DE3225299C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbe­ sondere Verdampfer oder Anwärmer für das Fracht­ medium eines Flüssiggastankers, mit einer unteren Rohr­ bündelanordnung, deren Rohrraum von einer Flüssigkeit, ins­ besondere Seewasser, durchströmbar ist, mit einer oberen Rohr­ bündelanordnung, deren Rohrraum von dem Frachtmedium durch­ strömbar ist, mit die Außenräume dieser beiden Rohrbündelan­ ordnungen verbindenden Leitmitteln, insbesondere Rohren und Leitblechen, von denen mindestens eins für die Flüssigphase und mindestens eins für die Dampfphase eines Zwischenmediums, vorzugsweise des Frachtmediums, vorhanden ist, und wobei die Außenräume der beiden Rohrbündelapparate durch einen gemein­ samen Mantel oder durch zwei, durch die Leitmittel verbundene Mäntel gebildet sind.

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Art, siehe beispiels­ weise das Betriebshandbuch I der MT GAZ PACIFIC, wird der Wärmetauscher durch zwei Einzelwärmetauscher bzw. Rohrbündel­ apparate gebildet, die übereinander angeordnet sind und jeweils im wesentlichen aus einem Rohrbündel und einem, den zugehöri­ gen Außenraum begrenzenden, zylinderförmigen Mantel bestehen. Der Rohrraum des unteren Rohrbündelapparates kann an eine Flüssigkeit, insbesondere Seewasser, angeschlossen werden. Der Rohrraum des oberen Rohrbündelapparates ist für den An­ schluß an ein zu verdampfendes oder anzuwärmendes Cargomedium ausgerüstet. Die beiden Mäntel und somit die beiden Außenräu­ me sind über im wesentlichen vertikal verlaufende Rohre mitein­ ander verbunden. In dem so gebildeten Gesamtraum aus den bei­ den Mantelräumen bzw. Außenräumen befindet sich ein Zwischen­ medium, das zumeist mit dem Frachtmedium identisch ist und sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet, der durch die als Rohre ausgebildeten Leitmittel geführt wird. Die Wärmeübertra­ gung und der Kreislauf werden durch Verdampfen und Kondensa­ tion dieses Zwischenmediums erreicht.

Möglich ist jedoch auch eine Ausbildung dieses bekannten Wärmetauschers in einer Form, in der beide Rohrbündel in ein und demselben Mantel untergebracht sind. Die Außen­ räume sind dann über als Leitbleche ausgebildete Leit­ mittel miteinander verbunden.

Der auf der "GAZ PACIFIC" eingesetzte Wärmetauscher dieser Art hat eine Wärmeleistung von knapp 1,2 MW. Er kann 42,5 t/h Ammoniak mit einer Eintrittstemperatur von -33°C auf eine Austrittstemperatur von -10°C erwärmen. Hierzu werden 350 m³/h Seewasser benötigt, die z. B. mit einer Temperatur von 15°C in den unteren Rohrbündelapparat ein­ treten und ihn mit einer Temperatur von 12°C verlassen. Allgemein wird die Austrittstemperatur des erwärmten Fracht­ mediums so geregelt, daß der Massenfluß von der minimal zulässigen Temperatur abhängt.

Wenn die an das Frachtmedium einen Teil der fühlbaren Wärme abgebende Flüssigkeit, z. B. also Seewasser, eine ausreichend hohe Temperatur über 0°C besitzt, arbeitet die­ ser bekannte Wärmetauscher problemlos. Hat allerdings die Flüssigkeit eine niedrige Temperatur, befindet sich z. B. der Flüssiggastanker in Zonen mit kälterem Seewasser, z. B. im nördlichen Nordatlantik, so kann die Gefahr auftreten, daß das Seewasser im Wärmetauscher einfriert. Aus Sicher­ heitsgründen und um dies zu verhindern, wird eine Austritts­ temperatur der Flüssigkeit bzw. des Seewassers von 5°C nicht unterschritten. Bei Absinken der Flüssigkeitstemperatur un­ ter diesen Temperaturwert oder aber auch bei einer Unter­ brechung des Zuflusses an Flüssigkeit wird die Zufuhr wei­ teren, anzuwärmenden oder zu verdampfenden Frachtmediums gedrosselt bzw. gestoppt, der Wärmetauschvorgang also unter­ brochen. In diesem Fall besteht keine Möglichkeit, das Frachtmedium wie gewünscht anzuwärmen oder zu verdampfen.

