EP4337908A1 - Gewickelter wärmetauscher und verfahren - Google Patents

Gewickelter wärmetauscher und verfahren

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EP4337908A1
EP4337908A1 EP22726594.9A EP22726594A EP4337908A1 EP 4337908 A1 EP4337908 A1 EP 4337908A1 EP 22726594 A EP22726594 A EP 22726594A EP 4337908 A1 EP4337908 A1 EP 4337908A1
Authority
EP
European Patent Office
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ring channel
channel
liquid phase
heat exchanger
refrigerant
Prior art date
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Granted
Application number
EP22726594.9A
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English (en)
French (fr)
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EP4337908B1 (de
Inventor
Jürgen Spreemann
Hubert Lachenwitzer
Luis Dr. MATAMOROS
Florian Deichsel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP4337908A1 publication Critical patent/EP4337908A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4337908B1 publication Critical patent/EP4337908B1/de
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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
    • F28D7/02—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
    • F28D7/024—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 only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • 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
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F25/00—Component parts of trickle coolers
    • F28F25/02—Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
    • F28F25/04—Distributing or accumulator troughs

Definitions

  • the invention relates to a coiled heat exchanger and a method for exchanging heat between a refrigerant and a medium using such a coiled heat exchanger.
  • Liquefied natural gas refers to processed natural gas that has been liquefied and cooled to -161 °C to -164 °C. LNG is only a fraction of the volume of gaseous natural gas. LNG therefore has great advantages, especially for transport and storage purposes.
  • the liquefied natural gas can be transported as a liquid in suitable transport containers by road, rail or water.
  • CWHE Coil Wound Heat Exchangers
  • wound heat exchangers can be used to liquefy the natural gas.
  • a coiled heat exchanger comprises a shell and a tube bundle accommodated in the shell, through which the natural gas to be liquefied is conducted.
  • the tube bundle is sprinkled with a liquid phase of a two-phase refrigerant, for example with the aid of a so-called annular channel distributor.
  • Such an annular channel distributor comprises an annular channel running around the jacket on the inside and distributors which extend radially out of the annular channel and distribute the liquid phase evenly over the tube bundle. Between the distributors, tubes, so-called braids, of the tube bundle are routed upwards past the annular channel distributor to a tube sheet. The higher the annular channel, the further the tube sheet is spaced from the tube bundle and the longer the tubes leading to the tube sheet must be. This can complicate manufacture of the coiled heat exchanger. This needs to be improved.
  • the object of the present invention is to provide an improved coiled heat exchanger. 2
  • a coiled heat exchanger for exchanging heat between a refrigerant and a medium.
  • the coiled heat exchanger comprises a jacket, a tube bundle arranged inside the jacket through which the medium can flow, a first ring channel arranged inside the jacket and surrounding it for separating a liquid phase of the refrigerant from a gaseous phase of the refrigerant, a first annular channel inside the jacket arranged and surrounding this second ring channel for evenly distributing the liquid phase on the tube bundle in order to exchange the heat between the refrigerant and the medium, and a connecting channel that establishes a fluid connection between the first ring channel and the second ring channel to the liquid phase the first annular duct into the second annular duct, the first annular duct and the second annular duct being arranged spaced apart from one another viewed along an axis of symmetry of the casing.
  • first ring channel and a second ring channel which is separate from the first ring channel, are provided, it is possible to design the first ring channel and the second ring channel to have different widths. On the one hand, this facilitates production and, on the other hand, it can lead to a reduction in accumulation of the liquid phase in the annular channels. Furthermore, with the aid of the first ring channel, a pre-separation of the liquid phase and the gaseous phase of the refrigerant can be achieved.
  • the wound heat exchanger is in particular a so-called Coil Wound Heat Exchanger (CWHE).
  • the coiled heat exchanger is preferably suitable for liquefying natural gas.
  • the medium can be natural gas.
  • the coiled heat exchanger can also be used to liquefy any media other than natural gas.
  • the tube bundle is wound in multiple layers onto a core tube arranged centrally in the jacket.
  • the jacket preferably comprises a hollow-cylindrical base section, which can be constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry, a cover section terminating the base section at the top, and a bottom section terminating the base section at the bottom.
  • the axis of symmetry can also be referred to as the central axis.
  • the jacket is particularly fluid-tight. 3
  • the tube bundle includes a tube side and a shell side.
  • the “tube side” is to be understood as meaning an interior space enclosed by tubes of the tube bundle, through which the medium to be liquefied is conducted. The medium is thus fed into the tubes of the tube bundle.
  • the fact that the medium is “fed” into the tube bundle means in particular that the medium is introduced into the tubes of the tube bundle.
  • several different fractions or tube streams can flow through the tube bundle.
  • One of the fractions can be the medium.
  • Another of the fractions may be part of the refrigerant.
  • Other fractions can include, for example, other refrigerants, process media or the like.
  • the refrigerant can also be fed into the tube bundle and passed through the tube bundle on the tube side.
  • the tube bundle thus has tubes through which only the medium flows. Other pipes are only flowed through by the refrigerant. Further tubes can also be provided through which further fractions flow.
  • the aforementioned different tubes can form different layers of the tube bundle.
  • “on the shell side” is to be understood as meaning an area outside the tubes of the tube bundle. On the shell side, the refrigerant flows through the tube bundle.
  • heat is preferably extracted from the medium, which the refrigerant absorbs.
  • the refrigerant can at least partially evaporate.
  • the refrigerant can also evaporate completely. After flowing around or through the tube bundle on the shell side, the completely or partially vaporized refrigerant can be drawn off from the shell.
  • the refrigerant can be ethane, for example. However, any other desired refrigerant can also be used.
  • a refrigerant is suitable for transporting enthalpy from a product to be cooled, in this case the medium, to an environment.
  • the difference to a coolant is that a refrigerant can carry out this heat transport in a refrigeration cycle along a temperature gradient, so that 4 the ambient temperature may even be higher than the temperature of the medium to be cooled by using supplied energy, while a coolant is only able to transport the enthalpy in a cooling circuit against the temperature gradient to a point with a lower temperature.
  • By removing heat from the medium it is liquefied.
  • the medium is natural gas
  • the liquefied medium or natural gas can be referred to as Liquified Natural Gas (LNG).
  • the first ring channel can also be referred to as the upper ring channel, since it is arranged above the second ring channel with respect to a direction of gravity. Accordingly, the second ring channel can be referred to as the lower ring channel.
  • the fact that the first ring channel “encircles” the jacket means in the present case that the first ring channel preferably completely runs around the axis of symmetry and thus forms an annular geometry. In this case, the first ring channel can be continuous. Alternatively, it is also possible for the first ring channel to be subdivided into a number of ring segments that are separate from one another. The same applies to the second ring channel.
  • the first ring channel and the second ring channel are two separate components which are arranged at a certain distance from one another viewed along the axis of symmetry.
  • the connecting channel can be a pipe, a duct, a hose or the like. With the help of the connecting channel, the liquid medium is conducted from the first ring channel into the second ring channel.
  • the connecting channel is a downpipe or can be called a downpipe. Any number of connection channels can be provided.
  • the connecting channel can have a circular or any other desired cross-section.
  • the second ring channel is suitable for distributing the liquid phase of the refrigerant evenly over the tube bundle.
  • the second ring channel can include distributors, which will be explained later. In particular, these distributors are part of the second
  • the second ring channel itself can also have openings, bores or the like, which enable the tube bundle to be sprinkled evenly with the liquid phase of the refrigerant.
  • the second ring channel can also be referred to as a ring channel distributor. 5
  • the first ring channel is suitable for separating the liquid phase of the refrigerant from the gaseous phase of the refrigerant.
  • the separation takes place in that the liquid phase is drawn off downwards in the direction of the second annular duct with the aid of the connecting duct and in that the gaseous phase of the refrigerant exits upwards out of the first annular duct.
  • the refrigerant is two-phase and may include the liquid phase and the gaseous phase.
  • the liquid phase can change into the gaseous phase and vice versa.
  • the liquid phase of the refrigerant at least partially changes from the liquid phase to the gaseous phase as it flows through or around the tube bundle.
  • the evaporating refrigerant absorbs heat from the medium.
  • the second ring channel comprises a plurality of distributors for uniformly distributing the liquid phase onto the tube bundle, the distributors protruding radially further into the jacket towards the axis of symmetry than the second ring channel.
  • the number of distributors is fundamentally arbitrary. For example, three distributors or six distributors are provided.
  • the distributors are placed evenly spaced around the axis of symmetry.
  • the distributors protrude radially from the second ring channel into the shell and thus partially cover the tube bundle from above.
  • the distributors are part of the second ring channel and are in fluid connection with it.
  • the fact that the distributors are “in fluid connection” with the second ring channel means in particular that the liquid phase of the refrigerant can flow from the second ring channel into the distributor.
  • the distributors preferably each have a large number of openings arranged on the underside,
  • Openings, holes or the like which allow a uniform sprinkling of the tube bundle with the liquid phase of the refrigerant.
  • the distributors are distributed uniformly around the axis of symmetry, with an intermediate space being provided in each case between two adjacent distributors.
