DE102004040974A1

DE102004040974A1 - Gewickelter Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102004040974A1
Application number: DE102004040974A
Authority: DE
Inventors: Christiane Dr. Kerber; Helmut Kreis; Anton Moll; Manfred Steinbauer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-03-02
Also published as: CN101006316B; CN101006316A; WO2006021315A1; US8087454B2; US20080115918A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher mit mehreren auf ein Kernrohr gewickelten Rohren, mit einem einen Außenraum um die Rohre begrenzenden Mantel und mit einem Flüssigkeitsverteiler zum Verteilen von Flüssigkeit in dem Außenraum. Erfindungsgemäß ist der Flüssigkeitsverteiler als Rohrverteiler ausgebildet, der einen Hauptkanal (21) und mehrere mit dem Hauptkanal (21) in Strömungsverbindung stehende Verteilarme (22) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher mit mehreren auf ein Kernrohr gewickelten Rohren, mit einem einen Außenraum um die Rohre begrenzenden Mantel und mit einem Flüssigkeitsverteiler zum Verteilen von Flüssigkeit in dem Außenraum.
In LNG Baseload Anlagen wird Erdgas in großen Mengen kontinuierlich verflüssigt. Die Verflüssigung des Erdgases erfolgt meist durch Wärmeaustausch mit einem Kälteträger in gewickelten Wärmetauschern.

Bei einem gewickelten Wärmetauscher sind mehrere Lagen von Rohren auf ein Kernrohr aufgewickelt. Durch die einzelnen Rohre wird ein Medium geleitet, welches in Wärmeaustausch mit einem in dem Raum zwischen den Rohren und einem umgebenden Mantel strömenden Medium tritt. Die Rohre werden am oberen Wärmetauscherende in mehreren Gruppen zusammengeführt und in Form von Bündeln aus dem Außenraum herausgeleitet.

Die Verteilung der als Kühlmittel verwendeten Flüssigkeit im Außenraum der Rohre erfolgt über Flüssigkeitsverteiler. Hierzu werden im Stand der Technik häufig Lochbodenverteiler eingesetzt. Bei diesem Verteilertyp wird die zu verteilende Flüssigkeit über eine Zuführung auf einen Ringkanal aufgebracht, der sich am Rand des Außenraums über dessen gesamten Umfang erstreckt. Unterhalb des Ringkanals sind ausgehend vom Kernrohr tortenstückförmig mehrere Lochböden angeordnet, die an ihren Rändern jeweils mit Wänden abgeschlossen sind. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Lochbodenelementen dient zur Durchführung der Rohrbündel und als Gasdurchlass. Der Ringkanal ist mit Öffnungen, beispielsweise in Form von Überläufen, versehen, durch die die Flüssigkeit auf die einzelnen Lochböden, die flüssigkeitsseitig verbunden sein können, fließt und weiter durch die Löcher in den Lochböden auf die darunter angeordneten Rohre tropft.

Die auf die Rohre tropfende Flüssigkeitsmenge wird durch den hydrostatischen Druck und damit durch den Flüssigkeitsstand auf den Lochböden bestimmt. Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Löcher ist ein bestimmter Mindestflüssigkeitsstand erforderlich. Dies bedingt relativ große Flüssigkeitsmengen auf den einzelnen Lochböden, so dass diese und die entsprechenden Tragarme sehr stabil ausgeführt werden müssen und entsprechend teuer und aufwändig zu fertigen sind. Zudem müssen bei Laständerungen, bei denen die Menge oder Zusammensetzung des durch die Rohre strömenden Fluids variiert wird und sich der Kühlmittelbedarf ändert, relativ große Flüssigkeitsmengen verändert werden, wodurch eine hohe Trägheit des Systems bedingt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die beschriebenen Nachteile vermieden und eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit auf den Wärmetauscherrohren erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen gewickelten Wärmetauscher mit mehreren auf ein Kernrohr gewickelten Rohren, mit einem einen Außenraum um die Rohre begrenzenden Mantel und mit einem Flüssigkeitsverteiler zum Verteilen von Flüssigkeit in dem Außenraum gelöst, bei dem erfindungsgemäß der Flüssigkeitsverteiler als Rohrverteiler ausgebildet ist, der einen Hauptkanal und mehrere mit dem Hauptkanal in Strömungsverbindung stehende Verteilarme aufweist.