Typische Frachtmedien für die Flüssiggastanker sind Propan (auch sog. commercial grade propan), Butan, Ammoniak und Kohlen­ wasserstoffe verschiedener Art, auch in Form von Gasgemi­ schen. Für derartige Frachtmedien besteht die Notwendig­ keit, auch in relativ kalten oder kühlen Zonen unserer Erde ein Verdampfen bzw. Erwärmen vornehmen zu können. Um dies zu erreichen, könnte man nun das an sich zu kalte See­ wasser zunächst aufheizen, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, der seinerseits von einer gewärmten Flüs­ sigkeit, z. B. Thermalöl, durchströmt wird. Hierfür ist jedoch ein vollständiger Wärmetauscher mit kompletter Steuerung und Regelung notwendig. Weiterhin erfordert die­ ser, dem eigentlichen Wärmetauschvorgang vorgeschaltete Wärmetauscher Energie in Form von Wärme, z. B. zum Ausgleich seiner Verluste, aber insbesondere dann, wenn die Tempera­ tur des den Flüssiggastankers umgebenden Seewassers unter etwa 15°C liegt.

Da die Wärmetauscher bedingt durch das Zwischenmedium und eine wirtschaftliche Größe ihrer Wärmetauschflächen übli­ cherweise bei Seewassertemperaturen unter 15°C nicht ihre Nennleistung erreichen, ist es insbesondere bei relativ niedrigen Seewassertemperaturen nicht zu vermeiden, daß das vorgewärmte und im Wärmetauscher der eingangs genannten Art wieder etwas abgekühlte Seewasser eine höhere Tempera­ tur als das das Schiff umgebende Seewasser hat. Angesichts der hohen spezifischen Wärme von Wasser und der relativ großen stündlichen Wassermenge erkennt man, daß der Ver­ lust an Wärmeenergie bei diesem Vorschlag relativ hoch sein kann. Bei einer Differenz zwischen der Temperatur des Austrittswassers und der Temperatur des das Schiff umgeben­ den Seewassers von 3°C verschenkt man pro Stunde über 1 Gcal (= 4,19 mal 10⁹ J). Ein vorgeschalteter Wärmetauscher hat somit deutliche Nachteile hinsichtlich der zusätzlichen Kosten für den Wärmetauscher selbst einschließlich Steuer­ rung und Regelung, sowie im Betrieb auf Grund der beschrie­ benen Energieverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, daß ohne umfangreiche zusätzliche Maßnahmen, insbesondere Steuer- und Regeleinheiten ein energiegünstiges Verdampfen oder Anwärmen eines Frachtmediums auch dann möglich ist, wenn die Temperatur des Seewassers unter etwa 15°C bzw. der Temperatur, für die der Wärmetauscher ausgelegt ist, liegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zweites unteres von einer gewärmten Flüssigkeit, insbesondere Thermal­ öl durchströmbares Rohrbündel vorgesehen ist, das sich

• - entweder im Außenraum der ersten unteren Rohrbündel­ anordnung befindet,
• - oder Teil eines getrennten Rührbündelapparates ist, der über mindestens ein Rohr für die Flüssigphase und min­ destens ein Rohr für die Dampfphase mit dem Außenraum der oberen Rohrbündelanordnung verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird also ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem entweder die beiden Rohrbündel der unteren Rohrbündelanordnungen in einem gemeinsamen Außenraum oder in getrennten Außenräumen, also getrennten Mänteln angeordnet sind. Im ersten Fall kann das obere Rohrbündel in demselben Mantel wie die beiden unteren Rohrbündelanordnungen untergebracht sein, so daß der gesamte Wärmetauscher nach außen einstückig erscheint, insbesondere die Form eines Zylinders hat. Im ersten Fall oder im zweiten Fall kann das Rohrbündel des oberen Rohr­ bündelapparates aber auch in einem getrennten Mantel unter­ gebracht sein, so daß sich neben der soeben beschriebenen einstückigen Ausführung noch zwei Ausführungen ergeben, bei denen der erfindungsgemäße Wärmetauscher im wesentli­ chen aus entweder zwei übereinander angeordneten Zylindern (oder entsprechenden Körpern) oder aus drei einzelnen Teilen, insbesondere Zylindern, aufgebaut ist.

