WO2007014617A1 - Gewickelter wärmetauscher mit unterschiedlichen materialien - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a wound heat exchanger having a plurality of tubes wound around a core tube with a jacket defining an outer space around the tubes.
  • natural gas is continuously liquefied in large quantities.
  • the liquefaction of the natural gas is usually carried out by heat exchange with a refrigerant in wound heat exchangers.
  • wound heat exchangers many other applications of wound heat exchangers are known.
  • a wound heat exchanger In a wound heat exchanger several layers of tubes are helically wound on a core tube. Through the interior of at least a portion of the tubes, a first medium is passed, which occurs in heat exchange with a flowing in the outer space between the tubes and a surrounding jacket second medium. The tubes are brought together at the upper end of the heat exchanger in several groups and bundled led out of the outer space.
  • wound heat exchangers either of aluminum or of steel (stainless steel or special low-temperature steel).
  • the invention has for its object to produce such wound heat exchanger cheaper and / or to improve its process engineering properties.
  • This object is achieved in that a first and a second component of the wound heat exchanger made of different materials.
  • this principle is now deviated from and different materials are used in the same heat exchanger.
  • the construction of the heat exchanger can be further optimized, for example, in terms of volume, weight, strength and / or cost.
  • the first and the second component can be formed by one of the following components:
  • Tube sheets (tube collector)
  • Sheath which closes the heat exchanger to the outside as a pressure vessel Distributor for liquid and / or gas in the outer space of the pipes Bars between two pipe layers (spacers) Support arms for suspension of webs Shirt arranged between the jacket and the tubes
  • the jacket may be made of steel and the bundle or bundles of tubes may be made of aluminum.
  • a first component made of aluminum and the second component made of steel are made of steel.
  • aluminum is meant here both pure aluminum and any technically applicable aluminum alloy, for example with an aluminum content of 50% or more, preferably with an aluminum content of 80% or more.
  • steel is meant here all steel types, for example austenitic, ferritic, duplex, stainless and nickel steels.
  • the first component may comprise a group of tubes in a first tube layer and be made of aluminum;
  • a second component may comprise another group of tubes of the same or another tube layer and may be made of steel.
  • the connector is preferably made of the material of the first component as a base material and has a cladding of the material of the second component.
  • the connector can be welded to both the first component and the second component.
  • aluminum tubes are welded to a stainless steel tubesheet having aluminum cladding.
  • the invention also relates to the use of such a heat exchanger for carrying out an indirect heat exchange between a hydrocarbon-containing stream and at least one heat or cold fluid.
  • the hydrocarbon-containing stream is formed, for example, by natural gas.
  • the hydrocarbon-containing stream is liquefied in the indirect heat exchange, cooled, heated and / or vaporized.
  • the heat exchanger is used for natural gas liquefaction or natural gas evaporation.
  • waste gas wound aluminum heat exchangers are used.
  • those made of steel can also be used for natural gas liquefaction.
  • the wound heat exchanger has here a single tube bundle with three tube groups.
  • the tubes of the tube groups are wound in different layers alternately helically on a common core tube.
  • the tube winding corresponds to the well-known principle of a wound heat exchanger, the geometric arrangement is therefore not shown in the schematic drawing.
  • the tube groups are divided into process streams in this example. Through the pipes of a first pipe group 7, the natural gas 2 flows; in each case one of the two high-pressure refrigerants 5, 6 flows through the tubes of a second or a third tube group 8, 9.
  • the high-pressure refrigerants are guided from bottom to top, ie, in cocurrent with the natural gas.
  • the low-pressure refrigerant 4 flows from top to bottom, ie in countercurrent to the natural gas, through the outer space of the tubes and evaporates. Evaporated low-pressure refrigerant 10 is withdrawn from the outside space at the lower end of the heat exchanger.
  • the tubes are made of a light metal material, for example aluminum or an aluminum alloy and have different depending on the tube group Wall thicknesses.
  • a light metal material for example aluminum or an aluminum alloy and have different depending on the tube group Wall thicknesses.
  • the outer diameter of the tubes in all pipe layers are the same.
  • the wall thicknesses are:
  • Tube groups 8 and 9 0.9 mm
  • the wall thicknesses were optimized with regard to the thermal and hydraulic design and with regard to a tube bundle that was constructed as homogeneously as possible, whereby process-related parameters (eg predetermined maximum pressure drops in the individual process streams) had to be observed.
  • process-related parameters eg predetermined maximum pressure drops in the individual process streams
  • all the tubes and the core tube are made of aluminum and the tubesheets are made of stainless steel, which is aluminum-plated at the joints with the tubes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher (1) mit einer Mehrzahl von Rohren, die um ein Kernrohr gewickelt sind, mit einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Bauteil des gewickelten Wärmetauschers aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Description

Beschreibung
GEWICKELTER WÄRMETAUSCHER MIT UNTERSCHIEDLICHEN MATERIALIEN
Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Rohren, die um ein Kernrohr gewickelt sind, mit einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt.
