WO2017025173A1 - Wärmetauscher - Google Patents

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WO2017025173A1
WO2017025173A1 PCT/EP2016/001328 EP2016001328W WO2017025173A1 WO 2017025173 A1 WO2017025173 A1 WO 2017025173A1 EP 2016001328 W EP2016001328 W EP 2016001328W WO 2017025173 A1 WO2017025173 A1 WO 2017025173A1
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WO
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heat exchanger
threaded spindle
cylinder tube
cleaning element
exchanger according
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/001328
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Adler
Ekkehardt Klein
Christoph Nagl
Andreas POLLAK
Original Assignee
Linde Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to EP16747730.6A priority patent/EP3334995B1/de
Priority to JP2018506845A priority patent/JP6890579B2/ja
Priority to US15/750,591 priority patent/US10780460B2/en
Priority to PL16747730T priority patent/PL3334995T3/pl
Application filed by Linde Aktiengesellschaft filed Critical Linde Aktiengesellschaft
Priority to DK16747730.6T priority patent/DK3334995T3/da
Priority to KR1020187006940A priority patent/KR102601037B1/ko
Priority to RU2018102560A priority patent/RU2715128C2/ru
Priority to CA2992959A priority patent/CA2992959C/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G3/00—Rotary appliances
    • F28G3/08—Rotary appliances having coiled wire tools, i.e. basket type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B1/00—Cleaning by methods involving the use of tools
    • B08B1/30—Cleaning by methods involving the use of tools by movement of cleaning members over a surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/08—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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    • B08B9/02—Cleaning pipes or tubes or systems of pipes or tubes
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    • B08B9/04—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes
    • B08B9/043—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes moved by externally powered mechanical linkage, e.g. pushed or drawn through the pipes
    • B08B9/0436—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes moved by externally powered mechanical linkage, e.g. pushed or drawn through the pipes provided with mechanical cleaning tools, e.g. scrapers, with or without additional fluid jets
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    • 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
    • F28D7/10—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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—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 arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
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    • F28G1/14—Pull-through rods
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    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G15/00—Details
    • F28G15/08—Locating position of cleaning appliances within conduits
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    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G3/00—Rotary appliances
    • F28G3/10—Rotary appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, in particular for natural gas as a working medium for the purpose of drying and cleaning the natural gas.
  • Soil storage often has a particularly high percentage of unwanted impurities and particularly high water content. It is desirable to remove the impurities as well as the water content from the natural gas before it is used for further purposes. One way to do this is the cooling of the
  • Natural gas in one or more steps to suitable low temperatures.
  • a liquefaction of the natural gas may be appropriate.
  • the cooling of natural gas it comes through the accompanying substances in the
  • Heat exchangers mostly to deposits on the heat transfer surfaces, the time course of such deposits on the operating conditions and the respective natural gas composition depends.
  • the heat transfer surfaces must therefore be cleaned at certain intervals. For the reasons mentioned, however, it is difficult to specify generally valid cleaning intervals for the relevant heat exchangers.
  • Gas transport networks are therefore subject to water content limits.
  • Compressor stations and downstream elements such as piping, valves, etc., are basically designed for operation with dry working gas, which is why in addition to impurities and water should be removed from the working medium.
  • the process of gas drying may include, for example, mechanical steps (mechanical separation of free water) and thermodynamic steps (deposition by pressure reduction), and finally the step of absorption, for example, by highly hygroscopic substances such as said triethylene glycol.
  • the triethylene glycol can be sprayed into the gas stream and absorbs the remaining water.
  • Hydrocarbon compounds separate on the heat transfer surfaces and thus reduce the heat transfer. Even at operating temperatures above the freezing point of water, formation of methane hydrate occurs at the heat transfer surfaces.
  • the porous beds in dryer systems according to the prior art inherently require a very large volume. Furthermore, the beds absorb only the liquid content, especially the water content, from the working gas. When regeneration of the bed, which takes place, for example, by flowing through with a dry unsaturated inert gas and / or heating and / or setting of the bed, a large proportion of working gas is discharged unused. When replacing the bed is in known dryers according to the prior art, an opening of the container necessary to replace the bed completely. This is costly and labor intensive and leads to an interruption of the production cycle.
  • the invention proposes a heat exchanger with a first cylinder tube and a coaxially extending in the first cylinder tube threaded spindle, wherein the inner surface of the first cylinder tube has guide grooves and wherein on the threaded spindle a cleaning element is mounted such that the cleaning element is displaced by rotation of the threaded spindle in the axial direction along the guide grooves.
  • This cleaning element is used to clean deposits on the heat transfer surfaces between the inner surface of the first cylinder tube and the threaded spindle.
  • This cleaning element is either mounted directly on the threaded spindle or in the form of a driver
  • Attached driver which in turn is attached directly to the threaded spindle.
  • a working medium which flows for heat exchange in a space between the first cylinder tube and the threaded spindle is - as explained above - especially on cooling deposits on the heat transfer surfaces. For natural gas as a working medium, these deposits
  • the deposits mentioned can be taken up by the cleaning element and / or transported away or
  • the threaded spindle is actuated, whereby the cleaning element is displaced in the axial direction within the first cylinder tube, whereby it can remove deposits from the heat-transferring surfaces. Such deposits occur in particular on the threaded spindle and on the axially extending guide grooves of the heat exchanger.
  • Cleaning element cleans these surfaces.
  • the cleaning element may preferably steels, in particular tempered steels and alloys
  • Non-ferrous metals cold-tough nickel alloys (such as Inconel) and cast materials are used.
  • the cleaning element During normal operation of the heat exchanger, the cleaning element is in a rest position in which it has the lowest possible or no influence on the heat exchange between working fluid and coolant.
  • a coolant instead of a coolant, the use of a heating medium is also possible if the working medium is to be heated.
  • the cleaning takes place, for example, according to empirically determined
  • the heat exchanger with cleaning element according to the invention allows effective cleaning of the heat transfer surfaces, without having to be opened manually.
  • the described cleaning process is easy to carry out.
  • only the Threaded spindle can be rotated to move the cleaning element in the axial direction. Further process steps are not required. It is particularly advantageous if the cleaning element entrains or removes existing deposits. In this way, a change and thus wear or aging of the cleaning element can be prevented.
  • the coolant used for heat exchange without restricting the generality flows around an outer surface of the first cylinder tube.
  • the heat exchanger has a second cylinder tube which is coaxial with the first
  • Cylinder tube is arranged.
  • an inlet and an outlet opening for the coolant is present in order to
  • an inlet and an outlet opening for a working medium is present in order to
  • the cleaning element is designed as a substantially hollow cylindrical shaped cleaning element, wherein the inner surface of the
  • the cleaning element has recesses in the otherwise substantially cylindrically shaped circumference of the cleaning element, these recesses extending parallel to the axial direction.
  • Recesses are especially in the cleaning element in the circumferential direction arranged equidistantly.
  • the recesses or “mills” create “teeth” or “claws” in the cleaning element, which in particular help to prevent seizure or blockage of the cleaning element during cleaning.
  • From the threaded spindle dissolved deposits can get into said recesses or milled and fall from there in vertical operation of the heat exchanger at least in the cleaning phase down (in the direction of movement of the cleaning element). In this way, a blockage of the cleaning element can be effectively avoided by accumulating deposits.
  • the internal thread of the cleaning element has a diameter which increases in the axial direction.
  • the outer surface of the first cylinder tube has a spirally extending helix in the axial direction.
  • This helix is part of the outer surface of the first cylinder tube and is applied to this outer surface or produced by milling. In the interstices of this helix can then
  • This first cylinder tube with this helix can therefore also be referred to as a cooling helix.
  • Threaded spindle and the inner surface of the first cylinder tube / cooling coil is connected in particular thermally decoupled.
  • the cleaning element transports contaminants into the deposit storage, in particular of the said heat-transferring surfaces, ie the
  • thermally decoupling allows a thermal treatment of the accompanying substances collected in the deposit accumulator or other deposits without influence on the further operation of the heat exchanger.
  • a heating element is advantageously present in or on the heat exchanger and arranged such that impurities present in the deposit accumulator can be heated.
  • there is a condensation of the impurities present in the working medium such as
  • the cleaning element may be the condensed
  • Contaminants in the deposit storage which can then be referred to as condensate reservoir, for example, transport.
  • condensate reservoir for example, transport.
  • Condensate can then be heated by means of said heating element.
  • the heated, melted condensate can be drained by opening a downstream valve via a condensate drain. In this way, at given times the deposit storage in turn of
  • Position measuring means present and arranged such that the position of the
  • Cleaning element can be measured in the axial direction.
  • Position measurement allows or simplifies the direction of rotation of the
  • a particle barrier is present.
  • Gap between threaded spindle and cooling coil forms the working space for the working medium, which is supplied via an inlet opening of this space and removed via an outlet opening of this space after heat exchange. It may be expedient to reverse the flow direction, for which purpose said inlet opening as the outlet opening and said outlet opening as
  • Inlet opening is used.