  • the number of gaps preferably corresponds to the number of distributors.
  • the manifolds and the spaces are arranged alternately, so 6 that between each two distributors there is a gap and between two gaps there is a distributor.
  • the coiled heat exchanger also comprises a plurality of connection channels, with each distributor being assigned a connection channel.
  • the number of distributors and the number of connecting channels is the same. For example, three or six connection channels are provided.
  • the connecting channel runs parallel to the axis of symmetry.
  • the connecting channel runs along the direction of gravity.
  • the first ring channel and the second ring channel protrude radially towards the axis of symmetry at different distances into the jacket.
  • first ring channel and the second ring channel project radially to different extents into an interior space enclosed by the jacket.
  • the first annular channel has a first inner diameter.
  • the second annular channel has a second inner diameter.
  • the inner diameters can be of different sizes, so that the first ring channel and the second ring channel protrude into the casing to different extents.
  • the first inner diameter of the first ring channel and the second inner diameter of the second ring channel can also be of the same size.
  • the second annular channel protrudes radially towards the axis of symmetry further into the jacket than the first annular channel.
  • the second ring channel is wider than the first ring channel. This facilitates the manufacture of the coiled heat exchanger.
  • the first ring channel is arranged above the second ring channel, viewed along a direction of gravity.
  • the first ring channel can therefore also be referred to as the upper ring channel and the second ring channel as the lower ring channel.
  • the second ring channel is placed below the first ring channel, viewed along the direction of gravity.
  • the coil-wound heat exchanger further comprises a tube sheet in fluid communication with tubes of the tube bundle, wherein the tube sheet is arranged between the first annular channel and the second annular channel as viewed along the axis of symmetry.
  • the tube sheet is placed below the first ring channel and above the second ring channel.
  • Several tube sheets can be provided.
  • the number of tube sheets preferably corresponds to the number of distributors. Twice as many tube sheets as distributors can also be provided. Due to the fact that the tube plate is arranged between the first ring channel and the second ring channel, it is possible to shorten the tubes pulled up from the tube bundle in comparison to a coiled heat exchanger with only one ring channel. This facilitates manufacturability of the coiled heat exchanger.
  • the tubes pulled up can also be referred to as "braids". A reduction in the "plait length" can thus be achieved.
  • the first ring channel and/or the second ring channel each run completely around the axis of symmetry.
  • first ring channel and/or the second ring channel each have a circumferential angle of 360°.
  • first ring channel and/or the second ring channel it is also fundamentally possible for the first ring channel and/or the second ring channel to be subdivided into a plurality of ring channel segments that are separate from one another. 8th
  • first ring channel and/or the second ring channel are each open in the direction of a cover section of the casing.
  • first ring channel and/or the second ring channel are open at the top. This enables the gaseous phase of the refrigerant to escape upwards from the respective ring channel.
  • the heat exchanger comprises a jacket, a tube bundle arranged inside the jacket, a first annular channel arranged inside the jacket and surrounding it, a second annular channel arranged inside the jacket and surrounding it, and a connecting channel that provides a fluid connection between the first annular channel and the second annular duct, wherein the first annular duct and the second annular duct are arranged spaced apart from one another viewed along an axis of symmetry of the casing.
  • the method comprises the following steps: a) the medium flows through the tube bundle, b) separating a liquid phase of the refrigerant from a gaseous phase of the refrigerant using the first annular duct, c) conducting the liquid phase into the second annular duct using the connecting duct , and d) uniform distribution of the liquid phase over the tube bundle with the aid of the second annular channel in order to exchange heat between the refrigerant and the medium.
  • Steps a) to d) can be carried out simultaneously.
  • heat is extracted from the medium during step d) with the aid of the refrigerant.
  • the refrigerant can at least partially evaporate and change into the gaseous phase.
  • the medium can be liquefied or at least cooled.
  • the medium flows through the tube bundle, in particular on the tube side.
  • the liquid phase is distributed particularly on the shell side of the tube bundle.
  • step d) the liquid phase is evenly distributed over the tube bundle with the aid of a plurality of distributors of the second ring channel.
  • the number of distributors is fundamentally arbitrary. By providing several distributors, a particularly uniform distribution of the liquid phase can be achieved.
  • the distributors are preferably part of the second ring channel.
  • the liquid phase is backed up in the second ring channel in such a way that the connecting channel opens into the second ring channel below a liquid level of the liquid phase.
  • a lower edge of the connecting channel is arranged below the liquid level.
  • the connecting channel is thus immersed or submerged in the liquid phase.
  • step b) the liquid phase, viewed along a direction of gravity, is withdrawn downwards from the first annular channel with the aid of the connecting channel, with the gaseous phase exiting upwards from the first annular channel, viewed along the direction of gravity.
  • the gaseous phase can be drawn off from the jacket at the cover section.
  • the liquid phase of the refrigerant that exits downwards from the tube bundle and has not evaporated can also be drawn off from the jacket.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a coiled heat exchanger
  • FIG. 2 shows a further schematic sectional view of the coiled heat exchanger according to section line II-II of FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for exchanging heat between a refrigerant and a medium using the coil-wound heat exchanger according to FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a wound heat exchanger 1 (Engl .: Coil Wound Heat Exchanger, CWHE). the fig
  • FIGS. 1 and 2 shows a schematic sectional view of the coiled heat exchanger 1. In the following, reference is made to FIGS. 1 and 2 simultaneously.
  • Such a coiled heat exchanger 1 can be used to liquefy natural gas (Liquefied Natural Gas, LNG). However, other gases can also be liquefied.
  • the coiled heat exchanger 1 is simply referred to below as a heat exchanger. 11
  • the heat exchanger 1 comprises a jacket 2.
  • the jacket 2 is made up of a cylindrical base section 3, a dome-shaped, curved cover section 4 and a dome-shaped, curved base section (not shown). With respect to a direction of gravity g, the lid section 4 is placed above the bottom section.
  • the base section 3, the cover section 4 and the bottom section are soldered, welded, screwed or riveted to one another.
  • the jacket 2 is fluid-tight.
  • the shell 2 encloses an interior space 5.
  • the shell 2 can be made of an aluminum alloy or a steel alloy.
  • the shell 2 is essentially rotationally symmetrical to a central or
  • Axis of symmetry 6 constructed. “Essentially” means that the jacket 2 does not necessarily have to have a circular cross section. The jacket 2 can also be slightly oval or elliptical in cross section. The coat 2 is placed upright or vertically. This means that the axis of symmetry 6 runs parallel to the direction of gravity g.
  • the heat exchanger 1 is assigned a coordinate system with a width direction or x-direction x, a vertical direction or y-direction y and a depth direction or z-direction z.
  • the directions x, y, z are oriented perpendicular to one another.
  • the z-direction z is oriented parallel to the direction of gravity g and parallel to the axis of symmetry 6 .
  • An inlet connector 7 is provided on the base section 3 and is oriented perpendicularly to the axis of symmetry 6 .
  • a refrigerant K for example ethane, can be supplied to the heat exchanger 1 via the inlet connection 7 .
  • the refrigerant K can be in two phases, so that it has a liquid phase KL and a gaseous phase KG.
  • Several inlet nozzles 7 can be provided.
  • the refrigerant K is shown in Figs. 1 and 2 with the help of block arrows.
  • Block arrows with oblique hatching stand for a two-phase state of the
  • Refrigerant K Horizontally hatched block arrows represent the gaseous phase KG of the refrigerant K. Unhatched block arrows represent the liquid phase KL of the refrigerant K. 12
  • the refrigerant K can be fed into an upper or first ring channel 8 via the inlet connector 7 .
  • the first ring channel 8 can be rectangular in cross section.
  • the first ring channel 8 is arranged inside the jacket 2 .
  • the first ring channel 8 runs completely around the axis of symmetry 6, so that the first ring channel 8 has a closed ring-shaped geometry. In principle, however, the first ring channel 8 can also be divided into a number of ring segments.
  • the first ring channel 8 has an inner diameter d8.
  • the first annular channel 8 is open at the top, ie in the direction of the cover section 4, so that the gaseous phase KG can escape from the first annular channel 8 upwards against the direction of gravity g.
  • the gaseous phase KG can, for example, be drawn off from the jacket 2 with the aid of a discharge nozzle provided on the cover section 4 .
  • the gaseous phase KG can be drawn off downwards together with the liquid phase KL.
  • the first annular channel 8 protrudes radially, that is to say in the direction of the axis of symmetry 6 , into the casing 2 , in particular into the interior 5 .
  • a liquid level 9 of the liquid phase KL is established in the first annular channel 8 .
  • the first annular channel 8 serves to separate the gaseous phase KG from the liquid phase KL. The separation takes place in that the gaseous phase KG, as mentioned above, can escape upwards from the first annular channel 8 and that the liquid phase KL can escape downwards, i.e. in the direction of gravity g, from the first annular channel 8 with the aid of a connecting channel 10 is deducted.
  • the connecting channel 10 runs parallel to the direction of gravity g or parallel to the axis of symmetry 6.
  • the connecting channel 10 can be a shaft, a pipe or the like.
