JP6890579B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
作動媒体を加熱または冷却するための熱交換器は、従来技術から広く知られている。以下では一般性を制限することなく、作業媒体の天然ガスをより詳細に考察する。地下貯留層からの天然ガスは、しばしば、特に高い割合の望ましくない付随物質、および特に高い水分量を含む。ここでは、さらなる目的のために使用する前に、天然ガスから付随物質および水分を除去することが望ましい。この目的のために、1つの可能性として、天然ガスを1つ以上のステップで適切な低温へ冷却することが示される。特にこの場合、天然ガスの液化が合目的的であり得る。
本発明では、第1の円筒管と、該第1の円筒管内を同軸に延びるねじ山付きスピンドルとを備えた熱交換器が提案されており、ここでは、第1の円筒管の内面が案内溝を有しており、ねじ山付きスピンドル上に、清掃要素が取り付けられており、それにより、この清掃要素は、ねじ山付きスピンドルの回転によって案内溝に沿って軸方向にシフトされる。この清掃要素は、第1の円筒管の内面とねじ山付きスピンドルとの間の熱伝達面上の堆積物を清掃するために使用される。この清掃要素は、タペットの形態でねじ山付きスピンドルに直接取り付けられるか、またはそれ自身がねじ山付きスピンドルに直接取り付けられたタペットに取り付けられる。第1の円筒管とねじ山付きスピンドルとの間の介在空間内を熱交換のために通流する作動媒体は、冒頭でも説明したように、特に冷却の際に堆積物を熱伝達面に残す。作動媒体としての天然ガスの場合、これらの堆積物は、特に付随物質および水からなる。前述した堆積物は、清掃要素によって取り上げられ、かつ/または運び去られ、または持ち去られ得る。つまり清掃のために、ねじ山付きスピンドルが操作され、これによって清掃要素が第1の円筒管の内部において軸方向にシフトされ、それによって堆積物が熱伝達面から除去され得る。そのような堆積物は、特にねじ山付きスピンドル上と熱交換器の軸方向に延びる案内溝上に生じる。清掃要素は、これらの面を清掃する。この清掃要素に対しては、好ましくは鋼、とりわけ特に焼き戻し鋼および非鉄金属からの合金、さらに冷間強靱ニッケル合金(インコネルなど)ならいに鋳造材料を使用することができる。
一般性を制限することなく熱交換に使用される冷却剤は、第1の円筒管の外面の周りを流れる。この目的のために好ましくは、熱交換器が第1の円筒管と同軸に配置された第2の円筒管を有している。この関係においてさらに合目的的には、冷却剤を、第2の円筒管と第1の円筒管との間の介在空間に流入もしくは当該介在空間から流出させるために、当該冷却剤用の入口開口部および出口開口部が存在している。同様に合目的的には、作動媒体を、第1の円筒管とねじ山付きスピンドルとの間の介在空間に流入もしくは当該介在空間から流出させるために、当該作動媒体用の入口開口部および出口開口部が存在している。
冷却媒体、好ましくは1〜15バールの液体窒素;
冷却媒体の温度範囲−163℃@15バール〜−196℃@1バール;
液化すべきO2の圧力、1バール〜50バール;
第1の液化温度@1バール、−183℃;
第2の液化温度@50バール、−119℃;
この冷却媒体の圧力は、それぞれ、冷却媒体の温度が常に作動媒体の温度よりも低くなるように選択される。
冷却媒体、好ましくは1〜2.2バールの液体ヘリウム;
冷却媒体の温度範囲、−267℃@2.2バール〜−268℃@1バール;
この冷却媒体の圧力は、それぞれ、冷却媒体の温度が常に作動媒体の温度よりも低くなるように選択される。
冷却媒体の温度範囲、−240℃@13バール〜−253℃@1バール、
冷却媒体として、液化すべき媒体と同じ媒体が使用される特殊なケースにおいては、冷却媒体の圧力は作動媒体の圧力よりも低くされなければならず、その結果、冷却剤の温度はより低い平衡点に基づきより低くなる。
第1の液化温度@1バール、−253℃;
第2の液化温度@13バール、−240℃。
冷却媒体、好ましくは1〜2.2バールの液体ヘリウム;
冷却媒体の温度範囲、−267℃@2.2bar〜−268℃@1バール;
冷却媒体として、液化すべき媒体と同じ媒体が使用される特殊なケースにおいては、冷却媒体の圧力は作動媒体の圧力よりも低くされなければならず、その結果、冷却剤の温度はより低い平衡点に基づきより低くなる。
第1の液化温度@1バール、−268℃;
第2の液化温度@2.2バール、−267℃。
図1は、特に天然ガスを冷却するために使用することができるような熱交換器13の一実施形態の縦断面を概略的に示す。この簡単な実施形態では、熱交換器13は、冷却コイル2を取り囲む外側円筒管1を備えている。この冷却コイル2は、自身の側で円筒管として実施されており、その外面に少なくとも1つの、好ましくは螺旋状の流路23を有しており、この流路23は、冷却剤の案内に用いられる。図2に示されているように、この流路23は、冷却コイル2の外面上の対応するコイル21によって形成される。中空円筒状の冷却コイルの内面は、案内溝もしくは輪郭溝22を有する。この少なくとも1つの案内溝22は、清掃要素またはリーマ12の案内に用いられる。
2 冷却コイル、第1の円筒管
3,3’ ねじ山付きスピンドル
4 駆動モータ
5 アキシャル/ラジアル軸受
6 位置測定手段
7 凝縮物貯蔵器、堆積物蓄積器
8 摺動軸受ブッシュ
9 加熱要素
10 クランプ装置
11 粒子障壁
12 リーマ、清掃要素
13 熱交換器
14 作動媒体入口開口部
15 作動媒体出口開口部
