer Außenfläche auf, der der Führung eines Kühlmittels dient. Dieser Kanal 23 wird durch eine entsprechende Wendel 21 auf der Außenfläche der Kühlwendel 2 erzeugt. Die Innenfläche der hohlzylindrischen Kühlwendel 2 weist Führungsnuten 22 auf, die der Führung eines Reinigungselements 12 dienen, welches auch als Räumer bezeichnet wird. Beispielsweise kann das Reinigungselement 12 als ein Eisschaber ausgebildet sein.
  • Der Wärmetauscher 13 weist eine Reinigungsvorrichtung 10 auf, welche eine im Inneren der Kühlwendel 2 befindliche, in eine axiale Richtung 100 verlaufende Gewindespindel 3 aufweist. Die Gewindespindel 3 wird über ein Kupplungselement 30 angetrieben und ist in einer Lagerstelle gelagert, die vorzugsweise als Axial-/Radial-Mischlager 5 ausgeführt ist. Am anderen Ende der Gewindespindel 3 kann diese in einer radialen Lagerstelle, die vorzugsweise als Gleitlagerbuchse ausgeführt ist, gelagert sein (nicht gezeigt). An dem anderen Ende des Wärmetauschers 13 kann außerdem ein thermisch entkoppeltes Kondensatreservoir sowie ein Heizelement zur Erhitzung von Kondensat in dem Kondensatreservoir vorhanden sein, um das durch das Reinigungselement 12 dort hin beförderte Kondensat zu schmelzen und abzuführen.
  • Durch ein Drehen der Gewindespindel 3 wird das Reinigungselement 12 auf der Gewindespindel 3 entlang der Kühlwendel 2 in axialer Richtung verschoben. Im vorliegenden Beispiel wird eine Gewindespindel 3 beispielsweise mit Trapezprofil eingesetzt. Eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Räumers 12 setzt eine Umkehr der Rotationsrichtung der Gewindespindel 3 voraus.
  • Das Zylinderrohr bzw. die Kühlwendel 2 ist dabei an der Innenwand 2a mit einem Schmierstoff beschichtet, welcher dazu dient, die Reibung zwischen dem Reinigungselement 12 und der Kühlwendel 2, welche eine erste Kontaktfläche bilden, zu reduzieren. Der Schmierstoff weist erfindungsgemäß Polytetrafluorethylen, Graphit und Molybdänsulfid auf. Alternativ oder zusätzlich kann die der Innenwand 21a des Zylinderrohrs bzw. der Kühlwendel 2 zugewandte Außenseite des Reinigungselements 12 mit dem Schmierstoff beschichtet sein. Ferner ist auch das Außengewinde der Gewindespindel 3 und/oder das Innengwinde des Reinigungselements 12 mit dem Schmierstoff beschichtet, um auch an dieser Kontaktstelle die Reibung zu reduzieren.
  • Im Betrieb des Wärmetauschers 13 wird über eine beidseitige Arbeitsmedium-Eintrittsöffnung 14 beispielsweise feuchtes, verschmutztes Arbeitsmedium in den Zwischenraum zwischen Gewindespindel 3 und zwischen Kühlwendel 2 bzw. in den Innenraum des Zylinderrohrs geführt und strömt in axialer Richtung 100 zu der Arbeitsmedium-Austrittsöffnung (nicht gezeigt) am anderen Ende des Wärmetauschers 13. Das Arbeitsmedium strömt auf der Innenfläche der hohlzylindrischen Kühlwendel 2 entlang der axialen Richtung 100. Über eine beidseitige Kühlmittel-Eintrittsöffnung 16 wird dem Raum zwischen Kühlwendel 2 und Außenzylinderrohr 1 Kühlmittel zugeführt, das zum anderen Ende des Wärmetauschers 13 fließt und diesen durch die Kühlmittel-Austrittsöffnung (nicht gezeigt) verlässt. Das Kühlmittel strömt dabei in dem zwischen Außenzylinderrohr 1 und Kühlwendel 2 gebildeten Kanal 23 spiralförmig in axialer Richtung. Das Kühlmittel entzieht der Kühlwendel 2 Wärme, sodass wiederum dem Arbeitsmedium Wärme entzogen wird.
  • Durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse zwischen dem Kühlmedium, beispielsweise Stickstoff bei maximal 10 bar, und dem Arbeitsmedium, hier CNG mit Begleitstoffen unter anderem von Stickstoff von 4 bis 220 bar, kann Stickstoff als Begleitstoff bei hohem Druck (bspw. bei 10 bar) durch Flüssigstickstoff bei niedrigem Druck (bspw. bei 1 bar), bedingt durch die unterschiedlichen druckabhängigen Phasenübergänge zum Verflüssigen gebracht und abgeschieden werden. Der hier vorgeschlagene Wärmetauscher 13 kann somit auch zur Verflüssigung von Stickstoff eingesetzt werden.
  • Zum Zwecke der Reinigung der Wärmeübertragungsflächen, beispielsweise von Wasser bzw. Eis in der ersten Stufe bzw. von höheren Kohlenwasserstoffen, CO2 und/oder weiteren Begleitstoffen, wird die Gewindespindel 3 von einem Antriebselement über das Kupplungselement in Drehung versetzt. Das Reinigungselement 12, das in das Gewinde der Gewindespindel 3 eingreift und dadurch eine zweite Kontaktfläche bildet, wird hierdurch in eine Translationsbewegung in axiale Richtung versetzt. Durch den an den beiden Kontaktflächen bereitgestellten Schmierstoff kann die Bewegung des Reinigungselements 12 reibungsarm erfolgen. Auf seinem Weg in axiale Richtung nimmt das Reinigungselement 12 die genannten auskondensierten Begleitstoffe mit. Diese werden bei Erreichen des Kondensatreservoirs am anderen Ende des Wärmetauschers in das selbige geschoben.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der hier erläuterte Wärmetauscher 13 nicht nur für die Erdgasverflüssigung, sondern für eine Vielzahl industrieller Anwendungen mit entsprechenden Arbeitsmedien adaptierbar und einsetzbar ist. Die Reinigungsvorrichtung 10 und/oder das Reinigungselement 12 können als wenig komplexe Austauschteile an die Bedürfnisse der jeweiligen Einsatzgebiete angepasst und im Schadensfall rasch ersetzt werden.
  • Figur 2 zeigt ein Zylinderrohr eines Wärmetauschers 13, welches als eine Kühlwendel 2 ausgebildet ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist erkennbar, dass der Kanal 23 durch eine entsprechende Kühlwendel 2 auf der Außenfläche der Kühlwendel 2 erzeugt wird. Die Innenfläche bzw. Innenwand 2a der hohlzylindrischen Kühlwendel 2 weist Führungsnuten 22 auf. Diese wenigstens eine Führungsnut 22 dient der Führung eines Reinigungselements oder Räumers 12 und ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform mit erfindungsgemäßem Schmierstoff beschichtet, so dass das Reinigungselement 12 möglichst reibungsarm durch die Kühlwendel 2 bzw. durch die Führungsnuten 22 bewegt werden kann.
  • Figur 3 zeigt ein Reinigungselement 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie es in dem Wärmetauscher 13 zum Einsatz kommen kann. Dargestellt sind die Außennuten 122 des Reinigungselements 12, die den Führungsnuten 22 der Kühlwendel 2 entsprechen und in diese eingreifen. Das Innengewinde 121 des Reinigungselements 12 entspricht dem Gewinde der Gewindespindel 3. Das Reinigungselement 12 weist Aussparungen bzw. Einfräsungen 123 auf. Durch letztere enthält das Reinigungselement 12 "Zähne" bzw. "Klauen", die vermeiden, dass sich Ablagerungen im Gewinde ansammeln und zu einem Blockieren des Reinigungselements 12 führen. Die Ablagerungen können nämlich durch die Aussparungen bzw. Einfräsungen 123 in den Zwischenraum eintreten und bei vertikaler Lage des Wärmetauschers 13 nach unten Richtung Kondensatreservoir fallen. Weiterhin dient der in Bewegungsrichtung des Abreinigens sich vergrößernde Innendurchmesser des Räumers 12 zum leichteren Einführen in die verunreinigte Gewindespindel bei Beginn des Reinigungsprozesses. Das Reinigungselement 12 ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, welche aus einer wasserstoffhaltigen, amorphen Kohlenstoffschichtbesteht. Ferner besteht die Beschichtung aus wasserstofffreien, amorphen Kohlenstoffschichten, in denen der sp3-hybridisierte Kohlenstoffbindungsanteil höher ist als in den wasserstoffhaltigen Beschichtungen. Die Oberflächenbeschichtung kann sich dabei auf die Außenfläche und/oder die Außennuten 122 und/oder das Innengewinde 121 beschränken oder auf dem gesamten Reinigungselement 12 ausgebildet sein. Durch die Oberflächenbeschichtung kann die Reibung zwischen dem Innengewinde 121 und der Gewindestange 3 und/oder zwischen der Außenfläche des Reinigungselements und der Innenwand 2a der Kühlwendel 2 reduziert werden. Optional können die Außenfläche des Reinigungselements 12 und/oder das Innengewinde 121 mit erfindungsgemäßem Schmierstoff versehen sein, um die Reibung noch weiter zu reduzieren.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Außenzylinderrohr