  • a plurality of connecting channels 10 to 12 are preferably provided.
  • the number of connecting channels 10 to 12 is basically arbitrary. For example, three or six connection channels 10 to 12 are provided.
  • the connecting channels 10 to 12 are uniform around the
  • the connecting channel 10 directs the liquid phase KL from the first ring channel 8 into a lower or second ring channel 13. Viewed along the axis of symmetry 6 13, the second ring channel 13 is arranged at a distance from the first ring channel 8. Viewed along the direction of gravity g, the first ring channel 8 is placed above the second ring channel 13 and the second ring channel 13 is placed below the first ring channel 8 .
  • the second ring channel 13 like the first ring channel 8, can be rectangular in cross section.
  • the second ring channel 13 is arranged inside the jacket 2 .
  • the second ring channel 13 runs completely around the axis of symmetry 6, so that the second ring channel 13 has a closed ring-shaped geometry. In principle, however, the second ring channel 13 can also be divided into a number of ring segments.
  • the second ring channel 13 has an inner diameter d13.
  • the inner diameter d13 can be smaller than the inner diameter d8.
  • the inner diameters d8, d13 can also be of the same size.
  • the inner diameter d8 can also be smaller than the inner diameter d13.
  • the second annular channel 13 is open at the top, ie in the direction of the cover section 4, so that the gaseous phase KG can escape from the second annular channel 13 upwards against the direction of gravity g.
  • the second annular channel 13 protrudes radially, that is to say in the direction of the axis of symmetry 6 , into the jacket 2 , in particular into the interior 5 .
  • the second ring channel 13 preferably protrudes further into the casing 2 than the first ring channel 8.
  • a liquid level 14 of the liquid phase KL is established in the second ring channel 13 .
  • the connecting channel 10 is immersed in the liquid phase such that a lower edge of the connecting channel 10 is placed below the liquid level 14 viewed along the direction of gravity g.
  • the second ring channel 13 is used to evenly distribute the liquid phase KL to a plurality of distributors 15 to 17.
  • the distributors 15 to 17 are part of the second ring channel 13.
  • the number of distributors 15 to 17 is arbitrary. For example, three or six
  • Distribution 15 to 17 provided.
  • the number of distributors 15 to 17 preferably corresponds to the number of connecting channels 10 to 12.
  • Each distributor 15 to 17 can be assigned a connecting channel 10 to 12.
  • the distributors 15 to 17 are distributed uniformly around the axis of symmetry 6 or around a circumference of the jacket 2 . 14
  • the distributors 15 to 17 can be designed as ring segments. However, this is not mandatory. In the present case, a “ring segment” is to be understood as meaning a section of a ring.
  • the manifolds 15-17 are arranged alternately with spaces 18-20. This means that between two adjacent distributors 15 to 17 in each case an intermediate space 18 to 20 and between two intermediate spaces 18 to 20 in each case one distributor 15 to 17 is arranged. Only one distributor 15 is discussed below.
  • the distributor 15 points radially in the direction of the axis of symmetry 6 further into the casing 2, in particular into the interior 5, than the second ring channel 13.
  • the distributor 15 is in fluid connection with the second ring channel 13.
  • fluid connection means in particular , that the liquid phase KL can flow out of the second ring channel 13 into the distributor 15 .
  • an opening, an opening or the like can be provided in a bottom of the second ring channel 13 .
  • the distributor 15 is closed at the top, that is to say in the direction of the cover section 4 .
  • the liquid phase KL can emerge from the distributor 15 downwards, ie facing away from the cover section 4 .
  • the distributor 15 has a large number of outlet openings, openings, bores or the like on the underside, with the aid of which the liquid phase KL can be distributed uniformly.
  • the heat exchanger 1 also includes a tube bundle 21 which is arranged inside the jacket 2 and which is sprinkled with the liquid phase KL with the aid of the distributors 15 to 17 . In this case, the liquid phase KL is evaporated in particular with the aid of a falling film.
  • the tube bundle 21 is wound onto a core tube 22 placed centrally in the shell 2 .
  • the tube bundle 21 comprises a multiplicity of tubes which are wound onto the core tube 22 in multiple layers.
  • the tube bundle 21 comprises slits or gaps, so that the liquid phase KL can flow through the tube bundle 21 on the shell side.
  • "on the shell side” is to be understood as meaning an area outside the tubes of the tube bundle 21 .
  • the tube bundle 21 completely fills an annular gap 23 provided between the core tube 22 and the jacket 2 . 15
  • One of the fractions can be a medium to be liquefied, for example natural gas.
  • the liquid phase KL of the refrigerant K can be another of the fractions.
  • Other fractions can include, for example, other refrigerants, process media or the like. This means that the refrigerant K can also be fed into the tube bundle 21 and passed through the tube bundle 21 on the tube side. However, direct contact and thus no mixing of the fractions in the tube bundle 21 is possible.
  • the tube bundle 21 thus has tubes through which only the medium flows. Only the refrigerant K flows through other pipes. Further tubes can also be provided through which further fractions flow.
  • the aforesaid different tubes can form different layers of the tube bundle 21 .
  • the “tube side” is to be understood as meaning an interior space enclosed by the tubes of the tube bundle 21, through which the medium to be liquefied, the refrigerant K and/or other fractions are conducted.
  • Individual tubes 24 to 26 are pulled upwards from the tube bundle 21 through the intermediate spaces 18 to 20 in the direction of the cover section 4 .
  • the tubes 24 to 26 run parallel to the axis of symmetry 6.
  • the tubes 24 to 26 can also be referred to as "braids".
  • the tubes 24 to 26 are fed to a tube sheet 27 .
  • Several tube sheets 27 to 29 are preferably provided.
  • the number of tube sheets 27 to 29 can correspond to the number of distributors 15 to 17. However, this is not mandatory. It is also possible, for example, to provide twice as many tube sheets 27 to 29 as distributors 15 to 17 .
  • the tube sheets 27 to 29 can be placed at different heights. This means that the tube sheets 27 to 29 viewed along the axis of symmetry 6 can be offset from one another. However, the tube sheets 27 to 29 can also all be arranged at the same height. The tube sheets 27 to 29 can be assigned to different tube streams or fractions of the tube bundle 21 .
  • the tube sheets 27 to 29 are welded or soldered into the jacket 2 .
  • the tube sheets 27 to 29 can also be connected to the shell 2 with the help of sockets (not shown). 16 be connected.
  • the tube sheets 27 to 29 can be distributed uniformly around the axis of symmetry 6 . However, this is not mandatory.
  • the tube sheets 27 to 29 can also be distributed unevenly around the axis of symmetry 6 .
  • At least one tube plate 27 to 29 can be assigned to each intermediate space 18 to 20 . However, this is not mandatory. Only one tube sheet 27 is discussed below.
  • the tube sheet 27 is in fluid communication with the inlet port 7 via a supply line 30 and an expansion valve 31 .
  • tubes of the tube bundle 21 through which the coolant K is conducted on the tube side are in fluid connection with the inlet connector 7 .
  • the relief valve 31 is a so-called Joule-Thomson valve.
  • the coolant K flowing through the tube bundle 21 is returned to the inlet connector 7 via the feed line 30 . This is compared to the interior 5 of the jacket 2 under a higher pressure.
  • the refrigerant K is expanded in the expansion valve 31 and fed to the inlet connector 7 as a two-phase flow. During relaxation, relaxation cold occurs, which cools the refrigerant K.
  • Tubes 24-26 are in fluid communication with tubesheet 27. Viewed along the axis of symmetry 6 , the tube sheet 27 is placed between the first ring channel 8 and the second ring channel 13 . In particular, the tube sheet 27 is placed below the first ring channel 8 and above the second ring channel 13 . This makes it possible to shorten the length of the tubes 24 to 26 compared to a heat exchanger with only one ring channel. This simplifies the manufacturability of the heat exchanger 1. Furthermore, the provision of two separate ring channels 8, 13 makes it possible to design the ring channels 8, 13 with different widths. On the one hand, this simplifies production and, on the other hand, can lead to a reduction in the accumulation of the liquid phase KL in the annular channels 8, 13.
  • the functionality of the heat exchanger 1 is explained below.
  • the medium to be liquefied flows through the tube bundle 21 on the tube side.
  • the liquid phase KL is separated from the gaseous phase KG by the liquid phase KL being drawn off downwards into the second annular channel 13 with the aid of the connecting channels 10 to 12 and the gaseous phase KG escaping upwards.
  • the gaseous phase KG can be drawn off upwards or downwards.
  • the gaseous phase KG, together with the liquid phase KL can be drawn off flowing downward via the tube bundle 21 .
  • the second ring channel 13 distributes the liquid phase KL evenly to the distributors 15 to 17, which in turn sprinkle the tube bundle 21 with the liquid phase KL.
  • the liquid phase KL flows through the tube bundle 21 on the shell side, the liquid phase KL at least partially evaporating. In the process, heat is extracted from the medium.
  • the medium liquefies in the process.
  • the vaporized liquid phase KL rises as a gaseous phase KG and can be drawn off upwards. Alternatively, the gaseous phase KG can also be drawn off downwards through the tube bundle 21 .
