WO2007014618A1

WO2007014618A1 - Gewickelter wärmetauscher mit verschiedenen rohrdurchmessern

Info

Publication number: WO2007014618A1
Application number: PCT/EP2006/006626
Authority: WO
Inventors: Manfred Steinbauer; Manfred Schönberger; Christiane Kerber; Markus Hammerdinger
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2007-02-08
Also published as: AU2006275171A1; BRPI0614910A2; RU2008107273A; CN101233378A; CN101233378B; US20080271880A1; NO20081063L; RU2402733C2; AU2006275171B2

Abstract

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, wobei die Rohre einer erste Rohrgruppe (7) einen ersten Innendurchmesser und einen ersten Außendurchmesser aufweisen und die Rohre einer zweiten Rohrgruppe (8, 9) einen zweiten Innendurchmesser und einen zweiten Außendurchmesser aufweisen. Der zweite Innendurchmesser ist verschieden vom ersten Innendurchmesser und/oder der zweite Außendurchmesser verschieden vom ersten Außendurchmesser.

Description

Beschreibung

Gewickelter Wärmetauscher mit verschiedenen Rohrdurchmessern

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 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 Bei den bekannten gewickelten Wärmetauschern werden Rohre mit einheitlichem Querschnitt verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige gewickelte Wärmetauscher weiter zu optimieren, insbesondere hinsichtlich des Gewichts, der Rohrzahl, der Prozessbedingungen und/oder der Betriebssicherheit.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rohre mindestens zweier Rohrgruppen unterschiedliche Außendurchmesser und/oder unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen. Eine "Rohrgruppe" besteht dabei aus mindestens einem, vorzugsweise einer Mehrzahl von Rohren. Die Rohre einer Rohrgruppe können, müssen aber nicht in tangentialer und/oder radialer Richtung benachbart sein. Die beiden Rohrgruppen, befinden sich vorzugsweise in demselben Rohrbündel, Ein "Rohrbündel" beschreibt die Gesamtheit eines inneren Bauteils eines gewickelten Wärmetauschern aus Kernrohr, darauf gewickelten Rohrlagen und dazwischen liegenden Hilfsmitteln wie Stegen etc., die durch einen Wicklungsvorgang hergestellt wird. Ein gewickelter Wärmetauscher weist innerhalb eines Mantels ein oder mehrere derartiger Rohrbündel auf.

Auf diese Weise kann die Rohrgeometrie besser an die spezifischen prozesstechnischen Bedürfnisse angepasst werden. Solche spezifischen Bedürfnisse können beispielsweise in unterschiedlichen thermischen Eigenschaften verschiedener Prozessfraktionen bestehen, die durch die entsprechenden Rohrgruppen strömen, oder auch in der unterschiedlichen Länge von Rohren in den verschiedenen Rohrlagen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Wandstärken an unterschiedliche Prozessdrücke der in den Rohren strömenden Medien angepasst werden und damit Gewicht gespart werden kann.

Im Rahmen der Erfindung sind folgende Kombinationen der geometrischen Parameter der Rohre der zwei Rohrgruppen möglich:

Unter "verschieden" wird hier eine Abweichung im entsprechenden Maß verstanden, die deutlich größer als die dafür geltende Fertigungstoleranz ist. Ein Parameter gilt insbesondere als verschieden von einem anderen, wenn sein Wert um mindestens 2 %, vorzugsweise mindestens 5 % abweicht.

Im Rahmen der Erfindung kann insbesondere der Innendurchmesser variiert werden, vorzugsweise bei gleich bleibendem Außendurchmesser.

Durch die Variation im Innendurchmesser kann zum Beispiel der Druckabfall entlang der Rohre beeinflusst werden. Zwei verschiedene Rohrgruppen können dadurch unabhängig voneinander für zwei unterschiedliche Prozessfraktionen optimiert werden. Grundsätzlich kann dies bei gleicher Wandstärke geschehen, das heißt die beiden Rohrgruppen weisen auch unterschiedliche Außendurchmesser auf. Alternativ können alle Rohre den gleichen Außendurchmesser haben; dann variieren lediglich die Wandstärke und der Innendurchmesser.

