EP4111121A1 - Wärmeübertrager für die rückgewinnung von kälteleistung aus der regasifizierung tiefkalter verflüssigter gase - Google Patents

Wärmeübertrager für die rückgewinnung von kälteleistung aus der regasifizierung tiefkalter verflüssigter gase

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EP4111121A1
EP4111121A1 EP21708552.1A EP21708552A EP4111121A1 EP 4111121 A1 EP4111121 A1 EP 4111121A1 EP 21708552 A EP21708552 A EP 21708552A EP 4111121 A1 EP4111121 A1 EP 4111121A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
heat exchanger
refrigerant
regasified
heat
Prior art date
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Pending
Application number
EP21708552.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Braun
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Regascold GmbH
Original Assignee
Regascold GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Regascold GmbH filed Critical Regascold GmbH
Publication of EP4111121A1 publication Critical patent/EP4111121A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Heat exchanger for the recovery of cooling capacity from the regasification of cryogenic liquefied gases
  • Natural gas (LNG) is -162 ° C, is considerable for the liquefaction of the gases
  • the final use of the cryogenic liquid requires its regasification.
  • heat must be supplied to it, which in turn cools a heat emitter as a cooling power, whereby the exergy stored in the cryogenic liquid is transferred to it.
  • the heat emitter during regasification can be the so-called refrigerant, with which the refrigeration capacity can be transferred to the various refrigeration applications.
  • the propane is filled in such a way that it evaporates and condenses at -7 ° C.
  • the transport of heat from the seawater to the LNG has to overcome several thermal resistances, namely the heat transfer from the seawater to the surface of the propane evaporator, the heat conduction through the evaporator tube wall, the heat transfer to the evaporating propane, the heat transfer from the condensing propane to the surface of the LNG Pipes, the heat conduction through the walls of these pipes and finally the heat transfer to the evaporating LNG.
  • the temperature drops proportionally to the size of the resistance.
  • the sum of the temperature drops corresponds to the difference between the sea water temperature and the LNG temperature.
  • the transport chain is designed in such a way that the temperature drop that occurs when the heat is transferred from the seawater to the water-wetted surface of the propane evaporator leads to surface temperatures greater than 0 ° C.
  • a solution operated alternatively with the intermediate medium propane is described in publication DE 102016006 121 and in PCT / DE2016 / 000253.
  • the aim here is to recover small and medium-sized exergetically high-quality cooling capacities from the regasification of cryogenic liquids, especially in connection with storage tanks for LNG, LN 2 and L0 2 , whose atmospheric evaporators, which are usually used and operated with ambient air as the heat source, are then supplemented or replaced to save energy.
  • the coolant preferably a synthetic heat transfer fluid suitable for low temperatures
  • the coolant is operated with a view to the applications that are mainly in demand, such as low temperature storage, shock freezing, cold storage with phase change material and any process cooling temperature close to -60 ° C.
  • the appropriate temperature of the evaporating and condensing propane can be determined in advance by weighing the corresponding mass into the closed cylindrical heat transfer container.
  • the fact that only two coiled tubing fastened on one side are used for heat transfer provides security against impermissible mechanical stresses that can occur during operation as a result of the large local and temporal temperature changes.
  • An additional function is that the pressure of the gas is selected to be significantly lower than the minimum LNG pressure, so that the pressure increase that occurs in the event of a leak as a result of the ingress of natural gas triggers the safety pressure switch provided for this purpose, and this triggers the blocking of the LNG supply.
  • the object of the invention is derived from the prior art described above, in particular from its disadvantages. It focuses on cooling capacities that are intermittently available and also intermittently retrievable from decentralized tank and regasification systems, on the cooling capacities that are particularly extensive in the temperature range - 40 ° C to + 10 ° C and, under these boundary conditions, are designed to be as simple and cost-effective as possible Heat transfer.
  • the latter assumes that the dangers resulting from the low temperature level and the large local and temporal temperature differences are mastered: namely the occurrence of impermissible mechanical stresses, the impermissible increase in the viscosity of the refrigerant and its impermissible transition into the solid phase.
  • the aim of the invention namely to recover the refrigeration capacity available from regasification of cryogenic liquefied gases both technically and economically, is seen as the task of developing a tube-in-tube heat exchanger which constructively overcomes the disadvantages of the prior art described above.
  • a tube-in-tube heat exchanger which is preferably designed as a U-tube, is used as a purposefully minimalist solution.
  • the cryogenic liquefied gas to be regasified by evaporation and overheating is transported in the inner tube.
  • the outer tube surrounds the inner tube coaxially and thus forms the flow channel for the refrigerant.
  • Both tubes end in the tube sheet have a fixed connection with it and are also firmly and tightly connected to one another here. The free protrusion of the pipes prevents inadmissible mechanical stresses arising as a result of the temporal and local temperature differences.
  • the tube-in-tube heat exchanger can alternatively be designed in a straight tube arrangement, the inner tube and the outer tube likewise being aligned as coaxially as possible.
  • the outer tube is supported at its ends by tight and tight connections and, if necessary, supported by additional sliding spacer elements, which prevents vibrations and reduces turbulence in the jacket space that impairs the transfer of heat.
  • the outer tube which is less pressure and temperature stressed than the inner tube, is advantageously equipped with a compensator that compensates for the thermal changes in length.
  • refrigerant which is to be selected differently under two conditions, adapted to the temperature level of the refrigeration power requirement. Restrictions are in each case that, as a result of the cooling of the refrigerant, its solidus line and thus its phase change that prevents the flow is reached, and further that its viscosity increases to such an extent that it is no longer pumpable.
  • the first way of choosing the coolant is based on the assumption that neither too high viscosity values nor the risk of the formation of a solid phase arise if, for example, mixtures of water with ethylene glycol or synthetic, low-temperature heat transfer fluids are used and at the same time appropriate values of the heat transport parameters such as pipe wall thickness, duct dimensions and Ensures flow velocities.
  • the second way of choosing the refrigerant requires specific and defined solidification in order to gain thermal resistance with the solid layer forming on the outside of the inner tube, which contributes the required temperature drop on the transport route to the cryogenic liquefied gas.
  • This solidified layer on the surface of which the solidification temperature of the refrigerant prevails, reaches a stationary thickness after the transient formation process has taken place and replaces the costly solutions available with the prior art in a cost-effective manner.
  • the disadvantage is that the solidified layer reduces the heat transfer, which is, however, at least partially compensated for by the increase in the flow velocity and the enlargement of the heat transfer surface associated with the reduction in the flow cross section.
  • the decisive factor for the heat transfer and thus for the required heat transfer area is in any case the heat transfer from the flowing coolant to the surface of the solidified layer.
  • the invention provides for this, which can be implemented very easily and indirectly, to be monitored by measurement and, if the value falls below a threshold value, the supply of the liquid to be regasified is stopped in order to intermittently apply the solidified layer, which acts like a cold accumulator, with the refrigerant flowing further defrost.
  • the aim which is important in the effort to achieve technical and at the same time economic effectiveness, is to make the heat transport, which leads to low temperatures over large temperature gradients, as user-friendly as possible.
  • the practiced simplicity of the tube-in-tube heat exchanger as a U-tube offers the best prerequisites for this. It enables the use of a modular system so that the heat exchanger can be used universally as a standardized component based on the principle of modularity.
  • the heat exchanger according to the invention for the recovery of cooling power from the regasification of cryogenic liquefied gases is explained in more detail below with reference to a drawing (FIG. 1).
  • the heat exchanger chosen as the exemplary embodiment is designed as a tube-in-tube heat exchanger in a U-shape.
  • the inner tube 2 and the outer tube 3 are aligned as coaxially as possible, whereby a jacket space 9 is formed.
  • the outer tube 3 is supported at its ends by a firm and tight connection in the form of a tube sheet 4.
  • the inner tube 2 is freely cantilevered relative to the outer tube 3 from its ends located on the tube sheet side. This means that there is no need for a compensator to compensate for thermal changes in length.
  • liquefied gas to be regasified can flow from the inlet 5 to the outlet 6 through the inner tube 2.
