EP4359718A1 - Controllable injection for implementing different local refrigerant distribution - Google Patents

Controllable injection for implementing different local refrigerant distribution

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Publication number
EP4359718A1
EP4359718A1 EP22734115.3A EP22734115A EP4359718A1 EP 4359718 A1 EP4359718 A1 EP 4359718A1 EP 22734115 A EP22734115 A EP 22734115A EP 4359718 A1 EP4359718 A1 EP 4359718A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
tube
heat exchanger
line
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22734115.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen Spreemann
Luis 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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP4359718A1 publication Critical patent/EP4359718A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • 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
    • F25J2280/00—Control of the process or apparatus
    • F25J2280/02—Control in general, load changes, different modes ("runs"), measurements
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a wound heat exchanger.
  • Such wound heat exchangers are often used as the heart of natural gas liquefaction plants.
  • a refrigerant is applied to the shell side and evaporates by means of a falling film. This evaporation can lead to a so-called maldistribution over the tube bundle of the heat exchanger, so that some tubes of the tube bundle receive too much refrigerant and other tubes too little. This maldistribution effect can change locally over the bundle height and thus has a different negative influence depending on the height.
  • the object of the present invention is therefore to provide a wound heat exchanger and a method which counteracts such performance losses.
  • a heat exchanger for indirect heat transfer between a process medium and at least one first refrigerant is disclosed, with:
  • the first tubes each have an end which is formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant, e.g. as a two-phase stream (liquid/gaseous) can be introduced or injected into the jacket space, the ends along the Longitudinal axis of the shell are arranged at different heights between the lower end and the upper end of the tube bundle and in particular the first tubes belong to different tube layers of the tube bundle.
  • Each first tube is preferably arranged in a different tube layer of the tube bundle.
  • the jacket space has a lower section and an upper section in relation to the longitudinal axis (when the heat exchanger is arranged as intended, in which the longitudinal axis extends along the vertical).
  • the heat exchanger has a first line routed into the lower section of the shell space, which is connected to the first tubes via a valve in each case, so that a volume flow introduced via the first line into the respective first tube of the first refrigerant can be adjusted by means of the respective valve.
  • said first refrigerant can be injected into the shell at different heights in relation to the longitudinal axis or the vertical and in the radial direction of the tube bundle in different tube layers in a targeted manner in order to counteract a maldistribution of the first refrigerant in the shell.
  • the tube bundle has at least one second tube, which is connected to the first line, so that the first refrigerant can be introduced via the first line into the at least one second tube of the tube bundle and via this in particular from the lower section can be guided into the upper section of the jacket space, wherein the at least one second tube is flow-connected to a second line led out of the upper section of the jacket space, so that the first refrigerant can be drawn off from the heat exchanger via the second line.
  • the heat exchanger has a first line leading out of the upper section of the shell space of the heat exchanger, which is connected to the first tubes via a valve, so that a flow via the first line into the respective first tube of the tube bundle introduced volume flow of the first refrigerant is adjustable by means of the respective valve.
  • the tube bundle has at least one second tube, which is connected to the first line, so that the first refrigerant can be introduced into the first line via the at least one second tube, with the first line downstream of the said valves is connected to a second line.
  • the alternative embodiment therefore differs from the embodiment presented above in particular in that the first refrigerant is fed into the first tubes from the upper section of the shell space, whereas in the previously described exemplary embodiment it is fed into the first tubes of the tube bundle from the lower section of the shell space is initiated.
  • the tube bundle has further first tubes, each having an end formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant, for example as a two-phase stream (liquid / gaseous), in the shell space can be introduced or injected, with the ends of the further first tubes along the longitudinal axis of the shell also being arranged at different heights between the lower end and the upper end of the tube bundle (and with the further first tubes in particular belonging to different tube layers), and wherein the further first tubes are each connected via a valve to the second line, which is led out of the upper section of the jacket space (see above), so that a volume flow of the first refrigerant introduced via the second line into the respective further first tube by means of the respective valve is adjustable.
  • the first refrigerant for example as a two-phase stream (liquid / gaseous)
  • the further first tubes are each connected via a valve to the second line, which is led out of the upper section of the jacket space (see above), so that a volume flow of the first refrigerant introduced via the second line
  • the present exemplary embodiment thus differs from the two alternative embodiments presented above in that the introduction of the first refrigerant into the first tubes of the tube bundle or into the further first tubes of the tube bundle from the lower section of the shell space and from the upper section of the shell space he follows.
  • the first refrigerant can be a Joule-Thomson refrigerant (JT refrigerant for short), which becomes two-phase or cools down by being injected into the jacket space.
  • JT refrigerant Joule-Thomson refrigerant
  • the first refrigerant is a different (non-JT) refrigerant that is injected from the warm side.
  • one embodiment preferably provides for the second line to be routed back into the upper section of the jacket space via a valve, so that the first refrigerant can flow into the upper section of the shell space can be introduced and injected there into the upper section of the shell space.
  • the tube bundle has at least one third tube for receiving a second refrigerant, the second refrigerant being guidable from the lower section of the jacket space into the upper section of the jacket space via the at least one third tube.
  • the second refrigerant is not a JT refrigerant, it is then preferentially withdrawn from the upper portion of the shell space (as is the process medium, see below).
  • the first refrigerant routed in the first or in the further first tubes is not a JT refrigerant
  • the second refrigerant can be designed as a JT refrigerant, for example.
  • the tube bundle has at least one third tube for receiving a second refrigerant, the second refrigerant being able to be guided from the lower section of the jacket space into the upper section of the jacket space via the at least one third tube , and wherein the at least one third tube is flow-connected to a further line leading out of the upper section of the jacket space, so that the first refrigerant can be drawn off from the heat exchanger via the further line, and wherein the further line is connected via a valve to the upper section of the Shell space is returned, so that the second refrigerant can be introduced into the upper portion of the shell space and injected there into the upper portion of the shell space.
  • the tube bundle has at least a fourth tube for receiving the process medium to be cooled, in particular natural gas, with the process medium being transported from the lower section of the shell space into the upper section of the shell space via the at least one fourth tube is manageable.
  • the second tubes, the third tubes and the fourth tubes are likewise preferably wound in a helical shape around the core tube of the heat exchanger.
  • the core tube serves in particular to transfer the load of the tubes of the tube bundle.
  • the tubes are wound onto the horizontally arranged core tube.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for indirect heat transfer between a process medium, here preferably natural gas, and at least one first refrigerant using a heat exchanger according to the invention, the first refrigerant via the nozzles of the first tubes
  • a distribution of the first refrigerant in the jacket space is influenced by setting the valves assigned to the first tubes both in the vertical direction (i.e. along the longitudinal axis) and in the radial direction of the tube bundle.
  • a distribution of the first refrigerant in the jacket space is influenced by setting the valves assigned to the further first tubes both in the vertical direction and in the radial direction of the tube bundle.
  • the injection of the first refrigerant via the second line into the upper section of the shell space is influenced by setting the second valve.
  • Show it: 1 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, in which a first refrigerant is introduced into the jacket space from below and is introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with the first coolant also being fed into a is injected into the upper section of the jacket space.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, with a first refrigerant being introduced into the jacket space from below and being introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with a second coolant also being fed into a upper section of the shell space is injected;
  • FIG. 3 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, in which a first refrigerant is introduced into the jacket space from above and is introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with the first coolant also being fed into a upper section of the shell space is injected;
  • FIG. 4 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, with a first refrigerant being introduced into the shell space both from below and from above and there via the ends of first tubes or further first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the shell space is introduced, wherein further the first refrigerant is injected into an upper portion of the shell space; and
  • FIG. 5 shows a partially sectioned view of a coiled heat exchanger with a tube bundle that has a plurality of tubes wound onto a core tube, with one end of a first tube of the tube bundle being shown as an example, via which the first refrigerant is injected into the shell space.
  • Figure 1 shows an embodiment of a coiled heat exchanger 1 according to the invention. If such systems are used to liquefy a process medium P, in particular natural gas, the natural gas to be cooled and liquefied is in the interior of the tube, ie in tubes 33 of a tube bundle 3 of the heat exchanger 1 in indirect heat exchange with a first refrigerant M, which flows through a jacket space 6 of the heat exchanger 1.
  • a process medium P in particular natural gas
  • such heat exchangers 1 are aligned vertically, with the natural gas M to be cooled and liquefied flowing from bottom to top inside the tubes 33 and the first refrigerant M being distributed as evenly as possible from above in the jacket space 6 . Due to the indirect heat exchange, the temperature of the natural gas P thus decreases from bottom to top over the height of the heat exchanger, while the temperature of the first refrigerant M in the jacket space 6 increases from top to bottom to the same extent. Irregularities in the distribution of the first refrigerant M to the individual tubes 33 or in the distribution of the first refrigerant M in the shell space 6 can, however, form undesired local differences in the temperature profile between individual tubes 33 or corresponding tube layers.
  • a continuously controllable injection onto different bundle areas is now realized, for example, according to the embodiment of a heat exchanger according to the invention shown in FIG Layers are cut off so that these first tubes 31 each have an open end 31a functioning as a nozzle. These first tubes 31 are then connected to at least one first line 41 and connected to the main flow of the first refrigerant M by means of valves 51 . In addition to the local application of quantity of the first refrigerant M via the ends 31a, the Joule-Thomson effect can also be used locally directly during the injection.
  • FIG. 1 thus represents in particular an embodiment of the invention in which the first refrigerant M is used as a Joule Thomson (JT) refrigerant which is supplied to the first tubes 31 from the warm end (from below).
  • JT Joule Thomson
  • the first refrigerant can be a mixed refrigerant, for example.
  • the first refrigerant can have, for example, one or more of the following substances: N2, methane, ethane, butane, propane, pentenes. Furthermore, a third refrigerant can also be routed in the tube bundle (depending on the process application).
