Beschreibung

GEWICKELTER WäRMETAUSCHER MIT UNTERSCHIEDLICHEN MATERIALIEN

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Rohren, die um ein Kernrohr gewickelt sind, mit einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt.

In LNG-Baseload-Anlagen wird Erdgas in großen Mengen kontinuierlich verflüssigt. Die Verflüssigung des Erdgases erfolgt meist durch Wärmeaustausch mit einem Kälteträger in gewickelten Wärmetauschern. Es sind jedoch auch viele andere Anwendungen von gewickelten Wärmetauschern bekannt.

Bei einem gewickelten Wärmetauscher sind mehrere Lagen von Rohren schraubenförmig auf ein Kernrohr aufgewickelt. Durch das Innere mindestens eines Teils der Rohre wird ein erstes Medium geleitet, welches in Wärmeaustausch mit einem in dem Außenraum zwischen den Rohren und einem umgebenden Mantel strömenden zweiten Medium tritt. Die Rohre werden an den oberen Wärmetauscherenden in mehreren Gruppen zusammengeführt und gebündelt aus dem Außenraum herausgeleitet.

Derartige gewickelte Wärmetauscher und ihre Anwendung, zum Beispiel zur

Erdgasverflüssigung, sind in jeder der folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Aufl. 1985, S.471 -475

- W. Scholz, "Gewickelte Rohrwärmeaustauscher", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 33 (1973), S. 34-39 - W. Bach, "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkälte - Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwärmetauschern", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 64 (1990), S. 31 -37

- W. Förg et al., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwärmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", Nr. 78 (1999), S. 3-11 (englische Fassung: W. Förg et al., "A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger", Linde Reports on Science and Technology, Nr. 61 (1999), S. 3-11 )

- DE 1501519 A

- DE 1912341 A

- DE 19517114 A

- DE 19707475 A

- DE 19848280 A

Es ist bekannt, gewickelte Wärmetauscher entweder aus Aluminium oder aus Stahl (Edelstahl oder spezieller Tieftemperaturstahl) herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige gewickelte Wärmetauscher kostengünstiger herzustellen und/oder seinen verfahrenstechnischen Eigenschaften zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein erstes und ein zweites Bauteil des gewickelten Wärmetauschers aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Hiervon wurde bisher aus fertigungstechnischen Gründen bewusst abgesehen. Man war im Gegenteil bestrebt, ein einheitliches Material für alle Bauteile des gewickelten Wärmetauschers zu verwenden, um diese leichter miteinander verbinden zu können, insbesondere durch Schweißverbindungen.

Im Rahmen der Erfindung wird nun von diesem Prinzip abgewichen und es werden verschiedene Materialien in demselben Wärmetauscher eingesetzt. Dadurch kann die Konstruktion des Wärmetauschers weiter optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich des Volumens, des Gewichts, der Festigkeit und/oder der Kosten .

Das erste und das zweite Bauteil können dabei durch je eines der folgenden Bauteile gebildet sein:

Kernrohr, auf das die Rohre gewickelt sind Rohre Abschnitte von Rohren

Rohrböden (Rohrsammler)

Mantel, der den Wärmetauscher als Druckgefäß nach außen abschließt Verteiler für Flüssigkeit und/oder Gas im Außenraum der Rohre Stege zwischen zwei Rohrlagen (Abstandshalter) Tragarme zur Aufhängung von Stegen

Hemd, das zwischen dem Mantel und den Rohren angeordnet ist Zum Beispiel können der Mantel aus Stahl und das oder die Rohrbündel aus Aluminium hergestellt sein.

Hierbei kann beispielsweise ein erstes Bauteil aus Aluminium und das zweite Bauteil aus Stahl bestehen. Unter "Aluminium" wird hier sowohl reines Aluminium als auch jede technisch anwendbare Aluminiumlegierung verstanden, beispielsweise mit einem Aluminiumgehalt von 50 % oder mehr, vorzugsweise mit einem Aluminiumgehalt von 80 % oder mehr. Unter "Stahl" werden hier alle Stahlarten verstanden, zum Beispiel austenitische, ferritische, Duplex-, Edel- und Nickelstähle.

In einem konkreten Beispiel kann das erste Bauteil eine Gruppe von Rohren in einer ersten Rohrlage umfassen und aus Aluminium hergestellt sein; ein zweites Bauteil kann beispielsweise eine andere Gruppe von Rohren derselben oder einer anderen Rohrlage umfassen und aus Stahl bestehen.

