EP4521051A1 - Doppelrohrwärmetauscher, herstellungsverfahren, verwendung und wasserstofftankstelle - Google Patents

Doppelrohrwärmetauscher, herstellungsverfahren, verwendung und wasserstofftankstelle Download PDF

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EP4521051A1
EP4521051A1 EP23020418.2A EP23020418A EP4521051A1 EP 4521051 A1 EP4521051 A1 EP 4521051A1 EP 23020418 A EP23020418 A EP 23020418A EP 4521051 A1 EP4521051 A1 EP 4521051A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
double
base body
longitudinal axis
tube
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23020418.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Schaefer
Armin Lachermeier
Rosiel Milan-Elias
Lukas Schanda
Andreas Janzen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to PCT/EP2024/025248 priority patent/WO2025051388A1/de
Priority to AU2024338643A priority patent/AU2024338643A1/en
Priority to CN202480055300.1A priority patent/CN121752863A/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28F2275/20—Fastening; Joining with threaded elements

Definitions

  • the invention relates to a double-tube heat exchanger for heating a cryogenic fluid, in particular cryogenic hydrogen, a method for producing such a double-tube heat exchanger, a use of such a double-tube heat exchanger, and a hydrogen filling station with such a double-tube heat exchanger.
  • cryogenic fluids such as hydrogen
  • the cryogenic fluid often needs to be heated.
  • An example of this is a hydrogen refueling station, where hydrogen is initially in liquid form at approximately -253°C and then needs to be heated before refueling a vehicle.
  • Heat exchangers can be used to heat fluids in general.
  • One type of heat exchanger is a double-tube heat exchanger, in which an inner tube is surrounded by an outer tube.
  • the fluid to be heated can be carried in the inner tube, while the heat exchange medium can be contained in a space between the inner and outer tubes.
  • Another type of heat exchanger is a medium-to-air heat exchanger, or in this specific case, a hydrogen-to-air heat exchanger.
  • various problems can arise here too. Due to the low heat transfer coefficient, very large dimensions are generally unacceptable for applications such as hydrogen refueling stations. Continuous operation is generally not possible due to icing, which leads to the use of redundant heat exchangers for recuperative operation. Vapor clouds at the heat exchangers are also generally unacceptable for applications such as hydrogen refueling stations. In addition, at low hydrogen temperatures, a significant amount of energy is lost to the air and cannot be used in the downstream refueling process, which leads to high electricity costs and thus reduces the overall efficiency of hydrogen refueling stations.
  • the invention relates to the heating of a cryogenic fluid, in particular cryogenic hydrogen, using a heat exchanger, as well as the specific application thereof, in particular in hydrogen filling stations.
  • the invention relates to a double-tube heat exchanger for heating a cryogenic fluid, in particular cryogenic hydrogen.
  • the double-tube heat exchanger comprises an outer tube and an inner tube arranged within the outer tube.
  • the inner tube is arranged concentrically within the outer tube.
  • the inner tube is configured for the flow of the cryogenic fluid, while a space between the inner tube and the outer tube is configured for the flow of a heat exchange medium.
  • a double-tube heat exchanger may have an inlet port for the cryogenic fluid connected to the inner tube, as well as an outlet port for the cryogenic fluid, also connected to the inner tube.
  • the double-tube heat exchanger may have an inlet port for the heat exchange medium connected to the intermediate space, as well as an outlet port for the heat exchange medium, also connected to the intermediate space.
  • the double-pipe heat exchanger has an intermediate piece (or a so-called inner part) that surrounds the inner pipe and is arranged in the intermediate space.
  • the intermediate piece has an at least substantially cylindrical base body with a longitudinal axis, wherein the base body has a through-opening along the longitudinal axis through which the inner pipe is guided.
  • the intermediate piece On an outer side of the base body, the intermediate piece has fins (or ribs) that run at least substantially parallel to the longitudinal axis (of the base body) and are aligned radially to the longitudinal axis.
  • the intermediate piece is clamped onto the inner pipe.
  • the intermediate piece allows for efficient and cost-effective heating of a cryogenic fluid using a double-tube heat exchanger, as the intermediate piece enables efficient heat transfer between the cryogenic fluid to be heated and the heat exchange medium.
  • the double-tube heat exchanger can also be used for heating a cryogenic fluid at high pressures, e.g., pressures of more than 500 bar or even more than 900 bar (each calculated at room temperature).
  • the double-tube heat exchanger or At least the inner pipe can be designed for PN 500, PN 900, or even PN 1000 (a pressure resistance of 500 bar, 900 bar, or 1000 bar, respectively, at room temperature).
  • the clamping ensures a secure and good thermal connection between the inner pipe and the intermediate piece.
  • the fins or ribs of the intermediate piece allow for even more efficient heat transfer while maintaining a compact design.
  • the number of fins can be selected depending on the situation or application, and the required or desired heat transfer.
  • the fins prefferably be formed integrally with the base body. This allows for a stable and robust intermediate piece and efficient and good heat transfer between the fins and the base body.
  • Stainless steel is particularly suitable as a material for the fins and/or the base body, i.e., the fins and/or the base body can be made of stainless steel or even be made of stainless steel.
  • Stainless steel allows for sufficiently easy processing, has sufficiently good thermal conductivity and heat capacity, and is also suitable for cryogenic temperatures down to -253°C.
  • the base body has a gap that runs at least substantially parallel to the longitudinal axis and is aligned radially to the longitudinal axis, and that extends radially from the through-opening outwards through the base body.
  • the base body is not a solid cylindrical shell, but rather has a C-shaped cross-section. This allows, on the one hand, the inner tube to be easily inserted into the through-opening and, on the other hand, the base body or intermediate piece to then be firmly clamped onto the inner tube.
  • the intermediate piece has one or more clamping means, in particular screws, by means of which the base body is clamped in the region of the gap, so that the intermediate piece is clamped onto the inner tube.
  • the base body can, for example, have one or more through-holes for the clamping means or screws, wherein the one or more through-holes extend across the gap.
  • the gap can therefore be reduced during clamping, whereby the base body is securely clamped to the inner tube.
  • the base body has a further gap that runs at least substantially parallel to the longitudinal axis and is aligned radially to the longitudinal axis, and that extends radially from the through-opening outward through only a portion of the base body.
  • the further gap is aligned at least substantially parallel to the (above-mentioned) gap.
  • the proposed design allows freezing of the heat exchange medium, so that fluids such as potassium formate and/or glycol can be used as the heat exchange medium, which makes the heating process using the double-pipe heat exchanger safer compared to, for example, systems using oil as the heat exchange medium.
  • Such heat exchange media can be used to heat cryogenic fluid. Once the heat exchange medium has cooled, it can be stored and used in a subsequent process step, e.g., to cool hydrogen elsewhere, such as at a hydrogen refueling station. This increases the overall efficiency of the entire system, e.g., the hydrogen refueling station.
  • a double-pipe heat exchanger 100 according to the invention is schematically shown in a preferred embodiment in a sectional view, which can be used to heat a cryogenic fluid a, such as cryogenic hydrogen, which is supplied to the double-pipe heat exchanger 100.
  • the basic principle of the double-pipe heat exchanger 100 corresponds to a conventional double-pipe heat exchanger,
  • the double-pipe heat exchanger 100 has an inner pipe 110 through which the cryogenic fluid a to be heated is guided.
  • the cryogenic fluid a is supplied via an inlet opening 112 and then passed through the inner pipe 110 to an outlet opening 114, through which the cryogenic fluid a is led out of the double-pipe heat exchanger 100.
  • the inlet opening 112 and the outlet opening 114 can each be designed, for example, as a flange or as part of a flange.
  • the double-pipe heat exchanger 100 further comprises an outer pipe 120, wherein the inner pipe 110 is arranged, in particular concentrically, within the outer pipe 120.
  • a longitudinal axis L is shown, to which the inner pipe 110 and the outer pipe 120 are arranged concentrically.
  • the outer pipe 120 can, for example, have a flange 126 or 128 at each end, through which the inner pipe 110 is guided.
  • FIGS. 2a and 2b a part of a double-pipe heat exchanger according to the invention is shown in a further preferred embodiment, namely an intermediate part 240.
  • the intermediate part 240 can in particular correspond to the intermediate part 140 according to Figure 1 correspond.
  • Figure 2a a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis L and Figure 2b shows a perspective view.
  • the through-opening 246 can be created, for example, as a bore in the base body 242, the gap 248 and the further gap 250 can then be introduced, for example, by a cut in the radial direction into the base body 242.
  • the hydrogen filling station 300 may, for example, have a double-pipe heat exchanger 320 through which the cryogenic hydrogen a is passed in order to heat it.