Im Rahmen der Erfindung ist es daher in vielen Fällen günstig, die beiden Rohrgruppen mit gleichem Außendurchmesser zu versehen und den Innendurchmesser durch Verwendung verschiedener Wandstärken zu bewirken. Hierdurch können zwei

Rohrgruppen unterschiedlichen Innendurchmessers auf dieselbe Rohrlage gewickelt und von zwei verschiedenen Prozessfraktionen durchströmt werden. Im Vergleich zu einer Zuordnung der verschiedenen Prozessfraktionen zu unterschiedlichen Rohrlagen ergibt sich eine verbesserte Gleichverteilung der Wärmeströmung in dem Wärmetauscher.

Ein Unterschied in der Wandstärke kann unter Verwendung desselben Materials oder auch unter Verwendung verschiedener Materialien (zum Beispiel Aluminium und Stahl) für die beiden Rohrgruppen realisiert werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien ist in der gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Patentanmeldung 102005036413.6 (internes Aktenzeichen P05164- DE/AVA der Anmelderin) und den dazu korrespondierenden Anmeldungen im Einzelnen beschrieben. Die beiden Rohrgruppen können in derselben oder in unterschiedlichen Rohrlagen angeordnet sein. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Rohrgruppen mit unterschiedlichen Maßen vorgesehen sein. Zum Beispiel können eine erste und eine zweite Rohrgruppe innerhalb einer ersten Rohrlage und eine dritte Rohrgruppe in einer zweiten Rohrlage angeordnet sein.

Insbesondere zur Anpassung an Prozessfraktionen verschiedenen Drucks, für die die beiden Rohrgruppen bestimmt sind, ist es günstig, wenn zwei Rohrgruppen unterschiedliche Wandstärke aufweisen. Für die Rohrgruppe mit dem niedrigeren Auslegungsdruck wird eine niedrigere Wandstärke eingesetzt und damit Gewicht gespart. Je nach gewünschtem Druckverlust und fertigungstechnischen Möglichkeiten können dabei entweder Innendurchmesser oder Außendurchmesser der beiden Rohrgruppen unterschiedlich sein; alternativ dazu können beide Durchmesser verschieden sein.

Grundsätzlich ist es auch möglich, Innen- und/oder Außendurchmesser desselben Rohres innerhalb des Wärmetauscherers zu variieren, beispielsweise um eine bessere Anpassung an das Volumen eines verdampfenden oder kondensierenden Prozessstroms zu erreichen. In diesem Fall umfasst die erste Rohrgruppe beispielsweise einen ersten Abschnitt von Rohren und die zweite Rohrgruppe einen weiteren, zum Beispiel an den ersten Abschnitt anschließenden Abschnitt derselben Rohre.

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. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher zur Erdgasverflüssigung oder Erdgasverdampfung eingesetzt. Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hier ist ein erfindungsgemäßer gewickelter Wärmetauscher 1 zur Verflüssigung eines Erdgasstroms 2 zu 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 dargestellt.

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 Hochdruckkältemittel 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 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.

Claims

Patentansprüche

1. Gewickelter Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Rohren, die um ein Kemrohr gewickelt sind, mit einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, wobei die Rohre einer ersten Rohrgruppe (7) einen ersten Innendurchmesser und einen ersten Außendurchmesser aufweisen und die Rohre einer zweiten

Rohrgruppe (8, 9) einen zweiten Innendurchmesser und einen zweiten Außendurchmesser aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Innendurchmesser verschieden vom ersten Innendurchmesser und/oder der zweite Außendurchmesser verschieden vom ersten Außendurchmesser ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Innendurchmesser verschieden vom ersten Innendurchmesser und der zweite Außendurchmesser gleich dem ersten Außendurchmesser ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Rohrgruppe (7, 8, 9) innerhalb derselben Rohrlage angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Rohrgruppe (7, 8, 9) in verschiedenen Rohrlagen angeordnet sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre der ersten Rohrgruppe (7) eine erste Wandstärke und die Rohre der zweiten Rohrgruppe (8, 9) ein zweite Wandstärke aufweisen und die erste Wandstärke verschieden von der zweiten Wandstärke ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre der ersten Rohrgruppe (7) und die Rohre der zweiten Rohrgruppe (8, 9) sich in demselben Rohrbündel befinden.

7. Anwendung des Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustauschs zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom (2) und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid (4, 5, 6).

8. Anwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenwasserstoffhaltige Strom (2) durch Erdgas gebildet wird.

9. Anwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenwasserstoffhaltige Strom (2) bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird.