DE2161504A1 - Method and device for evaporating and superheating a cryogenic liquid - Google Patents
Method and device for evaporating and superheating a cryogenic liquidInfo
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PATENTANWALT?
Dr. rer. rst. Γ-IZTZR LOUlS
Dipl.-Phys. CLAUS Γ3' ILAU
Dipi.-lng.FRA.\'Z LCHRENTZ
8500 NÜRNBERGPATENT ADVOCATE?
Dr. rer. rst. Γ-IZTZR LOUlS
Dipl.-Phys. CLAUS Γ3 'ILAU
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SIVALLS ic BBYSOIi IMC, Kansas City, Missouri USASIVALLS ic BBYSOIi IMC, Kansas City, Missouri USA
Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen und Überhitzen einer kryogenen FlüssigkeitMethod and device for evaporation and Overheating of a cryogenic liquid
Es ist bekannt, daß die Speicherung und der Transport von kryogenen Flüssigkeiten, wie z.B. Erdgas, Sauerstoff, Stickstoff und Helium, im flüssigen Zustand wirtschaftliche Vorteile bringt. Gewöhnlich werden derartige Flüssigkeiten unmittelbar am Ort ihrer Herstellung unterkühlt und verflüssigt und anschließend im flüssigen Zustand an diejenigen Orte verfrachtet, wo sie zur Anwendung gelangen sollen» Dort werden diese verflüssigten Gase wieder verdampft und auf die für die Anwendung erforderlichen Temperaturen überhitzt. Unter dem hier verwendeten Begriff "kryogene Flüssigkeit" sind solche Medien zu verstehen, die bei Temperaturen unterhalb etwa -1010C und bei Drücken bis hinauf zu etwa 70,3 ata sich in flüssigem Zustand befinden.It is known that the storage and transport of cryogenic liquids, such as natural gas, oxygen, nitrogen and helium, in the liquid state brings economic advantages. Such liquids are usually supercooled and liquefied directly at the place of their production and then transported in the liquid state to those places where they are to be used. There these liquefied gases are evaporated again and superheated to the temperatures required for the application. As used herein the term "cryogenic liquid" is meant those media which way up ata are in liquid state at temperatures below about -101 0 C and at pressures to about 70.3.
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Zur Verdampfung kryogener FlUssigleiten sind bereits zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden und man ist auf Grund der sehr tiefen Temperaturen, bei denen derartige Medien in flüssigem Zustand vorliegen, dabei auf eine größere Anzahl von Probienen gestoßen. Co sind beispielsweise Versuche angestellt worden, kryogene flüssigkeiten, wie verflüssigtes Erdgas, unter Anwendung herkömmlicher Wärmeaustauscher zu verdampfen, wobei die kryogene Flüssigkeit über !Rohrleitungen in eine Heizeinrichtung eingeführt wird und in die Flüssigkeit Strahlungs- und Konvektionswärme durch Verbrennungsgase und -flammen überführt wird. Diese Versuche waren jedoch weitgehend erfolglos, da der Wärmeübergang je Zelteinheit (Y/ärmefluß) über den Umfang der Heiarohre ungleichmäßig ist und dadurch die Stabilität und dae Gleichmaß des Siedeprozesses innerhalb der Bohre beeinträchtigt wird.There are already numerous for the evaporation of cryogenic liquid slides Processes and devices have been developed and one is due to the very low temperatures at which such media are in the liquid state, encountered a larger number of probes. Co are for example Attempts have been made to use conventional cryogenic liquids, such as liquefied natural gas To evaporate the heat exchanger, the cryogenic liquid being introduced into a heating device via pipes and radiant and convective heat into the liquid is transferred by combustion gases and flames. However, these attempts were largely unsuccessful, since the heat transfer per tent unit (Y / heat flow) via the The circumference of the heating tubes is uneven and this increases the stability and uniformity of the boiling process within the Drilling is impaired.