Erfindungsgemäß ist der Flüssigkeitsverteiler als Rohrverteiler ausgeführt, der einen als Zuspeiserohr dienenden Hauptkanal und von diesem abzweigende Verteilarme besitzt. Die Verteilarme überdecken einen Teil der Querschnittsfläche oberhalb der auf das Kernrohr gewickelten Rohre und sind allseitig geschlossen. Lediglich an der Unterseite der Verteilarme befinden sich Öffnungen, durch die die Flüssigkeit austreten und auf die Rohre tropfen kann.

Die erfindungsgemäße Verteilung der Flüssigkeit erfolgt im Gegensatz zu den bekannten Systemen über einen geschlossenen Verteiler. Dies hat den großen Vorteil, dass der für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit notwendige hydrostatische Druck nur durch die im Hauptkanal anstehende Flüssigkeit erzeugt wird. Der Flüssigkeitsinhalt des Verteilers ist damit deutlich geringer als bei den bekannten Lochbodenverteilern. Das Gesamtgewicht des Flüssigkeitsverteilers wird wesentlich gesenkt, wodurch kostengünstige Befestigungsvorrichtungen eingesetzt werden können. Aufgrund seines geringen Gewichtes ist der Verteiler auch präziser justierbar als herkömmliche Verteiler. Zudem muss bei Laständerungen nur der Flüssigkeitsstand im Hauptkanal angepasst werden, wodurch sich innerhalb kurzer Zeit ein neuer stationärer Zustand einstellen lässt.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist weiter sichergestellt, dass der Verteiler auch auf bewegten Plattformen und Schiffen eingesetzt werden kann, da der Vordruck erhöht werden kann, ohne den Flüssigkeitsinhalt nennenswert zu erhöhen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Hauptkanal innerhalb des Kernrohres oder eines Teils des Kernrohres verlaufen zu lassen oder einen Teil des Kernrohres als Hauptkanal zu verwenden. Auf diese Weise werden die Platzverhältnisse innerhalb des Mantels des Wärmetauschers optimal ausgenutzt.

Je nach Größe und Ausführung des Kernrohres ist es vorteilhaft, den Innendurchmesser des Hauptkanals geringer zu wählen als den Innendurchmesser des Kernrohres. Vorzugsweise wird in das Kernrohr ein als Hauptkanal des Flüssigkeitsverteilers dienendes Innenrohr eingebracht. Da der hydrostatische Druck in den Verteilarmen nur von der Höhe des Flüssigkeitsstandes im Hauptkanal abhängt, kann durch eine Verringerung des Hauptkanalquerschnittes der Flüssigkeitsinhalt des Verteilers weiter reduziert werden, ohne den hydrostatischen Druck und damit die Verteilgüte zu beeinflussen.

Bevorzugt verlaufen die Verteilarme ausgehend vom Hauptkanal radial nach außen und sind senkrecht zum Kernrohr angeordnet, so dass sie in der betriebsbereiten Position des Wärmetauschers waagrecht ausgerichtet sind.

Der den Wärmetauscher umgebende Mantel ist häufig zylindrisch ausgeführt. In diesem Fall ist es von Vorteil, die Verteilarme tortenstückförmig auszubilden.

Aus strömungstechnischen Gründen hat es sich als günstig erwiesen, die Höhe der Verteilarme in radialer Richtung von innen nach außen zu verringern. Unter „Höhe" wird hierbei die Ausdehnung der Verteilarme in Richtung der Kernrohrachse verstanden. Durch entsprechende Verringerung der Verteilarmhöhe kann die bei einer tortenstückförmigen Ausbildung der Verteilarme ansonsten entstehende Zunahme der Verteilarmquerschnitte bezogen auf die durchzusetzende Flüssigkeitsmenge kompensiert oder aus strömungstechnischen Gründen sogar überkompensiert werden.