  • a coolant is the space between the cooling coil and a coolant inlet opening
  • a drive motor On one side of the heat exchanger is a drive motor, which is the
  • Threaded spindle rotated The threaded spindle is mounted in a warehouse. At this camp is a position measuring means, based on the number of revolutions of the drive motor with a known pitch of the thread
  • Lead screw can provide information on the position of the moving of the threaded spindle cleaning element.
  • the cleaning element which can also be referred to as a scraper, is in its rest position preferably on the same side as the drive motor and is therefrom by a particle barrier separated.
  • a particle barrier may be made of PTFE, for example, and is then so soft even at low temperatures that particles in it
  • the radial distance to the shaft is as small as possible, ideally a few tenths of a millimeter, preferably less than 0.4 mm, more preferably less than 0.3 mm, more preferably approximately equal to 0.2 mm.
  • Condensate reservoir which is thermally decoupled in particular from this working space. This is followed by a heating element that is thermally coupled to the condensate reservoir to heat it.
  • the condensate reservoir is connected via a condensate drain with the environment of the heat exchanger to be able to empty the contents of the condensate reservoir. Also at this end of the
  • Heat exchanger is a plain bearing bush for the threaded spindle.
  • the cooling coil is extracted by a coolant heat, said coolant flows preferably in countercurrent to the working fluid in the space formed between the cooling coil and outer cylinder tube. Due to this cooling, the temperature of the working medium falls off and accompanying substances or
  • Impurities fall according to their liquefaction or
  • the threaded spindle is rotated by the drive motor.
  • the housing of the drive motor is preferably connected to the intermediate space through which the working fluid flows, and thus loaded with the operating pressure.
  • Threaded spindle is preferably designed as a right-hand thread with trapezoidal profile, which in principle also left-hand thread and other flank shapes can be conceivable and advantageous. Please also refer to the below.
  • the cleaning element or the scraper engages on the one hand in the thread of the
  • Cooling coil whereby the cleaning element is set in a translational movement.
  • the position of the cleaning element can be detected with the aid of the number of revolutions of the drive motor measured by the position means.
  • the cleaning element slides up to the thermally decoupled condensate reservoir or
  • the cleaning element thus pushes the existing entrained deposits in the condensate reservoir.
  • the direction of rotation of the drive motor is reversed and the cleaning element moves back to its rest position adjacent to the particle barrier.
  • the collected condensate can be heated by the heating element and, depending on the state of aggregation, caused to melt or evaporate, and subsequently opened by opening a downstream valve
  • a threaded spindle with a cross thread can be advantageously used.
  • Such threaded spindles are known per se and are referred to as cross-threaded spindles.
  • Threaded spindles with trapezoidal profiles can always represent only one associated direction of movement according to their direction of rotation, which consequently also reverses when the direction of rotation is reversed.
  • the reversal of the direction of rotation requires a switching element in the electrical supply of the drive motor or a change gear.
  • a position stop To avoid overshooting defined end positions on threaded elements, such as the cleaning element, these are common equipped with a position stop.
  • the position of the sliding member is detected with a position detecting means.
  • a cross thread is constructed such that on a spindle both a left and a
  • Right-hand thread is preferably shown in each case the same pitch, which has a reversal point in its respective end positions, in which at least one sliding in the thread groove sliding block is transferred from a first direction of movement in a second direction of movement.
  • the direction of rotation of the shaft is preferably shown in each case the same pitch, which has a reversal point in its respective end positions, in which at least one sliding in the thread groove sliding block is transferred from a first direction of movement in a second direction of movement.
  • Threaded spindle thus always remains the same. Thus omitted when using a
  • Position measuring means for the position of the cleaning element.
  • the upper Endlagenbetician ie the determination of the rest position of the cleaning element via an alternative method must be done. This is for example a
  • the heat exchanger according to the invention consequently has a cross-threaded spindle with at least one sliding block, which slides in the threads and a clearing or cleaning element connected to the sliding block, for example via a bolt.
  • the advantages of using the cross-threaded spindle lie in an automatic reversal of the direction of movement, without changing the direction of rotation of the shaft, so that braking and restarting the electric motor is obsolete, which in turn results in a more energy-efficient process.
  • the invention further relates to a use of the invention
  • Heat exchanger for liquefying a gas a second cylinder tube is arranged coaxially with the first cylinder tube of the heat exchanger, wherein a coolant flows between the first and second cylinder tubes. Furthermore flows between the first cylinder tube and threaded spindle, a working medium containing the gas to be liquefied.
  • the gas to be liquefied may be, for example, nitrogen.
  • the cooling medium flows at a lower temperature than the working medium, wherein the pressure and the temperature of the cooling medium and the pressure of the working medium are adjusted such that the heat to be exchanged with the cooling medium in the gas to be liquefied
  • Working medium liquefies.
  • natural gas for example, liquefied nitrogen can be used at a pressure of 1 bar and a temperature of -196 ° C. as the cooling medium.
  • the working medium naturally gas
  • the working medium is introduced, in particular after appropriate precooling by upstream heat exchanger with a pressure of for example 10 bar.
  • the nitrogen contained in the natural gas can be cooled to a temperature of - 170 ° C and below, so that it liquefies at a pressure of 0 bar.
  • Said method can be used analogously to the liquefaction of helium, oxygen and / or hydrogen as one or more constituents in a working medium. Concrete examples of the liquefaction of helium, hydrogen and oxygen are given below: liquefaction of various gases, for example for the purpose of separation from gas mixtures
  • Cooling medium preferably liquid nitrogen between 1 and 15 bar;
  • the pressure of the cooling medium is chosen in each case so that the temperature of the cooling medium
  • Cooling medium is always lower than that of the working medium. Liquefaction of H 2 :
  • Cooling medium preferably liquid helium between 1 and 2.2 bar;
  • the pressure of the cooling medium is chosen in each case so that the temperature of the cooling medium is always lower than that of the working medium.
  • the pressure in the cooling medium must be lower than the pressure of the working medium, so that the coolant temperature due to the lower
  • Cooling medium preferably liquid helium between 1 and 2.2 bar;
  • the pressure in the cooling medium must be lower than the pressure of the working medium, so that the coolant temperature is lower due to the lower equilibrium point.
  • FIG. 1 shows schematically a longitudinal section of an advantageous embodiment
  • FIG. 2 shows a cooling coil as the first cylinder tube of FIG. 1
  • FIG. 3 shows a cleaning element, as in the heat exchanger according to
  • Figure 1 is used, and Figure 4 shows schematically the section of a threaded spindle with a
  • Figure 1 shows schematically a longitudinal section through an embodiment of a
  • Heat exchanger 13 as it can be used in particular for cooling natural gas.
  • the heat exchanger 13 a the heat exchanger 13 a
  • This cooling coil 2 is in turn designed as a cylindrical tube and has at least one, preferably spiral-shaped channel 23 on its outer surface, which serves to guide a coolant. As shown in Figure 2, this channel 23 is generated by a corresponding helix 21 on the outer surface of the cooling coil 2.
  • the inner surface of the hollow cylindrical cooling coil has guide or profile grooves 22. This at least one guide groove 22 serves to guide a cleaning element or reamer 12.
  • the threaded spindle 3 is driven by a drive motor 4 and is mounted in a bearing point, which is preferably designed as an axial / radial mixing bearing 5 inside the cooling coil 2 coaxial therewith. At the other end of the threaded spindle 3, this is in a radial bearing, the preferably designed as a plain bearing bush 8, stored. At this end of the heat exchanger 13 also a thermally decoupled condensate reservoir 7 and a heating element 9 for heating condensate in the condensate reservoir 7 is present.
  • the particle barrier 11 also serves to protect the drive motor 4 and the bearing 5 from coarse particles, but does not act as a gas seal.
  • Clamping device 10 is constructed so that two coupling rings with a
  • outer cylinder tube 1 Internal thread on the outer cylinder tube 1, which in turn is provided with an external thread, are screwed.
  • the coupling rings are tightened by screws and the individual segments are pressed together and sealed by a seal.
  • outer cylindrical tubes can be understood and referred to as an "outer cylinder tube”.
  • a cleaning element or reamer 12 is arranged next to the particle barrier 11 in its rest position.
  • Threaded spindle 3 set in rotation, so that the reamer 12 is moved on the threaded spindle along the guide or profile grooves 22 of the cooling coil 2 in the axial direction.
  • a threaded spindle 3 is used for example with trapezoidal profile.
  • a reversal of the direction of movement of the reamer 12 requires a reversal of the direction of rotation of the threaded spindle 3.
  • Another embodiment of the threaded spindle 3 is explained below in connection with FIG.
  • moist, contaminated working medium is introduced into the intermediate space between threaded spindle 3 and between cooling coil 2 via a working medium inlet opening 14 and flows in the axial direction to the working medium outlet opening 15 at the other end of the heat exchanger 13.
  • the working medium flows thereby in the profile grooves 22 on the inner surface of the hollow cylindrical cooling coil 2 (see Figure 2) along the axis of rotation of the Threaded spindle 3.
  • Coolant is supplied to the space between the cooling coil 2 and the outer cylinder tube 1 via a coolant inlet opening 16, which flows to the other end of the heat exchanger 13 and leaves it through the coolant outlet opening 17.
  • the coolant flows spirally in the axial direction in the channel 23 formed between the outer cylindrical tube 1 and the cooling coil 2.