  • the liquid phase KL which does not evaporate, flows out of the tube bundle 21 on the underside and can be drawn off downwards.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for exchanging heat between the refrigerant K and the medium using the coiled heat exchanger 1.
  • a step S1 the tube bundle 21 is flowed through with the medium.
  • the liquid phase KL of the refrigerant K is separated from the gaseous phase KG with the aid of the first ring channel 8 .
  • the liquid phase KL is conducted into the second ring channel 13 with the aid of the connecting channels 10 to 12.
  • the liquid phase KL is evenly distributed over the tube bundle 21 with the aid of the distributors 15 to 17 in order to exchange the heat between the refrigerant K and the medium. Steps S1 to S4 can be performed simultaneously.

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Abstract

Gewickelter Wärmetauscher (1) zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel (K) und einem Medium, mit einem Mantel (2), einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten Rohrbündel (21), das von dem Medium durchströmbar ist, einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal (8) zum Trennen einer flüssigen Phase (KL) des Kältemittels (K) von einer gasförmigen Phase (KG) des Kältemittels (K), einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal (13) zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase (KL) auf das Rohrbündel (21), um die Wärme zwischen dem Kältemittel (K) und dem Medium auszutauschen, und einem Verbindungskanal (10 - 12), der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal (8) und dem zweiten Ringkanal (13) herstellt, um die flüssige Phase (KL) aus dem ersten Ringkanal (8) in den zweiten Ringkanal (13) zu leiten, wobei der erste Ringkanal (8) und der zweite Ringkanal (13) entlang einer Symmetrieachse (6) des Mantels (2) betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind.

Description

1
Beschreibung
Gewickelter Wärmetauscher und Verfahren
Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher und ein Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium mit Hilfe eines derartigen gewickelten Wärmetauschers.
Als Flüssigerdgas (Engl.: Liquefied Natural Gas, LNG) wird durch Abkühlung auf -161 °C bis -164 °C verflüssigtes aufbereitetes Erdgas bezeichnet. Flüssigerdgas weist nur einen Bruchteil des Volumens von gasförmigem Erdgas auf. Besonders zu Transport- und Lagerungszwecken hat Flüssigerdgas daher große Vorteile. Das Flüssigerdgas kann als Flüssigkeit in geeigneten Transportbehältern auf der Straße, der Schiene oder auf dem Wasser transportiert werden.
Zur Verflüssigung des Erdgases können gemäß betriebsinternen Erkenntnissen sogenannte Coil Wound Heat Exchanger (CWHE) oder gewickelte Wärmetauscher eingesetzt werden. Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher umfasst einen Mantel sowie ein in dem Mantel aufgenommenes Rohrbündel, durch welches das zu verflüssigende Erdgas geleitet wird. Das Rohrbündel wird beispielsweise mit Hilfe eines so genannten Ringkanalverteilers mit einer flüssigen Phase eines zweiphasigen Kältemittels beregnet.
Ein derartiger Ringkanalverteiler umfasst einen innenseitig um den Mantel umlaufenden Ringkanal und sich radial aus dem Ringkanal heraus erstreckende Verteiler, welche die flüssige Phase gleichmäßig auf das Rohrbündel verteilen. Zwischen den Verteilern werden Rohre, sogenannte Zöpfe, des Rohrbündels an dem Ringkanalverteiler vorbei nach oben zu einem Rohrboden geführt. Je höher der Ringkanal ist, desto weiter ist der Rohrboden von dem Rohrbündel beabstandet und desto länger müssen die zu dem Rohrboden geführten Rohre sein. Dies kann die Fertigung des gewickelten Wärmetauschers erschweren. Dies gilt es zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten gewickelten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. 2
Demgemäß wird ein gewickelter Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium vorgeschlagen. Der gewickelte Wärmetauscher umfasst einen Mantel, ein innerhalb des Mantels angeordnetes Rohrbündel, das von dem Medium durchströmbar ist, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal zum Trennen einer flüssigen Phase des Kältemittels von einer gasförmigen Phase des Kältemittels, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel, um die Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium auszutauschen, und einen Verbindungskanal, der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal herstellt, um die flüssige Phase aus dem ersten Ringkanal in den zweiten Ringkanal zu leiten, wobei der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal entlang einer Symmetrieachse des Mantels betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind.
Dadurch, dass ein erster Ringkanal und ein von dem ersten Ringkanal getrennter zweiter Ringkanal vorgesehen ist, ist es möglich, den ersten Ringkanal und den zweiten Ringkanal unterschiedlich breit auszuführen. Dies erleichtert zum einen die Fertigung und kann zum anderen zu einer Reduktion eines Aufstaus der flüssigen Phase in den Ringkanälen führen. Es kann ferner mit Hilfe des ersten Ringkanals eine Vortrennung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase des Kältemittels erzielt werden.
Der gewickelte Wärmetauscher ist insbesondere ein sogenannter Coil Wound Heat Exchanger (CWHE). Der gewickelte Wärmetauscher ist bevorzugt zum Verflüssigen von Erdgas geeignet. Das heißt, dass das Medium Erdgas sein kann. Der gewickelte Wärmetauscher kann jedoch auch zur Verflüssigung von beliebigen anderen Medien als Erdgas eingesetzt werden. Das Rohrbündel ist insbesondere mehrlagig auf ein mittig in dem Mantel angeordnetes Kernrohr aufgewickelt. Der Mantel umfasst vorzugsweise einen hohlzylinderförmigen Basisabschnitt, der rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut sein kann, einen den Basisabschnitt nach oben hin abschließenden Deckelabschnitt sowie einen den Basisabschnitt nach unten hin abschließenden Bodenabschnitt. Die Symmetrieachse kann auch als Mittelachse bezeichnet werden. Der Mantel ist insbesondere fluiddicht. 3
Das Rohrbündel umfasst eine Rohrseite und eine Mantelseite. Unter der "Rohrseite" ist vorliegend ein von Rohren des Rohrbündels umschlossener Innenraum zu verstehen, durch welchen das zu verflüssigende Medium geleitet wird. Das Medium wird somit in die Rohre des Rohrbündels eingespeist. Darunter, dass das Medium in das Rohrbündel "eingespeist" wird, ist insbesondere zu verstehen, dass das Medium in die Rohre des Rohrbündels eingeleitet wird. Rohrseitig können mehrere unterschiedliche Fraktionen oder Rohrströme durch das Rohrbündel strömen. Eine der Fraktionen kann das Medium sein. Eine andere der Fraktionen kann ein Teil des Kältemittels sein. Weitere Fraktionen können beispielsweise andere Kältemittel, Prozessmedien oder dergleichen umfassen.
Das heißt, auch das Kältemittel kann in das Rohrbündel eingespeist und rohrseitig durch das Rohrbündel geleitet werden. Es ist jedoch kein direkter Kontakt und damit auch keine Vermischung der Fraktionen in dem Rohrbündel möglich. Das Rohrbündel weist somit Rohre auf, die nur von dem Medium durchströmt werden. Weitere Rohre werden nur von dem Kältemittel durchströmt. Ferner können auch weitere Rohre vorgesehen sein, die von weiteren Fraktionen durchströmt werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Rohre können unterschiedliche Schichten des Rohrbündels bilden. Unter "mantelseitig" ist vorliegend ein Bereich außerhalb der Rohre des Rohrbündels zu verstehen. Mantelseitig strömt das Kältemittel durch das Rohrbündel hindurch.
Durch das Rohrbündel führt eine Vielzahl von Spalten oder Passagen, durch welche das Kältemittel hindurchgeleitet wird, um Wärme aus dem Rohrbündel, insbesondere aus dem Medium, zu entziehen. Bei dem Austausch der Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium wird dem Medium vorzugsweise Wärme entzogen, die das Kältemittel aufnimmt. Dabei kann das Kältemittel zumindest teilweise verdampfen. Das Kältemittel kann auch vollständig verdampfen. Nach dem mantelseitigen Umströmen oder Durchströmen des Rohrbündels kann das vollständig oder teilweise verdampfte Kältemittel aus dem Mantel abgezogen werden.
Das Kältemittel kann beispielsweise Ethan sein. Es kann jedoch auch jedes andere beliebige Kältemittel eingesetzt werden. Ein Kältemittel ist geeignet, Enthalpie von einem Kühlgut, vorliegend dem Medium, zu einer Umgebung zu transportieren. Der Unterschied zu einem Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel diesen Wärmetransport in einem Kältekreis entlang einem Temperaturgradienten durchführen kann, so dass 4 unter Aufwendung von zugeführter Energie die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Mediums, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlkreis die Enthalpie entgegen dem Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren. Durch das Entziehen von Wärme aus dem Medium wird dieses verflüssigt. Für den Fall, dass das Medium Erdgas ist, kann das verflüssigte Medium oder Erdgas als Liquified Natural Gas (LNG) bezeichnet werden.
