WO2017157533A1 - Sicherheitswärmeübertrager zur temperatureinstellung - Google Patents

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WO2017157533A1
WO2017157533A1 PCT/EP2017/025043 EP2017025043W WO2017157533A1 WO 2017157533 A1 WO2017157533 A1 WO 2017157533A1 EP 2017025043 W EP2017025043 W EP 2017025043W WO 2017157533 A1 WO2017157533 A1 WO 2017157533A1
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WO
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heat exchanger
transfer medium
heat transfer
heat
flow
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/025043
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Steinbauer
Jürgen Spreemann
Clemens Wolferstetter
Florian Deichsel
Paul Heinz
Christian Olbrich
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Linde Aktiengesellschaft
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Publication date
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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
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/16—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing leakage

Definitions

  • the invention relates to a method and a heat exchanger for temperature control of a material flow.
  • Process streams are typically cooled or heated by passing them to a corresponding cooler or warmer material stream so that the heat is transferred from the process stream to the other stream, or heat from the other stream to the process stream.
  • This is usually done in a heat exchanger in which the process stream is e.g. is passed in a pipe or a plate limited passage, which is then flowed around by the warmer or cooler material flow.
  • the process stream in a tube heat exchanger can be guided on the tube side and the warmer or cooler material flow on the shell side, or in a plate heat exchanger in adjacent
  • a problem with conventional heat exchangers is that in case of leakage of the process-flow pipe or the process-flow-carrying passage of the
  • Process flow can mix with the warmer or cooler material flow, for example, depending on the pressure of the currents involved even the cooler or warmer material flow can be pressed into the process stream leading pipe or in the process-stream-leading passage. This is particularly unfavorable if the substance stream to be cooled or heated is a hazardous substance. Solutions to this problem have already been proposed in the prior art. One solution to the problem proposes the use of a double-tube heat exchanger in which the one to be cooled or heated
  • Process flow is guided in a double tube through the heat exchanger, and the cooler or warmer material flow through the shell space of the heat exchanger.
  • the process stream pours into a cavity between the inner tube and the outer tube and thus does not come into contact with the cooler or warmer material flow.
  • the cavity may also be filled, for example with a safety gas or a Security liquid.
  • a double-tube variant is proposed in which touch both tubes, but still a cavity between the two tubes is present.
  • the pipes are corrugated in this case.
  • the heat transfer from one pipe to the other pipe takes place by heat conduction through the pipe material (eg a metal).
  • a disadvantage of the proposed double-tube heat exchangers is that the process stream can either be cooled or only heated, and the heat transfer efficiency is limited or reduced by the double tube used, since the heat transfer takes place only by heat conduction.
  • Substance using a heat exchanger comprising the steps of: cooling the material flow through a brine, wherein the flow and the refrigerant are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the heat transfer in the heat exchanger takes place indirectly via a heat transfer medium, and / or heating the Material flow through a heat transfer medium, wherein the material flow and the heat transfer medium are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the heat transfer in the heat exchanger indirectly via a
  • Heat transfer medium takes place, and wherein the heat transfer medium is guided in a closed circuit through the heat exchanger.
  • the material stream to be tempered is
  • streams for which the process of the present invention is particularly useful include, but are not limited to, hazardous materials, particularly toxic, explosive, or easily flammable substances, or material or product streams in processes for drug manufacture, food production, or food processing.
  • the material stream to be tempered is a fluid stream.
  • a fluid stream or a fluid according to the invention is in particular a gas or gas mixture, a liquid or a
  • the method comprises the step of cooling the material flow through a brine, wherein the flow and the brine are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the heat transfer in the heat exchanger takes place indirectly via a heat transfer medium, wherein the heat transfer medium in a closed circuit is passed through the heat exchanger.
  • the method comprises the step of heating the material flow through a heat transfer medium, wherein the material flow and the heat transfer medium are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the heat transfer in the heat exchanger indirectly via a heat transfer medium, wherein the heat transfer medium is guided in a closed circuit through the heat exchanger.
  • Heat exchanger is a tube heat exchanger or has such, wherein the material flow, the refrigerant and / or the heat carrier are guided on the tube side, and the heat transfer medium is guided on the shell side.
  • Tubular heat transfer is preferably a wound heat exchanger or a Geradrohr Anlagenschreiber.
  • a coiled heat exchanger is in the context of the invention, in particular, to understand a heat exchanger having a core tube on which one or more tubes are helically wound in one or more layers, wherein the tubes and the core tube are surrounded by a jacket. Material flows can be performed in such a wound heat exchanger tube side or shell side.
  • the core tube receives the load of the tubes.
  • Mantelraum can be performed.
  • the heat exchanger is or has a plate heat exchanger, preferably in the form of a Aluminiumplattenkorübertragers, more preferably in the form of a brazed Aluminiumplatten duressschreibers.
  • the material flow, the heat transfer medium and / or the brine are each guided in separate, non-adjacent passages of the plate heat exchanger, and the heat transfer medium is guided in at least one passage which passes between the material flow Passage and a passage leading to the refrigerant and / or between a passage leading to the flow of material and a passage leading to the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is guided in a passage of the plate heat exchanger, which adjoins the material flow leading on one side and on the other side to a refrigerant or the heat transfer medium
  • the material flow is guided in a passage of the plate heat exchanger which adjoins a passage leading to the heat transfer medium on both sides, at least one or both passages leading to the heat transfer medium being adjacent to a passage leading to the brine or heat carrier, or one that
  • Heat transfer medium leading passage adjacent to a passage leading to the refrigerant and the other leading the heat transfer medium passage adjacent to a passage leading to the heat transfer medium are
  • the temperature of the material flow is determined at the outlet of the heat exchanger, wherein the flow of the refrigerant is increased by the heat exchanger, and / or the flow of the heat carrier is reduced or prevented by the heat exchanger, if the certain Temperature of the material flow is above the desired temperature, and / or the flow of the heat carrier is increased by the heat exchanger, and / or the flow of the refrigerant through the heat exchanger is reduced or prevented when the determined temperature of the material flow is below the desired temperature.
  • Heat transfer medium are passed through the heat exchanger.
  • Heat transfer medium a fluid stream.
  • the refrigerant is a fluid stream.
  • the heat carrier is a fluid stream.
  • Heat transfer medium is or has water.
  • a heat exchanger with the features of claim 8 is provided.
  • Such a heat exchanger comprises at least one flow path for guiding a material flow, at least one flow path for guiding a heat carrier and / or at least one flow path for guiding a coolant and at least one flow path for guiding a heat transfer medium, wherein the flow paths for guiding the material flow and the heat carrier by at least two walls of the heat exchanger are separated from each other and / or the flow paths for guiding the material flow and the refrigerant are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the at least one
  • Flow path for guiding the heat transfer medium is configured so that heat between the heat transfer medium and the material flow, between the heat transfer medium and the brine and / or between the heat transfer medium and the heat transfer medium is transferable. It is provided that the at least one flow path for guiding the
  • Heat transfer medium continues to be configured so that the
  • Heat transfer medium is feasible therein in a closed circuit, wherein the at least one flow path for guiding the heat transfer medium extends at least partially in the heat exchanger.
  • the heat exchanger described above is particularly suitable for carrying out the method according to the invention. Furthermore, the heat exchanger according to the invention is characterized by high safety against leaks, since the material flow to be tempered, the heat transfer medium and / or the refrigerant can not mix with each other in case of leakage of one of the aforementioned flow paths.