Gegenüber dem bekannten Wärmetauscher der eingangs genann­ ten Art wird praktisch keine zusätzliche Steuerungs- oder Regeleinrichtung benötigt, vielmehr kann die am bekannten Wärmetauscher ohnehin vorhandene Steuer- und Regeleinheit unabhängig davon, welche der beiden unteren Rohrbündel die Wärme liefert, eingesetzt werden. Dadurch werden einer­ seits Herstellungskosten gespart, andererseits aber ist die Steuerung und Überwachung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch das Bedienungspersonal deutlich ver­ einfacht.

Besonders vorteilhaft ist die mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zu erreichende Energieeinsparung. Das Thermalöl gibt seine Wärme direkt an das Zwischenmedium ab, ohne erst indirekt Seewasser vorzuheizen. Damit wird nur diejenige Wärmemenge über das Thermalöl zugeführt, die für das Verdampfen und Anwärmen des Frachtmediums tatsäch­ lich erforderlich ist, insbesondere wird hinter dem Aus­ tritt des Wärmetauschers kein Seewasser in die See zurück­ gegeben, das eine höhere Temperatur als die Temperatur des das Schiff umgebenden Seewassers hat. Schließlich erfor­ dert der erfindungsgemäße Wärmetauscher, insbesondere in seiner Ausführung mit nur einem, allen drei Rohrbündeln gemeinsamen Mantel, mit zwei getrennten Mänteln, von denen der untere die beiden unteren Rohrbündel aufnimmt, oder mit drei getrennten Mänteln immer noch wenig Platz und auch vergleichbar geringe Herstellung- und Wartungskosten.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Mischbetrieb der beiden unteren Rohrbündel vorgeschlagen. Bei Seewassertem­ peraturen, die im Bereich derjenigen Temperatur liegen, für die der Wärmetauscher berechnet ist, kann demnach ein Teil der für das Anwärmen oder Verdampfen des Frachtmediums benötigten Wärme dem Seewasser entnommen werden, der ande­ re Teil wird über die gewärmte Flüssigkeit, also insbeson­ dere das Thermalöl, zugeführt. Dabei ist ein serieller oder ein paralleler Mischbetrieb möglich.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers mit zwei unteren getrennten Rohrbündelapparaten und einem oberen, ebenfalls separaten Rohrbündelapparat, und

Fig. 2 eine Ansicht des Wärmetauschers gemäß II-II in Fig. 1.

Der in den Figuren gezeigte Wärmetauscher ist als Rekupe­ rator ausgelegt und dient zusätzlich zu den hier zu erläu­ ternden Funktionen als Verdampfer oder Anwärmer auch noch als Kondensator. Auf letztere, an sich bekannte Betriebs­ weise wird hier jedoch nicht eingegangen.

Der Wärmetauscher setzt sich aus insgesamt drei Rohrbündel­ anordnungen zusammen, die hier als separate Rohrbündel­ apparate 10, 12 und 14 ausgeführt sind. Der obere Rohr­ bündelapparat ist mit 10 bezeichnet, der erste untere, mit Seewasser betriebene Rohrbündelapparat trägt die Be­ zugsziffer 12, während der zweite untere, mit Thermalöl be­ triebene Rohrbündelapparat die Bezugsziffer 14 hat. Diese drei Rohrbündelapparate 10 bis 14 sind über mehrere Rohre 16 bis 22, auf die später im einzelnen eingegangen wird, miteinander verbunden.