Von Vorteil ist in dem Hauptkanal eine Vorrichtung zur Verringerung der kinetischen Energie der zuströmenden Flüssigkeit vorgesehen. Die über den Hauptkanal zugespeiste Flüssigkeit wird abgebremst, so dass Flüssigkeitsturbulenzen beim Eintritt in die Verteilarme minimiert werden. Durch die Flüssigkeit mitgerissenes Gas kann gegen die Flüssigkeitsströmung aufsteigen und durch das Kernrohr oder eine separate Entlüftung entweichen. In den Verteilarmen befindet sich so im Wesentlichen nur Flüssigkeit und kein Gas.

Die Vorrichtung zur Verringerung der kinetischen Energie der zuströmenden Flüssigkeit wird dabei vorzugsweise am unteren Ende der Verbindungsstellen zwischen dem Hauptkanal und den Verteilarmen angeordnet. Als besonders geeignete „Energiebremsen" haben sich ein Lochblech, ein statischer Mischer oder eine geordnete Packung erwiesen.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, Filtereinrichtungen vorzusehen, um eventuelle Verunreinigungen, die zu einer Verstopfung der Abtropföffnungen führen könnten, aus der zu verteilenden Flüssigkeit auszufiltern. Vorzugsweise werden derartige Filter im Zulauf oder im Hauptkanal angeordnet.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen Lochbodenverteiler nach dem Stand der Technik,
2 die Draufsicht auf einen Ring-Vorverteiler, wie er in Verbindung mit dem in 1 gezeigten Lochbodenverteiler verwendet wird,
3 die Seitenansicht des Ring-Vorverteilers gemäß 2,
4 die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rohrverteilers,
5 die Unterseite des Verteilers nach 4 und
6 einen Sammeltopf für einen Zwischenverteiler.
7 zeigt einen Ring-Vorverteiler, der in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Rohrverteiler einsetzbar ist.
In 1 ist die Draufsicht auf einen herkömmlichen Flüssigkeitsverteiler für einen gewickelten Wärmetauscher dargestellt, der beispielsweise als Verflüssiger in einer LNG Baseload Anlage eingesetzt wird. Der Flüssigkeitsverteiler besitzt drei tortenstückförmige Lochböden 1, die gleichmäßig um das Kernrohr 2 des Wärmetauschers angeordnet sind und sich bis an den zylindrischen Mantel 3 des Wärmetauschers erstrecken. Auf das Kernrohr 2 sind eine Vielzahl von Rohren gewickelt, die in den offenen Bereichen 4 zwischen den einzelnen Lochböden 1 durch den Verteiler geführt werden.
Die Lochböden 1 sind mit einer Vielzahl von Abtropföffnungen 5 versehen, durch die die auf den Lochböden 1 befindliche Flüssigkeit auf die darunterliegenden Rohrbündel abtropfen kann.
Die Zuspeisung der Flüssigkeit erfolgt über einen Ring-Vorverteiler, wie er in den 2 und 3 schematisch dargestellt ist. Der Ring-Vorverteiler besitzt einen seitlichen Flüssigkeitszulauf 6, der in einen Prallkasten 7 mündet. Die dem Kernrohr zugewandte Seite 8 des Prallkastens 7 sowie dessen Oberseite 9 sind geschlossen. Seitlich 10 und unten ist der Prallkasten 7 dagegen offen.
Die durch den Zulauf 6 zugespeiste Flüssigkeit tritt in den Prallkasten 7 ein, trifft auf die Wand 8 und fließt nach unten ab. Mitgerissenes Gas verlässt den Prallkasten 7 über die offenen Seiten 10. Im Prallkasten 7 findet somit neben der Umlenkung der Flüssigkeit in den Ring-Vorverteiler auch eine Gas-Flüssigkeits-Trennung statt.
Der Ring-Vorverteiler selbst besteht aus einem entlang des Mantels 3 verlaufenden Ringkanal 11, der durch den Mantel 3, einen Boden 12 und eine zylinderförmige Innenwand 13 begrenzt wird. Die Wand 8 des Prallkastens 7 ragt in das Innere des Ringkanals 11 hinein, so dass sich die aus dem Prallkasten 7 ablaufende Flüssigkeit in dem Ringkanal 11 sammelt.
In der Innenwand 13 des Ringkanals 11 befinden sich Öffnungen 14, durch die die Flüssigkeit in Ablaufrohre 15 eintreten kann, die oberhalb der Lochböden 1 angeordnet sind. Durch den Ring-Vorverteiler wird folglich die zugespeiste Flüssigkeit gleichmäßig über den Umfang des Wärmetauschers verteilt, so dass möglichst alle Lochböden 1 mit derselben Flüssigkeitsmenge versorgt werden. Die eigentliche Verteilung der Flüssigkeit auf die gewickelten Rohrbündel erfolgt dann mittels der Lochböden 1.
Wie bereits erwähnt, muss diese bekannte Ausführung aufgrund der hohen Flüssigkeitsbelastung auf den Lochböden 1 sehr stabil ausgeführt werden und bedarf aufwändiger Befestigungsvorrichtungen.
In den 4 und 5 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteilers dargestellt. Erfindungsgemäß ist der Flüssigkeitsverteiler als Rohrverteiler ausgeführt. Der Rohrverteiler umfasst einen Hauptkanal 21 und mit diesem verbundene Verteilarme 22.
In 5 ist die tortenstückförmige Grundfläche der Verfeilarme 22 deutlich zu erkennen. Die Größe der Verteilarme 22, d. h. die Länge der die Verteilarme 22 begrenzenden Seiten a, b sowie die Länge I des Verteilarms 22, hängt von dem zur Durchführung der Rohrbündel und des Gases zwischen den Verteilarmen 22 benötigten Platz sowie von der Dichte und Anordnung der zu beregnenden Rohrbündel ab.
Die Höhe der Verteilarme 22 nimmt, wie in 4 dargestellt, in radialer Richtung linear ab. Diese Ausführungsform der Verteilarme 22 bringt eine homogenere Verteilung der Flüssigkeit mit sich und dient der Reduzierung des Flüssigkeitsinhalts und damit des Betriebsgewichts.
Die Verteilarme 22 besitzen an ihrer Unterseite eine Vielzahl von Öffnungen 23, durch die die Flüssigkeit auf die darunter liegenden Rohre abtropfen kann. Die Dichte der Öffnungen 23 ist in radialer Richtung nicht konstant, sondern an die darunter liegende, zu beregnende Rohrbündelfläche angepasst.
Aus strömungstechnischen Gründen sind die Öffnungen 23 nicht durchgehend über die gesamte Wandstärke der Verteilarme 22 mit demselben Querschnitt ausgeführt. Entweder von der Außen- oder von der Innenseite der Verteilarme 22 sind die Öffnungen 23 mit einer größeren Bohrung versehen, die sich aber nicht über die gesamte Wandstärke der Verteilarme 22 erstreckt. Auf diese Weise wird die effektive Wandstärke im Bereich der Öffnungen 23 verringert, wodurch ein gleichmäßigeres Ausströmen der Flüssigkeit erreicht wird.
Der Hauptkanal 21 wird durch ein in dem Kernrohr 24 angeordnetes Innenrohr gebildet. Die Zuführung der zu verteilenden Flüssigkeit bzw. eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches erfolgt über eine senkrechte Zuleitung 25. Am unteren Austrittsende der Zuleitung 25 ist ein Prallblech 26 angebracht, auf das die ankommende Flüssigkeit bzw. das Flüssigkeits-Gas-Gemisch auftrifft. Die Flüssigkeit läuft dann entlang des nach unten gewölbten Prallblechs 26 seitlich in einen Sammeltopf 27 ab, der die Flüssigkeit in das Innenrohr 21 weiterleitet.
Beim Ablaufen der Flüssigkeit von dem Prallblech 26 und dem Sammeltopf 27 entweicht Gas, welches mit der Flüssigkeit über die Zuleitung 25 in den Wärmetauscher geströmt ist. Das Gas wird über den ringförmigen Außenraum zwischen der Zuleitung 25 und dem Mantel 3 des Wärmetauschers abgezogen, so dass in das Innenrohr 21 im Wesentlichen Flüssigkeit eintritt.
Am unteren Ende des Hauptkanals 21 befindet sich eine geordnete Packung 28, die als Energiebremse für herabfallende Flüssigkeit dient. Der Energiebremse 28 vor- oder nachgeschaltet können zudem Filtereinrichtungen angebracht werden.
In 6 ist ein Flüssigkeitssammler dargestellt, der beispielsweise zum Sammeln von Flüssigkeit eingesetzt werden kann, die aus einem darüber liegenden Rohrbündel abtropft und/oder von außen oder seitlich aufgegeben wird und in einen darunter liegenden erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteiler weitergeleitet werden soll.