  • the coolant removes heat from the cooling coil 2, which in turn removes heat from the working medium.
  • natural gas is tempered from a subterranean cavern to a temperature of approx. 20 ° C with a pressure of 4 to a maximum of 220 bar.
  • the working medium is cooled to preferably 1 ° C.
  • the working medium is cooled to preferably -40 ° C to -60 ° C.
  • the working medium is cooled to preferably -80 ° C to - 150 ° C and in a final stage, the working fluid is liquefied via a turn connected in series heat exchanger.
  • the temperature of the natural gas is lowered down to -196 ° C, which leads to supercooling of the natural gas.
  • the first stage is a major part of the water content, the next stages mainly the higher hydrocarbons, C0 2 and other impurities.
  • the first two heat exchanger stages are cooled by chillers in this specific connection case, the other two by liquid nitrogen, cryogenic liquid CNG or by cryogenic gaseous nitrogen.
  • Operating pressure of the heat exchanger is 300 bar, the permissible operating temperatures are 100 ° C to -200 ° C. Due to the different pressure ratios between the cooling medium, for example nitrogen at a maximum of 10 bar, and the working medium, here CNG with impurities including nitrogen from 4 to 220 bar, nitrogen as a companion at high pressure (eg. At 10 bar) by liquid nitrogen at low pressure (for example, at 1 bar), caused by the different pressure-dependent phase transitions to liquefy and deposited. This here proposed heat exchanger 13 can thus also be used for the liquefaction of nitrogen.
  • the threaded spindle 3 a stage is rotated by the drive motor 4 in rotation.
  • the reamer 12 which engages on the one hand in the thread of the threaded spindle 3 and on the other hand in the profile grooves 22 of the cooling coil 2, is thereby displaced in a translational movement.
  • the reamer 12 takes with him the aforementioned condensed accompanying substances. These will be on reaching the
  • Condensate reservoir 7 is pushed into the same.
  • the position measuring means 6 can determine the position of the reamer 12 due to the defined thread pitch of the threaded spindle 3 from the number of measured revolutions of the drive motor 4. Once the position of the condensate reservoir 7 is reached, the
  • End position and the position of the condensate reservoir 7 represents the lower end position of the reamer 12 in the vertical position of the heat exchanger.
  • the collected condensate is heated by the heating element 9 and thus melted.
  • the impurities can be drained through a condensate drain 18.
  • the cleaning of the heat exchanging surfaces of the heat exchanger 13 takes place, for example, after empirically determined period lengths or when an externally measured maximum allowable differential pressure is reached, which is due to a reduction of the free flow cross section in the working space due to deposited
  • the cleaning achieves the highest possible and constant heat transfer value.
  • the heat exchanger 13 occupies a smaller volume due to the heat transfer surfaces actually used.
  • the segmental structure of the heat exchanger 13 allows a modular design.
  • the heat transfer performance is thus on the enlargement or Reduction of the heat transfer surfaces variable.
  • the actual position of the reamer 12 is always monitored. Any seizure can be detected early by measuring the slip.
  • heat exchanger 13 explained here can be adapted and used not only for natural gas liquefaction but also for a large number of industrial applications with appropriate working media.
  • the reamer 12 can be adapted as a less complex replacement part to the needs of the respective application areas and quickly replaced in the event of damage.
  • Figure 3 shows a reamer 12 and a cleaning element 12, as in the
  • Heat exchanger 13 can be used. Shown are the outer grooves 122 of the reamer 12, which correspond to the guide grooves 22 of the cooling coil 2.
  • the internal thread 121 of the reamer 12 corresponds to the thread of the threaded spindle 3.
  • the reamer 12 has recesses or milled slots 123. By the latter, the reamer 12 "teeth" or “claws", which prevent deposits accumulate in the thread and lead to a blocking of the reamer 12.
  • Deposits can namely enter through the recesses or milled slots 123 into the intermediate space and fall downwards in the vertical position of the heat exchanger in the direction of the condensate reservoir 7. Furthermore, the inner diameter of the reamer 12, which increases in the direction of movement of the cleaning, serves for easier insertion into the contaminated threaded spindle at the beginning of the cleaning process.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a threaded spindle 3 ', which is a cross-threaded spindle 3'.
  • the cross-threaded shaft is designated 31.
  • the reamer 12 is connected to the sliding block 32 and moves during rotation of the
  • Gleitstein 32 upon rotation of the threaded spindle 3 'in a single rotational direction from a first direction of movement in a second, opposite
  • Moving direction is changed without changing the rotational direction of the shaft 31. Due to the superimposition of the left and right-hand threads, a typical deltoid-shaped pattern is formed on the shaft 32.
  • the threaded spindle 3 'allows a more energetically economical process, since the electric motor does not have to be braked and restarted.
  • a position measurement of the reamer 12 and thus the position measuring means 6 shown in Figure 1 can be omitted.
  • the cleaning process of the heat exchanger 13 is further shortened by the omission of the direction reversal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem ersten Zylinderrohr (2) und einer koaxial im ersten Zylinderrohr (2) verlaufenden Gewindespindel (3), wobei die Innenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) Führungsnuten (22) aufweist und wobei auf der Gewindespindel (3) ein Reinigungselement (12) derart angebracht ist, dass das Reinigungselement (12) durch Drehung der Gewindespindel (3) in axialer Richtung entlang der Führungsnuten (22) verschoben wird.

Description

Beschreibung
Wärmetauscher
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Erdgas als Arbeitsmedium zum Zwecke der Trocknung und Reinigung des Erdgases.
Stand der Technik Wärmetauscher zum Wärmen oder zum Abkühlen eines Arbeitsmediums sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit soll im Folgenden das Arbeitsmedium Erdgas näher betrachtet werden. Erdgas aus
Bodenspeichern weist häufig einen besonders hohen Prozentsatz an unerwünschten Begleitstoffen und besonders hohe Wasseranteile auf. Es ist wünschenswert, die Begleitstoffe sowie den Wasseranteil aus dem Erdgas zu entfernen, bevor es für weitere Zwecke eingesetzt wird. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Kühlung des
Erdgases in einem oder mehreren Schritten auf geeignete tiefe Temperaturen dar. Insbesondere kann hierbei eine Verflüssigung des Erdgases zweckmäßig sein. Bei der Abkühlung von Erdgas kommt es durch die genannten Begleitstoffe im
Wärmetauscher zumeist zu Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen, wobei der zeitliche Verlauf solcher Ablagerungen von den Betriebsbedingungen und der jeweiligen Erdgaszusammensetzung abhängt. Die Wärmeübertragungsflächen müssen daher in bestimmten Intervallen gereinigt werden. Aus den genannten Gründen ist es allerdings schwierig, allgemein gültige Reinigungsintervalle für die betreffenden Wärmetauscher anzugeben.
Bekannte Gas-Trocknersysteme arbeiten beispielsweise mit Schüttungen aus porösen Materialien wie beispielsweise Kieselgel. Ein anderes Verfahren verwendet zur Entfeuchtung des Arbeitsgases Triethylenglykol, wobei der Prozess meist mehrstufig gehalten werden muss, um die gewünschte Reinheit erreichen zu können. Feuchte Arbeitsgase sind die Ursache für Hydratbildung und Korrosion. In den
Gastransportnetzen gelten daher Grenzwerte bezüglich des Wassergehalts. Verdichterstationen und nachgeschaltete Elemente, wie Rohrleitungen, Ventile etc., sind grundsätzlich für einen Betrieb mit trockenem Arbeitsgas ausgelegt, weshalb neben Begleitstoffen auch Wasser aus dem Arbeitsmedium entfernt werden sollte. Der Prozess der Gastrocknung kann beispielsweise mechanische Schritte (mechanisches Abscheiden von freiem Wasser) und thermodynamische Schritte (Abscheiden durch Druckreduktion) und schließlich den Schritt der Absorption, beispielsweise durch stark hygroskopische Substanzen wie das genannte Triethylenglykol umfassen. Das Triethylenglykol, kann in den Gasstrom eingesprüht werden und absorbiert das verbliebene Wasser.
Kondensierende und gefrierende Begleitstoffe wie Wasser, C02 sowie
Kohlenwasserstoffverbindungen scheiden sich an den Wärmeübertragungsflächen ab und reduzieren somit den Wärmeübergang. Auch bei Betriebstemperaturen über dem Gefrierpunkt von Wasser kommt es an den Wärmeübertragungsflächen zu Bildung von Methanhydrat.
Die porösen Schüttungen in Trockneranlagen nach dem Stand der Technik benötigen prinzipbedingt ein sehr großes Volumen. Weiters absorbieren die Schüttungen lediglich den Flüssigkeitsanteil, vornehmlich den Wasseranteil, aus dem Arbeitsgas. Bei Regeneration der Schüttung, die beispielsweise mittels Durchströmen mit einem trockenen ungesättigten Inertgas und/oder Ausheizen und/oder Setzen der Schüttung erfolgt, wird ein großer Anteil an Arbeitsgas ungenutzt abgelassen. Beim Ersetzen der Schüttung ist bei bekannten Trocknern gemäß Stand der Technik ein Öffnen des Behälters notwendig, um die Schüttung restlos ersetzen zu können. Dies ist kosten- und arbeitsintensiv und führt zu einer Unterbrechung des Produktionszyklus.