  • the double-pipe heat exchanger 320 may, for example, be the one shown in Figure 1
  • the double-pipe heat exchanger shown here is being considered. This allows for efficient and cost-effective operation of the hydrogen filling station 300.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelrohrwärmetauscher zum Erwärmen eines kryogenen Fluids, insbesondere kryogenen Wasserstoffs, aufweisend ein äußeres Rohr und ein innerhalb des äußeren Rohrs angeordnetes inneres Rohr, wobei das innere Rohr für einen Durchfluss des kryogenen Fluids eingerichtet ist, und wobei ein Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr für einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums eingerichtet ist, wobei der Doppelrohrwärmetauscher weiterhin ein Zwischenstück (240) aufweist, das das innere Rohr umgibt und in dem Zwischenraum angeordnet ist, wobei das Zwischenstück (240) einen zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper (242) mit einer Längsachse (L) aufweist, wobei der Grundkörper (242) entlang der Längsachse (L) eine Durchgangsöffnung (246) aufweist, durch die das innere Rohr geführt ist, wobei das Zwischenstück (240) an einer Außenseite des Grundkörpers (242) Lamellen (244) aufweist, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse (L) verlaufen und radial zur Längsachse (L) ausgerichtet sind, und wobei das Zwischenstück (240) auf das innere Rohr geklemmt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Doppelrohrwärmetauscher zum Erwärmen eines kryogenen Fluids, insbesondere kryogenen Wasserstoffs, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Doppelrohrwärmetauschers, eine Verwendung eines solchen Doppelrohrwärmetauschers, sowie eine Wasserstofftankstelle mit einem solchen Doppelrohrwärmetauscher.
  • In Anwendungen oder Anlagen, bei denen kryogene Fluid wie z.B. Wasserstoff zum Einsatz kommen, muss das kryogene Fluid häufig erwärmt werden. Ein Beispiel hierzu ist eine Wasserstofftankstelle, in der Wasserstoff zunächst z.B. in flüssiger Form bei ca. -253°C vorliegt und dann vor dem Betanken eines Fahrzeugs erwärmt werden muss.
  • Zum Erwärmen von Fluid im Allgemeinen können Wärmetauscher (oder Wärmeübertrager) verwendet werden. Eine Art von Wärmetauscher sind sog. Doppelrohrwärmetauscher, bei denen ein inneres Rohr von einem äußeren Rohr umgegeben ist. Ein zu erwärmendes Fluid kann z.B. im inneren Rohr geführt werden, das Wärmeaustauschmedium hingegen in einem Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr.
  • Für den Einsatz von Doppelrohrwärmetauschern in kryogenen Anwendungen, insbesondere kryogenen Hochdruckanwendungen ergeben sich jedoch verschiedene Probleme. Aufgrund des hohen Drucks (bis zu PN 1000, d.h. 1000bar bei Raumtemperatur) muss die Wanddicke des inneren Rohrs (in dem z.B. der Wasserstoff geführt wird) sehr groß sein, was zu einem hohen thermischen Widerstand und zu hohen Anforderungen sowie Aufwänden für die Produktion bei der Herstellung und Verbindung der Rohre (insbesondere Schweißnähte) führt. Aufgrund der sehr niedrigen kryogenen Temperaturen im inneren Rohr (bei kryogenem Wasserstoff bis zu -253 °C) kommt es zu starker Vereisung von gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgerflüssigkeiten im Ringraumbereich (Zwischenraum) des Doppelrohrs.
  • Dies kann oder wird häufig zu einer Verstopfung des Rohrs und einem Anstieg des Druckverlusts sowie zu einer Verringerung der Wärmeübertragung zwischen den Medien führen.
  • Eine andere Art von Wärmetauscher sind sog. Medium-Luft-Wärmetauscher oder im konkreten Fall Wasserstoff-Luft-Wärmetauscher. Auch hier können sich jedoch verschiedene Probleme ergeben. Aufgrund des niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten sind sehr große Abmessungen für Anwendungen z.B. bei Wasserstofftankstellen in der Regel nicht akzeptabel. Aufgrund der Vereisung ist in der Regel kein Dauerbetrieb möglich, was zum Einsatz redundanter Wärmetauscher für den rekuperativen Betrieb führt. Dampfwolken an den Wärmetauschern sind für Anwendungen z.B. bei Wasserstofftankstellen in der Regel ebenfalls nicht akzeptabel. Zudem geht bei niedriger Temperatur des Wasserstoffs ein nicht unerheblicher Teil an Energie an die Luft verloren und kann im nachgeschalteten Tankstellenprozess nicht genutzt werden, was zu hohen Stromkosten führt und somit die Gesamteffizienz von Wasserstofftankstellen verringert.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Erwärmen eines kryogenen Fluids, insbesondere kryogenen Wasserstoffs, möglichst kosten- und energieeffizient zu gestalten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch einen Doppelrohrwärmetauscher, ein Verfahren zum Herstellen eines Doppelrohrwärmetauschers, eine Verwendung eines Doppelrohrwärmetauschers, sowie eine Wasserstofftankstelle mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Erwärmen eines kryogenen Fluids, insbesondere kryogenen Wasserstoffs, unter der Verwendung eines Wärmetauschers, sowie die konkrete Anwendung hiervon, insbesondere bei Wasserstofftankstellen.