  • the coolant flows from inlet 7 to outlet 8 through the flow channel formed by the jacket space 9 and thus transports the refrigeration capacity from the liquefied gas to be regasified to the refrigeration consumer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für die Rückgewinnung von Kälteleistung aus der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase mit Hilfe angepasster Kälteträger. Ein erfindungsgemäßer Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager im Wesentlichen aus einem Innenrohr und einem zu diesen möglichst koaxial geführten Außenrohr gekennzeichnet, wodurch ein Mantelraum gebildet ist. Das zu regasifizierende verflüssigte Gas strömt durch das Innenrohr, während der Kälteträger durch den Mantelraum fließt und somit die Kälteleistung vom zu regasifizierenden verflüssigten Gas zum Kälteverbraucher transportiert. Der Wärmeübertrager ist in Geradrohranordnung wie auch u- förmig konfigurierbar und kann gleichmäßig als auch intermittierend betrieben werden. Der eingesetzte Kälteträger ist so angepasst, dass Wärmeflüsse über große, zu tiefen Temperaturen führende Temperaturgefälle beherrschbar sind, ohne dass die Einbindung eines mit zusätzlichen Wärmeübergängen beitragenden Zwischenmediums erforderlich ist. Der Wärmeübertrager ist als standardisiertes Modul eines Baukasten- Wärmeübertragungssystems ausführbar, was frei wählbare Größen des zu regasifizierenden Massenstroms und des zu beherrschenden Temperaturgefälles und damit eine universelle, gleichermaßen skalierbare wie individuell konfigurierbare Anwendung zulässt.

Description

Beschreibung
Titel
Wärmeübertrager für die Rückgewinnung von Kälteleistung aus der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase
Anwendungsgebiet
Gase durch Abkühlung auf tiefe Temperaturen zu verflüssigen, verringert ihr
Volumen und macht sie lagerbar und transportierbar. Wegen des erforderlichen sehr tiefen Temperaturniveaus, das zum Beispiel, bezogen auf 1 bar, für Sauerstoff (LO2) -183 °C, für Stickstoff (LN2) -196 °C und für
Erdgas (LNG) -162 °C beträgt, ist für die Verflüssigung der Gase in beachtlichem
Umfang Kälteleistung aufzuwenden. Dennoch ist die Verflüssigung eine weltweit genutzte Technik.
Die abschließende Nutzung der tiefkalten Flüssigkeit setzt deren Regasifizierung voraus. Hierfür ist ihr Wärme zuzuführen, die wiederum als Kälteleistung einen Wärmeabgeber kühlt, wobei die in der tiefkalten Flüssigkeit gespeicherte Exergie an diesen übertragen wird. Wärmeabgeber bei der Regasifizierung kann der sogenannte Kälteträger sein, mit dem sich die Kälteleistung in die diversen kältetechnischen Anwendungen übertragen lässt. Dabei gilt, je tiefer das Temperaturniveau des Kälteträgers unterhalb dem Temperaturniveau der Umgebung ist, um so höher ist sein Exergiegehalt.
Bisher wird die bei der Regasifizierung verfügbare Exergie weltweit nahezu ausschließlich dissipiert, indem man die Umgebung, d.h. Luft oder Meerwasser, als Wärmeabgeber einsetzt. Das verfügbare Kälteleistungspotential bleibt somit ungenutzt, obwohl die globale Nachfrage nach Kälteleistung deutlich wächst und einen steigenden Bedarf an elektrischer Endenergie verursacht, der bereits heute 17 % der insgesamt in Anspruch genommenen elektrischen Endenergie ausmacht. Das heißt, es bietet sich die Chance, große Mengen elektrischer Endenergie und damit fossile oder unter hohem Aufwand und deshalb knapp verfügbare regenerative Primärenergie einzusparen. Stand der Technik
Es ist übliche Praxis, die großtechnische Regasifizierung von LNG (Liquefied Natural Gas) unter Verwendung von Meerwasserzu betreiben, das sich dabei unter dem irreversiblen Verlust der verfügbaren Exergie als potentieller Kälteträger zunächst um ca. 5° K abkühlt und sich danach durch Mischung wieder auf die ursprüngliche Meewassertemperatur erwärmt. Dass der Kälteträger Wasser nicht gefriert, wird durch einen zwischengeschalteten Kreislauf erreicht, der mit Propan betrieben wird, welches die Wärme im Naturumlauf durch Verdampfung und Kondensation transportiert. Diese Technik ist erstmalig im Jahr 2013 in einem Offshore- Projekt auf einem ehemaligen LNG- Tankschiff vor der Toskana- Küste realisiert worden. Propan als Zwischenmedium zu verwenden, bietet sich aus zwei Gründen an: Einerseits wegen seiner sehr guten Wärmeübertragungs eigenschaften und andererseits wegen der günstigen Lage der Soliduslinie (Tripelpunktdaten: -187,7 °C und 0,0002 Pa; Daten des kritischen Punktes:
96,7 °C und 42,5 bar). Das Propan ist so eingefüllt, dass es bei -7 °C verdampft und kondensiert. Der Transport der Wärme vom Meerwasser zum LNG hat mehrere thermische Widerstände zu überwinden, nämlich den Wärmeübergang vom Meerwasser an die Oberfläche des Propanverdampfers, die Wärmeleitung durch die Verdampferrohrwand, den Wärmeübergang an das verdampfende Propan, den Wärmübergang vom kondensierenden Propan an die Oberfläche der LNG führenden Rohre, die Wärmeleitung durch die Wände dieser Rohre und schließlich den Wärmeübergang an das verdampfende LNG. An allen thermischen Widerständen fällt, formuliert in Analogie zum Ohmschen Gesetz, Temperatur proportional zur Größe des Widerstandes ab. Die Summe der Temperaturabfälle entspricht der Differenz zwischen der Meerwassertemperatur und der LNG- Temperatur. Man legt die Transportkette so aus, dass der Temperaturabfall, der sich bei der Wärmeübertragung aus dem Meerwasser an die wasserbenetzte Oberfläche des Propanverdampfers einstellt, zu Oberflächentemperaturen größer 0 °C führt.
Eine alternativ mit dem Zwischenmedium Propan betriebene Lösung wird in der Veröffentlichung DE 102016006 121 und in der PCT/DE2016/000253 beschrieben. Ziel ist es hier, kleine und mittlere exergetisch hochwertige Kälteleistungen aus der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten zurückzugewinnen, insbesondere in Verbindung mit Lagertanks für LNG, LN2 und L02, deren üblicherweise verwendeten, mit Umgebungsluft als Wärmequelle betriebenen atmosphärischen Verdampfer dann energieeinsparend ergänzt oder ersetzt werden.
Der Kälteträger, vorzugsweise eine tieftemperaturtaugliche synthetische Wärmeträgerflüssigkeit, wird im Hinblick auf die hauptsächlich nachgefragten Anwendungen wie Tieftemperaturlagerung, Schockfrosten, Kältespeicherung mit Phase Change Material und beliebige Prozesskälte nahe - 60 °C betrieben.
Die passende Temperatur des verdampfenden und kondensierenden Propans lässt sich durch das Einwiegen der entsprechenden Masse in den geschlossenen zylindrischen Wärmeübertragungsbehälter vorbestimmen. Dass zur Wärmeübertragung nur zwei einseitig befestigte Rohrwendeln verwendet werden, verschafft Sicherheit gegen unzulässige mechanische Spannungen, die im Betrieb infolge der großen örtlichen und zeitlichen Temperaturänderungen auftreten können.
Eine weitere alternativ mit dem Zwischenmedium Propan erreichte Lösung beschreiben die DE 10 2017 007 009.1 und die PCT/DE201/000352. Sie betreffen wiederum die Gewinnung hochwertiger Kälteleistung, nunmehr aber große Leistungen, zum Beispiel solche, die für große LNG- Terminals zutreffen. Hier ist für die im Naturumlauf erfolgende Verdampfung und Kondensation des Zwischenmediums der Einsatz zweier kostenaufwendiger Rohrbündelwärmeübertrager erforderlich. Kostengünstig wirkt sich die Verwendung von C02 als Kälteträger aus, der die Kälteleistung ohne Phasenwechsel flüssig und unterkühlt an die zu versorgende Kältebedarfsstelle transportiert, wobei sich selbst große Distanzen kostengünstig überbrücken lassen. Die Gefahr des Erstarrens des C02, dessen Tripelpunkt die Koordinaten 5,19 bar und - 56,6 °C hat, wird mit der Beschränkung der Abkühlung auf den Mindestwert - 50 °C beherrscht, was durch die Steuerung der LNG- Zufuhr erfolgt. In der PCT/DE2018/000360 wird vorgeschlagen, den mit einem auf einstellbarem Temperaturniveau verdampfenden und kondensierenden Zwischenmedium bewirkten thermischen Widerstand durch eine ruhende Gasschicht zu ersetzen, die ohne Phasenwechsel betrieben wird, um so sicherzustellen, dass sich die Temperatur der vom Kälteträger benetzten Wärmeübertragungsfläche nicht unterhalb der Erstarrungstemperatur einstellt. Es wird eine Wärmeübertragungseinrichtung für die Kältebereitstellung in Kühlfahrzeugen, deren Kraftfahrzeugmotor mit LNG angetrieben wird, vorgestellt. Als Kälteträger dient eine synthetische Flüssigkeit, die bis hinab zu - 85 °C nicht gefriert und pumpbar ist. Sie kühlt über einen Rippenrohrwärmeübertrager die Kühlraumluft. Den notwendigen Temperaturabfallbeitrag zum gesamten Temperaturgefälle übernimmt der thermische Widerstand des hermetisch zwischen koaxialen Rohren eingeschlossenen trockenen Gases, vorzugsweise Luft oder Stickstoff.