Die genannten Prozesse zur Trocknung und Reinigung von Gasen als Arbeitsmedium erweisen sich als aufwändig. Es ist wünschenswert, die Anzahl der Prozessschritte zu verringern, ohne dabei die oben genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfindung schlägt einen Wärmetauscher mit einem ersten Zylinderrohr und einer koaxial im ersten Zylinderrohr verlaufenden Gewindespindel vor, wobei die Innenfläche des ersten Zylinderrohrs Führungsnuten aufweist und wobei auf der Gewindespindel ein Reinigungselement derart angebracht ist, dass das Reinigungselement durch Drehung der Gewindespindel in axialer Richtung entlang der Führungsnuten verschoben wird. Dieses Reinigungselement dient zur Reinigung von Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen zwischen der Innenfläche des ersten Zylinderrohrs und der Gewindespindel. Dieses Reinigungselement ist entweder in Form eines Mitnehmers direkt auf der Gewindespindel angebracht oder an einem solchen
Mitnehmer befestigt, der seinerseits direkt an der Gewindespindel angebracht ist. Ein Arbeitsmedium, das zum Wärmetausch in einem Zwischenraum zwischen dem ersten Zylinderrohr und der Gewindespindel strömt, wird - wie eingangs erläutert - insbesondere beim Abkühlen Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen hinterlassen. Bei Erdgas als Arbeitsmedium bestehen diese Ablagerungen
insbesondere aus Begleitstoffen und Wasser. Die genannten Ablagerungen können von dem Reinigungselement aufgenommen und/oder wegtransportiert bzw.
mitgenommen werden. Zur Reinigung wird also die Gewindespindel betätigt, wodurch das Reinigungselement in axialer Richtung innerhalb des ersten Zylinderrohrs verschoben wird, wodurch es Ablagerungen von den wärmeübertragenden Flächen entfernen kann. Solche Ablagerungen entstehen insbesondere an der Gewindespindel sowie an den axial verlaufenden Führungsnuten des Wärmetauschers. Das
Reinigungselement reinigt diese Flächen ab. Für das Reinigungselement können vorzugsweise Stähle, im speziellen Vergütungsstähle und Legierungen aus
Buntmetallen, ferner kaltzähe Nickel-Legierungen (wie Inconel) sowie Gusswerkstoffe, verwendet werden.
Bei Normalbetrieb des Wärmetauschers befindet sich das Reinigungselement in einer Ruheposition, in der es den Wärmetausch zwischen Arbeitsmedium und Kühlmittel geringstmöglich oder gar nicht beeinflusst. Statt eines Kühlmittels ist selbstverständlich auch die Verwendung eines Wärmemittels möglich, wenn das Arbeitsmedium erwärmt werden soll. Die Reinigung erfolgt beispielsweise nach empirisch ermittelten
Periodendauern oder bei Erreichen eines extern gemessenen maximal zulässigen Differenzdrucks, der auf eine Verkleinerung des freien Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium bedingt durch Ablagerungen schließen lässt.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit Reinigungselement erlaubt eine effektive Reinigung der Wärmeübertragungsflächen, ohne manuell geöffnet werden zu müssen. Der geschilderte Reinigungsprozess ist einfach ausführbar. Hierzu muss lediglich die Gewindespindel gedreht werden, um das Reinigungselement in axialer Richtung zu verschieben. Weitere Prozessschritte sind nicht erforderlich. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Reinigungselement vorhandene Ablagerungen mitnimmt bzw. wegtransportiert. Auf diese Weise kann eine Veränderung und somit Abnutzung bzw. Alterung des Reinigungselements verhindert werden.
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung Das ohne Beschränkung der Allgemeinheit zum Wärmetausch genutzte Kühlmittel umströmt eine Außenfläche des ersten Zylinderrohrs. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher ein zweites Zylinderrohr aufweist, das koaxial zu dem ersten
Zylinderrohr angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin zweckmäßig, wenn eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel vorhanden ist, um
Kühlmittel in einen bzw. aus einem Zwischenraum zwischen zweitem und erstem Zylinderrohr ein- bzw. auszulassen. In gleicher weise ist es zweckmäßig, wenn eine Ein- und eine Austrittsöffnung für ein Arbeitsmedium vorhanden ist, um das
Arbeitsmedium in einen bzw. aus einem Zwischenraum zwischen erstem Zylinderrohr und Gewindespindel ein- bzw. auszulassen.
Es ist vorteilhaft, wenn das Reinigungselement als im Wesentlichen hohlzylindrisch geformtes Reinigungselement ausgebildet ist, wobei die Innenfläche des
Reinigungselements ein Innengewinde korrespondierend zum Gewinde der
Gewindespindel aufweist und wobei die Außenfläche des Reinigungselements
Außennuten korrespondierend zu den Führungsnuten der Innenfläche des ersten Zylinderrohrs aufweist. Auf diese Weise kann das Reinigungselement in einfacher Weise (ohne gesonderten Mitnehmer) an der Gewindespindel angebracht werden und möglichst gründlich vorhandene Ablagerungen auf wärmeübertragenden Innenflächen im Zwischenraum zwischen Innenfläche des ersten Zylinderrohrs und Gewindespindel abräumen.
Es ist zweckmäßig, wenn das Reinigungselement Aussparungen im ansonsten im Wesentlichen zylindrisch geformten Umfang des Reinigungselements aufweist, wobei sich diese Aussparungen parallel zur axialen Richtung erstrecken. Diese
Aussparungen sind insbesondere im Reinigungselement in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet. Die Aussparungen bzw. Einfräsungen erzeugen "Zähne" oder "Klauen" im Reinigungselement, die insbesondere ein Festfressen oder eine Blockade des Reinigungselements beim Reinigen vermeiden helfen. Von der Gewindespindel gelöste Ablagerungen können in die genannten Aussparungen bzw. Einfräsungen gelangen und von dort aus bei vertikalem Betrieb des Wäremtauschers zumindest in der Reinigungsphase nach unten (in Bewegungsrichtung des Reinigungselements) fallen. Auf diese Weise kann effektiv eine Blockade des Reinigungselements durch sich ansammelnde Ablagerungen vermieden werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Innengewinde des Reinigungselements einen in axialer Richtung sich vergrößernden Durchmesser aufweist. Durch diese
Ausgestaltung wird erzielt, dass die Abreinigung der Gewindenuten nicht so abrupt erfolgt wie beispielsweise bei einem Reinigungselement, das in axialer Richtung über seine gesamte Ausdehnung auf den Gewindenuten aufsitzt. Hierdurch wird ein mögliches Festklemmen des Reinigungselements vermieden. In Verbindung mit der oben genannten Ausführungsform, bei der das Reinigungselement axiale
Aussparungen aufweist, werden die hierdurch erzeugten einzelnen "Klauen" oder "Zähne" elastischer und pressen sich besser an die Außenwandung bzw. an die Gewindenuten an. Ein weiterer Vorteil ist der hierdurch gebildete Freiraum, vergleichbar mit einem Spankanal eines spanenden Bearbeitungsverfahrens.
Es ist vorteilhaft, wenn die Außenfläche des ersten Zylinderrohrs eine in axialer Richtung spiralförmig verlaufende Wendel aufweist. Diese Wendel ist Bestandteil der Außenfläche des ersten Zylinderrohrs und ist auf diese Außenfläche aufgebracht oder durch Fräsen erzeugt. In den Zwischenräumen dieser Wendel kann dann das
Kühlmittel spiralförmig in axialer Richtung fließen. Dieses erste Zylinderrohr mit dieser Wendel kann daher auch als Kühlwendel bezeichnet werden.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Ablagerungsspeicher für mittels des Reinigungselements ausgereinigte Ablagerungen/Verunreinigungen mit dem Zwischenraum zwischen
Gewindespindel und Innenfläche des ersten Zylinderrohrs/Kühlwendel insbesondere thermisch entkoppelt verbunden ist. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung transportiert das Reinigungselement Verunreinigungen in den Ablagerungsspeicher, der insbesondere von den genannten wärmeübertragenden Flächen, also dem
Zwischenraum zwischen Gewindespindel und Innenfläche des ersten Zylinderrohrs, thermisch entkoppelt ist. Diese thermische Entkopplung erlaubt eine thermische Behandlung der im Ablagerungsspeicher gesammelten Begleitstoffe oder sonstige Ablagerungen ohne Einfluss auf den weiteren Betrieb des Wärmetauschers. Hierzu ist vorteilhafterweise ein Heizelement in oder am Wärmetauscher vorhanden und derart angeordnet, dass im Ablagerungsspeicher vorhandene BegleitstoffeA erunreinigungen erwärmt werden können. Bei einer Abkühlung des Arbeitsmediums kommt es zu einem Auskondensieren der im Arbeitsmedium vorhandenen Verunreinigungen, wie
Begleitstoffe und Wasser. Das Reinigungselement kann die auskondensierten
Verunreinigungen in den Ablagerungsspeicher, der dann beispielsweise auch als Kondensatreservoir bezeichnet werden kann, transportieren. Das gesammelte
Kondensat kann anschließend mittels des genannten Heizelements erwärmt werden. Das erwärmte, zum Schmelzen gebrachte Kondensat kann durch Öffnen eines nachgeschalteten Ventils über einen Kondensatablass abgelassen werden. Auf diese Weise kann zu gegebenen Zeiten der Ablagerungsspeicher seinerseits von
vorhandenen Verunreinigungen befreit werden.