Der erste Ringkanal kann auch als oberer Ringkanal bezeichnet werden, da dieser bezüglich einer Schwerkraftrichtung oberhalb des zweiten Ringkanals angeordnet ist. Demgemäß kann der zweite Ringkanal als unterer Ringkanal bezeichnet werden. Dass der erste Ringkanal um den Mantel "umläuft", bedeutet vorliegend, dass der erste Ringkanal vorzugsweise vollständig um die Symmetrieachse umläuft und so eine ringförmige Geometrie bildet. Dabei kann der erste Ringkanal durchgehend sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der erste Ringkanal in mehrere voneinander getrennte Ringsegmente unterteilt ist. Entsprechendes gilt für den zweiten Ringkanal. Der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal sind zwei voneinander getrennte Bauteile, die entlang der Symmetrieachse betrachtet mit einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind.
Der Verbindungskanal kann ein Rohr, ein Schacht, ein Schlauch oder dergleichen sein. Mit Hilfe des Verbindungskanals wird das flüssige Medium von dem ersten Ringkanal in den zweiten Ringkanal geleitet. Der Verbindungskanal ist ein Fallrohr oder kann als Fallrohr bezeichnet werden. Es kann eine beliebige Anzahl von Verbindungskanälen vorgesehen sein. Der Verbindungskanal kann einen kreisrunden oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.
Der zweite Ringkanal ist geeignet, die flüssige Phase des Kältemittels gleichmäßig auf das Rohrbündel zu verteilen. Hierzu kann der zweite Ringkanal später noch zu erläuternde Verteiler umfassen. Diese Verteiler sind insbesondere Teil des zweiten
Ringkanals. Ferner kann der zweite Ringkanal auch selbst Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen aufweisen, die eine gleichmäßige Beregnung des Rohrbündels mit der flüssigen Phase des Kältemittels ermöglichen. Der zweite Ringkanal kann auch als Ringkanalverteiler bezeichnet werden. 5
Der erste Ringkanal ist geeignet, die flüssige Phase des Kältemittels von der gasförmigen Phase des Kältemittels zu trennen. Die Trennung erfolgt dadurch, dass die flüssige Phase mit Hilfe des Verbindungskanals nach unten in Richtung des zweiten Ringkanals abgezogen wird und dass die gasförmige Phase des Kältemittels nach oben aus dem ersten Ringkanal austritt. Das heißt, das Kältemittel ist zweiphasig und kann die flüssige Phase und die gasförmige Phase aufweisen. Die flüssige Phase kann in die gasförmige Phase und umgekehrt übergehen. Insbesondere geht die flüssige Phase des Kältemittels bei dem Durchströmen oder Umströmen des Rohrbündels zumindest teilweise von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase über. Dabei nimmt das verdampfende Kältemittel Wärme von dem Medium auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der zweite Ringkanal mehrere Verteiler zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel, wobei die Verteiler radial auf die Symmetrieachse zu weiter in den Mantel hineinragen als der zweite Ringkanal.
Die Anzahl der Verteiler ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind drei Verteiler oder sechs Verteiler vorgesehen. Die Verteiler sind gleichmäßig voneinander beabstandet um die Symmetrieachse herum platziert. Die Verteiler ragen von dem zweiten Ringkanal aus radial in den Mantel hinein und decken so das Rohrbündel von oben teilweise ab. Die Verteiler sind insbesondere Teil des zweiten Ringkanals und stehen mit diesem in Fluidverbindung. Dass die Verteiler mit dem zweiten Ringkanal "in Fluidverbindung" stehen, bedeutet vorliegend insbesondere, dass die flüssige Phase des Kältemittels von dem zweiten Ringkanal in die Verteiler strömen kann. Die Verteiler weisen vorzugsweise jeweils eine Vielzahl unterseitig angeordneter Durchbrüche,
Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen auf, welche eine gleichmäßige Beregnung des Rohrbündels mit der flüssigen Phase des Kältemittels ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verteiler gleichmäßig um die Symmetrieachse herum verteilt angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten Verteilern jeweils ein Zwischenraum vorgesehen ist.
Die Anzahl der Zwischenräume entspricht bevorzugt der Anzahl der Verteiler. Insbesondere sind die Verteiler und die Zwischenräume abwechselnd angeordnet, so 6 dass jeweils zwischen zwei Verteilern ein Zwischenraum und zwischen zwei Zwischenräumen ein Verteiler platziert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der gewickelte Wärmetauscher ferner mehrere Verbindungskanäle, wobei jedem Verteiler ein Verbindungskanal zugeordnet ist.
Das heißt insbesondere, dass die Anzahl der Verteiler und die Anzahl der Verbindungskanäle gleich ist. Beispielsweise sind drei oder sechs Verbindungskanäle vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verläuft der Verbindungskanal parallel zu der Symmetrieachse. Insbesondere verläuft der Verbindungskanal entlang der Schwerkraftrichtung. Durch die Anordnung des Verbindungskanals beziehungsweise der Verbindungskanäle parallel zu der Symmetrieachse kann die kürzestmögliche Verbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal erzielt werden. Insbesondere münden die Verbindungskanäle aus einem Boden des ersten Ringkanals aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragen der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal radial auf die Symmetrieachse zu unterschiedlich weit in den Mantel hinein.
Insbesondere ragen der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal radial unterschiedlich weit in einen von dem Mantel umschlossenen Innenraum hinein. Der erste Ringkanal weist einen ersten Innendurchmesser auf. Der zweite Ringkanal weist einen zweiten Innendurchmesser auf. Die Innendurchmesser können unterschiedlich groß sein, so dass der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal unterschiedlich weit in den Mantel hineinragen. Alternativ können der erste Innendurchmesser des ersten Ringkanals und der zweite Innendurchmesser des zweiten Ringkanals auch gleich groß sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragt der zweite Ringkanal radial auf die Symmetrieachse zu weiter in den Mantel hinein als der erste Ringkanal. 7
Das heißt insbesondere, dass der zweite Ringkanal breiter als der erste Ringkanal ist. Dies erleichtert die Fertigung des gewickelten Wärmetauschers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Ringkanal entlang einer Schwerkraftrichtung betrachtet oberhalb des zweiten Ringkanals angeordnet.
Wie zuvor erwähnt, kann der erste Ringkanal daher auch als oberer Ringkanal und der zweite Ringkanal als unterer Ringkanal bezeichnet werden. Der zweite Ringkanal ist entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet unterhalb des ersten Ringkanals platziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der gewickelte Wärmetauscher ferner einen Rohrboden, der mit Rohren des Rohrbündels in Fluidverbindung ist, wobei der Rohrboden entlang der Symmetrieachse betrachtet zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal angeordnet ist.
Insbesondere ist der Rohrboden entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet unterhalb des ersten Ringkanals und oberhalb des zweiten Ringkanals platziert. Es können mehrere Rohrböden vorgesehen sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Rohrböden der Anzahl der Verteiler. Es können auch doppelt so viele Rohrböden wie Verteiler vorgesehen sein. Dadurch, dass der Rohrboden zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal angeordnet ist, ist es möglich, die aus dem Rohrbündel nach oben gezogenen Rohre im Vergleich zu einem gewickelten Wärmetauscher mit nur einem Ringkanal zu verkürzen. Dies erleichtert die Herstellbarkeit des gewickelten Wärmetauschers. Die nach oben gezogenen Rohre können auch als "Zöpfe" bezeichnet werden. Es kann somit eine Reduktion der "Zopflänge" erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform laufen der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils vollständig um die Symmetrieachse um.
Das heißt, dass der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils einen Umfangswinkel von 360° aufweisen. Wie zuvor erwähnt, ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal in mehrere voneinander getrennte Ringkanalsegmente unterteilt sind. 8
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils in Richtung eines Deckelabschnitts des Mantels offen.
Insbesondere sind der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal nach oben hin offen. Dies ermöglicht es der gasförmigen Phase des Kältemittels, nach oben aus dem jeweiligen Ringkanal auszutreten.
Ferner wird ein Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium mit Hilfe eines derartigen gewickelten Wärmetauschers vorgeschlagen. Der Wärmetauscher umfasst dabei einen Mantel, ein innerhalb des Mantels angeordnetes Rohrbündel, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal, und einen Verbindungskanal, der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal herstellt, wobei der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal entlang einer Symmetrieachse des Mantels betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Durchströmen des Rohrbündels mit dem Medium, b) Trennen einer flüssigen Phase des Kältemittels von einer gasförmigen Phase des Kältemittels mit Hilfe des ersten Ringkanals, c) Leiten der flüssigen Phase in den zweiten Ringkanal mit Hilfe des Verbindungskanals, und d) gleichmäßiges Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel mit Hilfe des zweiten Ringkanals, um die Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium auszutauschen.
Die Schritte a) bis d) können gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere wird während des Schritts d) mit Hilfe des Kältemittels Wärme aus dem Medium entzogen. Dabei kann das Kältemittel zumindest teilweise verdampfen und in die gasförmige Phase übergehen. Das Medium kann dabei verflüssigt oder zumindest abgekühlt werden. Das Rohrbündel wird insbesondere rohrseitig mit dem Medium durchströmt. Die flüssige Phase wird insbesondere mantelseitig auf das Rohrbündel verteilt.
Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Schritt d) die flüssige Phase mit Hilfe mehrerer Verteiler des zweiten Ringkanals gleichmäßig auf das Rohrbündel verteilt. 9
Die Anzahl der Verteiler ist grundsätzlich beliebig. Durch das Vorsehen mehrerer Verteiler kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der flüssigen Phase erzielt werden. Die Verteiler sind bevorzugt Teil des zweiten Ringkanals. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem Schritt d) die flüssige Phase in dem zweiten Ringkanal derart aufgestaut, dass der Verbindungskanal unterhalb eines Flüssigkeitsstands der flüssigen Phase in dem zweiten Ringkanal in diesen einmündet.
Insbesondere ist eine Unterkante des Verbindungskanals unterhalb des Flüssigkeitsstands angeordnet. Der Verbindungskanal ist somit in die flüssige Phase eingetaucht oder abgetaucht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem Schritt b) die flüssige Phase entlang einer Schwerkraftrichtung betrachtet mit Hilfe des Verbindungskanals nach unten aus dem ersten Ringkanal abgezogen, wobei die gasförmige Phase entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet nach oben aus dem ersten Ringkanal austritt.
Die gasförmige Phase kann an dem Deckelabschnitt aus dem Mantel abgezogen werden. Die aus dem Rohrbündel nach unten austretende flüssige Phase des Kältemittels, die nicht verdampft ist, kann ebenfalls aus dem Mantel abgezogen werden.
Die für den vorgeschlagenen gewickelten Wärmetauscher beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend und umgekehrt.
"Ein" ist vorliegend nicht zwangsweise als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine genaue Beschränkung auf genau die entsprechende Anzahl von Elementen verwirklicht sein muss. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich.
Weitere mögliche Implementierungen des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im 10
Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens. Im Weiteren werden der gewickelte Wärmetauscher und/oder das Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines gewickelten Wärmetauschers;
Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des gewickelten Wärmetauschers gemäß der Schnittlinie ll-ll der Fig. 1 ; und
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einen Medium mit Hilfe des gewickelten Wärmetauschers gemäß Fig. 1.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines gewickelten Wärmetauschers 1 (Engl.: Coil Wound Heat Exchanger, CWHE). Die Fig.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht des gewickelten Wärmetauschers 1. Nachfolgend wird auf die Fig. 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen.
Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher 1 kann zur Verflüssigung von Erdgas (Engl.: Liquefied Natural Gas, LNG) eingesetzt werden. Es können jedoch auch andere Gase verflüssigt werden. Der gewickelte Wärmetauscher 1 wird nachfolgend lediglich als Wärmetauscher bezeichnet. 11
Der Wärmetauscher 1 umfasst einen Mantel 2. Der Mantel 2 ist aus einem zylinderförmigen Basisabschnitt 3, einem domförmig gewölbten Deckelabschnitt 4 und einem nicht gezeigten domförmig gewölbten Bodenabschnitt aufgebaut. Bezüglich einer Schwerkraftrichtung g ist der Deckelabschnitt 4 oberhalb des Bodenabschnitts platziert. Beispielsweise sind der Basisabschnitt 3, der Deckelabschnitt 4 und der Bodenabschnitt miteinander verlötet, verschweißt, verschraubt oder vernietet.
Der Mantel 2 ist fluiddicht. Der Mantel 2 umschließt einen Innenraum 5. Der Mantel 2 kann aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Stahllegierung gefertigt sein. Der Mantel 2 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder
Symmetrieachse 6 aufgebaut. "Im Wesentlichen" heißt dabei, dass der Mantel 2 nicht zwingend einen kreisrunden Querschnitt aufweisen muss. Der Mantel 2 kann im Querschnitt auch leicht oval oder elliptisch sein. Der Mantel 2 ist aufrecht oder vertikal platziert. Das heißt, dass die Symmetrieachse 6 parallel zu der Schwerkraftrichtung g verläuft.
Dem Wärmetauscher 1 ist ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oderx- Richtung x, einer Hochrichtung oder y-Richtung y und einer Tiefenrichtung oder z- Richtung z zugeordnet. Die Richtungen x, y, z sind senkrecht zueinander orientiert. Die z-Richtung z ist parallel zu der Schwerkraftrichtung g und parallel zu der Symmetrieachse 6 orientiert.
An dem Basisabschnitt 3 ist ein Einlassstutzen 7 vorgesehen, der senkrecht zu der Symmetrieachse 6 orientiert ist. Über den Einlasstutzen 7 kann dem Wärmetauscher 1 ein Kältemittel K, beispielsweise Ethan, zugeführt werden. Das Kältemittel K kann zweiphasig sein, so dass dieses eine flüssige Phase KL und eine gasförmige Phase KG aufweist. Es können mehrere Einlassstutzen 7 vorgesehen sein.
Das Kältemittel K ist in den Fig. 1 und 2 mit Hilfe von Blockpfeilen dargestellt. Dabei stehen Blockpfeile mit schräger Schraffur für einen zweiphasigen Zustand des
Kältemittels K. Horizontal schraffierte Blockpfeile stehen für die gasförmige Phase KG des Kältemittels K. Unschraffierte Blockpfeile stehen für die flüssige Phase KL des Kältemittels K. 12
Uber den Einlasstutzen 7 ist das Kältemittel K in einen oberen oder ersten Ringkanal 8 einspeisbar. Der erste Ringkanal 8 kann im Querschnitt rechteckförmig sein. Der erste Ringkanal 8 ist innerhalb des Mantels 2 angeordnet. Der erste Ringkanal 8 läuft vollständig um die Symmetrieachse 6 um, so dass der erste Ringkanal 8 eine geschlossene ringförmige Geometrie aufweist. Grundsätzlich kann der erste Ringkanal 8 jedoch auch in mehrere Ringsegmente unterteilt sein. Der erste Ringkanal 8 weist einen Innendurchmesser d8 auf.
Der erste Ringkanal 8 ist nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 offen, so dass die gasförmige Phase KG nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung g aus dem ersten Ringkanal 8 austreten kann. Die gasförmige Phase KG kann beispielsweise mit Hilfe eines an dem Deckelabschnitt 4 vorgesehenen Abzugsstutzens aus dem Mantel 2 abgezogen werden. Alternativ kann die gasförmige Phase KG zusammen mit der flüssigen Phase KL nach unten abgezogen werden. Der erste Ringkanal 8 ragt radial, das heißt in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu, in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein.
In dem ersten Ringkanal 8 stellt sich ein Flüssigkeitsstand 9 der flüssigen Phase KL ein. Der erste Ringkanal 8 dient der Trennung der gasförmigen Phase KG von der flüssigen Phase KL. Die Trennung erfolgt dadurch, dass die gasförmige Phase KG, wie zuvor erwähnt, nach oben aus dem ersten Ringkanal 8 entweichen kann und dass die flüssige Phase KL mit Hilfe eines Verbindungskanals 10 nach unten, das heißt in der Schwerkraftrichtung g, aus dem ersten Ringkanal 8 abgezogen wird. Der Verbindungskanal 10 verläuft parallel zu der Schwerkraftrichtung g beziehungsweise parallel zu der Symmetrieachse 6. Der Verbindungskanal 10 kann ein Schacht, ein Rohr oder dergleichen sein. Vorzugsweise sind mehrere Verbindungskanäle 10 bis 12 vorgesehen. Die Anzahl der Verbindungskanäle 10 bis 12 ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind drei oder sechs Verbindungskanäle 10 bis 12 vorgesehen. Die Verbindungskanäle 10 bis 12 sind gleichmäßig um die
Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet. Nachfolgend wird jedoch auf nur einen Verbindungskanal 10 eingegangen.
Der Verbindungskanal 10 leitet die flüssige Phase KL aus dem ersten Ringkanal 8 in einen unteren oder zweiten Ringkanal 13. Entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet ist 13 der zweite Ringkanal 13 von dem ersten Ringkanal 8 beabstandet angeordnet. Entlang der Schwerkraftrichtung g betrachtet ist der erste Ringkanal 8 oberhalb des zweiten Ringkanals 13 beziehungsweise der zweite Ringkanal 13 unterhalb des ersten Ringkanals 8 platziert.
Der zweite Ringkanal 13 kann, wie der erste Ringkanal 8, im Querschnitt rechteckförmig sein. Der zweite Ringkanal 13 ist innerhalb des Mantels 2 angeordnet. Der zweite Ringkanal 13 läuft vollständig um die Symmetrieachse 6 um, so dass der zweite Ringkanal 13 eine geschlossene ringförmige Geometrie aufweist. Grundsätzlich kann der zweite Ringkanal 13 jedoch auch in mehrere Ringsegmente unterteilt sein. Der zweite Ringkanal 13 weist einen Innendurchmesser d13 auf. Der Innendurchmesser d13 kann kleiner als der Innendurchmesser d8 sein. Alternativ können die Innendurchmesser d8, d13 auch gleich groß sein. Ferner kann der Innendurchmesser d8 auch kleiner als der Innendurchmesser d13 sein.