  • the first line 41 is routed into a lower section 6a of the jacket space 6 and is preferably connected to each first tube 31 of the tube bundle 3 via a respective valve 51, so that a volume flow emerging from the respective end 31a of the first refrigerant M can be regulated or controlled separately.
  • This principle is preferably also applied to the other embodiments that are described further below.
  • the tube bundle 3 has at least one second tube 32, which is connected to the first line 41, so that the first refrigerant M can flow via the first line 41 into the at least one second tube 32 of the tube bundle 3 can be introduced, wherein the at least one second tube 32 is flow-connected to a second line 42 leading out of an upper section 6b of the shell space 6, so that the first refrigerant M can be drawn off from the heat exchanger 1 via the second line 42, wherein the second line 42 is routed back via a valve 52 into the upper section 6b of the shell space 6, so that the first refrigerant M can be injected into the upper section 6b of the shell space 6 in order to feed the first refrigerant M onto the tube bundle 3 from above.
  • the tube bundle 3 according to Figure 1 preferably has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' via the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 to the upper section 6b of the Shell space 6 can be guided and can be removed from the heat exchanger 1 there.
  • the second refrigerant M′ can, in particular, exchange heat indirectly with the process medium or natural gas P. That Process medium or natural gas P can be routed via at least a fourth tube 34 of the tube bundle 3 from the lower section 6a of the shell space 6 into the upper section 6b of the shell space 6, from where it can be drawn off from the heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 preferably has a plurality of first, further first, second, third and fourth tubes 31 , 31 ′, 32 , 33 , 34 .
  • the tubes 31, 31', 32, 33, 34 of the tube bundle 3 are each preferably wound in a helical shape onto a core tube 300 of the heat exchanger 300, which is shown as an example in FIG.
  • This arrangement of the tubes 31, 31', 32, 33, 34 preferably applies to all of the embodiments of the heat exchanger 1 described herein.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which the first refrigerant M is not the JT flow of the heat exchanger.
  • the first refrigerant M can be a refrigerant that is only used for cooling in the liquifier or subcooler of the system.
  • the first is introduced
  • Refrigerant M which, in contrast to FIG. 1, is not a JT refrigerant, from the warm side of the heat exchanger 1.
  • the first refrigerant M is guided via a first line 41 into the lower section 6a of the jacket space 6 and is preferably connected to each first tube 31 of the tube bundle 3 via a respective valve 51, so that a discharge from the respective end 31a emerging volume flow of the first refrigerant M in turn is separately regulated or controllable.
  • the tube bundle 3 also has at least one second tube 32, which is connected to the first line 41, so that the first refrigerant M can be introduced via the first line 41 into the at least one second tube 32 of the tube bundle 3, with the At least one second tube 32 is flow-connected to a second line 42 leading out of the upper section 6b of the jacket space 6, so that the first refrigerant M can be drawn off from the heat exchanger 1 via the second line 42.
  • the tube bundle 3 according to Figure 2 preferably has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' via the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 to the upper section 6b of the Shell space 6 can be guided and can be removed from the heat exchanger 1 there.
  • the second refrigerant M′ can, in particular, exchange heat indirectly with the process medium or natural gas P.
  • the process medium or natural gas P can be conducted via at least a fourth tube 34 of the tube bundle 3 from the lower section 6a of the shell space 6 into the upper section 6b of the shell space 6, from where it can be drawn off from the heat exchanger 1.
  • the at least one third pipe 33 for the second refrigerant M' is flow-connected to a further line 43 leading out of the upper section 6b of the jacket space 6, so that the second refrigerant M' can flow through the further line 43 can be removed from the heat exchanger 1, the further line 43 being fed back into the upper section 6b of the shell space 6 via a valve 53, so that the second refrigerant M' can be injected into the upper section 6b of the shell space 6.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, in which, in contrast to the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the first refrigerant M is fed into the relevant bundle area between the upper end 3d and the lower end 3c from above, i.e., from the cold side of the heat exchanger 1, with FIG. 3 showing in particular the situation in which the first refrigerant M is the cold, high-pressure refrigerant (from the tube side).
  • the refrigerant can also be distributed via the low-pressure side (shell side).
  • the tube bundle 3 of the heat exchanger 1 provision is made in particular for the tube bundle 3 of the heat exchanger 1 to have at least one second tube 32, which is fed with the first refrigerant M from the lower end of the heat exchanger 1, with the at least one second tube 32 in the jacket space 6 entering the is guided in the upper section 6a and is connected there to a first line 41 leading out of the upper section 6a of the jacket space 6, which in turn is connected to the first tubes 31 via a valve 51, so that a via the first line 41 into the respective
  • the volume flow of the first refrigerant M introduced in the first tube 31 can be adjusted by means of the respective valve 51 and can be guided in the respective first tube 31 from top to bottom to the respective end 31a or nozzle 31a and can be introduced into the jacket space M there.
  • the first line 41 Downstream of the valves 52, the first line 41 is also connected to a second line 42 or merges into it, with this second line 42 being fed back into the upper section 6b of the shell space 6 via a valve 52 according to Fig. 3, so that the first refrigerant M continues in the upper section 6b of the jacket space 6 can be injected and it can be given to the tube bundle 3 from above.
  • the tube bundle 3 also has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' passing through the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 into the upper section 6b of the jacket space 6 can be guided.
  • the second refrigerant M' can indirectly exchange heat with the process medium P or natural gas P, which can be guided in at least a fourth tube 34 of the tube bundle from the lower section 6a of the jacket space 6 into the upper section 6b of the jacket space 6 and from there out of the Heat exchanger 1 is removable.
  • the process medium or natural gas P is guided in cocurrent from bottom to top in the jacket space 6 of the heat transfer in the respective tube 33, 34 of the tube bundle 3.
  • first tubes 31 of the tube bundle 3 which also each have an end 31'a, which is formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant M in the Jacket space 6 can be introduced, with the ends 31 'a of the other first tubes 31' along the longitudinal axis z of the jacket 5 also being arranged at different heights between the lower end 3c and the upper end 3d of the tube bundle 3 and preferably also localized in different tube layers are.
  • the other first tubes 31' are also each connected to the second line 42 via a valve 54, so that a volume flow of the first refrigerant M introduced via the second line 42 into the respective further first tube 31' can be adjusted by means of the respective valve 54 .
  • the first refrigerant M is routed from top to bottom in the shell space 6. Downstream of the valves 54, the first refrigerant M, as shown in FIG. The second refrigerant M as well as that
  • Process medium or natural gas P can be guided in the third and fourth tubes 33, 34 of the tube bundle 3 according to FIG.
  • the invention can be used, for example, in a wound heat exchanger 1 of the type shown in FIG.
  • the Heat exchanger 1 has a jacket 5 which extends along the longitudinal axis z (vertical during operation) and surrounds a jacket space 6 of the heat exchanger 1 which is used to hold the first refrigerant M, with the tube bundle 3 being arranged in the jacket space 6 .
  • the tube bundle 3 has a plurality of tubes 31, 32, 33, 34 which are arranged in tube layers which are arranged one above the other in the radial direction R, starting from an innermost tube layer 3a and ending with an outermost tube layer 3b.
  • the tubes 31, 32, 33, 34 are wound around a core tube 300 which extends along the longitudinal axis z and is arranged in the jacket space 6, with the embodiment according to FIG. 3 being shown as an example in FIG Guide refrigerant M from above and inject it into the jacket space.
  • the corresponding valves and lines of the heat exchanger 1 outside the shell 5 are not shown in FIG.
  • the tubes 31, 32, 33, 34 are wound onto an outer side of the core tube 300 with webs 10 interposed.
  • the core tube 300 bears the load of the tube bundle 3 downwards.
  • sockets which are in flow communication with the shell space 6 and serve to introduce or draw off the first medium M can be provided on the shell 5 .
  • the first medium M can be guided in the jacket space 6 from top to bottom or from bottom to top.
  • the tube bundle 3 can be surrounded by a shirt 7 .

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Abstract

The invention relates to a heat exchanger (1) for indirectly transferring heat between a process medium (P) and at least one first refrigerant (M), comprising: a shell (5) which surrounds a shell space (6) and extends along a longitudinal axis (z); and a pipe bundle (3) which is disposed in the shell space (6) and extends along the longitudinal axis (z) of the shell (5) from a lower end (3c) to an upper end (3d) of the pipe bundle (3) in the shell space (6); wherein: the pipe bundle (3) has a plurality of first pipes (31) for receiving the first refrigerant (M), which first pipes are disposed in different pipe layers; the first pipes (31) are wound helically onto a core pipe (300) of the heat exchanger (1), which core pipe extends along the longitudinal axis (z) of the shell (5) in the shell space (6). According to the invention, the first pipes (31) each have an end (31a) which is formed by at least one nozzle via which the first refrigerant (M) can be introduced into the shell space (6), the ends (31a) being disposed along the longitudinal axis (z) of the shell (5) at different heights between the lower end (3c) and the upper end (3d) of the pipe bundle (3).

Description

Beschreibung description
Regelbare Eindüsung zur Realisierung unterschiedlicher lokaler Kälte mittel verteil unq Controllable injection to realize different local refrigerant distribution unq
Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager. The invention relates to a wound heat exchanger.