Es ist sinnvoll, während des Reinigungsvorgangs Kenntnis von der Position des Reinigungselements zu erhalten. Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise ein
Positionsmessmittel vorhanden und derart angeordnet, dass die Position des
Reinigungselements in axialer Richtung gemessen werden kann. Eine solche
Positionsmessung ermöglicht bzw. vereinfacht es, die Drehrichtung der
Gewindespindel an einer bestimmten vorgegebenen Position umzukehren, damit sich das Reinigungselement in entgegengesetzte Richtung zurückbewegt. Auch kann das Erreichen einer vorbestimmten Ruheposition mittels des Positionsmessers in einfacher Weise detektiert werden.
Zum Antrieb der Gewindespindel ist es vorteilhaft, einen Antriebsmotor einzusetzen, wobei zwischen Antriebsmotor und dem Zwischenraum zwischen Gewindespindel und Innenfläche des ersten Zylinderrohrs, also zwischen Antriebsmotor und den
wärmeleitenden Flächen des Wärmetauschers eine Partikelbarriere vorhanden ist.
Eine solche Partikelbarriere verhindert das Eindringen von Fremdstoffen in den Raum, in dem das Arbeitsmedium zum Wärmetauscher fließt, und dient umgekehrt zum Schutz des Antriebsmotors bzw. dessen Lagers vor Partikeln. Zusammenfassend lässt sich folgender bevorzugter Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers festhalten, wobei die einzelnen Merkmale nicht zwingend in der hier angegeben Kombination verwirklicht sein müssen. Die innenliegende Gewindespindel ist von einem ersten Zylinderrohr bzw. der Kühlwendel umgeben. Letztere ist ihrerseits von einem zweiten Zylinderrohr bzw. einem Außenzylinderrohr umgeben. Der
Zwischenraum zwischen Gewindespindel und Kühlwendel bildet den Arbeitsraum für das Arbeitsmedium, das über eine Eintrittsöffnung diesem Raum zugeführt und über ein Austrittsöffnung von diesem Raum nach Wärmetausch entfernt wird. Es kann zweckmäßig sein, die Strömungsrichtung umzukehren, wobei hierzu die genannte Eintrittsöffnung als Austrittsöffnung und die genannte Austrittsöffnung als
Eintrittsöffnung verwendet wird. Es ist in einem solchen Fall jedoch vorteilhaft, auf der Seite der genannten Eintrittsöffnung eine weitere Austrittsöffnung und auf der Seite der genannten Austrittsöffnung eine weitere Eintrittsöffnung für das Arbeitsmedium am Wärmetauscher vorzusehen. In diesem Fall stehen zwei gegenüberliegende
Anschlüsse jeweils für den Eintritt und für den Austritt des Arbeitsmediums zur
Verfügung, die im Folgenden auch als "beidseitige" Eintrittsöffnung bzw. als
"beidseitige" Austrittsöffnung bezeichnet werden. . Ein Kühlmittel wird über eine Kühlmitteleintrittsöffnung dem Zwischenraum zwischen Kühlwendel und
Außenzylinderrohr zugegeben und durchströmt diesen Zwischenraum zu einer Kühlmittelaustrittsöffnung, um diesen Zwischenraum wieder zu verlassen. Für die
Kühlmitteleintritts- und -austrittsöffnung gilt in analoger Weise das für die Eintritts- und Austrittsöffnung für das Arbeitsmedium gesagte, das heißt es ist vorteilhaft, einen beidseitigen Kühlmittel-Eintritt und -Austritt vorzusehen. Es ist sinnvoll, wenn die Strömung des Kühlmittels im Gegenstrom zur Strömung des Arbeitsmediums erfolgt. Es kann auch sinnvoll sein, wenn die Strömung des Kühlmittels im Gleichstrom zur Strömung des Arbeitsmediums erfolgt.
Auf einer Seite des Wärmetauschers befindet sich ein Antriebsmotor, der die
Gewindespindel in Drehung versetzt. Die Gewindespindel ist in einem Lager gelagert. An diesem Lager befindet sich ein Positionsmessmittel, das anhand der Anzahl von Umdrehungen des Antriebsmotors bei bekannter Steigung des Gewindes der
Gewindespindel eine Information zur Position des von der Gewindespindel bewegten Reinigungselements liefern kann. Das Reinigungselement, das auch als Räumer bezeichnet werden kann, befindet sich in seiner Ruheposition bevorzugt auf der gleichen Seite wie der Antriebsmotor und ist von diesem durch eine Partikelbarriere getrennt. Eine solche Partikelbarriere kann beispielsweise aus PTFE gefertigt sein und ist dann auch bei niedrigen Temperaturen so weich, dass sich Partikel darin
akkumulieren können. Der radiale Abstand zur Welle ist möglichst klein, idealerweise wenige Zehntel mm, vorzugsweise weniger als 0,4 mm, weiter vorzugsweise weniger als 0,3 mm, weiter vorzugsweise etwa gleich 0,2 mm.
Auf der anderen Seite des Wärmetauschers befindet sich am Ende des Arbeitsraums, durch den das Arbeitsmedium fließt, ein Ablagerungsspeicher bzw. ein
Kondensatreservoir, das insbesondere von diesem Arbeitsraum thermisch entkoppelt ist. Hieran anschließend folgt ein Heizelement, das mit dem Kondensatreservoir thermisch gekoppelt ist, um dieses zu erhitzen. Das Kondensatreservoir ist über einen Kondensatablass mit der Umgebung des Wärmetauschers verbunden, um den Inhalt des Kondensatreservoirs entleeren zu können. Ebenfalls an diesem Ende des
Wärmetauschers befindet sich eine Gleitlagerbuchse für die Gewindespindel.
Im Folgenden sei die Betriebsweise eines solchen vorteilhaften erfindungsgemäßen Wärmetauschers näher beschrieben: Je nach Strömungsrichtung strömt durch die jeweilige Arbeitsmedium-Eintrittsöffnung feuchtes, verschmutztes Arbeitsmedium in den Raum zwischen Gewindespindel und Kühlwendel ein und fließt in Richtung der gegenüberliegenden Austrittsöffnung. Das Arbeitsmedium strömt dabei in den
Führungsnuten der Innenfläche der Kühlwendel entlang der Drehachse der
Gewindespindel. Der Kühlwendel wird durch ein Kühlmittel Wärme entzogen, wobei dieses Kühlmittel vorzugsweise im Gegenstrom zum Arbeitsmedium in dem Raum fließt, der zwischen Kühlwendel und Außenzylinderrohr gebildet ist. Bedingt durch diese Kühlung fällt die Temperatur des Arbeitsmediums ab und Begleitstoffe bzw.
Verunreinigungen fallen entsprechend ihrer Verflüssigungs- bzw.
Erstarrungstemperaturen an den Wärmeübertragungsflächen aus. Diese
Verunreinigungen verringern die Wärmeübertragungskapazität zwischen
Arbeitsmedium und Kühlwendel.
Zum Zweck der Reinigung der Wärmeübertragungsflächen wird die Gewindespindel durch den Antriebsmotor in Rotation versetzt. Das Gehäuse des Antriebsmotors ist dabei vorzugsweise mit dem Zwischenraum, durch den das Arbeitsmedium strömt, verbunden und somit mit dem Betriebsdruck belastet. Das Gewinde der
Gewindespindel ist dabei vorzugsweise als Rechtsgewinde mit Trapezprofil ausgeführt, wobei prinzipiell auch Linksgewinde und auch andere Flankenformen denkbar und vorteilhaft sein können. Hierzu sei auch auf das weiter unten stehende verwiesen. Das Reinigungselement bzw. der Räumer greift einerseits in das Gewinde der
Gewindespindel ein und andererseits in die Führungs- bzw. Profilnuten der
Kühlwendel, wodurch das Reinigungselement in eine Translationsbewegung versetzt wird.
Aufgrund der definierten Gewindesteigung der Gewindespindel kann mit Hilfe der durch das Positionsmittel gemessenen Anzahl von Umdrehungen des Antriebsmotors die Position des Reinigungselements erfasst werden. Das Reinigungselement gleitet dabei bis zu dem thermisch entkoppelten Kondensatreservoir bzw.
Ablagerungsspeicher am Ende des Arbeitsraums. Das Reinigungselement schiebt somit die vorhandenen mitgeführten Ablagerungen in das Kondensatreservoir. Sobald die entsprechende Position erreicht ist, wird die Drehrichtung des Antriebsmotors umgekehrt und das Reinigungselement wandert zurück in seine Ruheposition neben der Partikelbarriere. Das gesammelte Kondensat kann von dem Heizelement erwärmt werden und je nach Aggregatzustand zum Schmelzen oder zum Verdampfen gebracht und anschließend durch Öffnen eines nachgeschalteten Ventils durch den
vorzugsweise beidseitigen Kondensatablass abgelassen werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, mehrere in Serie geschaltete Wärmetauscher zu einer Wärmetauscheranlage zu kombinieren. Durch einen solchen stufenweisen Aufbau können Verunreinigungen "ausgefroren" werden, wenn die einzelnen Stufen jeweils bei tieferen Temperaturen betrieben werden.