Der zweite Ringkanal 13 ist nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 offen, so dass die gasförmige Phase KG nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung g aus dem zweiten Ringkanal 13 austreten kann. Der zweite Ringkanal 13 ragt radial, das heißt in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu, in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein. Dabei ragt der zweite Ringkanal 13 bevorzugt weiter in den Mantel 2 hinein als der erste Ringkanal 8.
In dem zweiten Ringkanal 13 stellt sich ein Flüssigkeitsstand 14 der flüssigen Phase KL ein. Der Verbindungskanal 10 ist in die flüssige Phase eingetaucht, so dass eine Unterkante des Verbindungskanals 10 entlang der Schwerkraftrichtung g betrachtet unterhalb des Flüssigkeitsstands 14 platziert ist. Der zweite Ringkanal 13 dient dem gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase KL auf mehrere Verteiler 15 bis 17. Die Verteiler 15 bis 17 sind Teil des zweiten Ringkanals 13. Die Anzahl der Verteiler 15 bis 17 ist beliebig. Beispielsweise sind drei oder sechs
Verteiler 15 bis 17 vorgesehen. Bevorzugt entspricht die Anzahl der Verteiler 15 bis 17 der Anzahl der Verbindungskanäle 10 bis 12. Jedem Verteiler 15 bis 17 kann ein Verbindungskanal 10 bis 12 zugeordnet sein. Die Verteiler 15 bis 17 sind gleichmäßig um die Symmetrieachse 6 beziehungsweise um einen Umfang des Mantels 2 herum verteilt angeordnet. 14
Die Verteiler 15 bis 17 können als Ringsegmente ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Unter einem "Ringsegment" ist vorliegend ein Abschnitt eines Rings zu verstehen. Die Verteiler 15 bis 17 sind abwechselnd mit Zwischenräumen 18 bis 20 angeordnet. Das heißt, dass zwischen zwei benachbarten Verteilern 15 bis 17 jeweils ein Zwischenraum 18 bis 20 und zwischen zwei Zwischenräumen 18 bis 20 jeweils ein Verteiler 15 bis 17 angeordnet wird. Im Folgenden wird auf nur einen Verteiler 15 eingegangen. Der Verteiler 15 weist radial in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu weiter in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein als der zweite Ringkanal 13. Der Verteiler 15 ist in Fluidverbindung mit dem zweiten Ringkanal 13. In "Fluidverbindung" heißt vorliegend insbesondere, dass die flüssige Phase KL aus dem zweiten Ringkanal 13 in den Verteiler 15 strömen kann. Hierzu kann beispielsweise in einem Boden des zweiten Ringkanals 13 ein Durchbruch, eine Öffnung oder dergleichen vorgesehen sein.
Nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 ist der Verteiler 15 geschlossen. Nach unten, das heißt dem Deckelabschnitt 4 abgewandt, kann die flüssige Phase KL aus dem Verteiler 15 austreten. Hierzu weist der Verteiler 15 unterseitig eine Vielzahl an Auslassöffnungen, Durchbrüchen, Bohrungen oder dergleichen auf, mit deren Hilfe die flüssige Phase KL gleichmäßig verteilt werden kann. Der Wärmetauscher 1 umfasst ferner ein innerhalb des Mantels 2 angeordnetes Rohrbündel 21 , das mit Hilfe der Verteiler 15 bis 17 mit der flüssigen Phase KL beregnet wird. Dabei wird die flüssige Phase KL insbesondere mit Hilfe eines Fallfilms verdampft. Das Rohrbündel 21 ist auf ein Kernrohr 22, das mittig in dem Mantel 2 platziert ist, aufgewickelt. Das Rohrbündel 21 umfasst eine Vielzahl von Rohren, die mehrlagig auf das Kernrohr 22 aufgewickelt sind. Das Rohrbündel 21 umfasst Schlitze oder Spalte, so dass die flüssige Phase KL mantelseitig durch das Rohrbündel 21 hindurchströmen kann. Unter "mantelseitig" ist vorliegend ein Bereich außerhalb der Rohre des Rohrbündels 21 zu verstehen. Das Rohrbündel 21 füllt einen zwischen dem Kernrohr 22 und dem Mantel 2 vorgesehenen Ringspalt 23 vollständig aus. 15
Es können rohrseitig mehrere unterschiedliche Fraktionen oder Rohrströme durch das Rohrbündel 21 geführt werden. Eine der Fraktionen kann ein zu verflüssigendes Medium, beispielsweise Erdgas, sein. Eine andere der Fraktionen kann die flüssige Phase KL des Kältemittel K sein. Weitere Fraktionen können beispielsweise andere Kältemittel, Prozessmedien oder dergleichen umfassen. Das heißt, auch das Kältemittel K kann in das Rohrbündel 21 eingespeist und rohrseitig durch das Rohrbündel 21 geleitet werden. Es ist jedoch kein direkter Kontakt und damit auch keine Vermischung der Fraktionen in dem Rohrbündel 21 möglich. Das Rohrbündel 21 weist somit Rohre auf, die nur von dem Medium durchströmt werden. Weitere Rohre werden nur von dem Kältemittel K durchströmt. Ferner können auch weitere Rohre vorgesehen sein, die von weiteren Fraktionen durchströmt werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Rohre können unterschiedliche Schichten des Rohrbündels 21 bilden. Unter der "Rohrseite" ist vorliegend ein von den Rohren des Rohrbündels 21 umschlossener Innenraum zu verstehen, durch welchen das zu verflüssigende Medium, das Kältemittel K und/oder andere Fraktionen geleitet werden.
Aus dem Rohrbündel 21 sind einzelne Rohre 24 bis 26 durch die Zwischenräume 18 bis 20 nach oben in Richtung des Deckelabschnitts 4 gezogen. Die Rohre 24 bis 26 verlaufen parallel zu der Symmetrieachse 6. Die Rohre 24 bis 26 können auch als "Zöpfe" bezeichnet werden. Die Rohre 24 bis 26 werden einem Rohrboden 27 zugeführt. Bevorzugt sind mehrere Rohrböden 27 bis 29 vorgesehen. Die Anzahl der Rohrböden 27 bis 29 kann der Anzahl der Verteiler 15 bis 17 entsprechen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es können auch beispielsweise doppelt so viele Rohrböden 27 bis 29 wie Verteiler 15 bis 17 vorgesehen sein.
Entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet, können die Rohrböden 27 bis 29 auf unterschiedlichen Höhen platziert sein. Das heißt, dass die Rohrböden 27 bis 29 entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet zueinander versetzt angeordnet sein können. Die Rohrböden 27 bis 29 können jedoch auch alle auf derselben Höhe angeordnet sein. Die Rohrböden 27 bis 29 können unterschiedlichen Rohrströmen oder Fraktionen des Rohrbündels 21 zugeordnet sein.
Die Rohrböden 27 bis 29 sind in den Mantel 2 eingeschweißt oder eingelötet. Die Rohrböden 27 bis 29 können auch mit Hilfe nicht gezeigter Stutzen mit dem Mantel 2 16 verbunden sein. Die Rohrböden 27 bis 29 können gleichmäßig um die Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Rohrböden 27 bis 29 können auch ungleichmäßig um die Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet sein. Jedem Zwischenraum 18 bis 20 kann zumindest ein Rohrboden 27 bis 29 zugeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Nachfolgend wird auf nur einen Rohrboden 27 eingegangen.
Der Rohrboden 27 ist über eine Zuführleitung 30 und ein Entspannungsventil 31 mit dem Einlassstutzen 7 in Fluidverbindung. Insbesondere sind über den Rohrboden 27 und die Zuführleitung 30 Rohre des Rohrbündels 21 , durch die rohrseitig das Kältemittel K geführt wird, mit dem Einlassstutzen 7 in Fluidverbindung. Das Entspannungsventil 31 ist ein sogenanntes Joule-Thomson-Ventil. Über die Zuführleitung 30 wird das durch das Rohrbündel 21 strömende Kühlmittel K zu dem Einlassstutzen 7 zurückgeführt. Dieses steht gegenüber dem Innenraum 5 des Mantels 2 unter einem höheren Druck. Das Kältemittel K wird in dem Entspannungsventil 31 entspannt und dem Einlassstutzen 7 als Zweiphasenstrom zugeführt. Bei dem Entspannen entsteht Entspannungskälte, welche das Kältemittel K abkühlt. Mit diesem "kälteren" Kältemittel K wird dann wieder das Rohrbündel 21 gekühlt. Die Rohre 24 bis 26 sind mit dem Rohrboden 27 in Fluidverbindung. Der Rohrboden 27 ist entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet zwischen dem ersten Ringkanal 8 und dem zweiten Ringkanal 13 platziert. Insbesondere ist der Rohrboden 27 unterhalb des ersten Ringkanals 8 und oberhalb des zweiten Ringkanals 13 platziert. Hierdurch ist es im Vergleich zu einem Wärmetauscher mit nur einem Ringkanal möglich, die Länge der Rohre 24 bis 26 zu verkürzen. Dies vereinfacht die Herstellbarkeit des Wärmetauschers 1. Ferner ist es durch das Vorsehen von zwei voneinander getrennten Ringkanälen 8, 13 möglich, die Ringkanäle 8, 13 unterschiedlich breit zu gestalten. Dies vereinfacht zum einen die Fertigung und kann zum anderen zu einer Reduzierung des Aufstaus der flüssigen Phase KL in den Ringkanälen 8, 13 führen.