Auf Grund der bei direkter Erhitzung angetroffenen Schwierigkeiten sind Verfahren zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten auf indirektem Wege entwickelt worden. Im allgemeinen wird bei diesen Verfahren ein flüssiges Heizmedium, z.B. Isopentan, in einer Heizeinrichtung direkt erwärmt und das heiße flüsBige Medium einem Wärmetauscher zugeführt. In diesem erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Heizmedium und der zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit. Dieses indirekte Erhitzungsverfahren ist zwar insoweit relativ erfolgreich, als man stabile Verfahrensbedingungen erhält, sie erfordern jedoch aufwendige Einrichtungen zu ihrer Durchführung 9 deren Heretellung, Installation und Betrieb teuer ist.Because of the difficulties encountered with direct heating, methods for evaporating cryogenic liquids indirectly have been developed. In general, in these processes, a liquid heating medium, for example isopentane, is heated directly in a heating device and the hot liquid medium is fed to a heat exchanger. In this heat exchange takes place between the liquid heating medium and the cryogenic liquid to be evaporated. This indirect heating process is relatively successful in that stable process conditions are obtained, but they require complex facilities for their implementation 9, the manufacture, installation and operation of which are expensive.
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Es Bind deshalb auch bereite Versuche unternommen worden, kryogene Flüssigkeiten direkt mittels Dampf zu verdampfen und zu überhitzen. Bei diesem Verfahren wird die kryogene Flüssigkeit durch Heizrohre geleitet, die im Wärmeaustausch aueschließlich mit Dampf stehen. Diese Versuche waren von unterschiedlichem Erfolg begleitet, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß zur Vermeidung von Dampfperlen oder Dampfschleiern in der zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit relativ kostspielige Einrichtungen erforderlich sind« Wird nämlich in eine in Heizrohren enthaltene Flüssigkeit Wärme mit zu hohem WärmedurchBatz eingeleitet, wie dies bei der Kondensation von Dampf an der Außenfläche von Rohren der Fall ist, dann bildet sich in der Nähe und über die ganze Innenfläche der Rohre eine isolierende Dampfschicht zwischen den Rohren und der diese durchströmenden Flüssigkeit. Dieseβ Phänomen führt zu einer erheblichen Herabsetzung des Wärmeübergangs in die Flüssigkeit und folglich zu einer Instabilität und Ungleichmäßigkeit dee Siedeprozesses innerhalb der Rohre. Es ist daher zur Vermeidung diesee Vorganges notwendig gewesen, eine relativ große Heizfläche der Heizrohre vorzusehen und anzuwenden, wodurch die Einrichtung verteuert wird. Darüberhinaue sind auch hierbei stabile Verfahrenebedingungen nur bei großer Sorgfalt zu erreichen·That is why there have been prepared attempts to vaporize and superheat cryogenic liquids directly by means of steam. In this procedure, the cryogenic Liquid passed through heating pipes that exchange heat exclusively with steam. These attempts were of accompanied by varying degrees of success, but it should be borne in mind that to avoid vapor pearls or Vapor veils in the cryogenic liquid to be evaporated relatively expensive facilities are required «namely becomes a liquid contained in heating pipes Heat is introduced with too high a heat flow rate, as is the case with the condensation of steam on the outer surface of pipes If this is the case, an insulating vapor layer forms in the vicinity and over the entire inner surface of the pipes between the tubes and the liquid flowing through them. Thisβ phenomenon leads to a significant Reduction of the heat transfer into the liquid and consequently to instability and unevenness the boiling process inside the tubes. It has therefore been necessary to avoid this process, a relative one to provide and use large heating surface of the heating tubes, which makes the device more expensive. Beyond that Here, too, stable process conditions can only be achieved with great care.