Alternativ zu der genannten Gewindespindel mit Trapezprofil kann mit Vorteil eine Gewindespindel mit Kreuzgewinde eingesetzt werden. Solche Gewindespindeln sind an sich bekannt und werden als Kreuzgewindespindeln bezeichnet. Gewindespindeln mit Trapezprofilen können entsprechend ihrer Rotationsrichtung immer nur eine zugeordnete Bewegungsrichtung abbilden, die sich in Folge dessen bei der Umkehr der Rotationsrichtung ebenfalls umkehrt. Die Umkehrung der Drehrichtung bedarf eines Schaltelements in der elektrischen Anspeisung des Antriebsmotors bzw. einem Wechselgetriebe. Um ein Überfahren von definierten Endlagen auf Gewindespindeln gleitenden Elementen, wie das Reinigungselement, zu vermeiden, sind diese häufig mit einem Positionsanschlag ausgestattet. Alternativ wird die Position des gleitenden Elements mit einem Positionserfassungsmittel erfasst.
Der Einsatz von Kreuzgewindespindeln überwindet diese Nachteile. Ein Kreuzgewinde ist derart aufgebaut, dass auf einer Spindel sowohl ein Links- als auch ein
Rechtsgewindegang vorzugsweise jeweils gleicher Steigung abgebildet ist, der in seinen jeweiligen Endlagen eine Umkehrstelle besitzt, in der wenigstens ein in der Gewindenut gleitender Gleitstein von einer ersten Bewegungsrichtung in eine zweite Bewegungsrichtung überführt wird. Die Rotationsrichtung der Welle der
Gewindespindel bleibt somit stets gleich. Somit entfällt bei Verwendung einer
Kreuzgewindespindel auch die Notwendigkeit des oben erläuterten
Positionsmessmittels für die Position des Reinigungselements. Hierzu muss die obere Endlagenbestimmung, also die Bestimmung der Ruheposition des Reinigungselements über ein alternatives Verfahren erfolgen. Hierzu ist beispielsweise eine
Drehmomentmessung möglich, die markante Änderungen des Drehmoments in den beiden Endlagen des Reinigungselements registriert. Zusätzlich oder alternativ können die Endlagen oder zumindest die obere Endlage der Ruheposition mittels Initiatoren, also Endlagenschalter, ermittelt werden. In einer vereinfachten Ausgestaltung verfügt der erfindungsgemäße Wärmetauscher folglich über eine Kreuzgewindespindel mit wenigstens einem Gleitstein, der in den Gewindegängen gleitet und einen mit dem Gleitstein beispielsweise über einen Bolzen verbundenen Räumer bzw. Reinigungselement. Die Vorteile der Verwendung der Kreuzgewindespindel liegen in einer automatischen Umkehr der Bewegungsrichtung, ohne die Drehrichtung der Welle zu ändern, sodass ein Abbremsen und erneutes Anfahren des Elektromotors obsolet wird, was wiederum einen energetisch sparsameren Prozess zur Folge hat. Weiterhin muss, wie bereits ausgeführt, keine elektrische Einrichtung zur Drehrichtungsumkehr vorgesehen werden bzw. entfällt ein entsprechender Programmteil in der Steuerung. Insgesamt wird der Reinigungsvorgang des Wärmetauschers durch die entfallene Richtungsumkehr verkürzt. Die Endlagenpositionen des Reinigungselements werden durch den
Umkehrschliff des Kreuzgewindes automatisch definiert und können somit nicht überfahren werden. Schließlich können die oben beschriebenen Positionsmessmittel entfallen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers zur Verflüssigung eines Gases. Hierbei ist koaxial zum ersten Zylinderrohr des Wärmetauschers ein zweites Zylinderrohr angeordnet, wobei zwischen erstem und zweitem Zylinderrohr ein Kühlmittel strömt. Weiterhin strömt zwischen erstem Zylinderrohr und Gewindespindel ein Arbeitsmedium, welches das zu verflüssigende Gas enthält. Beim oben beschriebenen Beispiel von Erdgas kann das zu verflüssigende Gas beispielsweise Stickstoff sein. Das Kühlmedium strömt bei einer niedrigeren Temperatur als das Arbeitsmedium, wobei der Druck und die Temperatur des Kühlmediums sowie der Druck des Arbeitsmediums derart eingestellt werden, dass durch den Wärmetausch mit dem Kühlmedium das zu verflüssigende Gas im
Arbeitsmedium sich verflüssigt. Im oben genannten Beispiel von Erdgas kann beispielsweise als Kühlmedium verflüssigter Stickstoff bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von -196°C eingesetzt werden. Das Arbeitsmedium (Erdgas) wird, insbesondere nach entsprechender Vorkühlung durch vorgeschaltete Wärmetauscher mit einem Druck von beispielsweise 10 bar eingeleitet. Durch Wärmetausch mit dem Kühlmedium kann sich der im Erdgas enthaltene Stickstoff auf eine Temperatur von - 170°C und darunter abkühlen, so dass er bei einem Druck von 0 bar sich verflüssigt. Das genannte Verfahren kann analog zur Verflüssigung von Helium, Sauerstoff und/oder Wasserstoff als ein oder mehrere Bestandteile in einem Arbeitsmedium eingesetzt werden. Konkrete Beispiele für die Verflüssigung von Helium, Wasserstoff und Sauerstoff sind im Folgenden angegeben: Verflüssigung von verschiedenen Gasen beispielsweise zum Zweck der Abscheidung aus Gasgemischen
Verflüssigung von O?:
Kühlmedium vorzugsweise Flüssigstickstoff zwischen 1 und 15bar;
Temperaturbereich des Kühlmediums -163°C@15bar bis -196°C@1 bar;
Druck des zu verflüssigenden 02 1 bar-50bar;
erste Verflüssigungstemperatur @ 1 bar -183°C;
zweite Verflüssigungstemperatur @ 50bar -119°C;
Der Druck des Kühlmediums wird jeweils so gewählt, dass die Temperatur des
Kühlmediums stets geringer ist als die des Arbeitsmediums. Verflüssigung von H2:
Kühlmedium vorzugsweise Flüssighelium zwischen 1 und 2,2bar;
Temperaturbereich des Kühlmediums -267°C@2,2bar bis -268°C@1 bar;
Der Druck des Kühlmediums wird jeweils so gewählt, dass die Temperatur des Kühlmediums stets geringer ist als die des Arbeitsmediums.
Alternatives Kühlmedium Flüssigwasserstoff zwischen 1 und 13bar;
Temperaturbereich des Kühlmediums -240°C@13bar bis -253°C@1 bar. Im speziellen Fall, dass als Kühlmedium das gleiche Medium wie das zu verflüssigende Medium verwendet wird, muss der Druck im Kühlmedium geringer sein als der Druck des Arbeitsmediums, sodass die Kühlmitteltemperatur aufgrund des niedrigeren
Gleichgewichtspunkts geringer ist. Druck des zu verflüssigenden H2 1 bar - 13bar;
erste Verflüssigungstemperatur @ 1 bar -253X;
zweite Verflüssigungstemperatur @ 13bar -240°C;
Verflüssigung von He:
Kühlmedium vorzugsweise Flüssighelium zwischen 1 und 2,2bar;
Temperaturbereich des Kühlmediums -267°C@2,2bar bis -268°C@1 bar;
Im speziellen Fall, dass als Kühlmedium das gleiche Medium wie das zu
verflüssigende Medium verwendet wird, muss der Druck im Kühlmedium geringer sein als der Druck des Arbeitsmediums, sodass die Kühlmitteltemperatur aufgrund des niedrigeren Gleichgewichtspunkts geringer ist.
Druck des zu verflüssigenden He 1 bar - 2,2bar;
erste Verflüssigungstemperatur @ 1 bar -268°C;
zweite Verflüssigungstemperatur @ 2,2bar -267°C;
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt schematisch einen in Längsschnitt einer vorteilhaften
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
Figur 2 zeigt eine Kühlwendel als erstes Zylinderrohr des in Figur 1
dargestellten Wärmetauschers,
Figur 3 zeigt ein Reinigungselement, wie es bei dem Wärmetauscher gemäß
Figur 1 eingesetzt ist, und Figur 4 zeigt schematisch den Ausschnitt einer Gewindespindel mit einem
Kreuzgewinde.
Ausführliche Beschreibung der Figuren Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines
Wärmetauschers 13, wie er insbesondere zur Kühlung von Erdgas verwendet werden kann. In dieser einfachen Ausgestaltung weist der Wärmetauscher 13 ein
Außenzylinderrohr 1 auf, das eine Kühlwendel 2 umgibt. Diese Kühlwendel 2 ist ihrerseits als Zylinderrohr ausgeführt und weist wenigstens einen, vorzugsweise spiralförmigen Kanal 23 an ihrer Außenfläche auf, der der Führung eines Kühlmittels dient. Wie in Figur 2 dargestellt, wird dieser Kanal 23 durch eine entsprechende Wendel 21 auf der Außenfläche der Kühlwendel 2 erzeugt. Die Innenfläche der hohlzylindrischen Kühlwendel weist Führungs- bzw. Profilnuten 22 auf. Diese wenigstens eine Führungsnut 22 dient der Führung eines Reinigungselements oder Räumers 12.
Im Inneren der Kühlwendel 2 befindet sich koaxial zu dieser eine Gewindespindel 3. Die Gewindespindel 3 wird von einem Antriebsmotor 4 angetrieben und ist in einer Lagerstelle gelagert, die vorzugsweise als Axial-/Radial-Mischlager 5 ausgeführt ist. Am anderen Ende der Gewindespindel 3 ist diese in einer radialen Lagerstelle, die vorzugsweise als Gleitlagerbuchse 8 ausgeführt ist, gelagert. An diesem Ende des Wärmetauschers 13 ist außerdem ein thermisch entkoppeltes Kondensatreservoir 7 sowie ein Heizelement 9 zur Erhitzung von Kondensat in dem Kondensatreservoir 7 vorhanden.
Am anderen Ende des Wärmetauschers 13 trennt eine Partikelbarriere 11 den
Antriebsmotor 4 von dem Arbeitsraum für das Arbeitsmedium. Die Partikelbarriere 11 dient außerdem zum Schutz des Antriebsmotors 4 und des Lagers 5 vor groben Partikeln, agiert aber nicht als Gasdichtung.
In der hier dargestellten Ausführungsform gemäß Figur 1 sind mehrere
Außenzylinderrohre 1 durch eine Klemmvorrichtung 10 verbunden. Die
Klemmvorrichtung 10 ist so aufgebaut, dass zwei Überwurfringe mit einem
Innengewinde auf das Außenzylinderrohr 1 , das wiederum mit einem Außengewinde versehen ist, aufgeschraubt werden. Die Überwurfringe werden mittels Schrauben zusammengezogen und die einzelnen Segmente werden aneinander gepresst und durch eine Dichtung abgedichtet. Auch mehrere solcher Außenzylinderrohre können als ein "Außenzylinderrohr" verstanden und bezeichnet werden. Ein Reinigungselement oder Räumer 12 ist neben der Partikelbarriere 11 in seiner Ruheposition angeordnet. Bei Inbetriebnahme des Antriebsmotors 4 wird die
Gewindespindel 3 in Drehung versetzt, sodass der Räumer 12 auf der Gewindespindel entlang den Führungs- bzw. Profilnuten 22 der Kühlwendel 2 in axialer Richtung verschoben wird. Im vorliegenden Beispiel wird eine Gewindespindel 3 beispielsweise mit Trapezprofil eingesetzt. Eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Räumers 12 setzt eine Umkehr der Rotationsrichtung der Gewindespindel 3 voraus. Eine andere Ausführungsart der Gewindespindel 3 ist weiter unten im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert. Im Betrieb des Wärmetauschers 13 wird über eine Arbeitsmedium-Eintrittsöffnung 14 beispielsweise feuchtes, verschmutztes Arbeitsmedium in den Zwischenraum zwischen Gewindespindel 3 und zwischen Kühlwendel 2 geführt und strömt in axialer Richtung zu der Arbeitsmedium-Austrittsöffnung 15 am anderen Ende des Wärmetauschers 13. Das Arbeitsmedium strömt dabei in den Profilnuten 22 auf der Innenfläche der hohlzylindrischen Kühlwendel 2 (vgl. Figur 2) entlang der Drehachse der Gewindespindel 3. Über eine Kühlmittel-Eintrittsöffnung 16 wird dem Raum zwischen Kühlwendel 2 und Außenzylinderrohr 1 Kühlmittel zugeführt, das zum anderen Ende des Wärmetauschers 13 fließt und diesen durch die Kühlmittel-Austrittsöffnung 17 verlässt. Das Kühlmittel strömt dabei in dem zwischen Außenzylinderrohr 1 und Kühlwendel 2 gebildeten Kanal 23 spiralförmig in axialer Richtung. Das Kühlmittel entzieht der Kühlwendel 2 Wärme, sodass wiederum dem Arbeitsmedium Wärme entzogen wird.
In einem speziellen Anwendungsfall wird Erdgas mit einem Druck von 4 bis maximal 220 bar aus einer unterirdischen Kaverne auf eine Temperatur von ca. 20°C temperiert. In einem ersten Wärmetauscher wird das Arbeitsmedium auf vorzugsweise 1 °C abgekühlt. In einem zweiten Wärmetauscher, der mit dem ersten Wärmetauscher in Serie geschaltet ist, wird das Arbeitsmedium auf vorzugsweise -40°C bis -60°C abgekühlt. In einer dritten Stufe wird das Arbeitsmedium auf vorzugsweise -80°C bis - 150°C abgekühlt und in einer letzten Stufe wird das Arbeitsmedium über einen wiederum in Serie geschalteten Wärmetauscher verflüssigt. Die Temperatur des Erdgases wird dabei auf bis zu -196°C abgesenkt, wobei es zur Unterkühlung des Erdgases kommt. Die erste Stufe fällt dabei einen Großteil des Wasseranteils aus, die nächsten Stufen hauptsächlich die höheren Kohlenwasserstoffe, C02 sowie weitere Begleitstoffe. Durch die in den jeweiligen Stufen der Wärmetauscher 13 vorhandenen Räumer 12 können auskondensierte Bestandteile jeweils von den
wärmeübertragenden Flächen abgereinigt werden.
Die ersten beiden Wärmetauscherstufen werden in diesem konkreten Anbindungsfall durch Kältemaschinen gekühlt, die beiden weiteren durch Flüssigstickstoff, tiefkaltes flüssiges CNG oder durch tiefkalten gasförmigen Stickstoff. Der maximale
Betriebsdruck des Wärmetauschers ist 300 bar, die zulässigen Betriebstemperaturen betragen 100°C bis -200°C. Durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse zwischen dem Kühlmedium, beispielsweise Stickstoff bei maximal 10 bar, und dem Arbeitsmedium, hier CNG mit Begleitstoffen unter anderem von Stickstoff von 4 bis 220 bar, kann Stickstoff als Begleitstoff bei hohem Druck (bspw. bei 10 bar) durch Flüssigstickstoff bei niedrigem Druck (bspw. bei 1 bar), bedingt durch die unterschiedlichen druckabhängigen Phasenübergänge zum Verflüssigen gebracht und abgeschieden werden. Der hier vorgeschlagene Wärmetauscher 13 kann somit auch zur Verflüssigung von Stickstoff eingesetzt werden.
Zum Zwecke der Reinigung der Wärmeübertragungsflächen, beispielsweise von Wasser bzw. Eis in der ersten Stufe bzw. von höheren Kohlenwasserstoffen, C02 und weiteren Begleitstoffen in der zweiten und weiteren Stufe, wird die Gewindespindel 3 einer Stufe durch den Antriebsmotor 4 in Rotation versetzt. Der Räumer 12, der einerseits in das Gewinde der Gewindespindel 3 und andererseits in die Profilnuten 22 der Kühlwendel 2 eingreift, wird hierdurch in eine Translationsbewegung versetzt. Auf seinem Weg in Richtung Kondensatreservoir 7 nimmt der Räumer 12 die genannten auskondensierten Begleitstoffe mit. Diese werden bei Erreichen des
Kondensatreservoirs 7 in das selbige geschoben. Das Positionsmessmittel 6 kann aufgrund der definierten Gewindesteigung der Gewindespindel 3 aus der Anzahl der gemessenen Umdrehungen des Antriebsmotors 4 die Position des Räumers 12 bestimmen. Sobald die Position des Kondensatreservoirs 7 erreicht ist, wird die
Drehrichtung des Antriebsmotors 4 umgekehrt, sodass der Räumer 12 zurück in seine Ruheposition wandert. Es ist zweckmäßig, wenn die Ruheposition die obere
Endposition und die Position des Kondensatreservoirs 7 die untere Endposition des Räumers 12 bei vertikaler Stellung des Wärmetauschers darstellt.
Das gesammelte Kondensat wird über das Heizelement 9 erwärmt und somit zum Schmelzen gebracht. Durch Öffnen eines nachgeschalteten Ventils können die Begleitstoffe durch einen Kondensatablass 18 abgelassen werden. Die Reinigung der wärmetauschenden Flächen des Wärmetauschers 13 erfolgt beispielsweise nach empirisch ermitteltem Periodendauern oder bei Erreichen eines extern gemessenen maximal zulässigen Differenzdrucks, der auf eine Verkleinerung des freien Strömungsquerschnitts im Arbeitsraum bedingt durch abgelagerte
Begleitstoffe schließen lässt. Durch die Abreinigung wird ein möglichst hoher und konstanter Wärmeübertragungswert erzielt. Im Vergleich zu den Systemen nach dem Stand der Technik beansprucht der Wärmetauscher 13 aufgrund der effektiv genutzten Wärmeübertragungsflächen ein geringeres Bauvolumen.