Dabei ergibt sich als Zusatzfunktion, dass der Druck des Gases deutlich niedriger gewählt ist als der minimale LNG- Druck, so dass der bei einer Undichtigkeit infolge eindringenden Erdgases auftretende Druckanstieg den dafür vorgesehenen Sicherheitsdruckschalter und über diesen die Sperrung der LNG- Zufuhr auslöst.
Aufgabenstellung
Die bei der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase mögliche Energierückgewinnung ist bisher weltweit nahezu ungenutzt geblieben.
Sie beschränkt sich lediglich auf einige wenige LNG- Hafenterminals zugeordnete Ausführungen, die mittels Großanlagen und komplexer, aufwendiger Verfahrenstechnik auf tiefem Temperaturniveau wertvolle Kälteleistung übernehmen. Die Nutzung kleinerer und mittlerer Kälteleistungen, so wie sie aus den zahlreich vorhandenen dezentralen Tankanlagen, insbesondere Tankanlagen für L02, LN2 und LNG, mit Hilfe eines Wärmeübertragers und eines Kälteträgers, die bisherige Regasifizierungs- einrichtung ersetzend oder umgehend, gewonnen werden kann, ist bis heute gänzlich vernachlässigt worden. Als Begründung ist anzuführen, dass die erforderliche Wirtschaftlichkeit der Technik nicht ausreichend gegeben ist. Die gemäß dem Stand der Technik angebotenen Wärmeübertragungs einrichtungen sind zu aufwändig und damit unwirtschaftlich, weil es zu lange dauert, die Investitionskosten mit den für die rückgewonnene Kälteleistung erzielbaren Erträgen zu amortisieren.
Aus dem vorbeschriebenen Stand der Technik, insbesondere aus dessen Nachteilen, leitet sich die erfinderische Aufgabenstellung ab. Sie fokussiert sich auf Kälteleistungen, die aus dezentralen Tank- und Regasifizierungsanlagen sowohl intermittierend verfügbar als auch intermittierend abrufbar sind, auf die besonders umfangreich im Temperaturbereich - 40 °C bis + 10 °C nachgefragten Kälteleistungen und unter diesen Randbedingungen auf eine möglichst einfache, kostenminimiert gestaltete Wärmeübertragung. Letztere setzt voraus, dass die aus dem tiefen Temperaturniveau und den großen örtlichen und zeitlichen Temperaturdifferenzen resultierenden Gefahren beherrscht werden: Nämlich das Auftreten unzulässiger mechanischer Spannungen, der unzulässige Anstieg der Viskosität des Kälteträgers und dessen unzulässiger Übergang in die feste Phase. Das Ziel der Erfindung, nämlich die aus der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase verfügbare Kälteleistung sowohl technisch als auch wirtschaftlich wirksam zurückzugewinnen, wird aufgabenhaft in der Entwicklung eines Rohr-in-Rohr- Wärmeübertragers gesehen, der die vorbeschriebenen Nachteile des Standes der Technik konstruktiv überwindet.