Derartige gewickelte Wärmetauscher (kurz CWHE für Coil Wound Heat Exchanger) werden oftmals als Herzstück in Erdgasverflüssigungsanlagen eingesetzt. Dabei wird auf der Mantelseite ein Kältemittel aufgegeben, das mittels eines Fallfilmes verdampft. Bei dieser Verdampfung kann es zu einer sogenannten Fehlverteilung über das Rohrbündel des Wärmeübertragers kommen, so dass einige Rohre des Rohrbündels zu viel, andere Rohre zu wenig Kältemittel abbekommen. Dieser Fehlverteilungseffekt kann sich lokal über die Bündelhöhe ändern und hat somit je nach Höhe einen unterschiedlich großen negativen Einfluss. Such wound heat exchangers (CWHE for short for Coil Wound Heat Exchanger) are often used as the heart of natural gas liquefaction plants. A refrigerant is applied to the shell side and evaporates by means of a falling film. This evaporation can lead to a so-called maldistribution over the tube bundle of the heat exchanger, so that some tubes of the tube bundle receive too much refrigerant and other tubes too little. This maldistribution effect can change locally over the bundle height and thus has a different negative influence depending on the height.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen gewickelten Wärmeübertrager sowie ein Verfahren bereitzustellen, der bzw. das derartigen Performance-Einbußen entgegenwirkt. Proceeding from this, the object of the present invention is therefore to provide a wound heat exchanger and a method which counteracts such performance losses.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. This object is achieved by a heat exchanger having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 12. Advantageous refinements of these aspects of the present invention are specified in the corresponding subclaims and are described below.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem Prozessmedium, und zumindest einem ersten Kältemittel offenbart, mit: According to claim 1, a heat exchanger for indirect heat transfer between a process medium and at least one first refrigerant is disclosed, with:
- einem Mantel, der einen Mantelraum umgibt und sich entlang einer Längsachse erstreckt, - a mantle surrounding a mantle space and extending along a longitudinal axis,
- einem im Mantelraum angeordneten Rohrbündel, das sich entlang der Längsachse des Mantels von einem unteren Ende zu einem oberen Ende des Rohrbündels hin im Mantelraum erstreckt, wobei das Rohrbündel eine Mehrzahl an ersten Rohren zur Aufnahme des ersten Kältemittels aufweist, die in unterschiedlichen Rohrlagen angeordnet sind, wobei die ersten Rohre helixförmig auf ein Kernrohr des Wärmeübertragers gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse des Mantels im Mantelraum erstreckt. - A tube bundle arranged in the shell space, which extends along the longitudinal axis of the shell from a lower end to an upper end of the tube bundle in the shell space, the tube bundle having a plurality of first tubes for receiving the first refrigerant, which are arranged in different tube layers , where the first tubes are wound helically on a core tube of the heat exchanger, which extends along the longitudinal axis of the shell in the shell space.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ersten Rohre jeweils ein Ende aufweisen, das durch zumindest eine Düse gebildet ist, über die das erste Kältemittel, z.B. als zweiphasiger Strom (flüssig/gasförmig) in den Mantelraum einleitbar bzw. eindüsbar ist, wobei die Enden entlang der Längsachse des Mantels auf unterschiedlichen Höhen zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende des Rohrbündels angeordnet sind und wobei insbesondere die ersten Rohre zu unterschiedlichen Rohrlagen des Rohrbündels gehören. Vorzugsweise ist jedes erste Rohr in einer anderen Rohrlage des Rohrbündels angeordnet. According to the invention, it is provided that the first tubes each have an end which is formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant, e.g. as a two-phase stream (liquid/gaseous) can be introduced or injected into the jacket space, the ends along the Longitudinal axis of the shell are arranged at different heights between the lower end and the upper end of the tube bundle and in particular the first tubes belong to different tube layers of the tube bundle. Each first tube is preferably arranged in a different tube layer of the tube bundle.
Gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass der Mantelraum bezogen auf die Längsachse (bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Wärmeübertragers, bei der die Längsachse sich entlang der Vertikalen erstreckt) einen unteren Abschnitt sowie einen oberen Abschnitt aufweist. According to one embodiment of the heat exchanger, it is provided that the jacket space has a lower section and an upper section in relation to the longitudinal axis (when the heat exchanger is arranged as intended, in which the longitudinal axis extends along the vertical).
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine in den unteren Abschnitt des Mantelraums geführte erste Leitung aufweist, die mit den ersten Rohren jeweils über ein Ventil verbunden ist, so dass ein über die erste Leitung in das jeweilige erste Rohr eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels mittels des jeweiligen Ventils einstellbar ist. Somit kann im Mantelraum auf unterschiedlicher Höhe in Bezug auf die Längsachse bzw. die Vertikale sowie in radialer Richtung des Rohrbündel in verschiedenen Rohrlagen gezielt das besagte erste Kältemittel in den Mantelraum eingedüst werden, um einer Fehlverteilung des ersten Kältemittels im Mantelraum entgegenzuwirken. Furthermore, according to one embodiment of the invention, it is provided that the heat exchanger has a first line routed into the lower section of the shell space, which is connected to the first tubes via a valve in each case, so that a volume flow introduced via the first line into the respective first tube of the first refrigerant can be adjusted by means of the respective valve. Thus, said first refrigerant can be injected into the shell at different heights in relation to the longitudinal axis or the vertical and in the radial direction of the tube bundle in different tube layers in a targeted manner in order to counteract a maldistribution of the first refrigerant in the shell.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers vorgesehen, dass das Rohrbündel zumindest ein zweites Rohr aufweist, das mit der ersten Leitung verbunden ist, so dass das erste Kältemittel über die erste Leitung in das mindestens eine zweite Rohr des Rohrbündels einleitbar ist und über dieses insbesondere vom unteren Abschnitt in den oberen Abschnitt des Mantelraums führbar ist, wobei das mindestens eine zweite Rohr mit einer aus dem oberen Abschnitt des Mantelraums herausgeführten zweiten Leitung strömungsverbunden ist, so dass das erste Kältemittel über die zweite Leitung aus dem Wärmeübertrager abziehbar ist. Weiterhin ist gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine aus dem oberen Abschnitt des Mantelraums des Wärmeübertragers herausgeführte erste Leitung aufweist, die mit den ersten Rohren jeweils über ein Ventil verbunden ist, so dass ein über die erste Leitung in das jeweilige erste Rohr des Rohrbündels eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels mittels des jeweiligen Ventils einstellbar ist. Furthermore, according to one embodiment of the heat exchanger, it is provided that the tube bundle has at least one second tube, which is connected to the first line, so that the first refrigerant can be introduced via the first line into the at least one second tube of the tube bundle and via this in particular from the lower section can be guided into the upper section of the jacket space, wherein the at least one second tube is flow-connected to a second line led out of the upper section of the jacket space, so that the first refrigerant can be drawn off from the heat exchanger via the second line. Furthermore, according to an alternative embodiment of the heat exchanger according to the invention, it is provided that the heat exchanger has a first line leading out of the upper section of the shell space of the heat exchanger, which is connected to the first tubes via a valve, so that a flow via the first line into the respective first tube of the tube bundle introduced volume flow of the first refrigerant is adjustable by means of the respective valve.
Weiterhin ist hierbei bevorzugt gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Rohrbündel zumindest ein zweites Rohr aufweist, das mit der ersten Leitung verbunden ist, so dass das erste Kältemittel über das mindestens eine zweite Rohr in die erste Leitung einleitbar ist, wobei die erste Leitung stromab der besagten Ventile mit einer zweiten Leitung verbunden ist. Die Alternative Ausführungsform unterscheidet sich also von der oben dargestellten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass das erste Kältemittel vom oberen Abschnitt des Mantelraums her in die ersten Rohre eingespeist wird, wohingegen es in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel vom unteren Abschnitt des Mantelraums her in die ersten Rohre des Rohrbündels eingeleitet wird. Furthermore, it is preferably provided according to one embodiment that the tube bundle has at least one second tube, which is connected to the first line, so that the first refrigerant can be introduced into the first line via the at least one second tube, with the first line downstream of the said valves is connected to a second line. The alternative embodiment therefore differs from the embodiment presented above in particular in that the first refrigerant is fed into the first tubes from the upper section of the shell space, whereas in the previously described exemplary embodiment it is fed into the first tubes of the tube bundle from the lower section of the shell space is initiated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass das Rohrbündel weitere erste Rohre aufweist, die jeweils ein Ende aufweisen, das durch zumindest eine Düse gebildet ist, über die das erste Kältemittel, z.B. als zweiphasiger Strom (flüssig/gasförmig), in den Mantelraum einleitbar bzw. eindüsbar ist, wobei die Enden der weiteren ersten Rohre entlang der Längsachse des Mantels ebenfalls auf unterschiedlichen Höhen zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende des Rohrbündels angeordnet sind (und wobei insbesondere die weiteren ersten Rohre zu unterschiedlichen Rohrlagen gehören), und wobei die weiteren ersten Rohre jeweils über ein Ventil mit der zweiten Leitung verbunden sind, die aus dem oberen Abschnitt des Mantelraums herausgeführt ist (siehe oben), so dass ein über die zweite Leitung in das jeweilige weitere erste Rohr eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels mittels des jeweiligen Ventils einstellbar ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich somit von den beiden oben dargelegten alternativen Ausführungsformen dadurch, dass die Einleitung des ersten Kältemittels in die ersten Rohre des Rohrbündels bzw. in die weiteren ersten Rohre des Rohrbündels vom unteren Abschnitt des Mantelraums her als auch vom oberen Abschnitt des Mantelraums her erfolgt. Das erste Kältemittel kann gemäß einer Ausführungsform ein Joule-Thomson- Kältemittel sein (kurz JT- Kälte mittel), das durch Eindüsen in den Mantelraum zweiphasig wird bzw. abkühlt. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich bei dem ersten Kältemittel um ein anderes (nicht JT-) Kältemittel handelt, das von der warmen Seite her eingedüst wird. Für den Fall, dass es sich bei dem ersten Kältemittel um ein JT- Kältemittel handelt, ist gemäß einer Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Leitung über ein Ventil in den oberen Abschnitt des Mantelraumes zurückgeführt ist, so dass das erste Kältemittel in den oberen Abschnitt des Mantelraumes einleitbar und dort in den oberen Abschnitt des Mantelraums eindüsbar ist. According to a further embodiment of the heat exchanger according to the invention, it is provided that the tube bundle has further first tubes, each having an end formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant, for example as a two-phase stream (liquid / gaseous), in the shell space can be introduced or injected, with the ends of the further first tubes along the longitudinal axis of the shell also being arranged at different heights between the lower end and the upper end of the tube bundle (and with the further first tubes in particular belonging to different tube layers), and wherein the further first tubes are each connected via a valve to the second line, which is led out of the upper section of the jacket space (see above), so that a volume flow of the first refrigerant introduced via the second line into the respective further first tube by means of the respective valve is adjustable. The present exemplary embodiment thus differs from the two alternative embodiments presented above in that the introduction of the first refrigerant into the first tubes of the tube bundle or into the further first tubes of the tube bundle from the lower section of the shell space and from the upper section of the shell space he follows. According to one embodiment, the first refrigerant can be a Joule-Thomson refrigerant (JT refrigerant for short), which becomes two-phase or cools down by being injected into the jacket space. However, it is also possible that the first refrigerant is a different (non-JT) refrigerant that is injected from the warm side. In the event that the first refrigerant is a JT refrigerant, one embodiment preferably provides for the second line to be routed back into the upper section of the jacket space via a valve, so that the first refrigerant can flow into the upper section of the shell space can be introduced and injected there into the upper section of the shell space.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Rohrbündel zumindest ein drittes Rohr zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels aufweist, wobei über das mindestens eine dritte Rohr das zweite Kältemittel von dem unteren Abschnitt des Mantelraum in den oberen Abschnitt des Mantelraums führbar ist. Für den Fall, dass es sich bei dem zweiten Kältemittel nicht um ein JT-Kältemittel handelt, wird dieses dann bevorzugt aus dem oberen Abschnitt des Mantelraumes abgezogen (ebenso wie das Prozessmedium, siehe unten). Für den Fall, dass es sich bei dem in den ersten bzw. in den weiteren ersten Rohren geführten ersten Kältemittel nicht um ein JT-Kältemittel handelt, kann zum Beispiel das zweite Kältemittel als JT-Kältemittel ausgebildet sein. In diesem Fall ist vorzugsweise gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers vorgesehen, dass das Rohrbündel zumindest ein drittes Rohr zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels aufweist, wobei über das mindestens eine dritte Rohr das zweite Kältemittel von dem unteren Abschnitt des Mantelraum in den oberen Abschnitt des Mantelraums führbar ist, und wobei das mindestens eine dritte Rohr mit einer aus dem oberen Abschnitt des Mantelraums herausgeführten weiteren Leitung strömungsverbunden ist, so dass das erste Kältemittel über die weitere Leitung aus dem Wärmeübertrager abziehbar ist, und wobei die weitere Leitung über ein Ventil in den oberen Abschnitt des Mantelraumes zurückgeführt ist, so dass das zweite Kältemittel in den oberen Abschnitt des Mantelraumes einleitbar und dort in den oberen Abschnitt des Mantelraums eindüsbar ist. Grundsätzlich ist weiterhin gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers vorgesehen, dass das Rohrbündel zumindest ein viertes Rohr zur Aufnahme des zu kühlenden Prozessmediums, insbesondere Erdgas, aufweist, wobei über das mindestens eine vierte Rohr das Prozessmedium von dem unteren Abschnitt des Mantelraums in den oberen Abschnitt des Mantelraums führbar ist. Ebenfalls wie die ersten bzw. weiteren ersten Rohre sind die zweiten Rohre, die dritten Rohre und die vierten Rohre ebenfalls bevorzugt helixförmig um das Kernrohr des Wärmeübertragers gewickelt. Das Kernrohr dient hierbei insbesondere dazu, die Last der Rohre des Rohrbündels abzutragen. Bei der Herstellung des Rohrbündels werden die Rohre auf das horizontal angeordnete Kernrohr aufgewickelt. Furthermore, according to one embodiment of the invention, it is provided that the tube bundle has at least one third tube for receiving a second refrigerant, the second refrigerant being guidable from the lower section of the jacket space into the upper section of the jacket space via the at least one third tube. In the event that the second refrigerant is not a JT refrigerant, it is then preferentially withdrawn from the upper portion of the shell space (as is the process medium, see below). In the event that the first refrigerant routed in the first or in the further first tubes is not a JT refrigerant, the second refrigerant can be designed as a JT refrigerant, for example. In this case, according to one embodiment of the heat exchanger, it is preferably provided that the tube bundle has at least one third tube for receiving a second refrigerant, the second refrigerant being able to be guided from the lower section of the jacket space into the upper section of the jacket space via the at least one third tube , and wherein the at least one third tube is flow-connected to a further line leading out of the upper section of the jacket space, so that the first refrigerant can be drawn off from the heat exchanger via the further line, and wherein the further line is connected via a valve to the upper section of the Shell space is returned, so that the second refrigerant can be introduced into the upper portion of the shell space and injected there into the upper portion of the shell space. Basically, according to one embodiment of the heat exchanger, it is also provided that the tube bundle has at least a fourth tube for receiving the process medium to be cooled, in particular natural gas, with the process medium being transported from the lower section of the shell space into the upper section of the shell space via the at least one fourth tube is manageable. Like the first or further first tubes, the second tubes, the third tubes and the fourth tubes are likewise preferably wound in a helical shape around the core tube of the heat exchanger. In this case, the core tube serves in particular to transfer the load of the tubes of the tube bundle. During the manufacture of the tube bundle, the tubes are wound onto the horizontally arranged core tube.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem Prozessmedium, hier vorzugsweise Erdgas, und zumindest einem ersten Kältemittel unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei das erste Kältemittel über die Düsen der ersten RohreAnother aspect of the present invention relates to a method for indirect heat transfer between a process medium, here preferably natural gas, and at least one first refrigerant using a heat exchanger according to the invention, the first refrigerant via the nozzles of the first tubes
(sowie gegebenenfalls über die Düsen der weiteren ersten Rohre) in den Mantelraum eingedüst wird. (and optionally via the nozzles of the other first tubes) is injected into the shell space.
Gemäß einer befugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Verteilung des ersten Kältemittels im Mantelraum durch Stellen der den ersten Rohren zugeordneten Ventile sowohl in vertikaler Richtung (d.h. entlang der Längsachse) als auch in radialer Richtung des Rohrbündels beeinflusst wird. According to an authorized embodiment of the method, it is provided that a distribution of the first refrigerant in the jacket space is influenced by setting the valves assigned to the first tubes both in the vertical direction (i.e. along the longitudinal axis) and in the radial direction of the tube bundle.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass alternative oder zusätzlich eine Verteilung des ersten Kältemittels im Mantelraum durch Stellen der den weiteren ersten Rohren zugeordneten Ventile sowohl in vertikaler Richtung als auch in radialer Richtung des Rohrbündels beeinflusst wird. Furthermore, according to one embodiment of the method, it is provided that alternatively or additionally a distribution of the first refrigerant in the jacket space is influenced by setting the valves assigned to the further first tubes both in the vertical direction and in the radial direction of the tube bundle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist vorgesehen, dass ein Eindüsen des ersten Kältemittels über die zweite Leitung in den oberen Abschnitt des Mantelraumes durch Stellen des zweiten Ventils beeinflusst wird. According to a further embodiment of the method, it is provided that the injection of the first refrigerant via the second line into the upper section of the shell space is influenced by setting the second valve.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden. Further details and advantages of the invention are to be explained by the following description of an exemplary embodiment with reference to the figures.
Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei ein erstes Kältemittel von unten her in den Mantelraum eingeleitet und dort über Enden von ersten Rohren des Rohrbündels auf unterschiedlichen Höhen und in unterschiedlichen radialen Positionen in den Mantelraum eingeleitet wird, wobei weiterhin das erste Kältemittel in einen oberen Abschnitt des Mantelraums eingedüst wird. Show it: 1 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, in which a first refrigerant is introduced into the jacket space from below and is introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with the first coolant also being fed into a is injected into the upper section of the jacket space.