  • Die Erfindung betrifft in einer Ausführungsform einen Doppelrohrwärmetauscher zum Erwärmen eines kryogenen Fluids, insbesondere kryogenen Wasserstoffs. Der Doppelrohrwärmetauscher weist ein äußeres Rohr und ein innerhalb des äußeren Rohrs angeordnetes inneres Rohr auf. Typischerweise ist das innere Rohr konzentrisch innerhalb des äußeren Rohres angeordnet. Das innere Rohr ist dabei für einen Durchfluss des kryogenen Fluids eingerichtet, ein Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr hingegen ist für einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums eingerichtet.
  • Wie für einen Doppelrohrwärmetauscher üblich, kann dieser eine Einlassöffnung für das kryogene Fluid aufweisen, die an das innere Rohr angebunden ist, sowie eine Auslassöffnung für das kryogene Fluid, die ebenfalls an das innere Rohr angebunden ist. Weiterhin kann der Doppelrohrwärmetauscher eine Einlassöffnung für das Wärmeaustauschmedium aufweisen, die an den Zwischenraum angebunden ist, sowie eine Auslassöffnung für das Wärmeaustauschmedium, die ebenfalls an den Zwischenraum angebunden ist.
  • Weiterhin weist der Doppelrohrwärmetauscher ein Zwischenstück (oder ein sog. Innenteil) auf, das das innere Rohr umgibt und in dem Zwischenraum angeordnet ist. Das Zwischenstück weist einen zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper mit einer Längsachse auf, wobei der Grundkörper entlang der Längsachse eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die das innere Rohr geführt ist. An einer Außenseite des Grundkörpers weist das Zwischenstück Lamellen (oder Rippen) auf, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse (des Grundkörpers) verlaufen und radial zur Längsachse ausgerichtet sind. Zudem ist das Zwischenstück auf das innere Rohr geklemmt.
  • Das Zwischenstück erlaubt eine effiziente und kostengünstige Erwärmung eines kryogenen Fluids mittels eines Doppelrohrwärmetauscher, da das Zwischenstück eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem zu erwärmenden kryogenen Fluid und dem Wärmeaustauschmedium erlaubt. Dadurch, dass das Zwischenstück auf das inneren Rohr geklemmt ist, und nicht etwa damit verschweißt ist, kann der Doppelrohrwärmetauscher auch für das Erwärmen eines kryogenen Fluids mit hohen Drücken verwendet werden, z.B. Drücke von mehr als 500 bar oder auch mehr als 900 bar (jeweils auf Raumtemperatur gerechnet). Der Doppelrohrwärmetauscher oder zumindest das innere Rohr kann also auf PN 500 oder PN 900 oder auch PN 1000 (eine Druckfestigkeit von 500 bar, 900 bar bzw. 1000 bar, jeweils bei Raumtemperatur) ausgelegt sein. Die Klemmung gewährleistet dabei eine sichere und gute thermische Verbindung zwischen innerem Rohr und Zwischenstück.
  • Die Lamellen bzw. Rippen des Zwischenstücks erlauben eine noch effizientere Wärmeübertragung, bei einem zugleich kompakten Design. Eine Anzahl der Lamellen kann dabei z.B. je nach Situation oder Anwendung und erforderlicher oder gewünschter Wärmeübertragung gewählt werden.
  • Zweckmäßig ist es, wenn die Lamellen mit dem Grundkörper einstückig ausgebildet sind. Dies erlaubt ein stabiles und robustes Zwischenstück und eine effiziente und gute Wärmeübertragung zwischen Lamellen und Grundkörper. Als Material für die Lamellen und/oder den Grundkörper eignet sich Edelstahl besonders gut, d.h. die Lamellen und/oder er Grundkörper können Edelstahl aufweisen oder sogar aus Edelstahl hergestellt sein. Edelstahl erlaubt eine hinreichend einfache Verarbeitung, hat eine hinreichend gute Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität und ist auch für kryogene Temperaturen von bis zu -253°C geeignet.