  • the heat exchanger comprises at least one flow path for guiding a stream, at least one Flow path for guiding a heat carrier or a refrigerant and at least one flow path for guiding a heat transfer medium, wherein the flow paths for guiding the material flow and the heat carrier or
  • Refrigerant are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the at least one flow path for guiding the
  • Heat transfer medium is configured so that heat between the
  • Heat transfer medium and the brine or heat transfer medium is transferable, wherein the at least one flow path for guiding the
  • Heat transfer medium continues to be configured so that the
  • Heat transfer medium can be guided therein in a closed circuit, and wherein the at least one flow path for guiding the
  • Heat transfer medium extends at least partially in the heat exchanger.
  • the heat exchanger comprises at least one flow path for guiding a flow, at least one flow path for guiding a heat carrier, at least one flow path for guiding a refrigerant and at least one flow path for guiding a heat transfer medium, wherein the flow paths for guiding the flow and the Heat carrier through at least two walls of the
  • Heat exchanger are separated from each other and the flow paths for guiding the flow of material and the refrigerant are separated by at least two walls of the heat exchanger, and the at least one
  • Flow path for guiding the heat transfer medium is configured so that heat between the heat transfer medium and the material flow, between the heat transfer medium and the refrigerant and between the heat transfer medium
  • Heat transfer medium and the heat transfer medium is transferable, wherein the at least one flow path for guiding the heat transfer medium is further configured so that the heat transfer medium can be guided therein in a closed circuit, and wherein the at least one flow path for guiding the heat transfer medium extends at least partially in the heat exchanger.
  • a heat exchanger is characterized by a high
  • Heat exchanger comprises a device which is adapted to the
  • the device is designed as a circulation pump, in particular as a centrifugal pump.
  • Heat transfer medium is a liquid, in particular water or an aqueous solution.
  • a compressor or blower is particularly advantageous when it comes to the
  • Heat transfer medium is a gas or gas mixture.
  • the heat exchanger comprises a pressure measuring device, which is in flow connection to at least one flow path for guiding the heat transfer medium, and in particular is adapted to the pressure of the
  • the pressure measuring device is at the at least one flow path for guiding the heat transfer medium or at the closed
  • Such a pressure measuring device can advantageously be used for detecting a leakage in one of the aforementioned flow paths, if the pressure of the heat transfer medium from the one or more pressures of the material flow, the refrigerant and / or the heat carrier differs, since a leak then by a pressure change of the
  • the heat exchanger is a tube heat exchanger having a jacket comprising a jacket space, wherein the at least one flow path for guiding the Material flow, the at least one flow path for guiding the heat carrier and / or the at least one flow path for guiding the refrigerant is formed by at least one tube, and the flow path for guiding the heat transfer medium is at least partially formed by the shell space.
  • the tube heat exchanger is preferably a wound heat exchanger or a straight tube heat exchanger.
  • the heat exchanger is a plate heat exchanger.
  • Plate heat exchangers may in particular be a
  • Aluminum plate heat exchanger act, preferably a soldered
  • the plate heat exchanger has a plurality of passages, which are each separated by at least one wall or partition plate, wherein the at least one flow path for guiding the material flow, the at least one flow path for guiding the refrigerant and / or the at least one flow path for guiding the heat carrier is formed by in each case at least one passage, the at least one flow path for guiding the material flow from the at least one flow path for guiding the refrigerant and / or at least one
  • Passage is separated, and the at least one flow path for guiding the heat transfer medium is formed by at least one passage extending between the at least one passage leading the material flow and the at least one passage leading to the refrigerant and / or between the at least one passage leading the material flow and the at least one passage leading to the heat transfer medium is located.
  • Heat exchanger provided for adjusting the temperature of a stream, in particular by means of the method according to the invention.
  • the present invention can be used advantageously in all areas of the gas supply.
  • Another application is heating, evaporation or cooling of process fluids in process plants such as air separation plants, hydrogen or synthesis gas plants, petrochemical plants or plants for the liquefaction of natural gas.
  • process plants such as air separation plants, hydrogen or synthesis gas plants, petrochemical plants or plants for the liquefaction of natural gas.
  • process plants such as air separation plants, hydrogen or synthesis gas plants, petrochemical plants or plants for the liquefaction of natural gas.
  • process plants such as air separation plants, hydrogen or synthesis gas plants, petrochemical plants or plants for the liquefaction of natural gas.
  • Examples of a stream to be heated or cooled, ie tempered, are: flammable gases or liquids such as methane, ethane, propane, ethylene,
  • Carbon monoxide or hydrogen Carbon monoxide or hydrogen; accelerating gases such as oxygen; or torch gases.
  • the following fluids can be used: water, water-like mixtures such as mixtures with or from water and glycol, hydrocarbons such as methanol, ethane, propane or ethylene; Steam; organic fluids; Oils, preferably thermal oils.
  • Possible refrigerants may be: water, water-like mixtures such as mixtures with or from water and glycol; Refrigerant; Hydrocarbons, such as methanol, ethane, propane or ethylene; or oils, preferably thermal oils.
  • heat transfer medium can be used: water, water-like mixtures such as mixtures with or from water and glycol; Refrigerant; Hydrocarbons, such as methanol, ethane, propane or ethylene; or oils, preferably thermal oils.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of an alternative embodiment of
  • FIG. 3 is an illustration of an embodiment of the invention using a wound heat exchanger
  • Fig. 4 is an illustration of an embodiment of the invention, a
  • Plate heat exchanger used according to the ALPEMA classification.
  • the present invention is based on the concept of cooling or heating a process or material flow A to cool this or not directly with a corresponding cooling medium or refrigerant or with a heating medium or heat transfer medium D or to heat, but indirectly via an intermediate stream B or
  • the process stream A mixes in the case of leakage of the process stream A leading agent not with the cooling medium C or the heating medium D, but only with the intermediate stream B or heat transfer medium B.
  • pipes can also carry the heat transfer medium B into the pipe
  • Heat transfer medium B in the streams A, C or D is Heat transfer medium B in the streams A, C or D.
  • the intermediate flow B it is also possible to control the wall temperatures of each of the process stream A, the cooling medium C and the heating medium D leading means, and thus to prevent problems such as freezing, hydrate formation or film boiling.
  • the concept underlying the invention can be realized in particular by a heat exchanger in which a heat transfer medium B circulates, wherein the process stream A is cooled or heated just by that heat transfer medium B.
  • the inventive method and the heat exchanger GW, PW according to the invention are particularly suitable for controlling the temperature of hazardous substances or sensitive substances such as chemical compounds or food, in which a
  • Contamination with cooling media or heating media is highly undesirable.
  • Another advantage is that in case of a leak the plant part continues can be operated, ie the heat exchanger is no longer active, but is still flowing through.
  • the process according to the invention and the heat exchanger according to the invention make it possible to control the temperature of streams in which restrictions exist for the wall temperature of the individual streams (for example by freezing out of condensates, hydrate formation or film boiling).
  • Contamination of the process streams that occurs during a leak in a conventional heat exchanger may damage other equipment (such as a pump or compressors).
  • the downstream equipment parts can be protected from damage in the event of leakage.
  • the heat exchanger according to the invention can be advantageously used as or for an oil cooler which is operated with a non-aqueous heat transfer medium, since otherwise could be damaged in case of contamination of the oil by cooling water other machinery.
  • Fig. 1 illustrates a preferred embodiment of the invention
  • a material flow A to be cooled or heated is provided on the tube side in an e.g. wound heat exchanger GW out.
  • a temperature sensor T measures the temperature of the stream A permanently or at certain intervals.
  • a pipe side guided refrigerant C is fed into the heat exchanger GW, or if the refrigerant C is already passed through the heat exchanger GW, the flow rate of the refrigerant C is increased, so as to provide the required cooling capacity to deliver.