Fig. 2 eine Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei ein erstes Kältemittel von unten her in den Mantelraum eingeleitet und dort über Enden von ersten Rohren des Rohrbündels auf unterschiedlichen Höhen und in unterschiedlichen radialen Positionen in den Mantelraum eingeleitet wird, wobei weiterhin ein zweites Kältemittel in einen oberen Abschnitt des Mantelraums eingedüst wird; 2 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, with a first refrigerant being introduced into the jacket space from below and being introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with a second coolant also being fed into a upper section of the shell space is injected;
Fig. 3 eine Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei ein erstes Kältemittel von oben her in den Mantelraum eingeleitet und dort über Enden von ersten Rohren des Rohrbündels auf unterschiedlichen Höhen und in unterschiedlichen radialen Positionen in den Mantelraum eingeleitet wird, wobei weiterhin das erste Kältemittel in einen oberen Abschnitt des Mantelraums eingedüst wird; 3 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, in which a first refrigerant is introduced into the jacket space from above and is introduced there via the ends of first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the jacket space, with the first coolant also being fed into a upper section of the shell space is injected;
Fig. 4 eine Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei ein erstes Kältemittel sowohl von unten als auch von oben her in den Mantelraum eingeleitet und dort über Enden von ersten Rohren bzw. weiteren ersten Rohren des Rohrbündels auf unterschiedlichen Höhen und in unterschiedlichen radialen Positionen in den Mantelraum eingeleitet wird, wobei weiterhin das erste Kältemittel in einen oberen Abschnitt des Mantelraums eingedüst wird; und 4 shows an embodiment of a heat exchanger according to the invention, with a first refrigerant being introduced into the shell space both from below and from above and there via the ends of first tubes or further first tubes of the tube bundle at different heights and in different radial positions into the shell space is introduced, wherein further the first refrigerant is injected into an upper portion of the shell space; and
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung eines gewickelten Wärmeübertragers mit einem Rohrbündel, das mehrere auf ein Kernrohr gewickelte Rohre aufweist, wobei exemplarisch ein Ende eines ersten Rohres des Rohrbündels dargestellt ist, über das das erste Kältemittel in den Mantelraum eingedüst wird. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gewickelten Wärmeübertragers 1. Werden derartige Anlagen zur Verflüssigung eines Prozessmediums P, insbesondere Erdgas, eingesetzt, befindet sich das abzukühlende und zu verflüssigende Erdgas im Rohrinnenraum, d.h. in Rohren 33 eines Rohrbündels 3 des Wärmeübertragers 1 im indirekten Wärmeaustausch mit einem ersten Kältemittel M, welches durch einen Mantelraum 6 des Wärmeübertragers 1 strömt. Im Allgemeinen werden derartige Wärmetauscher 1 vertikal ausgerichtet, wobei das abzukühlende und zu verflüssigende Erdgas M von unten nach oben im Rohrinneren der Rohre 33 strömt und das erste Kältemittel M möglichst gleichmäßig von oben im Mantelraum 6 verteilt wird. Durch den indirekten Wärmeaustausch nimmt die Temperatur des Erdgases P somit über die Höhe des Wärmetauschers von unten nach oben ab, während im gleichen Maß die Temperatur des ersten Kältemittels M im Mantelraum 6 von oben nach unten zunimmt. Durch Ungleichmäßigkeiten bei der Verteilung des ersten Kältemittels M auf die einzelnen Rohre 33 bzw. bei der Verteilung des ersten Kältemittels M im Mantelraum 6 können sich jedoch unerwünschte lokale Unterschiede im Temperaturverlauf zwischen einzelnen Rohren 33 bzw. entsprechenden Rohrlagen ausbilden. Eine kontinuierliche regelbare Eindüsung auf unterschiedliche Bündelbereiche wird nun z.B. gemäß der in der Fig.1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dadurch realisiert, dass einzelne erste Rohre 31 des Rohrbündels 3, die das erste Kältemittel M führen, beim Wickeln im Bündel 3 auf unterschiedlichen Höhen und Lagen abgeschnitten werden, so dass diese ersten Rohre 31 jeweils ein als Düse fungierendes offenes Ende 31a erhalten. Diese ersten Rohre 31 werden anschließend mit zumindest einer ersten Leitung 41 verbunden und mittels Ventilen 51 an den Hauptstrom des ersten Kältemittels M angebunden. Zusätzlich zu der lokalen Mengenaufgabe des ersten Kältemittels M über die Enden 31a kann auch der Joule- Thomson-Effekt lokal direkt bei der Eindüsung genutzt werden. 5 shows a partially sectioned view of a coiled heat exchanger with a tube bundle that has a plurality of tubes wound onto a core tube, with one end of a first tube of the tube bundle being shown as an example, via which the first refrigerant is injected into the shell space. Figure 1 shows an embodiment of a coiled heat exchanger 1 according to the invention. If such systems are used to liquefy a process medium P, in particular natural gas, the natural gas to be cooled and liquefied is in the interior of the tube, ie in tubes 33 of a tube bundle 3 of the heat exchanger 1 in indirect heat exchange with a first refrigerant M, which flows through a jacket space 6 of the heat exchanger 1. In general, such heat exchangers 1 are aligned vertically, with the natural gas M to be cooled and liquefied flowing from bottom to top inside the tubes 33 and the first refrigerant M being distributed as evenly as possible from above in the jacket space 6 . Due to the indirect heat exchange, the temperature of the natural gas P thus decreases from bottom to top over the height of the heat exchanger, while the temperature of the first refrigerant M in the jacket space 6 increases from top to bottom to the same extent. Irregularities in the distribution of the first refrigerant M to the individual tubes 33 or in the distribution of the first refrigerant M in the shell space 6 can, however, form undesired local differences in the temperature profile between individual tubes 33 or corresponding tube layers. A continuously controllable injection onto different bundle areas is now realized, for example, according to the embodiment of a heat exchanger according to the invention shown in FIG Layers are cut off so that these first tubes 31 each have an open end 31a functioning as a nozzle. These first tubes 31 are then connected to at least one first line 41 and connected to the main flow of the first refrigerant M by means of valves 51 . In addition to the local application of quantity of the first refrigerant M via the ends 31a, the Joule-Thomson effect can also be used locally directly during the injection.
Figur 1 stellt also insbesondere eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der das erste Kältemittel M als Joule Thomson (JT) Kältemittel eingesetzt wird, das vom warmen Ende (von unten her) den ersten Rohren 31 zugeführt wird. FIG. 1 thus represents in particular an embodiment of the invention in which the first refrigerant M is used as a Joule Thomson (JT) refrigerant which is supplied to the first tubes 31 from the warm end (from below).
Die Enden 31a der ersten Rohre 31 , die jeweils vorzugsweise zumindest eine Düse ausbilden, über die das erste Kältemittel M in den Mantelraum 6 einleitbar ist, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese entlang der Längsachse z des Mantels 5 des Wärmeübertragers 1 auf unterschiedlichen Höhen zwischen einem unteren Ende 3c und einem oberen Ende 3d des Rohrbündels 3 angeordnet sind und vorzugsweise auch in radialer Richtung R des Rohrbündels 3 in verschiedenen Rohrlagen des Rohrbündels angeordnet sind. Auf diese Weise kann durch Stellen der einzelnen Ventile 51 gezielt Einfluss auf die Verteilung des ersten Kältemittels M im Mantelraum 6 genommen werden. Das erste Kältemittel kann z.B. ein Gemischkältemittel sein. Das erste Kältemittel kann z.B. einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweisen: N2, Methan, Ethan, Butan, Propan, Pentene. Weiterhin kann auch ein drittes Kältemittel zusätzlich im Rohrbündel geführt werden (je nach Prozessanwendung). Draw the ends 31a of the first tubes 31, which each preferably form at least one nozzle through which the first refrigerant M can be introduced into the jacket space 6 characterized in particular by the fact that these are arranged along the longitudinal axis z of the shell 5 of the heat exchanger 1 at different heights between a lower end 3c and an upper end 3d of the tube bundle 3 and preferably also in the radial direction R of the tube bundle 3 in different tube layers of the tube bundle are arranged. In this way, the distribution of the first refrigerant M in the jacket space 6 can be influenced in a targeted manner by setting the individual valves 51 . The first refrigerant can be a mixed refrigerant, for example. The first refrigerant can have, for example, one or more of the following substances: N2, methane, ethane, butane, propane, pentenes. Furthermore, a third refrigerant can also be routed in the tube bundle (depending on the process application).
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die erste Leitung 41 in einen unteren Abschnitt 6a des Mantelraums 6 geführt und vorzugsweise mit jedem ersten Rohr 31 des Rohrbündels 3 über je ein Ventil 51 verbunden, so dass ein aus dem jeweiligen Ende 31a austretender Volumenstrom des ersten Kältemittels M separat regel- bzw. steuerbar ist. Dieses Prinzip wird bevorzugt auch bei den anderen Ausführungsformen, die weiter unten beschrieben werden angewendet. As can be seen in FIG. 1, the first line 41 is routed into a lower section 6a of the jacket space 6 and is preferably connected to each first tube 31 of the tube bundle 3 via a respective valve 51, so that a volume flow emerging from the respective end 31a of the first refrigerant M can be regulated or controlled separately. This principle is preferably also applied to the other embodiments that are described further below.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen (vgl. Fig. 1), dass das Rohrbündel 3 zumindest ein zweites Rohr 32 aufweist, das mit der ersten Leitung 41 verbunden ist, so dass das erste Kältemittel M über die erste Leitung 41 in das mindestens eine zweite Rohr 32 des Rohrbündels 3 einleitbar ist, wobei das mindestens eine zweite Rohr 32 mit einer aus einem oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 herausgeführten zweiten Leitung 42 strömungsverbunden ist, so dass das erste Kältemittel M über die zweite Leitung 42 aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist, wobei die zweite Leitung 42 über ein Ventil 52 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 zurückgeführt ist, so dass das erste Kältemittel M in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 eindüsbar ist, um das erste Kältemittel M von oben her auf das Rohrbündel 3 aufzugeben. Weiterhin weist das Rohrbündel 3 gemäß Figur 1 bevorzugt zumindest ein drittes Rohr 33 zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels M‘ auf, wobei über das mindestens eine dritte Rohr 33 das zweite Kältemittel M‘ von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraum 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 führbar ist und dort aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. Das zweite Kältemittel M‘ kann dabei insbesondere Wärme indirekt mit dem Prozessmedium bzw. Erdgas P austauschen. Das Prozessmedium bzw. Erdgas P kann über zumindest ein viertes Rohr 34 des Rohrbündels 3 von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraums 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 geführt werden, von wo aus es aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. Vorzugsweise weist der Wärmeübertrager 1 in den hierin beschriebenen Ausführungsformen mehrerer erste, weitere erste, zweite, dritte und vierte Rohre 31 , 31 ‘, 32, 33, 34 auf. Die Rohre 31 , 31 ‘, 32, 33, 34 des Rohrbündels 3 sind jeweils vorzugsweise helixförmig auf ein Kernrohr 300 des Wärmeübertragers 300 aufgewickelt, das exemplarisch in der Fig. 5 dargestellt ist. Diese Anordnung der Rohre 31 , 31 ‘, 32, 33, 34 gilt vorzugsweise für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen des Wärmeübertragers 1. Furthermore, it is preferably provided (cf. Fig. 1) that the tube bundle 3 has at least one second tube 32, which is connected to the first line 41, so that the first refrigerant M can flow via the first line 41 into the at least one second tube 32 of the tube bundle 3 can be introduced, wherein the at least one second tube 32 is flow-connected to a second line 42 leading out of an upper section 6b of the shell space 6, so that the first refrigerant M can be drawn off from the heat exchanger 1 via the second line 42, wherein the second line 42 is routed back via a valve 52 into the upper section 6b of the shell space 6, so that the first refrigerant M can be injected into the upper section 6b of the shell space 6 in order to feed the first refrigerant M onto the tube bundle 3 from above. Furthermore, the tube bundle 3 according to Figure 1 preferably has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' via the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 to the upper section 6b of the Shell space 6 can be guided and can be removed from the heat exchanger 1 there. The second refrigerant M′ can, in particular, exchange heat indirectly with the process medium or natural gas P. That Process medium or natural gas P can be routed via at least a fourth tube 34 of the tube bundle 3 from the lower section 6a of the shell space 6 into the upper section 6b of the shell space 6, from where it can be drawn off from the heat exchanger 1. In the embodiments described herein, the heat exchanger 1 preferably has a plurality of first, further first, second, third and fourth tubes 31 , 31 ′, 32 , 33 , 34 . The tubes 31, 31', 32, 33, 34 of the tube bundle 3 are each preferably wound in a helical shape onto a core tube 300 of the heat exchanger 300, which is shown as an example in FIG. This arrangement of the tubes 31, 31', 32, 33, 34 preferably applies to all of the embodiments of the heat exchanger 1 described herein.