Lösung der Aufgabenstellung
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
Die Wärmetransport vom Kälteträger zum tiefkalten verflüssigten Gas erfolgt dabei direkt. Die sonst übliche aufwändige Einbindung zusätzlicher über ein Zwischenmedium führender Wärmeübertragungsschritte ist bewusst vermieden. Als gezielt minimalistische Lösung wird ein Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager eingesetzt, der vorzugsweise als U- Rohr ausgeführt ist. Im Innenrohr wird das durch Verdampfen und Überhitzen zu regasifizierende, tiefkalte verflüssigte Gas transportiert. Das Außenrohr umschließt das Innenrohr koaxial und bildet so den Strömungskanal für den Kälteträger. Beide Rohre enden im Rohrboden, haben mit diesem eine feste Verbindung und sind hier auch fest und dicht miteinander verbunden. Das freie Auskragen der Rohre verhindert unzulässige, als Folge der zeitlichen und örtlichen Temperaturunterschiede entstehende, mechanische Spannungen.
Der Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager ist alternativ in Geradrohranordnung ausführbar, wobei das Innenrohr und das Außenrohr ebenfalls möglichst koaxial ausgerichtet sind. Das Außenrohr ist an seinen Enden durch feste und dichte Verbindungen getragen und falls erforderlich durch zusätzliche gleitfähige Distanzelemente gestützt, wodurch Schwingungen verhindert und Verwirbelungen im Mantelraum, die die Wärmeübertragung behindern, gemindert sind.
Das Außenrohr, welches weniger druck- und temperaturbelastet ist als das Innenrohr ist vorteilhaft mit einem Kompensator ausgestattet, der den Ausgleich der thermischen Längenänderungen bewirkt.
Ein wichtiger Bestandteil des vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Rückgewinnungssystems ist der Kälteträger, der angepasst an das Temperaturniveau des Kälteleistungsbedarfs unter zwei Voraussetzungen unterschiedlich zu wählen ist. Restriktionen sind dabei jeweils, dass infolge der Abkühlung des Kälteträgers dessen Soliduslinie und damit dessen die Strömung unterbindender Phasenwechsel erreicht wird, ferner, dass dessen Viskosität soweit ansteigt, dass die Pumpbarkeit nicht mehr gegeben ist.
Der erste Weg der Kälteträgerwahl folgt der Voraussetzung, dass sich weder zu hohe Viskositätswerte noch die Gefahr der Bildung einer festen Phase einstellen, wenn man z.B. Mischungen aus Wasser mit Ethylenglykol oder synthetische, tieftemperaturtaugliche Wärmeträgerflüssigkeiten verwendet und gleichzeitig angemessene Werte der Wärmetransportparameter wie Rohrwanddicke, Kanalabmessungen und Strömungsgeschwindigkeiten sicherstellt.
Der zweite Weg, den Kälteträger zu wählen, setzt gezielt und definiert dessen Erstarrung voraus, um mit der sich auf der Außenseite des Innenrohres bildenden festen Schicht einen thermischen Widerstand zu gewinnen, der auf dem Transportweg zum tiefkalten verflüssigten Gas den erforderlichen Temperaturabfall beisteuert. Diese erstarrte Schicht, an deren Oberfläche konstant die Erstarrungstemperatur des Kälteträgers herrscht, erreicht nach erfolgtem transienten Bildungsprozess eine stationäre Dicke und ersetzt kostengünstig die aufwändigen mit dem Stand der Technik verfügbaren Lösungen. Von Nachteil ist, dass die erstarrte Schicht den Wärmedurchgang verringert, was allerdings, zumindest teilweise, durch die mit der Reduzierung des Strömungsquerschnittes einhergehende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche kompensiert wird.
Die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche muss, soweit sie nicht selbständig über die Bildung der erstarrten Schicht zustande kommt, konstruktiv erfolgen.
Ausschlaggebend für den Wärmedurchgang und damit für die benötigte Wärmeübertragungsfläche ist jedenfalls der Wärmeübergang vom fließenden Kälteträger an die Oberfläche der erstarrten Schicht. Die Erfindung sieht vor, diesen, was sich sehr einfach indirekt realisieren lässt, messtechnisch zu verfolgen und bei Unterschreiten eines Schwellenwertes die Zufuhr der zu regasifizierenden Flüssigkeit zu stoppen, um im Rahmen einer intermittierenden Beaufschlagung die wie ein Kältespeicher wirkende erstarrte Schicht mit dem weiter strömenden Kälteträger abzutauen.