  • the flow rate of the refrigerant C can be controlled by a valve V1.
  • the one or more of the refrigerant C leading tubes are flowed around by a heat transfer medium B, which at least partially on the shell side (M) circulates through the wound heat exchanger 100 or by a pump P in a circuit that partly through the Mantle space M extends, transported.
  • the heat transfer medium B is cooled by the refrigerant C. and flows around the one or the material flow A leading tubes, whereby the stream A is cooled.
  • the flow rate of a pipe-side guided heat transfer D can be reduced, if this already by the
  • Heat exchanger GW is performed, wherein the heat transfer medium B flows around both the refrigerant C and the heat transfer medium D pipes.
  • the flow rate of the heat carrier D can also be regulated by a valve V2.
  • the flow rate of the heat carrier D is increased, so as to provide the required heating power available.
  • the stream A is heated in this case indirectly in an analogous manner via the circulating heat transfer medium B, which is heated when flowing around the or the heat transfer medium D leading pipes.
  • the flow rate of the coolant C guided on the pipe side can be reduced, provided that this is already conducted through the heat exchanger GW.
  • Refrigerant C can also be controlled automatically by a control unit S depending on the specific temperature, in particular by a
  • FIG. 3 shows by way of example an embodiment of the invention using a wound heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 for indirect heat transfer between a plurality of fluids is formed and has a jacket M ', which surrounds a jacket space M for receiving the heat transfer medium B, via an inlet port 101 on the jacket M' in the shell space M introduced and via a corresponding Outlet 102 on the jacket M 'again from the shell space M is removable.
  • the jacket M 'further extends along a longitudinal axis L which, relative to a wound heat exchanger 1 arranged as intended, preferably extends along the vertical.
  • the wound heat exchanger 1 further preferably has a core tube 21 onto which one or more tubes 20, each having a wall W, are wound in one layer or in several layers, so that a tube bundle 2 is formed, preferably with a plurality of tube layers 201, which are arranged one above the other in the radial direction R, with the individual pipe layers 201 being supported, in particular via webs or spacers 6, respectively on pipe layers arranged underneath.
  • the core tube 21 therefore receives, in particular, the load of the tubes 20.
  • the webs 6 may be e.g. each extend along the longitudinal axis L of the heat exchanger 1. However, the invention is also applicable to wound heat exchanger without core tube.
  • the jacket M 'and possibly the core tube 21 can furthermore be of cylindrical design at least in sections, so that the longitudinal axis L forms a cylinder axis of the jacket M' and of the concentric core tube 21 extending concentrically therein.
  • Mantle space M may further be arranged a shirt 3, which is the tube bundle 2, so that between the tube bundle 2 and that shirt 3, a space 4 surrounding the tube bundle 2 is formed.
  • the shirt 3 serves a
  • tubes 20 of the tube bundle 2 can each form a tube group (in FIG. 1 three such tube groups are shown), wherein the tubes 20 of a tube group can be combined in an associated tube plate 104.
  • the fluids explained in connection with FIG. 1 namely the material stream A, the coolant C and the heat transfer medium D are each assigned to a pipe group.
  • each of these streams A, C and D via a
  • associated nozzle 103 is introduced into the corresponding tubes 20 and over an associated nozzle 105 are withdrawn from these tubes 20.
  • Another division of the currents A, C and D on the tubes 20 is of course also possible.
  • the currents A, C and D can be regulated in the manner of FIG.
  • Fig. 2 schematically illustrates an alternative embodiment of the heat exchanger according to the invention.
  • a plate heat exchanger PW e.g. 4 may be formed and here in the core comprises a plurality of passages P1 -P5, wherein the passages each of plates or
  • Separators TB are separated from each other and laterally by edge strips H (also referred to as sidebars). It is provided that the material stream A to be tempered is guided in at least one passage P1, which adjoins passages P2, P3 on both sides, in which the heat transfer medium B is circulated. In the leading to the heat transfer medium B passages P2, P3 adjacent passages P4, P5, the refrigerant C and the heat transfer medium D are performed.
  • the above passages continue to comprise
  • Heat conducting structures with preferably wave-shaped cross section (also referred to as fins, Fig. 2 wavy lines), which are soldered to the adjacent plates or dividers TB. Furthermore, the heat transfer medium B is advantageously carried out in countercurrent to the stream A, to the refrigerant C and to the heat carrier D, wherein the aforementioned streams A, C and D are preferably performed in cocurrent.
  • a regulation of a temperature of the stream A can in turn be carried out in the manner of FIG. 1, with analogous use of a
  • Temperature sensor T Temperature sensor T, a control unit S and valves V1, V2 for adjusting the flow of the refrigerant and heat transfer C, D.
  • Fig. 4 shows by way of example an embodiment of the invention using a plate heat exchanger 2 according to the ALPEMA classification, e.g. in "The
  • Such a plate heat exchanger 2 has a plurality of flat heat conduction structures in the form of so-called fins 35, each extending along a vertical
  • Extension plane extending partition plates 34 of the plate heat exchanger. 2 are arranged.
  • the two outermost partition plates, each forming an outer side of the plate heat exchanger, are also referred to as cover plates 34a.
  • the fins 35 are bounded by sidebars (also referred to as marginal ridges) 36, which are soldered to the respective adjacent partition plates 34.
  • sidebars also referred to as marginal ridges
  • Heat exchange passages in which process media can flow and indirectly transfer heat to process media routed in adjacent heat exchange passages can be supplied with media via nozzles 38 and header 37 as well as distributor fins 35a. Furthermore, the media can be withdrawn via such headers 39 and port 40 again from the assigned passages.
  • the headers and nozzles can be designed such that the media A, B, C and D can be fed into or removed from the heat exchanger 2 according to the diagram of FIG. 2.
  • the heat transfer medium B can be performed in accordance with Figure 2, for example by means of a pump P in the circulation.
  • the currents A, C and D can be regulated according to the example of FIGS. 1 and 2, respectively.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Stoffstromes unter Verwendung eines Wärmeübertragers, umfassend die Schritte Kühlen des Stoffstromes durch einen Kälteträger, wobei der Stoffstrom und der Kälteträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium erfolgt, und/oder Erwärmen des Stoffstromes durch einen Wärmeträger, wobei der Stoffstrom und der Wärmeträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium erfolgt. Dabei ist vorgehen, dass das Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf durch den Wärmeübertrager geführt wird.

Description

Beschreibung
Sicherheitswärmeübertraqer zur Temperatureinstellunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Wärmeübertrager zur Temperierung eines Stoffstromes.
Prozessströme werden typischerweise gekühlt oder erwärmt, indem sie zu einem entsprechenden kühleren oder wärmeren Stoffstrom geführt werden, so dass die Wärme aus dem Prozessstrom auf den anderen Strom übertragen wird, oder Wärme von dem anderen Strom auf den Prozessstrom. Dies wird üblicherweise in einem Wärmeübertrager durchgeführt, in welchem der Prozessstrom z.B. in einem Rohr oder einer von Platten begrenzten Passage geführt wird, welche dann von dem wärmeren oder kühleren Stoffstrom umströmt wird. Beispielsweise kann der Prozessstrom in einem Rohrwärmetauscher rohrseitig geführt werden und der wärmere oder kühlere Stoffstrom mantelseitig, oder in einem Plattenwärmetauscher in benachbarten
Passagen, die durch eine Wand voneinander getrennt werden.