16 冷却剤入口開口部
17 冷却剤出口開口部
18 凝縮物排出口
21 コイル
22 案内溝、輪郭溝
23 流路
121 清掃要素の雌ねじ
122 外溝
123 凹部、切削加工部
31 ねじ山付きスピンドル3’のシャフト
32 摺動ブロック
Claims (17)
- 第1の円筒管(2)と、該第1の円筒管(2)内を同軸に延びるねじ山付きスピンドル(3)とを備えた熱交換器であって、
前記第1の円筒管(2)の内面が、案内溝(22)を有しており、
前記ねじ山付きスピンドル(3)上に、清掃要素(12)が取り付けられており、それにより、前記清掃要素(12)は、前記ねじ山付きスピンドル(3)の回転によって前記案内溝(22)に沿って軸方向に送られるようになっており、
前記熱交換器は、前記第1の円筒管(2)と同軸に配置された第2の円筒管(1)を備えており、
前記清掃要素(12)を用いて洗い流された汚染物質用の堆積物蓄積器(7)は、前記ねじ山付きスピンドル(3)と前記第1の円筒管(2)の内面との間の介在空間と、特に熱的に分離されて接続されており、
加熱要素(9)が存在しかつ前記堆積物蓄積器(7)内に存在する汚染物質を加熱できるように配置されている、熱交換器。 - 前記第1の円筒管(2)の外面は、軸方向に螺旋状に延びるコイル(21)を有している、請求項1記載の熱交換器。
- 前記清掃要素(12)は、実質的に中空円筒状に成形された清掃要素(12)として構成されており、前記清掃要素(12)の内面は、前記ねじ山付きスピンドル(3)のねじ山に対応する雌ねじ(121)を有しており、さらに前記清掃要素(12)の外面は、前記第1の円筒管(2)の内面の前記案内溝(22)に対応する外溝(122)を有している、請求項1または2記載の熱交換器。
- 前記清掃要素(12)は、その他の点では実質的に円筒状に成形された周面に凹部(123)を有しており、該凹部(123)は、前記軸方向に対して平行に延在している、請求項3記載の熱交換器。
- 前記凹部(123)は、前記清掃要素(12)内で周方向に等距離に配置されている、請求項4記載の熱交換器。
- 前記清掃要素(12)の前記雌ねじ(121)は、軸方向で拡大する直径を有している、請求項3から5までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 冷却剤を、前記第2の円筒管(1)と前記第1の円筒管(2)との間の介在空間に流入または当該介在空間から流出させるために、当該冷却剤用の入口開口部(16)および出口開口部(17)が存在している、請求項1から6までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 作動媒体を、前記第1の円筒管(2)と前記ねじ山付きスピンドル(3)との間の介在空間に流入または当該介在空間から流出させるために、当該作動媒体用の入口開口部(14)および出口開口部(15)が存在している、請求項1から7までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 位置測定手段(6)が存在しかつ前記清掃要素(12)の軸方向の位置を測定できるように配置されている、請求項1から8までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 前記ねじ山付きスピンドル(3)を駆動するために駆動モータ(4)が存在しており、さらに該駆動モータ(4)と、前記ねじ山付きスピンドル(3)と前記第1の円筒管(2)の内面との間の前記介在空間との間に、粒子障壁(11)が存在している、請求項1から9までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 前記ねじ山付きスピンドル(3)は、ねじ山輪郭として台形輪郭を有している、請求項1から10までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 前記ねじ山付きスピンドル(3’)は、ねじ山として交差形ねじ山を有する、請求項1から10までのいずれか1項記載の熱交換器。
- 前記ねじ山付きスピンドル(3’)の前記交差形ねじ山のねじ溝に、摺動ブロック(32)が摺動可能に支承されており、該摺動ブロック(32)は、前記清掃要素(12)と接続されている、請求項12記載の熱交換器。
- 直列に接続された複数の、請求項1から13までのいずれか1項記載の熱交換器を備えている熱交換器システム。
- 請求項1から13までのいずれか1項記載の熱交換器の使用であって、
ガスを液化するために、
第1の円筒管(2)に対して同軸に第2の円筒管(1)が配置され、
前記第1の円筒管と前記第2の円筒管との間に冷却剤が通流し、
前記第1の円筒管(2)とねじ山付きスピンドル(3)との間に、液化すべきガスを含む作動媒体が通流し、
前記冷却剤は、前記作動媒体よりも低い温度で通流し、
前記冷却剤の圧力および温度、ならびに前記作動媒体の圧力は、前記冷却剤との熱交換によって、前記作動媒体中の前記液化すべきガスが液化されるように設定される、熱交換器の使用。 - 前記冷却剤として、前記液化すべきガスと同じ媒体を使用し、前記冷却剤の圧力は、前記作動媒体の圧力より低く選択される、請求項15記載の使用。
- 前記作動媒体中の1つ以上の成分としての窒素、ヘリウム、酸素および/または水素を液化するための請求項15または16記載の使用。
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