Die Erfindung geht eomit aus von einem Verfahren zum Verdampfen und überhitzen einer kryogenen Flüssigkeit, bei dem eine abgeschlossene Menge von flüssigem Heizmedium biß zu dessen teilweiser Verdampfung erhitzt und zum Zwecke der Erhitzung ein Strom der kryogenen Flüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem Dampf des Heizmediume geführtThe invention is thus based on a method for evaporation and superheating a cryogenic liquid in which a sealed amount of liquid heating medium bit heated for its partial evaporation and a stream of the cryogenic liquid for the purpose of heating out in heat exchange with the steam of the heating medium
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wird, und hat sich die Aufgabe gestellt, die bei diesem bekannten Verfahren auftretenden, vorstehend geschilderten Nachteile zu vermeiden, Erfindungsgemäß wird dieße Aufgabe dadurch gelöst, daiü vor dem Wärmeaustausch der kryogenen Flüssigkeit iait dem Dampf des Heizmediums die kryogene Flüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem flüssigen Heizmedium selbst geführt und dabei teilweise verdampft und überhitzt wird und die vollständige Verdampfung und Überhitzung im Wärmeaustausch mit dem Dampf des Heizmediums erfolgt.is, and has set itself the task of occurring in this known method, described above To avoid disadvantages, according to the invention this object is achieved by the fact that before the heat exchange of the cryogenic Liquid iait the vapor of the heating medium, the cryogenic liquid in heat exchange with the liquid heating medium self-guided and thereby partially evaporated and overheated and complete evaporation and overheating takes place in heat exchange with the steam of the heating medium.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit kontinuierlich ein Teil der abgeschlossenen Heizmediummenge verdampft und ein Strom der kryogenen Flüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem flüssigen Heizmedium geführt, so daß die kryogene Flüssigkeit teilweise verdampft und überhitzt wird. Anschließend wird die kryogene Flüssigkeit ebenfalls im Wärmeaustausch mit dem Dampf des Heizmediums geführt, so daß· eie dort vollständig verdampft und überhitzt wird, wobei der Dampf des Heizmediums kontinuierlich kondensiert und in die abgeschlossene Menge des flüssigen Heizmediume zurückgeführt wird.In the method according to the invention, part of the closed amount of heating medium is thus continuously evaporated and a stream of the cryogenic liquid is conducted in heat exchange with the liquid heating medium, so that the cryogenic liquid is partially evaporated and superheated. Then the cryogenic liquid likewise carried out in heat exchange with the steam of the heating medium, so that it is completely evaporated there and is superheated, the steam of the heating medium being continuous condensed and in the closed amount of the liquid Heating medium is returned.
Zur Durchführung dee erfindungsgemäßen Verfahrene geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zum Verdampfen und Überhitzen einer kryogenen Flüssigkeit mit einem in seinem unteren Bereich ein flüssiges Heizmedium enthaltenden geschlossenen Behälter, einer Heizeinrichtung zur Beheizung des Behälters und zur Erzeugung von Heizaediumdampf in dessen oberem Bereich über dem flüssigen Heiz-The method according to the invention can be carried out the invention from a device for evaporating and superheating a cryogenic liquid with an in its lower region containing a liquid heating medium closed container, a heating device for Heating of the container and for the generation of Heizaediumdampf in its upper area above the liquid heating
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medium und mit den oberen Bereich, dee Behälters durchsetzenden Wärmetauscherrohren. Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung so ausgestaltet» daß auch das flüssige Heiamedium im unteren Bereich des Behälters durchsetzende Heizrohre vorgesehen sind, die mit den Wärmetauscherrohren im oberen Bereich des Behälters in Reihe verbunden sind und in die die kryogene Flüssigkeit eingespeist wird.medium and with the upper area, penetrating the container Heat exchanger tubes. According to the invention, this device is designed so that the liquid hot medium in the lower region of the container penetrating heating pipes are provided, which with the heat exchanger pipes are connected in series in the upper area of the container and into which the cryogenic liquid is fed.