Der obere Rohrbündelapparat 14 hat ein Rohrbündel aus U-Rohren und einen abnehmbaren, verschraubten Stutzen­ deckel 24. An diesem sind ein Einlaßflansch 26 und ein Auslaßflansch 28 für ein Frachtmedium, z. B. flüssiges Am­ moniak, angeschweißt. Der Mantel 30 des oberen Rohrbündel­ apparates 10 hat eine Gesamtlänge von ca. 4 m und einen Außendurchmesser von etwa 60 cm.

Vertikal unterhalb dieses oberen Rohrbündelapparates 10 befindet sich der erste untere Rohrbündelapparat 12, der hinsichtlich seiner Abmessungen der Größte der drei Rohr­ bündelapparate 10 bis 14 ist. Sein als Verdampfer oder Anwärmer arbeitendes Rohrbüdel ist aus geraden, in Rohrböden eingeschweißten Rohren gefertigt. Es hat an seinem in Fig. 1 rechten Endbereich einen abnehmbaren, verschraubten Stutzendeckel 32, an dem ein Eintritts­ flasch 34 und ein Austrittsflansch 36 für Seewasser vor­ gesehen sind, und am entgegengesetzten Ende einen Umkehr­ deckel 38. Seine Gesamtlänge beträgt ca. 5 m, sein Außen­ durchmesser liegt bei 1 m.

Auf gleicher Höhe mit dem Boden des ersten unteren Rohr­ bündelapparates 12 befindet sich der Boden eines zweiten unteren Rohrbündelapparates 14, der alternativ (gegebe­ nenfalls aber auch im Mischbetrieb) mit dem ersten unteren Rohrbündelapparat 12 Zwischenmedium Z verdampft. Sein Rohrbündel ist aus U-Rohren gebildet, er hat einen abnehm­ baren, verschraubten Stutzendeckel 40. Sein Rohrbündel ist so angeordnet, daß fast die gesamte obere Hälfte seines Außenraums, also hier seines Mantelraums frei bleibt und nur die untere Hälfte durch das Rohrbündel ausgefüllt wird. Dadurch wird in bekannter Weise vermieden, daß mit dem Dampf wesentliche Mengen an Flüssigkeit mitgerissen werden.

Die Außenräume und damit die Mäntel des ersten unteren Rohrbündelapparates 12 und des oberen Rohrbündelapparates 10 sind in bekannter Weise über Rohre 16 und 18 miteinan­ der verbunden. Die dickeren Rohre 18 für die Dampfphase münden bündig im höchsten Mantelbereich des ersten unteren Rohrbündelapparates 12 und stehen ein Stück in den Mantel­ raum des oberen Rohrbündelapparats 12 vor, so daß durch sie keine Flüssigkeit zurücklaufen kann. Ebenso wie die dünneren Rohre 16 verlaufen sie auf einer durch die bei­ den Zylinderachsen der beiden Rohrbündelapparate 10 und 12 festgelegten Ebene. Die dünneren Rohre 16 haben etwa ein Drittel des Durchmessers der dickeren Rohre 18, sie münden bündig in die Unterwand, also den Mantel des oberen Rohrbündelapparates 10, so daß sie von dort alle Flüssigkeit abführen können, und ragen etwa bis zur Mit­ telachse des ersten unteren Rohrbündelapparates 12. Sie übertragen die flüssige Phase des Zwischenmediums Z.

In die dickeren Rohre 18 mündet unter einem 65° Winkel seitlich und in ihrer Längenmitte ein Rohr 20 für die Dampfphase, das bündig mit dem Mantel des zweiten unteren Rohrbündelapparates 14 in dessen höchsten Bereich eingeschweißt ist. Insgesamt sind drei derartige Rohre 20 vorgesehen. Ihr Durchmesser liegt bei etwa dem halben Durchmesser der dickeren Rohre 18, in die sie münden.

Im Bereich ihrer tiefsten Stellen schließlich werden die beiden unteren Rohrbündelapparate 12 und 14 über das das tiefste Niveau bildende Rohr 22 miteinander als kommuni­ zierende Gefäße verbunden. Dieses Rohr 20, das etwa nur den halben Durchmesser des Rohrs 20 hat, dient somit dem Ausgleich der Flüssigphase des Zwischenmediums Z.