Weiterhin zeigt die Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung bei der das erste Kältemittel M nicht der JT-Strom des Wärmeübertragers ist. Das erste Kältemittel M kann hierbei ein Kältemittel sein, das erst im Liquifier oder Subcooler der Anlage zur Kühlung genutzt wird. Bei der Figur 2 erfolgt also eine Einleitung des erstenFurthermore, FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which the first refrigerant M is not the JT flow of the heat exchanger. In this case, the first refrigerant M can be a refrigerant that is only used for cooling in the liquifier or subcooler of the system. Thus, in FIG. 2, the first is introduced
Kältemittels M, bei dem es sich im Unterschied zur Fig. 1 nicht im ein JT-Kältemittel handelt, von der warmen Seite des Wärmeübertragers 1 her. Hierbei wird analog zur Fig. 1 das erste Kältemittel M über eine erste Leitung 41 in den unteren Abschnitt 6a des Mantelraums 6 geführt und vorzugsweise mit jedem ersten Rohr 31 des Rohrbündels 3 über je ein Ventil 51 verbunden, so dass ein aus dem jeweiligen Ende 31a austretender Volumenstrom des ersten Kältemittels M wiederum separat regel- bzw. steuerbar ist. Das Rohrbündel 3 weist gemäß Figur 2 weiterhin zumindest ein zweites Rohr 32 auf, das mit der ersten Leitung 41 verbunden ist, so dass das erste Kältemittel M über die erste Leitung 41 in das mindestens eine zweite Rohr 32 des Rohrbündels 3 einleitbar ist, wobei das mindestens eine zweite Rohr 32 mit einer aus dem oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 herausgeführten zweiten Leitung 42 strömungsverbunden ist, so dass das erste Kältemittel M über die zweite Leitung 42 aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. Weiterhin weist das Rohrbündel 3 gemäß Figur 2 bevorzugt zumindest ein drittes Rohr 33 zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels M‘ auf, wobei über das mindestens eine dritte Rohr 33 das zweite Kältemittel M‘ von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraum 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 führbar ist und dort aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. Das zweite Kältemittel M‘ kann insbesondere Wärme indirekt mit dem Prozessmedium bzw. Erdgas P austauschen. Das Prozessmedium bzw. Erdgas P kann über zumindest ein viertes Rohr 34 des Rohrbündels 3 von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraums 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 geführt werden, von wo aus es aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. Wie weiterhin aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist das mindestens eine dritte Rohr 33 für das zweite Kältemittel M‘ mit einer aus dem oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 herausgeführten weiteren Leitung 43 strömungsverbunden, so dass das zweite Kältemittel M‘ über die weitere Leitung 43 aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist, wobei die weitere Leitung 43 über ein Ventil 53 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 zurückgeführt ist, so dass das zweite Kältemittel M‘ in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 eindüsbar ist. Refrigerant M, which, in contrast to FIG. 1, is not a JT refrigerant, from the warm side of the heat exchanger 1. Here, analogously to FIG. 1, the first refrigerant M is guided via a first line 41 into the lower section 6a of the jacket space 6 and is preferably connected to each first tube 31 of the tube bundle 3 via a respective valve 51, so that a discharge from the respective end 31a emerging volume flow of the first refrigerant M in turn is separately regulated or controllable. According to Figure 2, the tube bundle 3 also has at least one second tube 32, which is connected to the first line 41, so that the first refrigerant M can be introduced via the first line 41 into the at least one second tube 32 of the tube bundle 3, with the At least one second tube 32 is flow-connected to a second line 42 leading out of the upper section 6b of the jacket space 6, so that the first refrigerant M can be drawn off from the heat exchanger 1 via the second line 42. Furthermore, the tube bundle 3 according to Figure 2 preferably has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' via the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 to the upper section 6b of the Shell space 6 can be guided and can be removed from the heat exchanger 1 there. The second refrigerant M′ can, in particular, exchange heat indirectly with the process medium or natural gas P. The process medium or natural gas P can be conducted via at least a fourth tube 34 of the tube bundle 3 from the lower section 6a of the shell space 6 into the upper section 6b of the shell space 6, from where it can be drawn off from the heat exchanger 1. As can also be seen from FIG. 2, the at least one third pipe 33 for the second refrigerant M' is flow-connected to a further line 43 leading out of the upper section 6b of the jacket space 6, so that the second refrigerant M' can flow through the further line 43 can be removed from the heat exchanger 1, the further line 43 being fed back into the upper section 6b of the shell space 6 via a valve 53, so that the second refrigerant M' can be injected into the upper section 6b of the shell space 6.
Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei hier im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 2 die Zuführung des ersten Kältemittels M in den relevanten Bündelbereich zwischen dem oberen Ende 3d und dem unteren Ende 3c von oben her erfolgt, d.h., von der kalten Seite des Wärmeübertragers 1 her, wobei Fig. 3 insbesondere die Situation zeigt, bei der es sich bei dem ersten Kältemittel M um das kalte Hochdruckkältemittel (aus der Rohrseite) handelt. Alternativ (nicht in der Fig. 3 gezeigt) kann zum anderen auch über die Niederdruckseite (Mantelseite) eine Verteilung des Kältemittels erfolgen. FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, in which, in contrast to the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the first refrigerant M is fed into the relevant bundle area between the upper end 3d and the lower end 3c from above, i.e., from the cold side of the heat exchanger 1, with FIG. 3 showing in particular the situation in which the first refrigerant M is the cold, high-pressure refrigerant (from the tube side). Alternatively (not shown in FIG. 3), the refrigerant can also be distributed via the low-pressure side (shell side).
Gemäß Fig. 3 ist insbesondere vorgesehen, dass das Rohrbündel 3 des Wärmeübertrager 1 zumindest eine zweites Rohr 32 aufweist, das vom unteren Ende des Wärmeübertragers 1 her mit dem ersten Kältemittel M gespeist wird, wobei das mindestens eine zweite Rohr 32 im Mantelraum 6 in den oberen Abschnitt 6a geführt ist und dort mit einer aus dem oberen Abschnitt 6a des Mantelraums 6 herausgeführten erste Leitung 41 verbunden ist, die wiederum mit den ersten Rohren 31 jeweils über ein Ventil 51 verbunden ist, so dass ein über die erste Leitung 41 in das jeweilige erste Rohr 31 eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels M mittels des jeweiligen Ventils 51 einstellbar ist und in dem jeweiligen ersten Rohr 31 von oben nach unten zum jeweiligen Ende 31a bzw. Düse 31a führbar und dort in den Mantelraum M einleitbar ist. Die erste Leitung 41 ist stromab der Ventile 52 weiterhin mit einer zweiten Leitung 42 verbunden bzw. geht in diese über, wobei diese zweite Leitung 42 gemäß Fig. 3 über ein Ventil 52 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 zurückgeführt ist, so dass das erste Kältemittel M weiterhin in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraumes 6 eindüsbar ist und dabei von oben her auf das Rohrbündel 3 gegeben werden kann. Wie zuvor bereits beschrieben, weist dass das Rohrbündel 3 weiterhin zumindest ein drittes Rohr 33 zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels M‘ auf, wobei über das mindestens eine dritte Rohr 33 das zweite Kältemittel M‘ von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraum 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 führbar ist. Dabei kann das zweite Kältemittel M‘ indirekt Wärme mit dem Prozessmedium P bzw. Erdgas P austauschen, welches in zumindest einem vierten Rohr 34 des Rohrbündels von dem unteren Abschnitt 6a des Mantelraums 6 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 führbar ist und dort aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist. In den Ausführungsformen gemäß Figuren 1 bis 4 ist jeweils vorzugsweise vorgesehen, dass das Prozessmedium bzw. Erdgas P jeweils im Gleichstrom von unten nach oben im Mantelraum 6 des Wärmeübertrages in dem jeweiligen Rohr 33, 34 des Rohrbündels 3 geführt werden. Fig. 4 zeigt schließlich eine Weiterbildung der in der Figur 1 gezeigtenAccording to Fig. 3, provision is made in particular for the tube bundle 3 of the heat exchanger 1 to have at least one second tube 32, which is fed with the first refrigerant M from the lower end of the heat exchanger 1, with the at least one second tube 32 in the jacket space 6 entering the is guided in the upper section 6a and is connected there to a first line 41 leading out of the upper section 6a of the jacket space 6, which in turn is connected to the first tubes 31 via a valve 51, so that a via the first line 41 into the respective The volume flow of the first refrigerant M introduced in the first tube 31 can be adjusted by means of the respective valve 51 and can be guided in the respective first tube 31 from top to bottom to the respective end 31a or nozzle 31a and can be introduced into the jacket space M there. Downstream of the valves 52, the first line 41 is also connected to a second line 42 or merges into it, with this second line 42 being fed back into the upper section 6b of the shell space 6 via a valve 52 according to Fig. 3, so that the first refrigerant M continues in the upper section 6b of the jacket space 6 can be injected and it can be given to the tube bundle 3 from above. As already described above, the tube bundle 3 also has at least one third tube 33 for receiving a second refrigerant M', with the second refrigerant M' passing through the at least one third tube 33 from the lower section 6a of the jacket space 6 into the upper section 6b of the jacket space 6 can be guided. The second refrigerant M' can indirectly exchange heat with the process medium P or natural gas P, which can be guided in at least a fourth tube 34 of the tube bundle from the lower section 6a of the jacket space 6 into the upper section 6b of the jacket space 6 and from there out of the Heat exchanger 1 is removable. In the embodiments according to FIGS. 1 to 4, it is preferably provided that the process medium or natural gas P is guided in cocurrent from bottom to top in the jacket space 6 of the heat transfer in the respective tube 33, 34 of the tube bundle 3. Finally, FIG. 4 shows a further development of that shown in FIG