In dem geschlossenen Behälter ist eomit im unteren Bereich eine bestimmte Menge flüssiges Heizmedium' und im oberen Bereich Dampf des Heizmediume enthalten. Das flüssige Heizmedium wird durch eine entsprechende Heizeinrichtung kontinuierlich teilweise verdampft und im unteren Bereich verläuft im Wärmeaustausch mit dem flüssigen Heiz-Eiedium eine erBte Rohrschlange für die kryogene Flüssigkeit, so daß diese beim Hindurchströmen bereits erhitzt und mindestens teilweise verdampft wird. Im oberen Bereich des Behälters ist eine zweite Rohrschlange für die kryogene Flüssigkeit angeordnet, die im Wärmeaustausch mit dem Dampf des Heizmediums steht und mit der ersten Rohrschlange in Reihe verbunden ist.In the closed container eomit is in the lower area contain a certain amount of liquid heating medium and steam of the heating medium in the upper area. The liquid one Heating medium is continuously partially evaporated by a suitable heating device and in the lower area an inherited pipe coil for the cryogenic liquid runs in the heat exchange with the liquid heating eiedium, so that it is already heated as it flows through and at least partially evaporated. In the upper area The container has a second coil for the cryogenic liquid, which is in heat exchange with the steam of the heating medium and is connected in series with the first coil.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben eich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen.Further advantages and features of the present invention emerge from the following description of a preferred one Embodiment based on the accompanying drawings as well as from further subclaims.
Ba zeigernPointing Ba
Fig. 1 in schematischer Darbteilung eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens;1 shows a schematic representation of an arrangement to carry out the method according to the invention;
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Pig. 2 eine Seitenansicht der Verdampfervorrichtung gemäß Pig. 1, teilweise geschnitten» undPig. 2 is a side view of the evaporator device according to Pig. 1, partially cut »and
Pig. 3 einen Schnitt länge der Linie 3-3 in Pig. 2,Pig. 3 a section length of the line 3-3 in Pig. 2,
Die Pig. 1 zeigt eine Verdampfervorrichtung 10, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. Ein Strom einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Speicherbehälter 12 oder aus einer sonstigen Quelle dafür wird mittels einer Pumpe 14 durch eine leitung 16 in den Verdampfer 10 eingespeist. Innerhalb des Verdampfers 10 wird der Btrom kryogener Flüssigkeit verdampft und überhitzt, wonach der Dampfstrom aus dem Verdampfer 10 über eine Leitung 16 abgezogen und an den Eineatzpunkt oder eine Verteilerstelle geleitet wird.The Pig. 1 shows an evaporator device 10 which is used for Implementation of the method according to the invention can be used. A stream of cryogenic liquid from it a storage container 12 or some other source for this is supplied by means of a pump 14 through a line 16 fed into the evaporator 10. Within the evaporator 10, the stream of cryogenic liquid is evaporated and superheated, after which the steam flow from the evaporator 10 over a line 16 withdrawn and to the Eineatzpunkt or a distribution point is directed.
Wie sich aus den Figuren 2 und 3 ergibt, besteht der Verdampfer 10 im wesentlichen aue einem geschlossenen zylindrischen Behälter 20 mit einem Vorderende 22 und einem Hinterende 24. Die Enden 22 und 24 weisen jeweils Ringflansche 26, 32 auf, mit denen kreisförmige Deckelplatten 28, 34 durch eine Anzahl von Schrauben 30, 36 verschraubt sind. Zwischen den Planschen und den Deckelplatten sind Dichtscheiben 35 angeordnet.As can be seen from FIGS. 2 and 3, the evaporator 10 consists essentially of a closed cylindrical one Container 20 having a front end 22 and a rear end 24. The ends 22 and 24 each have annular flanges 26, 32, with which circular cover plates 28, 34 are screwed by a number of screws 30, 36. Sealing disks 35 are arranged between the puddles and the cover plates.
Im unteren Bereich des Behälters 20 ist eine Brennkammer 38 in Form eines U-Rohres angeordnet, dessen Enden durch die Deckelplatte 26 hindurch verlaufen und mit dieser dicht verschweißt sind. In einem Ende der Brennkammer 33 ist ein Brenner 40 für Erdgas oder flüssigen Brennstoff angeordnet, während an das andere Ende davon ein Rauch-In the lower region of the container 20, a combustion chamber 38 is arranged in the form of a U-tube, the ends of which through the cover plate 26 run through and with this are tightly welded. In one end of the combustion chamber 33 is a burner 40 for natural gas or liquid fuel arranged, while at the other end of it a smoke
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schacht 42 anschließt. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Leitung 44 zugeführt. Anstelle der gezeigten Brennkammereinrichtung kann jedoch in dem Verdampfer 10 jede brauchbare Heizquelle verwendet werden. Beispielsweise können auch heiße Abgase aus einer Dampf- oder Gasturbine durch eine Heizschlange im unteren Bereich des BehälterB 20 hindurchgeleitet v/erden.shaft 42 connects. The fuel is fed to the burner via a line 44. Instead of the one shown However, any useful heating source can be used in the combustor 10. For example hot exhaust gases from a steam or gas turbine can also be fed through a heating coil in the lower area of container B. 20 passed through.