Der segmentweise Aufbau des Wärmeübertragers 13 ermöglicht einen modularen Aufbau. Die Wärmeübertragungsleistung ist somit über die Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Wärmeübertragungsflächen variierbar.
Durch den Einsatz des genannten Positionserfassungsmittels 6 wird stets die Ist- Position des Räumers 12 überwacht. Ein etwaiges Festfressen kann durch Messung des Schlupfs frühzeitig erkannt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass der hier erläuterte Wärmetauscher 13 nicht nur für die Erdgasverflüssigung, sondern für eine Vielzahl industrieller Anwendungen mit entsprechenden Arbeitsmedien adaptierbar und einsetzbar ist. Der Räumer 12 kann als wenig komplexes Austauschteil an die Bedürfnisse der jeweiligen Einsatzgebiete angepasst und im Schadensfall rasch ersetzt werden.
Figur 3 zeigt einen Räumer 12 bzw. ein Reinigungselement 12, wie es in dem
Wärmetauscher 13 zum Einsatz kommen kann. Dargestellt sind die Außennuten 122 des Räumers 12, die den Führungsnuten 22 der Kühlwendel 2 entsprechen. Das Innengewinde 121 des Räumers 12 entspricht dem Gewinde der Gewindespindel 3. Der Räumer 12 weist Aussparungen bzw. Einfräsungen 123 auf. Durch letztere enthält der Räumer 12 "Zähne" bzw. "Klauen", die vermeiden, dass sich Ablagerungen im Gewinde ansammeln und zu einem Blockieren des Räumers 12 führen. Die
Ablagerungen können nämlich durch die Aussparungen bzw. Einfräsungen 123 in den Zwischenraum eintreten und bei vertikaler Lage des Wärmetauschers nach unten Richtung Kondensatreservoir 7 fallen. Weiterhin dient der in Bewegungsrichtung des Abreinigens sich vergrößernde Innendurchmesser des Räumers 12 zum leichteren Einführen in die verunreinigte Gewindespindel bei Beginn des Reinigungsprozesses.
Figur 4 zeigt schließlich eine alternative Ausgestaltung einer Gewindespindel 3', bei der es sich um eine Kreuzgewindespindel 3' handelt. Die Welle mit Kreuzgewinde ist mit 31 bezeichnet. Der darin laufende Gleitstein mit 32. Bei dieser Ausgestaltung ist der Räumer 12 mit dem Gleitstein 32 verbunden und bewegt sich bei Rotation der
Gewindespindel 3' in axialer Richtung.
Vorteil ist hier, wie oben bereits erläutert, dass der in der Gewindenut gleitende
Gleitstein 32 bei Drehung der Gewindespindel 3' in einer einzigen Rotationsrichtung von einer ersten Bewegungsrichtung in eine zweite, entgegengesetzte
Bewegungsrichtung überführt wird, ohne die Rotationsrichtung der Welle 31 zu ändern. Durch die Überlagerung des Links- und Rechtsgewindegangs bildet sich auf der Welle 32 ein typisch deltoid-förmiges Muster aus.
Wie ebenfalls oben beschrieben, ermöglicht die Gewindespindel 3' ein energetisch sparsameren Prozess, da der Elektromotor nicht abgebremst und erneut gestartet werden muss. Außerdem kann eine Positionsmessung des Räumers 12 und somit das in Figur 1 dargestellte Positionsmessmittel 6 entfallen. Der Abreinigungsvorgang des Wärmetauschers 13 wird durch den Entfall der Richtungsumkehr nochmals verkürzt.
Bezugszeichenliste
I Außenzyiinderrohr, zweites Zylinderrohr 2 Kühlwendel, erstes Zylinderrohr
3, 3' Gewindespindel
4 Antriebsmotor
5 Axial-/Radiallager
6 Positionsmessmittel
7 Kondensatreservoir, Ablagerungsspeicher
8 Gleitlagerbuchse
9 Heizelement
10 Klemmvorrichtung
I I Partikelbarriere
12 Räumer, Reinigungselement
13 Wärmetauscher
14 Arbeitsmedium-Eintrittsöffnung
15 Arbeitsmedium-Austrittsöffnung
16 Kühlmittel-Eintrittsöffnung
17 Kühlmittel-Aust ttsöffnung
18 Kondensatablass
21 Wendel
22 Führungsnut, Profilnut
23 Kanal
121 Innengewinde des Reinigungselements
122 Außennut
123 Aussparung, Einfräsung
31 Welle der Gewindespindel 3'
32 Gleitstein

Claims

Patentansprüche
Wärmetauscher mit
einem ersten Zylinderrohr (2) und einer koaxial im ersten Zylinderrohr (2) verlaufenden Gewindespindel (3),
wobei die Innenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) Führungsnuten (22) aufweist und wobei auf der Gewindespindel (3) ein Reinigungselement (12) derart angebracht ist, dass das Reinigungselement (12) durch Drehung der Gewindespindel (3) in axialer Richtung entlang der Führungsnuten (22) verschoben wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 mit einem zweiten Zylinderrohr (1), das koaxial zu dem ersten Zylinderrohr (2) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) eine in axialer Richtung spiralförmig verlaufende Wendel (21) aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Reinigungselement (12) als im Wesentlichen hohlzylindrisch geformtes
Reinigungselement (12) ausgebildet ist, wobei die Innenfläche des
Reinigungselements (12) ein Innengewinde (121 ) korrespondierend zum
Gewinde der Gewindespindel (3) aufweist und wobei die Außenfläche des Reinigungselements (12) Außennuten (122) korrespondierend zu den
Führungsnuten (22) der Innenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem das Reinigungselement (12)
Aussparungen (123) im ansonsten im Wesentlichen zylindrisch geformten Umfang aufweist, die sich parallel zur axialen Richtung erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, bei dem die Aussparungen (123) im
Reinigungselement (12) in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Innengewinde (121 ) des Reinigungselements (12) einen in axialer Richtung sich vergrößernden Durchmesser aufweist.
8. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ein- und eine Austrittsöffnung (16, 17) für ein Kühlmittel vorhanden ist, um Kühlmittel in einen oder aus einem Zwischenraum zwischen zweitem Zylinderrohr (1) und erstem Zylinderrohr (2) ein- oder auszulassen.
9. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ein- und eine Austrittsöffnung (14, 15) für ein Arbeitsmedium vorhanden ist, um das Arbeitsmedium in einen oder aus einem Zwischenraum zwischen erstem
Zylinderrohr (2) und Gewindespindel (3) ein- oder auszulassen.
10. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein
Ablagerungsspeicher (7) für mittejs des Reinigungselements (12) ausgereinigte Verunreinigungen mit dem Zwischenraum zwischen Gewindespindel (3) und Innenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) insbesondere thermisch entkoppelt verbunden ist.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem ein Heizelement (9) vorhanden und derart angeordnet ist, dass im Ablagerungsspeicher (7) vorhandene
Verunreinigungen erwärmt werden können.
12. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein
Positionsmessmittel (6) vorhanden und derart angeordnet ist, dass die Position des Reinigungselements (12) in axialer Richtung gemessen werden kann.
13. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Antrieb der Gewindespindel (3) ein Antriebsmotor (4) vorhanden ist, und wobei eine Partikelbarriere (11) zwischen Antriebsmotor (4) und dem Zwischenraum zwischen Gewindespindel (3) und Innenfläche des ersten Zylinderrohrs (2) vorhanden ist.
14. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Gewindespindel (3) als Gewindeprofil ein Trapezprofil aufweist.
15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gewindespindel (3') als Gewinde ein Kreuzgewinde aufweist.
16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, bei dem in der Gewindenut des
Kreuzgewindes der Gewindespindel (3') ein Gleitstein (32) gleitend gelagert ist, der mit dem Reinigungselement (12) verbunden ist.
17. Wärmetauscheranlage mit mehreren in Serie geschalteten Wärmetauschern nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
18. Verwendung eines Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1-16 zur
Verflüssigung eines Gases, bei dem
koaxial zum ersten Zylinderrohr (2) ein zweites Zylinderrohr (1) angeordnet ist, wobei zwischen erstem und zweitem Zylinderrohr ein Kühlmittel strömt, wobei zwischen erstem Zylinderrohr (2) und Gewindespindel (3) ein
Arbeitsmedium strömt, welches das zu verflüssigende Gas enthält, und wobei das Kühlmedium bei einer niedrigeren Temperatur als das Arbeitsmedium strömt, wobei Druck und Temperatur des Kühlmediums sowie der Druck des Arbeitsmediums derart eingestellt werden, dass durch den Wärmetausch mit dem Kühlmedium das zu verflüssigende Gas im Arbeitsmedium sich verflüssigt.
19. Verwendung nach Anspruch 18, wobei als Kühlmedium das gleiche Medium wie das zu verflüssigende Gas eingesetzt wird, wobei der Druck des Kühlmediums geringer als der des Arbeitsmediums gewählt wird.
20. Verwendung nach Anspruch 18 oder 19 zur Verflüssigung von Stickstoff, Helium, Sauerstoff und/oder Wasserstoff als ein oder mehrere Bestandteile im
Arbeitsmedium.
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