Ausführungsform, bei der zusätzlich zu den ersten Rohren 31 des Rohrbündels 3 weitere erste Rohre 31 ‘ des Rohrbündels 3 vorgesehen sind, die ebenfalls jeweils ein Ende 31 ’a aufweisen, das durch zumindest eine Düse gebildet ist, über die das erste Kältemittel M in den Mantelraum 6 einleitbar ist, wobei die Enden 31 ’a der weiteren ersten Rohre 31 ‘ entlang der Längsachse z des Mantels 5 ebenfalls auf unterschiedlichen Höhen zwischen dem unteren Ende 3c und dem oberen Ende 3d des Rohrbündels 3 angeordnet sind sowie vorzugsweise auch in unterschiedlichen Rohrlagen lokalisiert sind. Hierbei sind die weiteren ersten Rohre 31 ‘ ebenfalls jeweils über ein Ventil 54 mit der zweiten Leitung 42 verbunden, so dass ein über die zweite Leitung 42 in das jeweilige weitere erste Rohr 31 ‘ eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels M mittels des jeweiligen Ventils 54 einstellbar ist. In den weiteren ersten Rohren 31 ‘ wird das erste Kältemittel M von oben nach unten im Mantelraum 6 geführt. Stromab der Ventile 54 kann das erste Kältemittel M, wie in der Fig. 1 gezeigt, über die zweite Leitung 42 und das Ventil 52 in den oberen Abschnitt 6b des Mantelraums 6 zurückgeführt werden. Das zweite Kältemittel M sowie dasEmbodiment, in which, in addition to the first tubes 31 of the tube bundle 3, further first tubes 31' of the tube bundle 3 are provided, which also each have an end 31'a, which is formed by at least one nozzle, via which the first refrigerant M in the Jacket space 6 can be introduced, with the ends 31 'a of the other first tubes 31' along the longitudinal axis z of the jacket 5 also being arranged at different heights between the lower end 3c and the upper end 3d of the tube bundle 3 and preferably also localized in different tube layers are. The other first tubes 31' are also each connected to the second line 42 via a valve 54, so that a volume flow of the first refrigerant M introduced via the second line 42 into the respective further first tube 31' can be adjusted by means of the respective valve 54 . In the other first tubes 31', the first refrigerant M is routed from top to bottom in the shell space 6. Downstream of the valves 54, the first refrigerant M, as shown in FIG. The second refrigerant M as well as that
Prozessmedium bzw. Erdgas P kann in den dritten und vierten Rohren 33, 34 des Rohrbündels 3 gemäß Figur 1 geführt werden. Process medium or natural gas P can be guided in the third and fourth tubes 33, 34 of the tube bundle 3 according to FIG.
Die Erfindung kann z.B. bei einem gewickelten Wärmeübertrager 1 nach Art der Fig. 5 angewendet werden. Wie in der Fig. 5 exemplarisch gezeigt ist, weist der Wärmeübertrager 1 einen entlang der (im Betrieb vertikalen) Längsachse z erstreckten Mantel 5 auf, der einen Mantelraum 6 des Wärmeübertrager 1 umgibt, der zur Aufnahme des ersten Kältemittels M dient, wobei das Rohrbündel 3 im Mantelraum 6 angeordnet ist. Das Rohrbündel 3 weist mehrere Rohre 31 , 32, 33, 34 auf, die in Rohrlagen angeordnet sind, die in radialer Richtung R ausgehend von einer innerste Rohrlage 3a übereinander angeordnet sind und mit einer äußersten Rohrlage 3b enden. Die Rohre 31 , 32, 33, 34 sind dabei um ein entlang der Längsachse z erstrecktes und im Mantelraum 6 angeordnetes Kernrohr 300 gewickelt, wobei in der Figur 5 exemplarisch die Ausführungsform gemäß Fig. 3 dargestellt ist, bei der die ersten Rohre 31 das erste Kältemittel M von oben her führen und in den Mantelraum eindüsen. Die entsprechenden Ventile und Leitungen des Wärmeübertragers 1 außerhalb des Mantels 5 sind in der Fig. 5 nicht dargestellt. The invention can be used, for example, in a wound heat exchanger 1 of the type shown in FIG. As shown in FIG. 5 as an example, the Heat exchanger 1 has a jacket 5 which extends along the longitudinal axis z (vertical during operation) and surrounds a jacket space 6 of the heat exchanger 1 which is used to hold the first refrigerant M, with the tube bundle 3 being arranged in the jacket space 6 . The tube bundle 3 has a plurality of tubes 31, 32, 33, 34 which are arranged in tube layers which are arranged one above the other in the radial direction R, starting from an innermost tube layer 3a and ending with an outermost tube layer 3b. The tubes 31, 32, 33, 34 are wound around a core tube 300 which extends along the longitudinal axis z and is arranged in the jacket space 6, with the embodiment according to FIG. 3 being shown as an example in FIG Guide refrigerant M from above and inject it into the jacket space. The corresponding valves and lines of the heat exchanger 1 outside the shell 5 are not shown in FIG.
Wie in der Figur 5 weiterhin angedeutet ist, sind die Rohre 31 , 32, 33, 34 unter Zwischenlage von Stegen 10 auf eine Außenseite des Kernrohres 300 gewickelt. Das Kernrohr 300 trägt dabei die Last des Rohrbündels 3 nach unten hin ab. As is further indicated in FIG. 5, the tubes 31, 32, 33, 34 are wound onto an outer side of the core tube 300 with webs 10 interposed. The core tube 300 bears the load of the tube bundle 3 downwards.
Ferner können am Mantel 5 mit dem Mantelraum 6 in Strömungsverbindung stehende Stutzen vorgesehen sein, die zum Einleiten bzw. Abziehen des ersten Mediums M dienen. Das erste Medium M kann dabei von oben nach unten oder von unten nach oben im Mantelraum 6 geführt werden. Furthermore, sockets which are in flow communication with the shell space 6 and serve to introduce or draw off the first medium M can be provided on the shell 5 . The first medium M can be guided in the jacket space 6 from top to bottom or from bottom to top.
Um im Mantelraum 6 eine Bypassströmung des ersten Mediums M am Rohrbündel 3 vorbei zu verhindern, kann das Rohrbündel 3 von einem Hemd 7 umgeben sein. In order to prevent a bypass flow of the first medium M past the tube bundle 3 in the jacket space 6 , the tube bundle 3 can be surrounded by a shirt 7 .
Bezugszeichenliste Reference List

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Wärmeübertrager (1) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem Prozessmedium (P), und zumindest einem ersten Kältemittel (M), mit: - einem Mantel (5), der einen Mantelraum (6) umgibt und sich entlang einer1. Heat exchanger (1) for indirect heat transfer between a process medium (P) and at least one first refrigerant (M), with: - a jacket (5) surrounding a jacket space (6) and extending along a
Längsachse (z) erstreckt, longitudinal axis (z),
- einem im Mantelraum (6) angeordneten Rohrbündel (3) dass sich entlang der Längsachse (z) des Mantels (5) von einem unteren Ende (3c) zu einem oberen Ende (3d) des Rohrbündels (3) im Mantelraum (6) erstreckt, wobei das Rohrbündel (3) eine Mehrzahl an ersten Rohren (31) zur Aufnahme des ersten- A tube bundle (3) arranged in the shell space (6) that extends along the longitudinal axis (z) of the shell (5) from a lower end (3c) to an upper end (3d) of the tube bundle (3) in the shell space (6). , wherein the tube bundle (3) has a plurality of first tubes (31) for receiving the first
Kältemittels (M) aufweist, die in unterschiedlichen Rohrlagen angeordnet sind, wobei die ersten Rohre (31) helixförmig auf ein Kernrohr (300) des Wärmeübertragers (1) gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse (z) des Mantels (5) im Mantelraum (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rohre (31) jeweils ein Ende (31a) aufweisen, das durch zumindest eine Düse gebildet ist, über die das erste Kältemittel (M) in den Mantelraum (6) einleitbar ist, wobei die Enden (31a) entlang der Längsachse (z) des Mantels (5) auf unterschiedlichen Höhen zwischen dem unteren Ende (3c) und dem oberen Ende (3d) des Rohrbündels (3) angeordnet sind. refrigerant (M), which are arranged in different tube layers, the first tubes (31) being wound helically onto a core tube (300) of the heat exchanger (1), which extends along the longitudinal axis (z) of the jacket (5) in the jacket space (6) extends, characterized in that the first tubes (31) each have an end (31a) which is formed by at least one nozzle through which the first refrigerant (M) can be introduced into the jacket space (6), the Ends (31a) along the longitudinal axis (z) of the shell (5) are arranged at different heights between the lower end (3c) and the upper end (3d) of the tube bundle (3).
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelraum (6) bezogen auf die Längsachse (z) einen unteren Abschnitt (6a) sowie einen oberen Abschnitt (6b) aufweist. 2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the casing space (6) has a lower section (6a) and an upper section (6b) in relation to the longitudinal axis (z).