  • In einer Ausführungsform weist der Grundkörper einen Spalt auf, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse verläuft und radial zur Längsachse ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung nach außen durch den Grundkörper hindurch erstreckt. Damit ist der Grundkörper kein voller Zylindermantel, sondern weist einen Querschnitt in Form eines C auf. Dies erlaubt es einerseits, das innere Rohr einfach in die Durchgangsöffnung einzubringen und andererseits, den Grundkörper bzw. das Zwischenstück danach fest auf das innere Rohr zu klemmen. Vorzugsweise weist das Zwischenstück eine oder mehrere Klemmmittel, insbesondere Schrauben, auf, mittels welcher der Grundkörper im Bereich des Spaltes geklemmt ist, sodass das Zwischenstück auf das innere Rohr geklemmt ist. Hierzu kann der Grundkörper z.B. eines oder mehrere Durchgangslöcher für die Klemmmittel bzw. Schrauben aufweisen, wobei sich das eine oder die mehreren Durchgangslöcher über den Spalt hinweg erstrecken. Im Falle von Schrauben kann der Spalt beim Klemmen also verringert werden, wodurch sich der Grundkörper sicher mit dem inneren Rohr verklemmt wird.
  • In einer Ausführungsform weist der Grundkörper einen weiteren Spalt auf, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse verläuft und radial zur Längsachse ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung nach außen durch nur einen Teil des Grundkörpers hindurch erstreckt. Dabei ist der weitere Spalt zumindest im Wesentlichen parallel zu dem (vorstehend erwähnten) Spalt ausgerichtet. Dies erlaubt eine einfachere und bessere Verklemmung des Zwischenstücks bzw. Grundkörpers am inneren Rohr, und erhöht so Wärmeübertragung auch bei hohen Drücken des kryogenen Fluids im inneren Rohr.
  • In einer Ausführungsform beträgt ein Verhältnis eines Durchmessers des Grundkörpers zu einem Durchmesser der Durchgangsöffnung, jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsachse, zwischen 1,5 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5,. In einer Ausführungsform beträgt ein Verhältnis eines Durchmessers des Zwischenstücks einschließlich der Lamellen zu einem Durchmesser des Grundkörpers, jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsachse, zwischen 1,1 und 2, insbesondere zwischen 1, 1 und 1,5. Die konkret zu wählenden Werte für diese Verhältnisse (insbesondere für das erstgenannte Verhältnis), also eine Dicke des Grundkörpers, kann vom erforderlichen Wärmewiderstand abhängen, um ein Einfrieren zu verhindern. Die Anzahl der Lamellen bzw. Rippen sowie die Abmessungen (also das zweitgenannte Verhältnis) können hängen von der erforderlichen Heizfläche abhängen. Mit den genannten Werten der Verhältnisse lässt sich jedoch insbesondere für kryogene Fluide wie Wasserstoff, die es zu erwärmen gilt, auch bei hohen Drücken eine gute Effizient erreichen.
  • Längsrippenrohre werden üblicherweise in Anwendungen mit viskosen Flüssigkeiten verwendet. Die Finnen wurden hinzugefügt, um ein kompakteres Design zu erzielen. Da das Innenteil geklemmt ist, kann es für Hochdrucksysteme verwendet werden.
  • Durch das vorgeschlagene Design kann ein Gefrieren des Wärmeaustauschmediums erreicht werden, sodass als Wärmeaustauschmedium z.B. Fluide wie Kaliumformiat und/oder Glykol verwendet werden können, was den Prozess des Erwärmens mittels des Doppelrohrwärmetauscher im Vergleich zu z.B. Systemen mit Öl als Wärmeaustauschmedium sicherer macht.
  • Mit solchen Wärmeaustauschmedium kann kryogenes Fluid erwärmt werden. Sobald das Wärmeaustauschmedium abgekühlt ist, kann es gespeichert und in einer weiteren Prozessstufe z.B. zum Abkühlen von Wasserstoff an anderer Stelle, z.B. an anderer Stelle einer Wasserstofftankstelle, verwendet werden. Damit steigt die Gesamteffizient des gesamten Systems, also z.B. der Wasserstofftankstelle
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1
    zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauscher in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 2a
    zeigt schematisch einen Teil eines erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschers in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 2b
    zeigt schematisch den Teil des erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschers aus Figur 2a in einer anderen Ansicht.
    Figur 3
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Wasserstofftankstelle in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Doppelrohrwärmetauscher 100 in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Schnittansicht schematisch dargestellt, der zum Erwärmen eines kryogenen Fluids a wie z.B. kryogenem Wasserstoff, das dem Doppelrohrwärmetauscher 100 zugeführt wird, verwendet werden kann. Das Grundprinzip des Doppelrohrwärmetauschers 100 entspricht dabei einem herkömmlichen Doppelrohrwärmetauschers,
  • Der Doppelrohrwärmetauscher 100 weist ein inneres Rohr 110 auf, durch die das zu erwärmende kryogene Fluid a geführt bzw. geleitet wird. Hierzu wird das kryogene Fluid a über eine Einlassöffnung 112 zugeführt und dann durch das innere Rohr 110 zu einer Auslassöffnung 114 geführt, über die das kryogene Fluid a aus dem Doppelrohrwärmetauscher 100 herausgeführt werden. Die Einlassöffnung 112 und die Auslassöffnung 114 können z.B. jeweils als ein Flansch oder als Teil eines Flansches ausgebildet sein.
  • Der Doppelrohrwärmetauscher 100 weist weiterhin ein äußeres Rohr 120 auf, wobei das innere Rohr 110 innerhalb des äußeren Rohrs 120 angeordnet ist, insbesondere konzentrisch. Beispielhaft ist eine Längsachse L gezeigt, zu der das innere Rohr 110 und das äußere Rohr 120 konzentrisch angeordnet sind. Das äußere Rohr 120 kann z.B. jeweils einen Flansch 126 bzw. 128 an jedem Ende aufweisen, durch den das innere Rohr 110 geführt ist.
  • Ein Zwischenraum 130 zwischen dem inneren Rohr 110 und dem äußeren Rohr 120 ist für einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums b eingerichtet. Hierzu kann das äußere Rohr 120 eine Einlassöffnung 122 aufweisen, durch die das Wärmeaustauschmedium b in den Zwischenraum 130 einbringbar ist, und eine Auslassöffnung 124, durch die das Wärmeaustauschmedium b wieder aus dem Zwischenraum 130 ausbringbar ist. Beispielsind die Einlassöffnung 122 und die Auslassöffnung 124 in radialer Richtung (bezogen auf die Längsachse L) angeordnet, ebenso können die die Einlassöffnung 122 und/oder die Auslassöffnung 124 in jeweils einem der Flansche 126, 128 angeordnet sein, und damit insbesondere auch in Längsrichtung.
  • In dem Zwischenraum 130 ist nun ein Zwischenstück 140 angeordnet. Das Zwischenstück 140 umgibt das innere Rohr 110 und weist einen zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper mit einer Längsachse auf, wobei die Längsachse der Längsachse L des Doppelrohrwärmetauschers 100 entsprechen kann.
  • Der hier gezeigte Doppelrohrwärmetauscher 100 soll nur beispielhaft der Erläuterung der Erfindung dienen; ein Doppelrohrwärmetauscher kann ebenso anders ausgestaltet sein, z.B. kann es mehrere separate äußere Rohre geben, die voneinander beanstandet ein - dann längeres - inneres Rohr umgeben, und damit auch mehrere Zwischenräume bilden, in denen jeweils ein Zwischenstück angeordnet ist. Das Wärmeaustauschmedium b kann dann z.B. von einem zum nächsten Zwischenraum geleitet werden. Das längere innere Rohr kann dann auch mehrmals gebogen sein, wenngleich Abschnitte, in denen es von einem äußeren Rohr umgeben ist, gerade sein sollten.
  • In den Figuren 2a und 2b ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Doppelrohrwärmetauschers in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar ein Zwischenteil 240. Das Zwischenteil 240 kann insbesondere dem Zwischenteil 140 gemäß Figur 1 entsprechen. Dabei zeigt Figur 2a eine Querschnittsansicht denkrecht zur Längsachse L und Figur 2b zeigt eine perspektivische Ansicht.
  • Das Zwischenteil 240 weist einen Grundkörper 242 auf, der entlang der Längsachse L eine Durchgangsöffnung 246, z.B. eine Bohrung, aufweist, durch die das innere Rohr geführt ist, wie z.B. in Figur 1 gezeigt. Zudem weist das Zwischenstück 240 an einer Außenseite des Grundkörpers 242 Lamellen 244 auf, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse L verlaufen und radial zur Längsachse ausgerichtet sind. Die Lamellen 244 können z.B. gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sein. Eine Dicke bzw. Breite b der Lamellen 244 in Umfangsrichtung kann je nach Bedarf gewählt sein.
  • Die Anzahl der Lamellen 244 beträgt hier beispielhaft 24, kann jedoch ebenfalls je nach Bedarf gewählt werden. Die Lamellen können dem Grundkörper einstückig ausgebildet sein. Hierzu können aus einem vollen Zylinder z.B. geeignete Bereiche ausgefräst werden, um die Lamellen auszubilden. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, die Lamellen an den Grundkörper anzubringen, z.B. anzuschweißen.
  • Zudem weist der Grundkörper 242 einen Spalt 248 auf, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse L verläuft und radial zur Längsachse L ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung 246 nach außen durch den Grundkörper 242 hindurch erstreckt. Beispielhaft weist der Grundkörper 242 einen weiteren Spalt 248 auf, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse L verläuft und radial zur Längsachse L ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung 242 nach außen durch nur einen Teil, z.B. die Hälfte der Dicke, des Grundkörpers hindurch erstreckt, und der zumindest im Wesentlichen parallel zu dem Spalt 248 ausgerichtet ist. Der weitere Spalt 250 kann z.B. als Fortführung des Spalts 248 angesehen werden.
  • Bei der Herstellung des Zwischenstücks kann die Durchgangsöffnung 246 z.B. als Bohrung in dem Grundkörper 242 erstellt werden, der Spalt 248 sowie der weitere Spalt 250 können dann z.B. durch einen Schnitt in radialer Richtung in den Grundkörper 242 eingebracht werden.
  • Weiterhin weist der Grundkörper 242 beispielhaft drei Durchgangslöcher 252 für Schrauben 260 als Klemmmittel auf. Die Durchgangslöcher 252 erstrecken sich, wie insbesondere in Figur2 a zu sehen, über den Spalt 248 hinweg. Die Schrauben 260 können in die jeweiligen Durchgangslöcher 252 eingebracht und - nachdem das innere Rohr in das Durchgangsloch 246 eingeführt ist, verschraubt werden, um den Grundkörper 242 bzw. das Zwischenstück 240 mit dem inneren Rohr zu verklemmen. Dabei können z.B. Schrauben mit Muttern verwendet werde, ebenso denkbar ist, dass ein Teil der Durchgangslöcher jeweils ein entsprechendes Gewinde aufweist.
  • Wie in den Figuren 2a, 2b ebenfalls zu sehen, kann der Grundkörper 242 im Bereich der Durchgangslöcher entsprechend geformt sein, z.B. durch geeignete Ausnehmungen, um die Schrauben oder allgemein Klemmmittel auf geeignete Weise an- oder einbringen zu können. Beispielhaft ist eine solche Ausnehmung 254 in Figur 2a gezeigt.
  • In Figur 2a sind ein Durchmesser d1 der Durchgangsöffnung 246, ein Durchmesser d2 des Grundkörpers 242 sowie ein Durchmesser d3 des Zwischenstücks 240 einschließlich der Lamellen 244 gezeigt. Dabei kann Verhältnis von d2 zu d1 z.B. zwischen 1,5 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5, betragen. Ein Verhältnis von d3 zu d2 kann z.B. zwischen 1,1 und 2, insbesondere zwischen 1, 1 und 1,5, betragen. Konkrete Werte können aber z.B. je nach Bedarf und gewünschte Wärmeübertragung gewählt werden, wie schon erwähnt.
  • Eine Länge des Zwischenstücks entlang der Längsachse L kann ebenfalls je nach Bedarf gewählt werden, wobei aber z.B. eine Länge, die etwas kürzer ist, als der durch das äußere Rohr gebildete Zwischenraum 130 (vgl. Figur 1) zweckmäßig sein kann. erfindungsgemäßen Anlage 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Es handelt sich hierbei um ein vereinfachtes Verfahrensschema. Dabei ist insbesondere ein konkretes Beispiel für eine als Wasserstofftankstelle ausgebildete Anlage 100 mit einem ionischen Verdichter als Verdichtungseinrichtung 130 und einem Befüllungssystem 140 gezeigt. Dabei dient die Anlage 100 zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff, wenngleich beispielhaft nur ein Fahrzeug 150 gezeigt ist.
  • In Figur 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Wasserstofftankstelle 300 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Wasserstofftankstelle 300 weist beispielhaft ein Speichersystem 310 für kryogenen Wasserstoff auf, sowie einen Dispenser oder eine Bereitstellungseinrichtung 330, an die ein Fahrzeug 340 angeschlossen werden kann. Der kryogene Wasserstoff a soll vom Speichersystem 310 zum Dispenser 330 und von dort dann zum Fahrzeug 340 bzw. dessen Tank gebracht werden.
  • Hierbei ist typischerweise eine Erwärmung des kryogenen Wasserstoffs a erforderlich, wozu die Wasserstofftankstelle 300 z.B. eine Doppelrohrwärmetauscher 320 aufweisen kann, durch den der kryogene Wasserstoff a geführt wird, um ihn zu erwärmen. Als Doppelrohrwärmetauscher 320 kommt z.B. der in Figur 1 gezeigte Doppelrohrwärmetauscher in Betracht. Dies erlaubt einen effizienten und kostengünstigen Betrieb der Wasserstofftankstelle 300.

Claims (14)

  1. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) zum Erwärmen eines kryogenen Fluids (a), insbesondere kryogenen Wasserstoffs, aufweisend ein äußeres Rohr (120) und ein innerhalb des äußeren Rohrs (120) angeordnetes inneres Rohr (110),
    wobei das innere Rohr (110) für einen Durchfluss des kryogenen Fluids (a) eingerichtet ist, und wobei ein Zwischenraum (130) zwischen dem inneren Rohr (110) und dem äußeren Rohr (120) für einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums (b) eingerichtet ist,
    wobei der Doppelrohrwärmetauscher (100) weiterhin ein Zwischenstück (140, 240) aufweist, das das innere Rohr (110) umgibt und in dem Zwischenraum (130) angeordnet ist,
    wobei das Zwischenstück (140, 240) einen zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper (242) mit einer Längsachse (L) aufweist,
    wobei der Grundkörper (242) entlang der Längsachse (L) eine Durchgangsöffnung (246) aufweist, durch die das innere Rohr (110) geführt ist,
    wobei das Zwischenstück (140, 240) an einer Außenseite des Grundkörpers (242) Lamellen (244) aufweist, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse (L) verlaufen und radial zur Längsachse (L) ausgerichtet sind, und
    wobei das Zwischenstück (140, 240) auf das innere Rohr (110) geklemmt ist.
  2. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (242) einen Spalt (248) aufweist, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse verläuft und radial zur Längsachse ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung nach außen durch den Grundkörper hindurch erstreckt.
  3. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach Anspruch 2, wobei das Zwischenstück (140, 240) eine oder mehrere Klemmmittel (260), insbesondere Schrauben, aufweist, mittels welcher der Grundkörper im Bereich des Spaltes geklemmt ist, sodass das Zwischenstück auf das innere Rohr geklemmt ist.
  4. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach Anspruch 3, wobei der Grundkörper (242) eines oder mehrere Durchgangslöcher (252) für die Klemmmittel aufweist, wobei sich das eine oder die mehreren Durchgangslöcher über den Spalt hinweg erstrecken.
  5. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Grundkörper (242) einen weiteren Spalt (250) aufweist, der zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse verläuft und radial zur Längsachse ausgerichtet ist, und der sich in radialer Richtung von der Durchgangsöffnung nach außen durch nur einen Teil des Grundkörpers hindurch erstreckt, und der zumindest im Wesentlichen parallel zu dem Spalt ausgerichtet ist.
  6. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (244) mit dem Grundkörper (242) einstückig ausgebildet sind.
  7. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis eines Durchmessers (d2) des Grundkörpers zu einem Durchmesser (d1) der Durchgangsöffnung, jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsachse, zwischen 1,5 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5, beträgt.
  8. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis eines Durchmessers (d3) des Zwischenstücks einschließlich der Lamellen zu einem Durchmesser (d2) des Grundkörpers, jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsachse, zwischen 1,1 und 2, insbesondere zwischen 1, 1 und 1,5, beträgt.
  9. Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das innere Rohr (110) auf wenigstens PN 500, insbesondere wenigstens PN 900, ausgelegt ist.
  10. Doppelrohrwärmetauscher (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Lamellen und/oder der Grundkörper Edelstahl aufweisen, insbesondere aus Edelstahl hergestellt sind
  11. Verfahren zum Herstellen eines Doppelrohrwärmetauschers (100, 320) zum Erwärmen eines kryogenen Fluids (a), insbesondere kryogenen Wasserstoffs, wobei der Doppelrohrwärmetauscher ein äußeres Rohr (120) und ein innerhalb des äußeren Rohrs angeordnetes inneres Rohr (110) aufweist,
    wobei das innere Rohr für einen Durchfluss des kryogenen Fluids vorgesehen wird, und wobei ein Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr für einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums vorgesehen wird
    wobei ein Zwischenstück (140, 240) vorgesehen wird, das das innere Rohr umgibt und in dem Zwischenraum angeordnet wird,
    wobei das Zwischenstück (140, 240) einen zumindest im Wesentlichen rohrförmigen Grundkörper mit einer Längsachse aufweist,
    wobei der Grundkörper entlang der Längsachse eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die das innere Rohr geführt wird,
    wobei das Zwischenstück an einer Außenseite des Grundkörpers Lamellen aufweist, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufen und radial zur Längsachse ausgerichtet sind, und
    wobei das Zwischenstück auf das innere Rohr geklemmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, zum Herstellen eines Doppelrohrwärmetauschers (100, 320) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  13. Verwendung eines Doppelrohrwärmetauschers (100, 320) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für eine oder in einer Wasserstofftankstelle.
  14. Wasserstofftankstelle (300) zum Betanken eines Fahrzeugs (340) mit Wasserstoff (a), aufweisend einen Doppelrohrwärmetauscher (100, 320) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Erwärmen des Wasserstoffs.
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