Die Funktionalität des Wärmetauschers 1 wird nachfolgend erläutert. Das zu verflüssigende Medium strömt rohrseitig durch das Rohrbündel 21. Das zweiphasige Kältemittel K wird über den Einlassstutzen 7 dem ersten Ringkanal 8 zugeführt. In dem 17 ersten Ringkanal 8 wird die flüssige Phase KL von der gasförmigen Phase KG getrennt, indem die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verbindungskanäle 10 bis 12 nach unten in den zweiten Ringkanal 13 abgezogen wird und die gasförmige Phase KG nach oben entweicht. Die gasförmige Phase KG kann nach oben oder nach unten abgezogen werden. Beispielsweise kann die gasförmige Phase KG zusammen mit der flüssigen Phase KL über das Rohrbündel 21 strömend nach unten abgezogen werden.
Der zweite Ringkanal 13 verteilt die flüssige Phase KL gleichmäßig auf die Verteiler 15 bis 17, welche wiederrum das Rohrbündel 21 mit der flüssigen Phase KL beregnen. Die flüssige Phase KL strömt mantelseitig durch das Rohrbündel 21 hindurch, wobei die flüssige Phase KL zumindest teilweise verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Medium entzogen. Das Medium verflüssigt sich dabei. Die verdampfte flüssige Phase KL steigt als gasförmige Phase KG nach oben und kann nach oben abgezogen werden. Alternativ kann die gasförmige Phase KG auch nach unten durch das Rohrbündel 21 abgezogen werden. Die flüssige Phase KL, die nicht verdampft, strömt unterseitig aus dem Rohrbündel 21 aus und kann nach unten abgezogen werden.
Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Austausch von Wärme zwischen dem Kältemittel K und dem Medium mit Hilfe des gewickelten Wärmetauschers 1. In einem Schritt S1 wird das Rohrbündel 21 mit dem Medium durchströmt. In einem Schritt S2 wird die flüssige Phase KL des Kältemittels K mit Hilfe des ersten Ringkanals 8 von der gasförmigen Phase KG getrennt. In einem Schritt S3 wird die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verbindungskanäle 10 bis 12 in den zweiten Ringkanal 13 geleitet. In einem Schritt S4 wird die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verteiler 15 bis 17 gleichmäßig auf das Rohrbündel 21 verteilt, um die Wärme zwischen dem Kältemittel K und dem Medium auszutauschen. Die Schritte S1 bis S4 können gleichzeitig durchgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. 18
Verwendete Bezuqszeichen
1 Wärmetauscher
2 Mantel
3 Basisabschnitt
4 Deckelabschnitt
5 Innenraum
6 Symmetrieachse
7 Einlasstutzen
8 Ringkanal
9 Flüssigkeitsstand
10 Verbindungskanal
11 Verbindungskanal
12 Verbindungskanal
13 Ringkanal
14 Flüssigkeitsstand
15 Verteiler
16 Verteiler
17 Verteiler
18 Zwischenraum
19 Zwischenraum
20 Zwischenraum
21 Rohrbündel
22 Kernrohr
23 Ringspalt
24 Rohr
25 Rohr
26 Rohr
27 Rohrboden
28 Rohrboden
29 Rohrboden
30 Zuführleitung
31 Entspannungsventil d8 Innendurchmesser 19 d13 Innendurchmesser g Schwerkraftrichtung
K Kältemittel
KG gasförmige Phase KL flüssige Phase
51 Schritt
52 Schritt
53 Schritt
54 Schritt x x-Richtung y y-Richtung z z-Richtung

Claims

20
Patentansprüche Gewickelter Wärmetauscher (1) zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel (K) und einem Medium, mit einem Mantel (2), einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten Rohrbündel (21), das von dem Medium durchströmbar ist, einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal (8) zum Trennen einer flüssigen Phase (KL) des Kältemittels (K) von einer gasförmigen Phase (KG) des Kältemittels (K), einem innerhalb des Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal (13) zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase (KL) auf das Rohrbündel (21), um die Wärme zwischen dem Kältemittel (K) und dem Medium auszutauschen, und einem Verbindungskanal (10 - 12), der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal (8) und dem zweiten Ringkanal (13) herstellt, um die flüssige Phase (KL) aus dem ersten Ringkanal (8) in den zweiten Ringkanal (13) zu leiten, wobei der erste Ringkanal (8) und der zweite Ringkanal (13) entlang einer Symmetrieachse (6) des Mantels (2) betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind. Gewickelter Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der zweite Ringkanal (13) mehrere Verteiler (15 - 17) zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase (KL) auf das Rohrbündel (21) umfasst, und wobei die Verteiler (15 - 17) radial auf die Symmetrieachse (6) zu weiter in den Mantel (2) hineinragen als der zweite Ringkanal (13). Gewickelter Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Verteiler (15 - 17) gleichmäßig um die Symmetrieachse (6) herum verteilt angeordnet sind, und wobei zwischen zwei benachbarten Verteilern (15 - 17) jeweils ein Zwischenraum (18 - 20) vorgesehen ist. Gewickelter Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend mehrere Verbindungskanäle (10 - 12), wobei jedem Verteiler (15 - 17) ein Verbindungskanal (10 - 12) zugeordnet ist. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei der Verbindungskanal (10 - 12) parallel zu der Symmetrieachse (6) verläuft. 21
6. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei der erste Ringkanal (8) und der zweite Ringkanal (13) radial auf die Symmetrieachse (6) zu unterschiedlich weit in den Mantel (2) hineinragen.
7. Gewickelter Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei der zweite Ringkanal (13) radial auf die Symmetrieachse (6) zu weiter in den Mantel (2) hineinragt als der erste Ringkanal (8). 8. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei der erste
Ringkanal (8) entlang einer Schwerkraftrichtung (g) betrachtet oberhalb des zweiten Ringkanals (13) angeordnet ist.
9. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 8, ferner umfassend einen Rohrboden (27 - 29), der mit Rohren (24 - 26) des Rohrbündels (21) in
Fluidverbindung ist, und wobei der Rohrboden (27 - 29) entlang der Symmetrieachse (6) betrachtet zwischen dem ersten Ringkanal (8) und dem zweiten Ringkanal (13) angeordnet ist. 10. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 9, wobei der erste
Ringkanal (8) und/oder der zweite Ringkanal (13) jeweils vollständig um die Symmetrieachse (6) umlaufen.
11. Gewickelter Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 10, wobei der erste Ringkanal (8) und/oder der zweite Ringkanal (13) jeweils in Richtung eines
Deckelabschnitts (4) des Mantels (2) offen sind.
12. Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel (K) und einen Medium mit Hilfe eines gewickelten Wärmetauschers (1), der einen Mantel (2), ein innerhalb des Mantels (2) angeordnetes Rohrbündel (21), einen innerhalb des
Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal (8), einen innerhalb des Mantels (2) angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal (13), und einen Verbindungskanal (10 - 12), der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal (8) und dem zweiten Ringkanal (13) herstellt, umfasst, wobei der erste Ringkanal (8) und der zweite Ringkanal (13) entlang 22 einer Symmetrieachse (6) des Mantels (2) betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind, mit folgenden Schritten: a) Durchströmen (S1) des Rohrbündels (21) mit dem Medium, b) Trennen (S2) einer flüssigen Phase (KL) des Kältemittels (K) von einer gasförmigen Phase (KG) des Kältemittels (K) mit Hilfe des ersten Ringkanals (8), c) Leiten (S3) der flüssigen Phase (KL) in den zweiten Ringkanal (13) mit Hilfe des Verbindungskanals (10 - 12), und d) gleichmäßiges Verteilen (S4) der flüssigen Phase (KL) auf das Rohrbündel (21) mit Hilfe des zweiten Ringkanals (13), um die Wärme zwischen dem Kältemittel (K) und dem Medium auszutauschen. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt d) die flüssige Phase (KL) mit Hilfe mehrerer Verteiler (15 - 17) des zweiten Ringkanals (13) gleichmäßig auf das Rohrbündel (21) verteilt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in dem Schritt d) die flüssige Phase (KL) in dem zweiten Ringkanal (13) derart aufgestaut wird, dass der Verbindungskanal (10 - 12) unterhalb eines Flüssigkeitsstands (14) der flüssigen Phase (KL) in dem zweiten Ringkanal (13) in diesen einmündet. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 - 14, wobei in dem Schritt b) die flüssige Phase (KL) entlang einer Schwerkraftrichtung (g) betrachtet mit Hilfe des Verbindungskanals (10 - 12) nach unten aus dem ersten Ringkanal (8) abgezogen wird, und wobei die gasförmige Phase (KG) entlang der Schwerkraftrichtung (g) betrachtet nach oben aus dem ersten Ringkanal (8) austritt.
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