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) eine in den unteren Abschnitt (6a) des Mantelraums (6) geführte erste Leitung (41) aufweist, die mit den ersten Rohren (31) jeweils über ein Ventil (51) verbunden ist, so dass ein über die erste Leitung (41) in das jeweilige erste Rohr (31) eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels (M) mittels des jeweiligen Ventils (51) einstellbar ist. 4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) zumindest ein zweites Rohr (32) aufweist, das mit der ersten Leitung (41) verbunden ist, so dass das erste Kältemittel (M) über die erste Leitung3. Heat exchanger according to Claim 2, characterized in that the heat exchanger (1) has a first line (41) which is guided into the lower section (6a) of the shell space (6) and which is connected to the first tubes (31) via a valve ( 51) is connected, so that a volume flow of the first refrigerant (M) introduced via the first line (41) into the respective first pipe (31) can be adjusted by means of the respective valve (51). 4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the tube bundle (3) has at least one second tube (32) which is connected to the first line (41), so that the first refrigerant (M) via the first line
(41) in das mindestens eine zweite Rohr (32) des Rohrbündels (3) einleitbar ist, und wobei das mindestens eine zweite Rohr (32) mit einer aus dem oberen(41) in the at least one second tube (32) of the tube bundle (3) can be introduced, and wherein the at least one second tube (32) with one from the top
Abschnitt (6b) des Mantelraums (6) herausgeführten zweiten Leitung (42) strömungsverbunden ist, so dass das erste Kältemittel (M) über die zweite LeitungSection (6b) of the jacket space (6) led out second line (42) flow-connected, so that the first refrigerant (M) via the second line
(42) aus dem Wärmeübertrager (1) abziehbar ist. 5. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der(42) can be removed from the heat exchanger (1). 5. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the
Wärmeübertrager (1) eine aus dem oberen Abschnitt (6a) des Mantelraums (6) herausgeführte erste Leitung (41) aufweist, die mit den ersten Rohren (31) jeweils über ein Ventil (51) verbunden ist, so dass ein über die erste Leitung (41) in das jeweilige erste Rohr (31) eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels (M) mittels des jeweiligen Ventils (51) einstellbar ist. Heat exchanger (1) has a first line (41) leading out of the upper section (6a) of the shell space (6), which is connected to the first tubes (31) via a valve (51), so that a via the first line (41) the volume flow of the first refrigerant (M) introduced into the respective first pipe (31) can be adjusted by means of the respective valve (51).
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) zumindest ein zweites Rohr (32) aufweist, das mit der ersten Leitung verbunden (41) ist, so dass das erste Kältemittel (M) über das mindestens eine zweite Rohr (32) in die erste Leitung (41) einleitbar ist, wobei die erste6. Heat exchanger according to claim 5, characterized in that the tube bundle (3) has at least one second tube (32) which is connected to the first line (41), so that the first refrigerant (M) via the at least one second tube (32) can be introduced into the first line (41), the first
Leitung (41) mit einer zweiten Leitung (42) verbunden ist. Line (41) is connected to a second line (42).
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) weitere erste Rohre (31 ‘) aufweist, die jeweils ein Ende (31 ’a) aufweisen, das durch zumindest eine Düse gebildet ist, über die das erste7. Heat exchanger according to claim 4, characterized in that the tube bundle (3) has further first tubes (31'), each of which has an end (31'a) which is formed by at least one nozzle, via which the first
Kältemittel (M) in den Mantelraum (6) einleitbar ist, wobei die Enden (31 ’a) der weiteren ersten Rohre (31 ‘) entlang der Längsachse (z) des Mantels (5) auf unterschiedlichen Höhen zwischen dem unteren Ende (3c) und dem oberen Ende (3d) des Rohrbündels (3) angeordnet sind, und wobei die weiteren ersten Rohre (31 ‘) jeweils über ein Ventil (54) mit der zweiten Leitung (42) verbunden sind, so dass ein über die zweite Leitung (42) in das jeweilige weitere erste Rohr (31 ‘) eingeleiteter Volumenstrom des ersten Kältemittels (M) mittels des jeweiligen Ventils (54) einstellbar ist. 8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (42) über ein Ventil (52) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraumes (6) zurückgeführt ist, so dass das erste Kältemittel (M) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraumes (6) eindüsbar ist. Refrigerant (M) can be introduced into the shell space (6), the ends (31'a) of the further first tubes (31') along the longitudinal axis (z) of the shell (5) at different heights between the lower end (3c) and the upper end (3d) of the tube bundle (3), and wherein the other first tubes (31 ') are each connected via a valve (54) to the second line (42), so that a via the second line ( 42) the volume flow of the first refrigerant (M) introduced into the respective further first pipe (31') can be adjusted by means of the respective valve (54). 8. Heat exchanger according to one of claims 4, 6, 7, characterized in that the second line (42) via a valve (52) in the upper section (6b) of the jacket space (6) is returned, so that the first refrigerant ( M) can be injected into the upper section (6b) of the shell space (6).
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 8 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) zumindest ein drittes Rohr (33) zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels (M‘) aufweist, wobei über das mindestens eine dritte Rohr (33) das zweite Kältemittel (M‘) von dem unteren Abschnitt (6a) des Mantelraum (6) in den oberen Abschnitt9. Heat exchanger according to Claim 2 or one of Claims 3 to 8 insofar as dependent on Claim 2, characterized in that the tube bundle (3) has at least one third tube (33) for receiving a second refrigerant (M'), wherein via the at least a third pipe (33) carrying the second refrigerant (M') from the lower portion (6a) of the shell space (6) to the upper portion
(6b) des Mantelraums (6) führbar ist. (6b) of the jacket space (6) can be guided.
10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 3, 5, 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) zumindest ein drittes Rohr (33) zur Aufnahme eines zweiten Kältemittels (M‘) aufweist, wobei über das mindestens eine dritte Rohr (33) das zweite Kältemittel (M‘) von dem unteren Abschnitt (6a) des Mantelraum (6) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraums (6) führbar ist, und wobei das mindestens eine dritte Rohr (33) mit einer aus dem oberen Abschnitt (6b) des Mantelraums (6) herausgeführten weiteren Leitung (43) strömungsverbunden ist, so dass das zweite Kältemittel (M‘) über die weitere Leitung (43) aus dem10. Heat exchanger according to one of Claims 3, 5, 7, characterized in that the tube bundle (3) has at least one third tube (33) for receiving a second refrigerant (M'), with the at least one third tube (33) the second refrigerant (M') can be guided from the lower section (6a) of the shell space (6) into the upper section (6b) of the shell space (6), and wherein the at least one third tube (33) is connected to one of the upper section (6b) of the jacket space (6) leading out further line (43) flow-connected, so that the second refrigerant (M ') via the further line (43) from the
Wärmeübertrager (1) abziehbar ist, und wobei die weitere Leitung (43) über ein Ventil (53) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraumes (6) zurückgeführt ist, so dass das zweite Kältemittel (M‘) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraumes (6) eindüsbar ist. Heat exchanger (1) is removable, and wherein the further line (43) via a valve (53) in the upper section (6b) of the shell space (6) is returned, so that the second refrigerant (M ') in the upper section ( 6b) of the jacket space (6) can be injected.
11. Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 10 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (3) zumindest ein viertes Rohr (34) zur Aufnahme des zu kühlenden Prozessmediums (P), insbesondere Erdgas, aufweist, wobei über das mindestens eine vierte Rohr (34) das Prozessmedium (P) von dem unteren Abschnitt (6a) des Mantelraums (6) in den oberen Abschnitt (6b) des Mantelraums (6) führbar ist. 11. Heat exchanger according to Claim 2 or one of Claims 3 to 10 insofar as it refers back to Claim 2, characterized in that the tube bundle (3) has at least one fourth tube (34) for receiving the process medium (P) to be cooled, in particular natural gas, wherein the process medium (P) can be guided from the lower section (6a) of the jacket space (6) into the upper section (6b) of the jacket space (6) via the at least one fourth pipe (34).
12. Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem Prozessmedium (P) und zumindest einem ersten Kältemittel (M) unter Verwendung eines Wärmeübertragers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Kältemittel (M) über die Düsen (31a) der ersten Rohre (31) in den Mantelraum (6) eingedüst wird. 12. A method for indirect heat transfer between a process medium (P) and at least one first refrigerant (M) using a heat exchanger (1) according to any one of the preceding claims, wherein the the first refrigerant (M) is injected into the shell space (6) via the nozzles (31a) of the first tubes (31).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Verteilung des ersten Kältemittels (M) im Mantelraum (6) durch Stellen der den ersten Rohren (31) zugeordneten Ventile13. The method according to claim 12, wherein a distribution of the first refrigerant (M) in the jacket space (6) by setting the valves associated with the first tubes (31).
(51) sowohl in vertikaler Richtung (z) als auch in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (3) beeinflusst wird. (51) is influenced both in the vertical direction (z) and in the radial direction (R) of the tube bundle (3).
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Verteilung des ersten Kältemittels (M) im Mantelraum (6) durch Stellen der den weiteren ersten Rohren14. The method according to claim 12 or 13, wherein a distribution of the first refrigerant (M) in the jacket space (6) by placing the other first tubes
(31 ‘) zugeordneten Ventile (54) sowohl in vertikaler Richtung (z) als auch in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (3) beeinflusst wird. (31 ') associated valves (54) is influenced both in the vertical direction (z) and in the radial direction (R) of the tube bundle (3).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Eindüsen des ersten Kältemittels (M) über die zweite Leitung (42) in den oberen Abschnitt (6b) des15. The method according to any one of claims 12 to 14, wherein an injection of the first refrigerant (M) via the second line (42) in the upper portion (6b) of
Mantelraumes (6) durch Stellen des zweiten Ventils (52) beeinflusst wird. Jacket space (6) is influenced by positions of the second valve (52).
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