Ein Problem bei herkömmlichen Wärmeübertragern ist es, dass bei einer Leckage des prozessstromführenden Rohrs oder der prozessstromführenden Passage der
Prozessstrom sich mit dem wärmeren oder kühleren Stoffstrom mischen kann, wobei beispielsweise je nach Druck der beteiligten Ströme sogar der kühlere oder wärmere Stoffstrom in das prozessstromführenden Rohr oder in die prozessstromführende Passage gedrückt werden kann. Dies ist insbesondere unvorteilhaft, wenn es sich bei dem zu kühlenden oder zu erwärmenden Stoffstrom um einen Gefahrstoff handelt. Im Stand der Technik wurden bereits Lösungen zu diesem Problem vorgeschlagen. Eine Lösung des Problems schlägt die Verwendung eines Doppelrohr- Wärmeübertragers vor, in welchem der zu kühlende oder zu erwärmende
Prozessstrom in einem Doppelrohr durch den Wärmeübertrager geführt wird, und der kühlere oder wärmere Stoffstrom durch den Mantelraum des Wärmeübertragers. Bei einer Leckage des inneren Rohrs des Doppelrohrs ergießt sich der Prozessstrom in einen Hohlraum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr und kommt damit nicht in Kontakt mit dem kühleren oder wärmeren Stoffstrom. Der Hohlraum kann auch gefüllt sein, zum Beispiel mit einem Sicherheitsgas oder einer Sicherheitsflüssigkeit. Weiterhin wird im Stand der Technik auch eine Doppelrohrvariante vorgeschlagen, bei der sich beide Rohre berühren, aber dennoch ein Hohlraum zwischen beiden Rohren vorhanden ist. Die Rohre sind in diesem Fall geriffelt. Für die letztgenannte Variante erfolgt also auch der Wärmeübergang von einem Rohr zum anderen Rohr durch Wärmeleitung über das Rohrmaterial (z.B. ein Metall). Nachteilig an dem vorgeschlagenen Doppelrohr-Wärmeübertragern ist allerdings, dass der Prozessstrom entweder nur gekühlt oder nur erwärmt werden kann, und die Wärmeübertragungseffizienz durch das verwendete Doppelrohr eingeschränkt oder vermindert ist, da die Wärmeübertragung nur durch Wärmeleitung erfolgt.
Vor diesem Hintergrund ist es die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein einfaches und wirtschaftlich sinnvolles Verfahren zur Temperierung eines Stoffstromes zur Verfügung zu stellen, das ein hohes Maß an Sicherheit und Effizienz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden
Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines
Stoffstromes unter Verwendung eines Wärmeübertragers offenbart, umfassend die Schritte: Kühlen des Stoffstromes durch einen Kälteträger, wobei der Stoffstrom und der Kälteträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium erfolgt, und/oder Erwärmen des Stoffstromes durch einen Wärmeträger, wobei der Stoffstrom und der Wärmeträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein
Wärmeübertragungsmedium erfolgt, und wobei das Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf durch den Wärmeübertrager geführt wird.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der zu temperierenden Stoffstrom
vorteilhafterweise von dem Kälteträger und/oder Wärmeträger derart getrennt, dass sich bei einer Leckage des den Stoffstrom führenden Elements, wie etwa einem Rohr oder einer von Platten begrenzten Passage, der zu temperierende Stoffstrom nicht mit dem Kälteträger und/oder dem Wärmeträger mischen kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Mischen von Stoffstrom und Wärmeträger oder Kälteträger zu unvorteilhaften oder unerwünschten Reaktionen oder zur Verunreinigung des zu temperierenden Stoffstroms führen kann oder führt.
Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin vorteilhafterweise möglich, den zu temperierenden Strom in nur einem Wärmeübertrager sowohl zu kühlen als auch zu erwärmen. Außerdem ermöglicht die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums eine sehr viel effizientere Wärmeübertragung sowohl bei der Kühlung als auch bei der Erwärmung des zu temperierenden Stoffstromes.
Beispiele für Stoffströme, für die sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders eignet, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gefahrstoffe, insbesondere giftige, explosive oder leicht entzündliche Stoffe, oder Stoff- bzw. Produktströme in Verfahren zur Arzneimittelherstellung, Lebensmittelherstellung oder Lebensmittelverarbeitung.
Insbesondere handelt es sich bei dem zu temperierenden Stoffstrom um einen fluiden Stoffstrom. Als einen fluider Stoffstrom oder ein Fluid im Sinne der Erfindung wird insbesondere ein Gas oder Gasgemisch, eine Flüssigkeit oder eine
Flüssigkeitsmischung oder ein Gemisch aus einem Gas oder Gasen und einer Flüssigkeit oder Flüssigkeiten bezeichnet. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Kühlens des Stoffstromes durch einen Kälteträger, wobei der Stoffstrom und der Kälteträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium erfolgt, wobei das Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf durch den Wärmeübertrager geführt wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Erwärmens des Stoffstromes durch einen Wärmeträger, wobei der Stoffstrom und der Wärmeträger durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium erfolgt, wobei das Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf durch den Wärmeübertrager geführt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der
Wärmeübertrager ein Rohrwärmeübertrager ist bzw. einen solchen aufweist, wobei der Stoffstrom, der Kälteträger und/oder der Wärmeträger rohrseitig geführt werden, und das Wärmeübertragungsmedium mantelseitig geführt wird. Bei einem solchen
Rohrwärmeträger handelt es sich bevorzugt um einen gewickelten Wärmeübertrager oder einen Geradrohrwärmeübertrager.
Als ein gewickelter Wärmeübertrager ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Wärmeübertrager zu verstehen, der ein Kernrohr aufweist, auf das ein oder mehrere Rohre in ein oder mehreren Lagen helikal gewickelt sind, wobei die Rohre und das Kernrohr von einem Mantel umgeben sind. Stoffströme können in einem solchen gewickelten Wärmeübertrager rohrseitig oder mantelseitig geführt werden.
Insbesondere nimmt das Kernrohr die Last der Rohre auf.