Die soeben beschriebene Ausführung des vorgeschlagenen Wärmetauschers eignet sich für die Nachrüstung bereits vorhandener Wärmetauscher der eingangs genannten Art und mit zwei Einzelapparaten 10, 12. Dabei wir der zweite untere Rohrbündelapparat 14 hinzugefügt. Auf Grund dieser Nachrüstung sind insbesondere auch die angegebenen Durch­ messer der Rohre 16 bis 22 bedingt, ihre Durchmesser sind ansonsten nicht eingeschränkt oder festgelegt.

Das Rohr 20 könnte auch beispielsweise den oberen Rohrbün­ delapparat 10 übergreifen und im oberen Bereich des Mantels 30 dieses Rohrbündelapparates 10 münden. Dadurch aber würde das Rohr 20 länger und die Anordnung etwas sperri­ ger.

Bei Neukonstruktionen könnte eine Vereinigung aller drei Rohrbündelapparate 10 bis 14 oder zumindest der beiden unteren Rohrbündelapparate 12 und 14 wirtschaft­ licher sein. Die Aufteilung des gemeinsamen Mantels in Außenräume für die betreffenden Rohrbündelapparate 10 bis 14 bzw. 12 und 14 erfolgt dann nach dem Stand der Technik.

Claims (7)

1. Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer oder Anwärmer für das Frachtmedium eines Flüssiggas­ tankers,

• - mit einer unteren Rohrbündelanordnung, deren Rohrraum von einer Flüssigkeit, insbesondere Seewasser, durch­ strömbar ist,
• - mit einer oberen Rohrbündelanordnung, deren Rohrraum von dem Frachtmedium durchströmbar ist,
• - mit die Außenräume dieser beiden Rohrbündelanordnun­ gen verbindenden Leitmitteln, insbesondere Rohren oder Leitblechen, von denen mindestens eins für die Flüssigphase und mindestens eins für die Dampfphase eines Zwischenmediums, vorzugsweise des Frachtmediums, vorhanden ist, und
• - wobei die Außenräume der beiden Rohrbündelapparate durch einen gemeinsamen Mantel oder durch zwei, durch die Leitmittel verbundene Mäntel gebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites unteres von einer gewärmten Flüssigkeit, insbesondere Thermal­ öl, durchströmbares Rohrbündel vorgesehen ist, das sich

• - entweder im Außenraum der ersten unteren Rohrbündel­ anordnung (12) befindet,
• - oder Teil eines getrennten Rohrbündelapparates (14) ist, der über mindestens ein Rohr (22) für die Flüs­ sigphase und mindestens ein Rohr (20) für die Dampf­ phase mit dem Außenraum der oberen Rohrbündelanordnung (10) verbunden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Teil eines getrennten Rohrbündelapparates (14) bildende zweite untere Rohrbündel einen Mantel hat, in dem ein Rohr (20) für die Dampfphase eingeschweißt ist, das in das Rohr (18) für die Dampfphase oder in den oberen Bereich des Außenraumes der oberen Rohr­ bündelanordnung mündet, und daß ein die Mäntel der beiden unteren, voneinander getrennten Rohrbündelappara­ te (12, 14) in Form von kommunizierenden Gefäßen ver­ bindendes Rohr (22) vorgesehen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tiefsten Stellen der Außenräume der beiden Rohrbündelanordnungen (12, 14) auf gleichem Niveau liegen.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel der drei Rohrbündel­ anordnungen (10, 12, 14) im wesentlichen dieselbe Länge haben.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rohren (16 bis 22) oder im Bereich ihrer Mündungen Drossel- oder Sperrorgane vor­ gesehen sind.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu der gesamte obere Halbraum des Außenraums der zweiten unteren Rohrbündelanordnung (14) ein Freiraum ist, in dem sich keine Rohre des Rohr­ bündels dieser Rohrbündelanordnung (14) befinden.