Sind das erste und das zweite Bauteil mit demselben Verbindungsstück verbunden, besteht das Verbindungsstück vorzugsweise aus dem Material des ersten Bauteils als Grundmaterial und weist eine Plattierung aus dem Material des zweiten Bauteils auf. Damit kann das Verbindungsstück sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Bauteil verschweißt werden. In einem konkreten Beispiel werden Aluminiumrohre mit einem Rohrboden aus Edelstahl verschweißt, der eine Aluminiumplattierung aufweist.

Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung eines derartigen Wärmetauschers zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustauschs zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid.

Der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird dabei zum Beispiel durch Erdgas gebildet.

Der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher zur Erdgasverflüssigung oder Erdgasverdampfung eingesetzt.

üblicherweise werden bei der Ergasverflüssigung gewickelte Wärmetauscher aus Aluminium verwendet. Alternativ dazu können auch solche aus Stahl für die Erdgasverflüssigung eingesetzt werden.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, in dem ein erfindungsgemäßer gewickelter Wärmetauscher 1 zur Verflüssigung eines Erdgasstroms 2 zur verflüssigtem Erdgas (LNG - liquid natural gas) 3 durch indirekten Wärmeaustausch mit drei Kältemittelströmen, einem Niederdruckkältemittel 4, einem ersten Hochdruckkältemittel 5 und einem zweiten Hochdruckkältemittel 6.

Der gewickelte Wärmetauscher weist hier ein einziges Rohrbündel mit drei Rohrgruppen auf. Die Rohre der Rohrgruppen sind in verschiedenen Lagen abwechselnd schraubenförmig auf ein gemeinsames Kernrohr gewickelt. (Die Rohrwicklung entspricht dem allgemein bekannten Prinzip eines gewickelten Wärmetauschers; die geometrische Anordnung ist daher in der schematischen Zeichnung nicht dargestellt.) Die Rohrgruppen sind in diesem Beispiel nach Prozessströmen eingeteilt. Durch die Rohre einer ersten Rohrgruppe 7 strömt das Erdgas 2; durch die Rohre einer zweitem beziehungsweise einer dritten Rohrgruppe 8, 9 strömt jeweils eines der beiden Hochdruckkältemittel 5, 6. Die Hochd ruckkältemittel werden dabei von unten nach oben, also im Gleichstrom mit dem Erdgas geführt. Das Niederdruckkältemittel 4 strömt von oben nach unten, also im Gegenstrom zum Erdgas, durch den Außenraum der Rohre und verdampft dabei. Verdampftes Niederdruckkältemittel 10 wird am unteren Ende des Wärmetauschers wieder aus dem Außenraum abgezogen.

In einem konkreten Zahlenbeispiel betragen die Verfahrensdrücke:

Erdgas 2 120 bar Niederdruckkältemittel 4 15 bar

Erstes Hochdruckkältemittel 5 60 bar

Zweites Hochdruckkältemittel 6 60 bar

Die Rohre sind aus eine Leichtmetallwerkstoff, zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und weisen je nach Rohrgruppe verschiedene

Wandstärken auf. Dabei sind werden die Außendurchmesser der Rohre in allen Rohrlagen gleich.

In einer ersten Variante, die auf Gewicht optimiert ist, betragen die Wandstärken:

Rohrgruppe 7 1 ,4 mm

Rohrgruppen 8 und 9 0,9 mm

In einer weiteren Variante wurden die Wandstärken hinsichtlich des thermischen und hydraulischen Designs und hinsichtlich eines möglichst homogen aufgebauten Rohrbündels optimiert, wobei prozessbedingte Parameter (z. B. vorgegebene maximale Druckabfälle in den einzelnen Prozessströmen) einzuhalten waren. In dieser zweiten Variante betragen die Wandstärken:

Rohrgruppe 7 1 ,4 mm

Rohrgruppen 8 und 9 1 ,2 mm

In der zweiten Variante wurden identische Rohrlängen in den einzelnen Rohrgruppen erreicht, wodurch der Wärmeaustauscher sowohl hinsichtlich der Wärmeübertragung als auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit optimiert wurde.

In dem Ausführungsbeispiel bestehen alle Rohre und das Kernrohr aus Aluminium und die Rohrböden aus Edelstahl, der an den Verbindungsstellen mit den Rohren aluminiumplattiert ist.