Es ist das im Bemühen um eine technische und zugleich wirtschaftliche Wirksamkeit wichtige Ziel erreicht, den über große Temperaturgefälle zu tiefen Temperaturen führenden Wärmetransport möglichst anwendungsfreundlich zu gestalten. Die praktizierte Einfachheit des Rohr-in-Rohr- Wärmeübertragers als U- Rohr bietet hierfür beste Voraussetzungen. Sie ermöglicht die Anwendung eines Baukastensystems, so dass der Wärmeübertrager nach dem Prinzip der Modularität als standardisierter Baustein universell eingesetzt werden kann.
Es können damit skalierbar sowohl kleine als auch beliebig große Flüssiggasdurchsätze effizient genutzt werden. Der benötigte Platzbedarf ist gering, da der Wärmeübertrager beliebig horizontal oder senkrecht als Einzelbauteil oder in einer Gruppenanordnung im Bereich einer Flüssiggastankanlage oder im Bereich einer Kälteverbrauchsstelle aufgestellt werden kann. Er kann im Bypass zur vorhandenen mit Umgebungswärme beheizten Regasifizierungseinrichtung betrieben werden oder diese ersetzen. Ausführungsbeispiel
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager für die Rückgewinnung von Kälteleistung aus der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase wird nachfolgend an Hand einer Zeichnung (Figur 1) näher erläutert.
Der als Ausführungsbeispiel gewählte Wärmeübertrager ist als Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager u-förmig ausgeführt. Das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3 sind möglichst koaxial ausgerichtet, wodurch ein Mantelraum 9 gebildet ist.
Das Außenrohr 3 ist an seinen Enden durch eine feste und dichte Verbindungen in Form eines Rohrbodens 4 getragen.
Das Innenrohr 2 ist von seinen auf der Rohrbodenseite befindlichen Enden frei kragend relativ zum Außenrohr 3 beweglich. Somit kann auf einen Kompensator für den Ausgleich der thermischen Längenänderungen verzichtet werden.
Durch diese konstruktiven Voraussetzungen kann zu regasifizierendes verflüssigtes Gas vom Eintritt 5 zum Austritt 6 durch das Innenrohr 2 strömen.
Der Kälteträger fließt hingegen vom Eintritt 7 zum Austritt 8 durch den vom Mantelraum 9 gebildeten Strömungskanal und transportiert somit die Kälteleistung vom zu regasifizierenden verflüssigten Gas zum Kälteverbraucher.
Weitere mögliche Ausgestaltungen sind in der Beschreibung angegeben.
Bezugszeichenliste
1 Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager (in U-Rohr- Ausführung),
2 Innenrohr, 3 Außen rohr,
4 Rohrboden,
5 Eintritt des zu regasifizierenden verflüssigten Gases,
6 Austritt des regasifizierten verflüssigten Gases,
7 Eintritt des Kälteträgers, 8 Austritt des Kälteträger
9 Mantelraum.

Claims

Patentansprüche
1. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager zur Rückgewinnung von Kälteleistung aus der Regasifizierung tiefkalter verflüssigter Gase, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (1) im Wesentlichen aus einem Innenrohr (2) und einem zu diesen möglichst koaxial geführten Außenrohr (3) besteht, wodurch ein Mantelraum (9) gebildet ist, dass das zu regasifizierende verflüssigte Gas vom Eintritt (5) zum Austritt (6) durch das Innenrohr (2) strömt während der Kälteträger vom Eintritt (7) zum Austritt (8) durch den vom Mantelraum (9) gebildeten Strömungskanal fließt und somit die Kälteleistung vom zu regasifizierenden verflüssigten Gas zum Kälteverbraucher transportiert, dass der Wärmeübertrager (1) in Geradrohranordnung bzw. alternativ gleichwertig u- förmig konfiguriert ist, dass der Kälteträger so angepasst ist, dass Wärmeflüsse über große, zu tiefen Temperaturen führende Temperaturgefälle beherrschbar sind, ohne dass die Einbindung eines mit zusätzlichen Wärmeübergängen beitragenden Zwischenmediums erforderlich ist, dass der Wärmeübertrager (1) sowohl gleichmäßig als auch intermittierend beaufschlagbar ist, und dass der Wärmeübertrager (1) als standardisiertes Modul eines Baukasten- Wärmeübertragungssystems ausführbar ist, was frei wählbare Größen des zu regasifizierenden Massenstroms und des zu beherrschenden Temperaturgefälles und damit eine universelle, gleichermaßen skalierbare wie individuell konfigurierbare Anwendung zulässt.
2. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) in Geradrohranordnung ausgeführt ist, wobei das Innenrohr (2) und das Außenrohr (3) möglichst koaxial ausgerichtet sind, dass das Außenrohr (3) an seinen Enden durch feste und dichte Verbindungen getragen und falls erforderlich durch zusätzliche gleitfähige Distanzelemente gestützt ist, wodurch Schwingungen verhindert und Verwirbelungen im Mantelraum, die die Wärmeübertragung behindern, gemindert werden, und dass das Außenrohr (3), welches weniger druck- und temperaturbelastet ist als das Innenrohr (2), mit einem Kompensator ausgestattet ist, der den Ausgleich der thermischen Längenänderungen bewirkt.
3. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) u-förmig ausgeführt ist, wobei das Innenrohr (2) und das Außenrohr (3) möglichst koaxial ausgerichtet sind und das Außenrohr (3) an seinen Enden mit dem Innenrohr (2) fest und dicht verbunden ist, und dass sich das Innenrohr (2) von seinen auf derselben Seite befindlichen Enden frei aus dem Rohrboden (4) kragend relativ zum Außenrohr (3) bewegen kann, und zwar bei Verzicht auf einen Kompensator für den Ausgleich der thermischen Längenänderungen.
4. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl der für den zu regasifizierenden Massenstrom und für den die Kälteleistung übertragenden, vorzugsweise flüssigen, aber auch gasförmigen Massenstrom geltenden Strömungsparameter Volumenstrom und Strömungsquerschnitt passgenau ein Kälteträger eingesetzt ist, der geeignet ist, auf bedarfsgerecht niedrigem Temperaturniveau exergetisch wertvolle Kälteleistung zu übertragen, ohne dass ein Phasenwechsel eintritt oder die Förderbarkeit wegen zu hoher Viskosität unzulässig abnimmt.
5. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Kälteträger eingesetzt ist, der bei einer definierten Erstarrungstemperatur teilweise gefriert und so durch die Bildung einer als thermischer Widerstand wirkenden erstarrten Schicht den erforderlichen Temperaturabfall zur tiefkalten Oberfläche des Innenrohrs bewirkt, wobei die Dicke der sich einstellenden erstarrten Schicht, an deren Oberfläche die Erstarrungstemperatur des Kälteträgers herrscht, sich ungefähr umgekehrt proportional zum Wärmeübergangskoeffizienten der Wärmeabgabe des Kälteträgers verhält, welche allerdings wegen der vergrößert zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsfläche und wegen der bei verkleinertem Strömungsquerschnitt vergrößerten Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.
6. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der in fester Phase als erstarrte Schicht am Innenrohr (2) anhaftende Kälteträger als Kältespeicher nutzbar ist, der bei abgeschaltetem Massenstrom des tiefkalten verflüssigten Gases durch den vom weiter strömenden flüssigen Kälteträger bewirkten Übergang der festen zur flüssigen Phase entladen werden kann.
7. Rohr-in-Rohr- Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass seine kostengünstig einfache Verwendung als nach dem Prinzip der Modularität standardisierter Baustein skalierbare und lageunabhängig in Reihen- und Parallelschaltungen beliebig gestaltbare Wärmeübertragungssysteme ermöglicht, die sowohl zur Verdampfung als auch zur Überhitzung des zu regasifizierenden Fluids eingesetzt werden können und bezüglich Kälteträger, Temperaturniveau, Kälteleistung sowie kontinuierlicher oder auch intermittierender Massendurchsätze eine universelle Anwendbarkeit gewährleisten.
Es folgt ein Blatt Zeichnung (Figur 1)!
EP21708552.1A 2020-02-29 2021-01-27 Wärmeübertrager für die rückgewinnung von kälteleistung aus der regasifizierung tiefkalter verflüssigter gase Pending EP4111121A1 (de)

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