Als Geradrohrwärmeübertrager ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein
Wärmeübertrager zu verstehen, in welchem eine Vielzahl von insbesondere geraden oder u-förmig konfigurierten Rohren durch einen Mantelraum geführt werden, insbesondere horizontal, wobei Stoffströme sowohl in den Rohren als auch im
Mantelraum geführt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeüberträger ein Plattenwärmeüberträger ist bzw. einen solchen aufweist, bevorzugt in Form eines Aluminiumplattenwärmeübertragers, bevorzugter in Form eines gelöteten Aluminiumplattenwärmeübertragers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stoffstrom, der Wärmeträger und/oder der Kälteträger in jeweils voneinander getrennten, nicht benachbarten Passagen des Plattenwärmeübertragers geführt werden, und das Wärmeübertragungsmedium in mindestens einer Passage geführt wird, die sich zwischen einer den Stoffstrom führenden Passage und einer den Kälteträger führende Passage und/oder zwischen einer den Stoffstrom führenden Passage und einer den Wärmeträger führenden Passage befindet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmeübertragungsmedium in einer Passage des Plattenwärmeübertragers geführt wird, die an der einen Seite an eine den Stoffstrom führenden Passage angrenzt und an der anderen Seite an eine den Kälteträger oder den Wärmeträger führende
Passage angrenzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stoffstrom in einer Passage des Plattenwärmeübertragers geführt wird, die auf beiden Seiten an jeweils eine das Wärmeübertragungsmedium führende Passage angrenzt, wobei mindestens eine oder beide das Wärmeübertragungsmedium führende Passagen an eine den Kälteträger oder Wärmeträger führende Passage angrenzen, oder eine das
Wärmeübertragungsmedium führende Passage an eine den Kälteträger führende Passage angrenzt und die andere das Wärmeübertragungsmedium führende Passage an eine den Wärmeträger führende Passage angrenzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur des Stoffstromes am Ausgang des Wärmeübertragers bestimmt wird, wobei der Fluss des Kälteträgers durch den Wärmeübertrager erhöht wird, und/oder der Fluss des Wärmeträgers durch den Wärmeübertrager reduziert oder unterbunden wird, wenn die bestimmte Temperatur des Stoffstroms oberhalb der gewünschten Temperatur liegt, und/oder der Fluss des Wärmeträgers durch den Wärmeübertrager erhöht wird, und/oder der Fluss des Kälteträgers durch den Wärmeübertrager reduziert oder unterbunden wird, wenn die bestimmte Temperatur des Stoffstroms unterhalb der gewünschten Temperatur liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zeitweilig zum Kühlen des Stoffstroms nur der Stoffstrom, der Kälteträger und das Wärmeübertragungsmedium durch den Wärmeübertrager geführt werden oder zum Erwärmen des Stoffstromes nur der Stoffstrom, der Wärmeträger und das
Wärmeübertragungsmedium durch den Wärmeübertrager geführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das
Wärmeübertragungsmedium ein Fluidstrom. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kälteträger ein Fluidstrom. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeträger ein Fluidstrom.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
Wärmeübertragungsmedium Wasser ist oder aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmeüberträger mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zur Verfügung gestellt. Ein solcher Wärmeübertrager umfasst mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Stoffstromes, mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeträgers und/oder mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Kälteträgers und mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeübertragungsmediums, wobei die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes und des Wärmeträgers durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind und/oder die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes und des Kälteträgers durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und der mindestens eine
Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums so konfiguriert ist, dass Wärme zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Stoffstrom, zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Kälteträger und/oder zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Wärmeträger übertragbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums weiterhin so konfiguriert ist, dass das
Wärmeübertragungsmedium darin in einem geschlossenen Kreislauf führbar ist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums sich zumindest abschnittsweise im Wärmeübertrager erstreckt.
Der oben beschriebene Wärmeübertrager ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Des Weiteren ist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager durch hohe Sicherheit gegenüber Leckagen gekennzeichnet, da der zu temperierende Stoffstrom, der Wärmeträger und/oder der Kälteträger bei einer Leckage einer der vorbezeichneten Strömungspfade nicht miteinander mischen können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmeübertrager mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Stoffstromes, mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeträgers oder Kälteträgers und mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeübertragungsmediums, wobei die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes und des Wärmeträgers oder
Kälteträgers durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums so konfiguriert ist, dass Wärme zwischen dem
Wärmeübertragungsmedium und dem Stoffstrom, zwischen dem
Wärmeübertragungsmedium und dem Kälteträger oder Wärmeträger übertragbar ist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums weiterhin so konfiguriert ist, dass das
Wärmeübertragungsmedium darin in einem geschlossenen Kreislauf führbar ist, und wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums sich zumindest abschnittsweise im Wärmeübertrager erstreckt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmeübertrager mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Stoffstromes, mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeträgers, mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Kälteträgers und mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeübertragungsmediums, wobei die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes und des Wärmeträgers durch mindestens zwei Wandungen des
Wärmeübertragers voneinander getrennt sind und die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes und des Kälteträgers durch mindestens zwei Wandungen des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind, und der mindestens eine
Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums so konfiguriert ist, dass Wärme zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Stoffstrom, zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Kälteträger und zwischen dem
Wärmeübertragungsmedium und dem Wärmeträger übertragbar ist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums weiterhin so konfiguriert ist, dass das Wärmeübertragungsmedium darin in einem geschlossenen Kreislauf führbar ist, und wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums sich zumindest abschnittsweise im Wärmeübertrager erstreckt. Ein solcher Wärmeübertrager ist durch eine hohe
Flexibilität bezüglich des zu erreichenden Temperaturbereichs gekennzeichnet, da er sowohl eine Kühlung als eine Erwärmung des zu temperierenden Stoffstromes ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der
Wärmeübertrager eine Vorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, das
Wärmeübertragungsmedium in dem geschlossenen Kreislauf zu bewegen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung als eine Umlaufpumpe ausgebildet ist, insbesondere als eine Kreiselpumpe. Eine
Kreiselpumpe ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich bei dem
Wärmeübertragungsmedium um eine Flüssigkeit handelt, insbesondere Wasser oder eine wässrige Lösung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung als ein Verdichter oder ein Gebläse ausgebildet ist. Ein Verdichter oder Gebläse ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich bei dem
Wärmeübertragungsmedium um ein Gas oder Gasgemisch handelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine Druckmessvorrichtung umfasst, die in Strömungsverbindung zum mindestens einen Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums steht, und insbesondere dazu ausgebildet ist, den Druck des
Wärmeübertragungsmedium zu messen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckmessvorrichtung an dem mindestens einen Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums bzw. an dem geschlossenen
Kreislaufes angeordnet. Eine solche Druckmessvorrichtung kann vorteilhafterweise zum Feststellen einer Leckage in einer der vorgenannten Strömungspfade verwendet werden, wenn sich der Druck des Wärmeübertragungsmediums von dem oder den Drücken des Stoffstromes, des Kälteträgers und/oder des Wärmeträgers unterscheidet, da sich eine Leckage dann durch eine Druckänderung des
Wärmeübertragungsmedium bemerkbar macht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager ein Rohrwärmeübertrager ist, der einen Mantel umfassend einen Mantelraum aufweist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms, der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers und/oder der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers durch jeweils mindestens ein Rohr gebildet wird, und der Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmedium zumindest zum Teil durch den Mantelraum gebildet wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Rohrwärmeübertrager um einen gewickelten Wärmeübertrager oder einen Geradrohrwärmeübertrager.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager ein Plattenwärmeübertrager ist. Bei einem solchen
Plattenwärmeübertrager kann es sich insbesondere um einen
Aluminiumplattenwärmeübertrager handeln, bevorzugt um einen gelöteten
Aluminiumplattenwärmeübertrager.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Plattenwärmeübertrager mehrere Passagen aufweist, welche jeweils durch mindestens eine Wandung oder Trennplatte voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms, der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers und/oder der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers durch jeweils mindestens eine Passage gebildet wird, der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms vom mindestens einen Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers und/oder vom mindestens einen
Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers durch jeweils mindestens eine
Passage getrennt ist, und der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmediums durch mindestens eine Passage gebildet wird, die sich zwischen der mindestens einen den Stoffstrom führenden Passage und der mindestens einen den Kälteträger führenden Passage und/oder zwischen der mindestens einen den Stoffstrom führenden Passage und der mindestens einen den Wärmeträger führenden Passage befindet. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers zur Einstellung der Temperatur eines Stoffstromes zur Verfügung gestellt, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft in allen Bereichen der Gaseversorgung eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Anwärmen, Verdampfen oder Abkühlen von Prozessfluiden in verfahrenstechnischen Anlagen wie Luftzerlegungsanlagen, Wasserstoff- oder Synthesegasanlagen, petrochemischen Anlagen oder Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas. In Abhängigkeit der gewünschten Temperaturbereiche können entweder
Plattenwärmeübertrager oder gewickelte Wärmetauscher zum Einsatz kommen.
Beispiele für einen Stoffstrom, der erwärmt oder abgekühlt, also temperiert werden soll, sind: brennbare Gase oder Flüssigkeiten wie Methan, Ethan, Propan, Ethylen,
Kohlenmonoxid oder Wasserstoff; brandbeschleunigende Gase wie Sauerstoff; oder Fackelgase.
Als Wärmeträger sind folgende Fluide einsetzbar: Wasser, wasserähnliche Gemische wie Gemische mit oder aus Wasser und Glykol, Kohlenwasserstoffe wie Methanol, Ethan, Propan oder Ethylen; Wasserdampf; organische Fluide; Öle, vorzugsweise Thermoöle.
Mögliche Kälteträger können sein: Wasser, wasserähnliche Gemische wie Gemische mit oder aus Wasser und Glykol; Kältemittel; Kohlenwasserstoffe wie Methanol, Ethan, Propan oder Ethylen; oder Öle, vorzugsweise Thermoöle.
Als Wärmeübertragungsmedium ist einsetzbar: Wasser, wasserähnliche Gemische wie Gemische mit oder aus Wasser und Glykol; Kältemittel; Kohlenwasserstoffe wie Methanol, Ethan, Propan oder Ethylen; oder Öle, vorzugsweise Thermoöle.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figur erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der
Erfindung; Fig. 3 eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die einen gewickelten Wärmeübertrager verwendet; und
Fig. 4 eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die einen
Plattenwärmeübertrager nach der ALPEMA-Klassifikation verwendet.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, zur Kühlung oder Erwärmung eines Prozess- oder Stoffstromes A diesen nicht direkt mit einem entsprechenden Kühlmedium oder Kälteträger C oder mit einem Heizmedium oder Wärmeträger D zu kühlen oder zu erwärmen, sondern indirekt über einen Zwischenstrom B bzw.
Wärmeübertagungsmedium B. Vorteilhafterweise mischt sich dabei der Prozessstrom A im Falle einer Leckage der den Prozessstrom A führenden Mittels nicht mit dem Kühlmedium C oder dem Heizmedium D, sondern nur mit dem Zwischenstrom B bzw. Wärmeübertagungsmedium B. Je nach Druckniveau der Ströme in den Passagen oder Rohren kann bei einer Leckage auch das Wärmeübertragungsmedium B in den
Stoffstrom A eintreten. Falls das Wärmeübertragungsmedium B von allen Strömen den geringsten Druck hat, können nur die Ströme A,C oder D bei einer jeweiligen Leckage in das Wärmeübertragungsmedium B eintreten, aber nicht das
Wärmeübertragungsmedium B in die Ströme A,C oder D.
Durch den Zwischenstrom B ist es weiterhin möglich, die Wandtemperaturen der jeweils den Prozessstrom A, das Kühlmedium C und das Heizmedium D führenden Mittel zu kontrollieren, und so Probleme wie beispielsweise Einfrieren, Hydratbildung oder Filmsieden zu verhindern.
Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept kann dabei insbesondere durch einen Wärmeübertrager realisiert werden, in welchem ein Wärmeübertragungsmedium B zirkuliert, wobei der Prozessstrom A eben durch jenes Wärmeübertragungsmedium B gekühlt oder erwärmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Wärmeübertrager GW, PW sind insbesondere zur Temperierung von Gefahrstoffen oder von sensiblen Stoffen wie chemischen Verbindungen oder Lebensmitteln geeignet, bei der eine
Verunreinigung mit Kühlmedien oder Heizmedien hochgradig unerwünscht ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Falle eines Lecks der Anlagenteil weiter betrieben werden kann, d.h. der Wärmeübertrager ist zwar nicht mehr aktiv, wird aber noch weiter durchströmt.
Weiterhin ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine Temperierung von Stoffströmen, bei der Beschränkungen für die Wandtemperatur der einzelnen Ströme existieren (z.B. durch Ausfrieren von Kondensaten, Hydratbildung oder Filmsieden).
Durch die Verunreinigung der Prozessströme, die bei einer Leckage in einem herkömmlichen Wärmeübertrager auftreten, können eventuell andere Anlagenteile (wie etwa Pumpe oder Kompressoren) beschädigt werden. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können die stromab liegenden Anlagenteile vor Beschädigungen im Falle einer Leckage geschützt werden. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager vorteilhaft als oder für einen Ölkühler verwendet werden, der mit einem nichtwässrigen Wärmeübertragungsmedium betrieben wird, da ansonsten im Falle einer Verunreinigung des Öls durch Kühlwasser andere Maschinen beschädigt werden könnten.
Fig. 1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers und eine bevorzugte Verfahrensführung der Erfindung. Ein zu kühlender oder zu erwärmender Stoffstrom A wird rohrseitig in einem z.B. gewickelten Wärmeübertrager GW geführt. Am Ende des oder der den Stoffstrom A führenden Rohre misst ein Temperatursensor T permanent oder in bestimmten Intervallen die Temperatur des Stoffstromes A.
Ist die tatsächliche Temperatur höher als die erwünschte Temperatur, wird ein rohrseitig geführter Kälteträger C in den Wärmeübertrager GW eingespeist, oder, falls der Kälteträger C bereits durch den Wärmeübertrager GW geführt wird, die Flussrate des Kälteträgers C erhöht, um so die erforderliche Kühlleistung zur Verfügung zu stellen. Die Flussrate des Kälteträgers C kann durch ein Ventil V1 geregelt werden. Zur Kühlung des Stoffstromes A werden das oder die den Kälteträger C führenden Rohre von einem Wärmeübertragungsmedium B umströmt, welches zumindest zum Teil mantelseitig (M) durch den gewickelten Wärmeübertrager 100 zirkuliert bzw. durch eine Pumpe P in einem Kreislauf, der sich zum Teil durch den Mantelraum M erstreckt, befördert. Das Wärmeübertragungsmedium B wird durch den Kälteträger C gekühlt und umströmt das oder die den Stoffstrom A führenden Rohre, wodurch der Stoffstrom A gekühlt wird. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch die Flussrate eines rohrseitig geführten Wärmeträger D reduziert werden, sofern dieser bereits durch den
Wärmeüberträger GW geführt wird, wobei das Wärmeübertragungsmedium B sowohl die den Kälteträger C als auch die den Wärmeträger D führenden Rohre umströmt. Die Flussrate des Wärmeträgers D kann durch ebenfalls durch ein Ventil V2 geregelt werden.
Ist die tatsächliche Temperatur geringer als die erwünschte Temperatur, wird der oben genannte rohrseitig geführter Wärmeträger D in den Wärmeübertrager GW
eingespeist, oder, falls der Wärmeträger D bereits durch den Wärmeübertrager GW geführt wird, die Flussrate des Wärmeträgers D erhöht, um so die erforderliche Heizleistung zur Verfügung zu stellen. Der Stoffstrom A wird in diesen Fall in analoger Weise indirekt über das zirkulierende Wärmeübertragungsmedium B erwärmt, welches beim Umströmen des oder der den Wärmeträger D führenden Rohre erwärmt wird. Auch hier kann alternativ oder zusätzlich dazu die Flussrate des rohrseitig geführten Kälteträgers C reduziert werden, sofern dieser bereits durch den Wärmeüberträger GW geführt wird. Die Ventile V1 und V2, und damit die Flussraten des Wärmeträgers D und des
Kälteträgers C, können auch von einer Steuereinheit S automatisch in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur gesteuert werden, insbesondere um eine
voreingestellte Zieltemperatur zu erreichen oder zu halten. Da der Stoffstrom A, der Kälteträger C und der Wärmeträger D in jeweils separaten Rohren geführt werden, also durch mindestens zwei Rohrwände voneinander getrennt sind, kommt es vorteilhafterweise bei einer Leckage eines der Rohre nicht zu einer Vermischung des Stoffstromes A mit dem Kälteträger C oder dem Wärmeträger D. Figur 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines gewickelten Wärmeübertragers 1 . Im Einzelnen ist der Wärmeübertrager 1 zur indirekten Wärmeübertragung zwischen mehreren Fluiden ausgebildet und weist einen Mantel M' auf, der einen Mantelraum M zur Aufnahme des Wärmeträgermediums B umgibt, das über einen Einlassstutzen 101 am Mantel M' in den Mantelraum M einleitbar und über einen entsprechenden Auslassstutzen 102 am Mantel M' wieder aus dem Mantelraum M abziehbar ist. Hierbei kann das Wärmeträgermedium wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert mittels einer Pumpe P im Kreislauf geführt werden. Der Mantel M' erstreckt sich weiterhin entlang einer Längsachse L, die - bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten gewickelten Wärmeübertrager 1 - vorzugsweise entlang der Vertikalen verläuft.
Der gewickelte Wärmeübertrager 1 weist weiterhin bevorzugt ein Kernrohr 21 auf, auf das ein oder mehrere Rohre 20, die jeweils eine Wandung W aufweisen, in einer Lage oder in mehreren Lagen aufgewickelt sind, so dass ein Rohrbündel 2 mit vorzugsweise mehreren Rohrlagen 201 gebildet wird, die in radialer Richtung R übereinander angeordnet sind, wobei sich die einzelnen Rohrlagen 201 insbesondere über Stege bzw. Abstandshalter 6 an jeweils darunter angeordneten Rohrlagen abstützen. Das Kernrohr 21 nimmt daher insbesondere die Last der Rohre 20 auf. Die Stege 6 können sich z.B. jeweils entlang der Längsachse L des Wärmeübertragers 1 erstrecken. Die Erfindung ist allerdings auch auf gewickelte Wärmeübertrager ohne Kernrohr anwendbar.
Der Mantel M' sowie ggf. das Kernrohr 21 können weiterhin zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgeführt sein, so dass die Längsachse L eine Zylinderachse des Mantels M' und des konzentrisch darin verlaufenden Kernrohres 21 bildet. Im
Mantelraum M kann des Weiteren ein Hemd 3 angeordnet sein, das das Rohrbündel 2, so dass zwischen dem Rohrbündel 2 und jenem Hemd 3 ein das Rohrbündel 2 umgebender Zwischenraum 4 ausgebildet ist. Das Hemd 3 dient dazu, eine
Bypassströmung des im Mantelraum M geführten Fluids B, mit dem das Rohrbündel 2 beaufschlagt wird, am Rohrbündel 2 vorbei möglichst zu unterdrücken. Das Fluid B wird also im Mantelraum M vorzugsweise in dem vom Hemd 3 umgebenen Bereich des Mantelraumes M geführt.
Mehrere Rohre 20 des Rohrbündels 2 können jeweils eine Rohrgruppe bilden (in der Figur 1 sind drei solche Rohrgruppen gezeigt), wobei die Rohre 20 einer Rohrgruppe in einem zugeordneten Rohrboden 104 zusammengefasst sein können. Vorliegend können z.B. die im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterten Fluide, nämlich der Stoffstrom A, der Kälteträger C sowie der Wärmeträger D jeweils einer Rohrgruppe zugeordnet sein. Hierbei kann jeder dieser Ströme A, C und D über einen
zugeordneten Stutzen 103 in die entsprechenden Rohre 20 eingeleitet sowie über einen zugeordneten Stutzen 105 aus diesen Rohren 20 abgezogen werden. Eine andere Aufteilung der Ströme A, C und D auf die Rohre 20 ist natürlich auch möglich. Weiterhin können die Ströme A, C und D nach Art der Figur 1 geregelt werden.
Fig. 2 illustriert schematisch eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. In diesem Fall handelt es sich um einen Plattenwärmeübertrager PW, der z.B. gemäß Fig. 4 ausgebildet sein kann und der hier im Kern eine Vielzahl von Passagen P1 -P5 umfasst, wobei die Passagen jeweils von Platten bzw.
Trennblechen TB voneinander getrennt sind sowie seitlich durch Randleisten H (auch als sidebars bezeichnet). Dabei ist vorgesehen, dass der zu temperierende Stoffstrom A in mindestens einer Passage P1 geführt wird, die auf beiden Seiten an Passagen P2, P3 angrenzt, in welchen das Wärmeübertagungsmedium B in einem Kreislauf geführt wird. In den jeweils an die das Wärmeübertragungsmedium B führenden Passagen P2, P3 angrenzenden Passagen P4, P5 werden der Kälteträger C und der Wärmeträger D geführt. Vorteilhafterweise umfassen die oben genannten Passagen weiterhin
Wärmeleitstrukturen mit vorzugsweise wellenförmigen Querschnitt (auch als Fins bezeichnet, Fig. 2 gewellte Linien), die jeweils an die angrenzenden Platten oder Trennbleche TB gelötet sind. Weiterhin wird das Wärmeübertragungsmedium B vorteilhafterweise im Gegenstrom zum Stoffstrom A, zum Kälteträger C und zum Wärmeträger D geführt, wobei die vorgenannten Ströme A, C und D vorzugsweise im Gleichstrom geführt werden.
Eine Regelung einer Temperatur des Stoffstromes A kann wiederum nach Art der Figur 1 vorgenommen werden, und zwar unter analoger Verwendung eines
Temperatursensors T, einer Steuereinheit S sowie von Ventilen V1 , V2 zum Einstellen des Stromes des Kälte- und Wärmeträgers C, D.
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Plattenwärmeübertragers 2 nach der ALPEMA-Klassifikation, der z.B. in„The
Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufactures association" ALPEMA, Third Edition, 2010 auf Seite 5 gezeigt und beschrieben ist.
Ein derartiger Plattenwärmeübertrager 2 weist mehrere flächige Wärmeleitstrukturen in Form von sogenannten Fins 35 auf, die sich jeweils entlang einer vertikalen
Erstreckungsebene erstrecken und jeweils zwischen zwei entlang jener
Erstreckungsebene erstreckten Trennplatten 34 des Plattenwärmeübertragers 2 angeordnet sind. Die beiden äußersten Trennplatten, die jeweils eine Außenseite des Plattenwärmeübertragers bilden, werden auch als Deckplatten 34a bezeichnet.
Zu den Seiten hin werden die Fins 35 von Sidebars (auch als Randleisten bezeichnet) 36 begrenzt, die mit den jeweils benachbarten Trennplatten 34 verlötet sind. Hierdurch bildet der Plattenwärmeübertrager 2 eine Vielzahl an parallelen
Wärmeaustauschpassagen aus, in denen Prozessmedien strömen können und indirekt Wärme auf in benachbarten Wärmeaustauschpassagen geführte Prozessmedien übertragen können. Die einzelnen Wärmeaustauschpassagen können über Stutzen 38 und Header 37 sowie Verteilerfins 35a mit Medien beschickt werden. Weiterhin können die Medien über derartige Header 39 und Stutzen 40 wieder aus den zugeordneten Passagen abgezogen werden. Die Header und Stutzen können im Einzelnen so gestaltet sein, dass die Medien A, B, C und D gemäß dem Schema der Figur 2 in den Wärmeübertrager 2 einspeisbar bzw. abziehbar sind. Hierbei kann wiederum das Wärmeträgermedium B gemäß Figur 2 z.B. mittels einer Pumpe P im Kreislauf geführt werden. Weiterhin können die Ströme A, C und D nach dem Beispiel der Figur 1 bzw. 2 geregelt werden.