In LNG-Baseload-Anlagen wird Erdgas in großen Mengen kontinuierlich verflüssigt. Die Verflüssigung des Erdgases erfolgt meist durch Wärmeaustausch mit einem Kälteträger in gewickelten Wärmetauschern. Es sind jedoch auch viele andere Anwendungen von gewickelten Wärmetauschern bekannt.
Bei einem gewickelten Wärmetauscher sind mehrere Lagen von Rohren schraubenförmig auf ein Kernrohr aufgewickelt. Durch das Innere mindestens eines Teils der Rohre wird ein erstes Medium geleitet, welches in Wärmeaustausch mit einem in dem Außenraum zwischen den Rohren und einem umgebenden Mantel strömenden zweiten Medium tritt. Die Rohre werden an den oberen Wärmetauscherenden in mehreren Gruppen zusammengeführt und gebündelt aus dem Außenraum herausgeleitet.
Derartige gewickelte Wärmetauscher und ihre Anwendung, zum Beispiel zur
Erdgasverflüssigung, sind in jeder der folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Aufl. 1985, S.471 -475
- W. Scholz, "Gewickelte Rohrwärmeaustauscher", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 33 (1973), S. 34-39 - W. Bach, "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkälte - Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwärmetauschern", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 64 (1990), S. 31 -37
- W. Förg et al., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwärmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", Nr. 78 (1999), S. 3-11 (englische Fassung: W. Förg et al., "A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger", Linde Reports on Science and Technology, Nr. 61 (1999), S. 3-11 )
- DE 1501519 A - DE 1912341 A
- DE 19517114 A
- DE 19707475 A
- DE 19848280 A
Es ist bekannt, gewickelte Wärmetauscher entweder aus Aluminium oder aus Stahl (Edelstahl oder spezieller Tieftemperaturstahl) herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige gewickelte Wärmetauscher kostengünstiger herzustellen und/oder seinen verfahrenstechnischen Eigenschaften zu verbessern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein erstes und ein zweites Bauteil des gewickelten Wärmetauschers aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Hiervon wurde bisher aus fertigungstechnischen Gründen bewusst abgesehen. Man war im Gegenteil bestrebt, ein einheitliches Material für alle Bauteile des gewickelten Wärmetauschers zu verwenden, um diese leichter miteinander verbinden zu können, insbesondere durch Schweißverbindungen.
Im Rahmen der Erfindung wird nun von diesem Prinzip abgewichen und es werden verschiedene Materialien in demselben Wärmetauscher eingesetzt. Dadurch kann die Konstruktion des Wärmetauschers weiter optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich des Volumens, des Gewichts, der Festigkeit und/oder der Kosten .
Das erste und das zweite Bauteil können dabei durch je eines der folgenden Bauteile gebildet sein:
Kernrohr, auf das die Rohre gewickelt sind Rohre Abschnitte von Rohren
Rohrböden (Rohrsammler)
Mantel, der den Wärmetauscher als Druckgefäß nach außen abschließt Verteiler für Flüssigkeit und/oder Gas im Außenraum der Rohre Stege zwischen zwei Rohrlagen (Abstandshalter) Tragarme zur Aufhängung von Stegen Hemd, das zwischen dem Mantel und den Rohren angeordnet ist Zum Beispiel können der Mantel aus Stahl und das oder die Rohrbündel aus Aluminium hergestellt sein.
Hierbei kann beispielsweise ein erstes Bauteil aus Aluminium und das zweite Bauteil aus Stahl bestehen. Unter "Aluminium" wird hier sowohl reines Aluminium als auch jede technisch anwendbare Aluminiumlegierung verstanden, beispielsweise mit einem Aluminiumgehalt von 50 % oder mehr, vorzugsweise mit einem Aluminiumgehalt von 80 % oder mehr. Unter "Stahl" werden hier alle Stahlarten verstanden, zum Beispiel austenitische, ferritische, Duplex-, Edel- und Nickelstähle.
In einem konkreten Beispiel kann das erste Bauteil eine Gruppe von Rohren in einer ersten Rohrlage umfassen und aus Aluminium hergestellt sein; ein zweites Bauteil kann beispielsweise eine andere Gruppe von Rohren derselben oder einer anderen Rohrlage umfassen und aus Stahl bestehen.
Sind das erste und das zweite Bauteil mit demselben Verbindungsstück verbunden, besteht das Verbindungsstück vorzugsweise aus dem Material des ersten Bauteils als Grundmaterial und weist eine Plattierung aus dem Material des zweiten Bauteils auf. Damit kann das Verbindungsstück sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Bauteil verschweißt werden. In einem konkreten Beispiel werden Aluminiumrohre mit einem Rohrboden aus Edelstahl verschweißt, der eine Aluminiumplattierung aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung eines derartigen Wärmetauschers zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustauschs zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid.