Im oberen Bereich dee Behälters 20 ist eine Heizschlange 46 angeordnet, die einen Einlaß 48 und einen Auslaß 50 besitzt, welche eich durch die Deckelplatte 34 hindurch erstrecken und mit dieser dicht verschweißt sind. Wie ersichtlich, besteht die Heizschlange 46 aus einer Anzahl von Heiz- oder Wärmetauscherrohren 52, die hintereinander durch Krümmer 54 verbunden sind. Der Einlaß 48 ist mit einer ersten Rohrlage 60 verbunden, die über der Brennkammer 38 angeordnet ist. Eine zweite Rohrlage 62 ist direkt über der ersten Rohrlage 60 angeordnet und mit dieser verbunden und eine dritte Rohrlage 64 wiederum direkt über der zweiten Lage 62 angeordnet und mit letzterer verbunden. Die dritte Rohrlage 64 steht mit dem Auslaß 50 in Verbindung.In the upper region of the container 20, a heating coil 46 is arranged, which has an inlet 48 and an outlet 50 possesses which calibrate through the cover plate 34 extend and are welded to this tightly. As can be seen, the heating coil 46 consists of a number of heating or heat exchanger pipes 52 which are connected one behind the other by elbows 54. The inlet 48 is connected to a first pipe layer 60, which is arranged above the combustion chamber 38. A second layer of pipe 62 is arranged directly above the first pipe layer 60 and connected to it, and a third pipe layer 64 in turn arranged directly above the second layer 62 and connected to the latter. The third pipe layer 64 is with the outlet 50 in connection.
An dem Behälter 20 sind eine Fülldüse 70 und Drainage- und Belüftungeventile 72 und 74 vorgesehen«A filling nozzle 70 and drainage and ventilation valves 72 and 74 are provided on the container 20.
Wie sich aue den Figuren 2 und 3 ergibt, wird in den Behälter 20 eine bestimmte Menge eines flüssigen Heizmediume eingeleitet, wobei der Spiegel der dadurch entstehenden Flüssigkeitemenge 80 zu Anfang so eingestellt wird« daß die erste und zweite Rohrlage 60 und 62 darunter liegen.As can also be seen in FIGS. 2 and 3, in the container 20 a certain amount of a liquid heating medium initiated, whereby the level of the resulting amount of liquid 80 is initially set so « that the first and second pipe layers 60 and 62 are below.
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Ein nicht gezeigtes Meßglas dient dazu, den Flüssigkeitsstand zu beobachten und einzustellen, was durch Zugabe von Flüssigkeit durch die Düse oder öffnung 70 oder durch Entnahme von Flüssigkeit aue dem Drain&geventil 72 erfolgt .A measuring glass (not shown) is used to measure the liquid level observe and adjust what by adding liquid through the nozzle or opening 70 or through Liquid is withdrawn from the drain valve 72 .