Am Außenmantel 3 ist ein schräg nach unten verlaufendes ringförmiges Ablaufblech 31 befestigt, das die von den nicht dargestellten Rohren abregnende Flüssigkeit vom Rand in die Mitte leitet. Anstelle des dargestellten schräg angeordneten Ablaufblechs 31 kann auch ein horizontales ringförmiges Blech eingesetzt werden. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn das horizontale Blech an seinem dem Außenmantel 3 abgewandten Rand mit einem senkrechten Wehr versehen ist, welches Austrittsöffnungen für die Flüssigkeit aufweist. Unterhalb des Ablaufbleches 31 befinden sich Gasdurchlässe 32. Das Ablaufblech 31 ragt soweit vor, dass von oben abtropfende Flüssigkeit nicht in die Gasdurchlässe 32 eintreten kann, vorhandenes Gas dagegen den durch den Pfeil angedeuteten Weg durch den Gasdurchlass 32 nimmt.
Die von dem Ablaufblech 31 ablaufende Flüssigkeit trifft auf einen Sammeltopf 33, der von einer seitlichen Wand 34 begrenzt wird, welche andererseits den Gasdurchlass 32 begrenzt. Der Sammeltopf 33 weist außerdem einen weiteren Gasdurchlass 35 auf. Von dem Sammeltopf 33 fließt die Flüssigkeit weiter in den Hauptkanal 21 eines Rohrverteilers, wie er in den 4 und 5 gezeigt ist.
Wird die Flüssigkeit über eine Zufuhrleitung 41 seitlich auf den Wärmetauscher aufgegeben, so hat sich ein Ring-Vorverteiler, wie er in 7 dargestellt ist, bewährt. Der in 7 gezeigte Ring-Vorverteiler ist ähnlich aufgebaut wie der nach 2. Die Flüssigkeit wird über Leitung 41 von der Seite zugeführt, gelangt in einen Prallkasten 42, trifft auf die Wand 43 und fließt nach unten ab. Hierbei findet, wie im Zusammenhang mit 2 ausgeführt, eine erste Trennung von Flüssigkeit und Gas statt.
Die Flüssigkeit sammelt sich dann in dem Ringkanal 44. Im Boden des Ringkanals 44 befinden sich Ablauföffnungen 45, an die Rohrstücke 46 angeschlossen sind, die den Ringkanal 44 mit dem Hauptkanal 21 eines erfindungsgemäßen Rohrverteilers entsprechend den 4 und 5 verbinden.
Der in den 2 und 3 dargestellte Vorverteiler kann ebenfalls als Vorverteiler für den erfindungsgemäßen Rohrverteiler verwendet werden. Hierzu müssen lediglich die Ablaufrohre 15 an den Hauptkanal 21 angeschlossen werden.

Claims

Gewickelter Wärmetauscher mit mehreren auf ein Kernrohr gewickelten Rohren, mit einem einen Außenraum um die Rohre begrenzenden Mantel und mit einem Flüssigkeitsverteiler zum Verteilen von Flüssigkeit in dem Außenraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsverteiler als Rohrverteiler ausgebildet ist, der einen Hauptkanal (21) und mehrere mit dem Hauptkanal (21) in Strömungsverbindung stehende Verteilarme (22) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (21) innerhalb eines Teils des Kernrohres (24) verläuft.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Hauptkanals (21) geringer ist als der Innendurchmesser des Kernrohres (24).
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilarme (22) tortenstückförmig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilarme (22) ausgehend vom Hauptkanal (21) radial nach außen verlaufen.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Verteilarme (22) in radialer Richtung abnimmt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptkanal (21) eine Vorrichtung (28) zur Verringerung der kinetischen Energie der zuströmenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lochblech, ein statischer Mischer oder eine geordnete Packung (28) zur Verringerung der kinetischen Energie der zuströmenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilarme (22) Flüssigkeitsaustrittsöffnungen (23) aufweisen, wobei sich die Dichte der Flüssigkeitsaustrittsöffnungen (23) in radialer Richtung ändert.