Der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird dabei zum Beispiel durch Erdgas gebildet.
Der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher zur Erdgasverflüssigung oder Erdgasverdampfung eingesetzt. Üblicherweise werden bei der Ergasverflüssigung gewickelte Wärmetauscher aus Aluminium verwendet. Alternativ dazu können auch solche aus Stahl für die Erdgasverflüssigung eingesetzt werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, in dem ein erfindungsgemäßer gewickelter Wärmetauscher 1 zur Verflüssigung eines Erdgasstroms 2 zur verflüssigtem Erdgas (LNG - liquid natural gas) 3 durch indirekten Wärmeaustausch mit drei Kältemittelströmen, einem Niederdruckkältemittel 4, einem ersten Hochdruckkältemittel 5 und einem zweiten Hochdruckkältemittel 6.
Der gewickelte Wärmetauscher weist hier ein einziges Rohrbündel mit drei Rohrgruppen auf. Die Rohre der Rohrgruppen sind in verschiedenen Lagen abwechselnd schraubenförmig auf ein gemeinsames Kernrohr gewickelt. (Die Rohrwicklung entspricht dem allgemein bekannten Prinzip eines gewickelten Wärmetauschers; die geometrische Anordnung ist daher in der schematischen Zeichnung nicht dargestellt.) Die Rohrgruppen sind in diesem Beispiel nach Prozessströmen eingeteilt. Durch die Rohre einer ersten Rohrgruppe 7 strömt das Erdgas 2; durch die Rohre einer zweitem beziehungsweise einer dritten Rohrgruppe 8, 9 strömt jeweils eines der beiden Hochdruckkältemittel 5, 6. Die Hochd ruckkältemittel werden dabei von unten nach oben, also im Gleichstrom mit dem Erdgas geführt. Das Niederdruckkältemittel 4 strömt von oben nach unten, also im Gegenstrom zum Erdgas, durch den Außenraum der Rohre und verdampft dabei. Verdampftes Niederdruckkältemittel 10 wird am unteren Ende des Wärmetauschers wieder aus dem Außenraum abgezogen.
In einem konkreten Zahlenbeispiel betragen die Verfahrensdrücke:
Erdgas 2 120 bar Niederdruckkältemittel 4 15 bar
Erstes Hochdruckkältemittel 5 60 bar
Zweites Hochdruckkältemittel 6 60 bar
Die Rohre sind aus eine Leichtmetallwerkstoff, zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und weisen je nach Rohrgruppe verschiedene Wandstärken auf. Dabei sind werden die Außendurchmesser der Rohre in allen Rohrlagen gleich.
In einer ersten Variante, die auf Gewicht optimiert ist, betragen die Wandstärken:
Rohrgruppe 7 1 ,4 mm
Rohrgruppen 8 und 9 0,9 mm
In einer weiteren Variante wurden die Wandstärken hinsichtlich des thermischen und hydraulischen Designs und hinsichtlich eines möglichst homogen aufgebauten Rohrbündels optimiert, wobei prozessbedingte Parameter (z. B. vorgegebene maximale Druckabfälle in den einzelnen Prozessströmen) einzuhalten waren. In dieser zweiten Variante betragen die Wandstärken:
Rohrgruppe 7 1 ,4 mm
Rohrgruppen 8 und 9 1 ,2 mm
In der zweiten Variante wurden identische Rohrlängen in den einzelnen Rohrgruppen erreicht, wodurch der Wärmeaustauscher sowohl hinsichtlich der Wärmeübertragung als auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit optimiert wurde.
In dem Ausführungsbeispiel bestehen alle Rohre und das Kernrohr aus Aluminium und die Rohrböden aus Edelstahl, der an den Verbindungsstellen mit den Rohren aluminiumplattiert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Gewickelter Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Rohren, die um ein Kernrohr gewickelt sind, mit einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Bauteil des gewickelten Wärmetauschers aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil aus der Gruppe ausgewählt sind, die folgende Bauteile umfasst:
Kernrohr Rohre
Abschnitte von Rohren
Rohrböden
Mantel
Verteiler Stege zwischen zwei Rohrlagen
Tragarme zur Aufhängung von Stegen
Hemd, das zwischen dem Mantel und den Rohren angeordnet ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil aus Aluminium und das zweite Bauteil aus Stahl besteht.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil mit demselben Verbindungsstück verbunden sind, wobei das Verbindungsstück aus dem Material des ersten Bauteils als Grundmaterial besteht und eine Plattierung aus dem Material des zweiten Bauteils aufweist.
5. Anwendung des Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustauschs zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid.
6. Anwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenwasserstoffhaltige Strom durch Erdgas gebildet wird. Anwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenwasserstoffhaltige Strom bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird.
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