Gemäß den Schaltschema in Fig. 1 wird nach dem Einbringen ^ der bestimmten I1: enge an flüssigen Heizmedium in den Verdampfer 10 Brennstoff durch die leitung 44 dem Brenner zugeleitet und gezündet. Die Verbrennungsgas e> aus dem Brenner 40 durchströmen die Brennkammer 38 und gelangen über den Rauchschacht 42 ins Freie. Dadurch wird die Flüssigkeit 80 erhitzt und ein Teil davon verdampft. Die Dämpfe dee Heizmediume steigen in den obersten Bereich dee Behälters 20 und umströmen die obere Rohrlage 64» die darin angeordnet ist. Nunmehr wird das Belüftungsventil 74 geöffnet, um in dem Behälter 20 enthaltene Luft ins Freie ausströmen zu lassen. Daran anschließend wird das Belüftungsventil v/ieder geschlossen, so daß die Heizmediuindampfe in dem Behälter 20 verbleiben.According to the circuit diagram in FIG. 1, after the specific I 1 : close to liquid heating medium has been introduced into the evaporator 10, fuel is fed through the line 44 to the burner and ignited. The combustion gases e> from the burner 40 flow through the combustion chamber 38 and reach the outside via the smoke duct 42. As a result, the liquid 80 is heated and part of it is evaporated. The vapors of the heating medium rise into the uppermost area of the container 20 and flow around the upper pipe layer 64 which is arranged therein. The ventilation valve 74 is now opened in order to allow air contained in the container 20 to flow out into the open. The ventilation valve is then closed again so that the heating medium vapors remain in the container 20.
Jetzt v/ird ein Strom kryogener Flüssigkeit aus dem Speicherbehälter 12 durch die Pumpe 14 über die Leitung 16 und die Einlaßdüse 48 dee Verdampfers 10 in die Heizschlange 46 eingepumpt. Vor dem Durchströmen der Leitung 18 v/ird der kryogenen Flüssigkeit von dem flüeeigen Heizmedium und dem in dem Behälter enthaltenen Dampf Wärme übertragen, so daß sie verdampft und überhitzt wird.A stream of cryogenic liquid is now drawn from the storage container 12 by the pump 14 via the line 16 and the inlet nozzle 48 of the evaporator 10 into the heating coil 46 pumped in. Before flowing through the line 18, the cryogenic liquid is removed from the liquid heating medium and transfer heat to the steam contained in the container so that it is vaporized and superheated.
Ein Temperaturüberwachungegerät 82, beiepieisweise eine pneumatische oder elektrische Temperatursteuerung, tastetA temperature monitoring device 82, for example one pneumatic or electric temperature control, keys
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die Temperatur der verdampften und überhitzten Flüssigkeit, die die Leitung 18 durchströmt, ab. Das Temperaturüberwachungsgerät steht mit einem Brenngas-Regelventil 84 in der Leitung 44 in Verbindung und öffnet bzw. schließt dieses Ventil in dem Verhältnis» wie dies die Temperatur dee die Leitung 18 durchströmenden kryogenen Mediums erfordert, so daß dadurch das Volumen an dem Brenner 40 zugeführtem Brenngas erhöht oder erniedrigt wird. Das Temperaturüberwachunge- und Steuergerät 82 ist so eingestellt, daß der Strom des kryogenen Mediums in der Leitung 18 auf einer vorbestimmten erwünschten Temperatur gehalten wird.the temperature of the vaporized and superheated liquid, which flows through the line 18 from. The temperature monitoring device is in connection with a fuel gas control valve 84 in line 44 and opens or this valve closes in the same ratio as the temperature of the cryogenic flow through line 18 Medium requires, so that thereby the volume of fuel gas supplied to the burner 40 increases or decreases will. The temperature monitoring and control device 82 is adjusted so that the flow of cryogenic medium in line 18 is at a predetermined desired Temperature is maintained.