Bezugszeichenliste
A Zu temperierender Stoffstrom
B Wärmeübertragungsmedium
C Kälteträger
D Wärmeträger
GW, 1 gewickelter Wärmeübertrager
M Mantelraum des gewickelten Wärmeübertragers
M' Mantel
P Umlaufpumpe
T Temperatursensor
V1 , V2 Ventil
W Rohrwandung
S Steuereinheit
PW, 2 Plattenwärmeübertrager
P1 Stoffstrom A führende Passage
P2 Wärmeübertragungsmedium B führende Passage
P3 Wärmeübertragungsmedium B führende Passage
P4 Kälteträger C führende Passage
P5 Wärmeträger D führende Passage
TB Trennblech/Platte
H Randleiste
F Fins
34 Trennplatten
34a Deckplatten
35, 35a Fins
36 Sidebars
37, 39 Header
38, 40 Stutzen

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Stoffstromes (A) unter
Verwendung eines Wärmeübertragers (GW, PW), umfassend die Schritte:
- Kühlen des Stoffstromes (A) durch einen Kälteträger (C), wobei der
Stoffstrom (A) und der Kälteträger (C) durch mindestens zwei Wandungen (W, TB) des Wärmeübertragers (GW, PW) voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager (GW, PW) indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium (B) erfolgt, und
- Erwärmen des Stoffstromes (A) durch einen Wärmeträger (D), wobei der Stoffstrom (A) und der Wärmeträger (D) durch mindestens zwei Wandungen (T, TB) des Wärmeübertragers (GW, PW) voneinander getrennt sind, und die Wärmeübertragung im Wärmeübertrager (GW, PW) indirekt über ein
Wärmeübertragungsmedium (B) erfolgt, wobei das Wärmeübertragungsmedium (B) in einem geschlossenen Kreislauf durch den Wärmeübertrager (GW, PW) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertrager als ein Rohrwärmeübertrager (GW) ausgebildet ist, wobei der Stoffstrom (A), der Kälteträger (C) und/oder der Wärmeträger (D) rohrseitig geführt werden, und wobei das Wärmeübertragungsmedium (B) mantelseitig (M) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertrager als einen Plattenwärmeübertrager (PW) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Stoffstrom (A), der Wärmeträger (D) und/oder der Kälteträger (C) in jeweils voneinander getrennten, nicht benachbarten Passagen (P1 , P4, P5) des Plattenwärmeübertragers (PW) geführt werden, und
- das Wärmeübertragungsmedium (B) in mindestens einer Passage (P2, P3) geführt wird, die sich zwischen einer den Stoffstrom (A) führenden Passage (P1 ) und einer den Kälteträger (C) führende Passage (P4) und/oder zwischen einer den Stoffstrom (A) führenden Passage (P1 ) und einer den Wärmeträger (D) führenden Passage (P5) befindet.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Stoffstromes (A) am Ausgang des Wärmeübertragers (GW, PW) bestimmt wird, wobei
- der Fluss des Kälteträgers (C) durch den Wärmeübertrager (GW, PW) erhöht wird, und/oder der Fluss des Wärmeträgers (D) durch den Wärmeübertrager (GW, PW) reduziert oder unterbunden wird, wenn die bestimmte Temperatur des Stoffstroms (A) oberhalb der gewünschten Temperatur liegt, und/oder
- der Fluss des Wärmeträgers (D) durch den Wärmeübertrager (GW, PW) erhöht wird, und/oder der Fluss des Kälteträgers (C) durch den
Wärmeübertrager (GW, PW) reduziert oder unterbunden wird, wenn die bestimmte Temperatur des Stoffstroms (A) unterhalb der gewünschten Temperatur liegt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweilig zum Kühlen des Stoffstroms (A) nur der Stoffstrom (A), der Kälteträger (C) und das Wärmeübertragungsmedium (B) durch den Wärmeübertrager (GW, PW) geführt werden, oder zum Erwärmen des
Stoffstromes (A) nur der Stoffstrom (A), der Wärmeträger (D) und das
Wärmeübertragungsmedium (B) durch den Wärmeübertrager (GW, PW) geführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium (B) Wasser ist oder aufweist.
8. Wärmeübertrager, umfassend
- mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Stoffstromes (A),
- mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Wärmeträgers (D) und mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines Kälteträgers (C), und
- mindestens einen Strömungspfad zum Führen eines
Wärmeübertragungsmediums (B), wobei
die Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes (A) und des
Wärmeträgers (D) durch mindestens zwei Wandungen (W, TB) des
Wärmeübertragers (GW, PW) voneinander getrennt sind und die
Strömungspfade zum Führen des Stoffstromes (A) und des Kälteträgers (C) durch mindestens zwei Wandungen (W, TB) des Wärmeübertragers (GW, PW) voneinander getrennt sind, und
der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums (B) so konfiguriert ist, dass Wärme zwischen dem Wärmeübertragungsmedium (B) und dem Stoffstrom (A), zwischen dem Wärmeübertragungsmedium (B) und dem Kälteträger (C) und zwischen dem Wärmeübertragungsmedium (B) und dem Wärmeträger (D) übertragbar ist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums (B) weiterhin so konfiguriert ist, dass das
Wärmeübertragungsmedium (B) darin in einem geschlossenen Kreislauf führbar ist, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums (B) sich zumindest abschnittsweise im
Wärmeübertrager (GW, PW) erstreckt.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertrager (GW, PW) eine Vorrichtung (P) umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Wärmeübertragungsmedium (B) in dem geschlossenen Kreislauf zu bewegen.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung (P) als eine Umlaufpumpe, insbesondere als eine Kreiselpumpe, als ein Verdichter oder als ein Gebläse ausgebildet ist.
1 1 . Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager als einen Rohrwärmeübertrager (GW) ausgebildet ist, der einen Mantel (Μ') aufweist, der einen Mantelraum (M) umgibt, wobei der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms (A), der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers (D) und/oder der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers (C) durch jeweils mindestens ein Rohr (W) gebildet wird, und der Strömungspfad zum Führen des Wärmeübertragungsmedium (B) zumindest zum Teil durch den Mantelraum (M) gebildet wird.
12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager als ein Plattenwärmeübertrager (PW) ausgebildet ist.
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertrager mehrere Passagen (P1 -P5) aufweist, welche jeweils durch mindestens eine Wandung (TB), insbesondere in Form einer Trennplatte (TB) voneinander getrennt sind, wobei
- der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms (A), der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers (C) und/oder der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers (D) durch jeweils mindestens eine Passage (P1 , P4, P5) gebildet wird, wobei der Strömungspfad zum Führen des Stoffstroms (A) vom Strömungspfad zum Führen des Kälteträgers (C) und/oder vom Strömungspfad zum Führen des Wärmeträgers (D) durch jeweils mindestens eine Passage (P2, P3) getrennt ist, und
- der mindestens eine Strömungspfad zum Führen des
Wärmeübertragungsmediums (B) durch mindestens eine Passage (P2, P3) gebildet wird, die sich zwischen der mindestens einen den Stoffstrom (A) führenden Passage (P1 ) und der mindestens einen den Kälteträger (C) führende Passage (P4) und/oder zwischen der mindestens einen den Stoffstrom (A) führenden Passage (P1 ) und der mindestens einen den Wärmeträger (D) führenden Passage (P5) befindet.
14. Verwendung eines Wärmeübertragers (GW, PW) nach einem der Anspruch 8 bis 13 zur Einstellung der Temperatur eines Stoffstromes.
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CN112781430A (zh) * 2020-12-31 2021-05-11 中国石油集团工程股份有限公司 一种控制换热器方法、存储介质和电子装置

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