    2
    Kühlwendel
    2a
    Innenwand der Kühlwendel
    3
    Gewindespindel
    5
    Axial-/Radial-Mischlager
    10
    Reinigungsvorrichtung
    12
    Reinigungselement
    13
    Wärmetauscher
    14
    Arbeitsmedium-Eintrittsöffnung
    16
    Kühlmitteleintrittsöffnung
    21
    Wendel auf der Außenfläche der Kühlwendel
    22
    Führungsnut
    23
    Kanal der Kühlwendel
    30
    Kupplungselement
    100
    axiale Richtung
    121
    Innengewinde des Reinigungselements
    122
    Außennut des Reinigungselements
    123
    Einfräsung

Claims (10)

  1. Verwendung eines Schmierstoffs, umfassend zumindest 30% Polytetrafluorethylen, zumindest 0,5% Graphit, und zumindest 0,5% Molybdändisulfid, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff bei Temperaturen zwischen 0K und 273K zur Reibungsreduktion für eine Reinigungsvorrichtung (10) eines zum Kühlen und/oder Verflüssigen von Gasen dienenden Wärmetauschers (13) eingesetzt wird.
  2. Verwendung eines Schmierstoffs gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff höchstens 99% Polytetrafluorethylen und/oder höchstens 50% Graphit und/oder höchstens 50% Molybdändisulfid umfasst.
  3. Verwendung eines Schmierstoffs gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff zumindest 80% und höchstens 99% Polytetrafluorethylen umfasst, und/oder wobei der Schmierstoff zumindest 0,5 % und höchstens 2% Graphit umfasst, und/oder wobei der Schmierstoff zumindest 0,5% und höchstens 2% Molybdändisulfid umfasst.
  4. Wärmetauscher (13) zum Betrieb bei Temperaturen zwischen 0K und 273K, aufweisend:
    - ein Zylinderrohr;
    - eine Reinigungsvorrichtung (10) mit einer koaxial im ersten Zylinderrohr verlaufenden Gewindespindel (3), wobei auf der Gewindespindel (3) ein Reinigungselement (12) derart angebracht ist, dass durch Drehung der Gewindespindel (3) das Reinigungselement (12) in axialer Richtung (100) entlang der Gewindespindel (3) in dem Zylinderrohr verschiebbar ist;
    dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kontaktfläche zwischen dem Reinigungselement (12) und einer Innenwand (2a) des Zylinderrohrs und/oder eine zweite Kontaktfläche zwischen dem Reinigungselement (12) und der Gewindespindel (3) zumindest teilweise mit einem gemäß einem der Anspruch 1 bis 3 verwendeten Schmierstoff beschichtet sind.
  5. Wärmetauscher (13) gemäß Anspruch 4, wobei das Zylinderrohr an der Innenwand (2a) zumindest eine Führungsnut (22) aufweist und wobei die erste Kontaktfläche zumindest teilweise durch die Führungsnut (22) gebildet wird.
  6. Wärmetauscher (13) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Gewindespindel (3) ein Außengewinde und das Reinigungselement (12) ein Innengewinde (121) aufweisen, welche zumindest teilweise die zweite Kontaktfläche bilden.
  7. Wärmetauscher (13) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Schichtdicke des Schmierstoffs an der ersten Kontaktfläche und/oder an der zweiten Kontaktfläche zumindest 20 µm und höchstens 200 µm, vorzugsweise zumindest 50 µm und höchstens 100 µm, beträgt.
  8. Wärmetauscher (13) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Reinigungselement (12) zumindest teilweise eine Kohlenstoff umfassende Oberflächenbeschichtung aufweist.
  9. Wärmetauscher (13) gemäß Anspruch 8, wobei die Oberflächenbeschichtung eine wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschicht aufweist.
  10. Wärmetauscher (13) gemäß Anspruch 8, wobei die Oberflächenbeschichtung eine wasserstofffreie, amorphe Kohlenstoffschicht aufweist die aus mehr als 50% sp3-hybridisiertem Kohlenstoff besteht.
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