Wenn der Strom der kryogenen Flüssigkeit die Heizschlange 46 durchläuft, wird von der Heizmediummenge 80 durch die Wände der Heizrohre in den Rohrlagen 60 und 62 Wärme in die kryogene Flüssigkeit übertragen, wodurch diese erhitzt und zumindest teilweise verdampft wird. Der erhitzte und teilweiee verdampfte Strom gelangt dann in die dritte Heizrohrlage 64, Die Wärme aus dem diese dritte Lage 64 umgebenden Dampf wird ebenfalls durch die Wan-' de der Heizrohre in die kryogene Flüssigkeit, die jene durchströmt, eingeleitet und verdampft dabei den Best an Flüssigkeit und überhitzt das Medium auf die erwünschte Überhitzungstemperatur. Die von des Heizmediumdämpfen im obersten Bereich des Behälters 20 übertragene Wärmemenge verursacht die Kondensation dieser Dämpfe, so daß da* Kondensat auf Grund der Schwerkraftwirkung wieder in die Flüssigkeitsinenge 80 zurückläuft. Im Betriefe wird somit kontinuierlich ein Teil der flüssigen Heizaiedlumuenge 80 verdampft, an der Heizrohrlage 64 kondensiert und in die flüssige Heizmediummenge 80 wieder rückgeführt.When the flow of cryogenic liquid is the heating coil 46 passes through the heating medium quantity 80 through the walls of the heating pipes in the pipe layers 60 and 62 heat in the cryogenic liquid is transferred, causing it to be heated and is at least partially evaporated. The heated and partially vaporized stream then enters the third heating pipe layer 64, the heat from the steam surrounding this third layer 64 is also transmitted through the wall de of the heating pipes is introduced into the cryogenic liquid that flows through it and evaporates the best in the process Liquid and superheats the medium to the desired superheating temperature. The steam from the heating medium The amount of heat transferred in the uppermost region of the container 20 causes the condensation of these vapors, so that since * condensate runs back into the liquid sink 80 due to the effect of gravity. In the concern will thus continuously a part of the liquid Heizaiedlumuenge 80 evaporates, condenses on the heating pipe layer 64 and returned to the liquid heating medium quantity 80.
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Wenn ein Heizmedium in flüssiger oder gasförmiger Phase die Außenfläche von Heizrohren berührt, bildet eich ein Film dieses Mediums auf den Rohren. Dieser Film wirkt als Hindernis für den Wärmeübergang, so daß die Außenwandungen der Rohre in ihrer !Temperatur sich der lemperatur der in den Rohren enthaltenen Flüssigkeit annähern, anstelle die Temperatur des Heizmediums an der Außenseite P der Rohre anzunehmen. Wenn somit z.B. kryogene Flüssigkeiten in einer herkömmlichen Heizeinrichtung mit wasserhaltigen VerbrennungBgasen erhitzt werden, dann bildet sich an den Außenwandungen der Rohre ein Film aus, der verhindert, daß diese Außenwandungen über den Gefrierpunkt de· Eiees erwärmt werden. Als Ergebnis davon bildet sich tatsächlich EIb auf den Rohren«When a heating medium is in liquid or gaseous phase touches the outer surface of heating pipes, forms a picture Film this medium on the tubes. This film acts as an obstacle to heat transfer, so that the outer walls of the pipes in their! approximate the liquid contained in the pipes instead of the temperature of the heating medium on the outside Assume P of the pipes. So if e.g. cryogenic liquids are heated in a conventional heating device with hydrous combustion gases, then forms a film forms on the outer walls of the tubes, which prevents these outer walls from above freezing point de · Eiees are warmed up. As a result of this forms actually EIb on the pipes "
Die filmbildenden Eigenschaften zahlreicher Wärmeübertragungsmedien Bind in der einschlägigen Technik bekannt und als sogenannter Wärmeübergangskoeffiäent ermittelt und niedergelegt worden. Der Wärmeübergangskoeffizient . verändert sich im umgekehrten Verhältnis mit dem Wärmeübergangswiderstand eines bestimmten Werkstoffe·· Da· bedeutet, daß der Wärmeübergangswiderstand eines bestimmten Werkstoffes umso niedriger ist, je höher der Wärme-Ubergangskoeffizient dieses Werkstoffes ist. So haben z.B. Verbrennungagase eine Wärmeübergangszahl von angenähert 150 bis 200 kcal/h/m /^C bei den Temperaturen und den übrigen Bedingungen, die innerhalb einer Heizeinrichtung zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten vorliegen. Kondensierender Wasserdampf dagegen besitzt eine Wärmeübergangszahl von angenähert 5 000 bis 15 000 kcal/h/The film-forming properties of numerous heat transfer media Bind known in the relevant technology and determined as a so-called heat transfer coefficient and been laid down. The heat transfer coefficient. changes in inverse proportion to the heat transfer resistance of a certain material ·· Da · means that the heat transfer resistance of a certain The lower the material, the higher the heat transfer coefficient of this material is. For example, combustion gases have a heat transfer coefficient of approx 150 to 200 kcal / h / m / ^ C at temperatures and the other conditions that exist within a heater for vaporizing cryogenic liquids. Condensing water vapor, on the other hand, has a heat transfer coefficient of approximately 5,000 to 15,000 kcal / h /
/0C. Das bedeutet, daß kondensierender Dampf kein merk-/ 0 C. This means that condensing steam has no noticeable
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lichee Hindernis an den Außenwandungen von Heizrohren, in denen kryogene Flüssigkeiten strömen, bildet und daß diese Wandungen auf eine Temperatur erhitzt τ/erden können, die nahe der Dampftemperatur liegt, so daß eine Eisbildung vermieden wird. Vorzugsweise wird bei dem erfindungegenäßen Verfahren ein Heiziaedium eingesetzt, das beim Kondensieren einen Wärmeübergangskoeffizient über 2 500 kcal/h/m /C aufweist, so daß ein minimaler Wärmeübergangswiderstand durch das Heizmedium vorliegt.Lichee obstacle on the outer walls of heating pipes, in which cryogenic liquids flow, forms and that these walls can be heated to a temperature τ / earth which is close to the steam temperature, so that ice formation is avoided. Preferably, in the method, a erfindungegenäßen Heiziaedium is used which has a heat transfer coefficient of about 2500 kcal / h / m / C during condensation, so that a minimum heat transfer resistance is present by the heating medium.
Ein maximaler Wärmefluß und Wärmeübergang würde zwar dadurch erreicht v/erden, daß man die kryogene Flüssigkeit lediglich im Wärmeaustausch mit den Dampfen des Heizmediums führt. Erfindungsgeiuäß muß ;]edoch ein Teil der Heizschlange 46 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der flüssigen Heizmediummenge 80 liegen, um zu gewährleisten, daß nicht die gefürchtete Dampfschleier- oder Dampfschichtbildung auftritt. Bei dem erfindungegemäßen Verfahren wird die kryogene Flüssigkeit bis zu ihrem Siedepunkt erhitzt und mindestens teilweise bereits unterhalb dem Spiegel der flüssigen Heizmediummenge 80 verdampft. Lediglich der Teil der Heizschlange 46, in dem der verbleibende Anteil der kryogenen Flüssigkeit verdampft und der Dampfstrom überhitzt wird, ist allein den Heizmediumdämpfen ausgesetzt. Da das Heizmedium einen PiIm mit relativ hohem WärmeübergangswiderBtand an der Außenseite der darin eingetauchten Heizrohre bildet, ist der Wärmeübergang in die kryogene Flüssigkeit innerhalb der Rohre ausreichend niedrig, so daß eine lampfschichtbildung nicht auftritt. Nach Beendigung eines Teilee des oder deß ganzen VerdampfungevorgangesA maximum heat flow and heat transfer would indeed be achieved by grounding the cryogenic liquid only results in heat exchange with the vapors of the heating medium. According to the invention, but a part the heating coil 46 below the liquid level the amount of liquid heating medium 80 are to ensure that not the dreaded vapor curtain or Vapor layer formation occurs. In the case of the invention In the process, the cryogenic liquid is heated to its boiling point and at least partially below it the level of the liquid heating medium amount 80 evaporated. Only the part of the heating coil 46, in that the remaining portion of the cryogenic liquid evaporates and the vapor stream is superheated is alone exposed to the heating medium vapors. Since the heating medium is a PiIm with a relatively high heat transfer resistance forms on the outside of the heating tubes immersed in them, the heat transfer into the cryogenic liquid sufficiently low inside the tubes that a vapor layer does not form. After completion a part or the whole evaporation process
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bei den niedrigen Wännefluß wird der Strom der kryogenen Flüssigkeit den maximalen Wärmefluß unterworfen, der in dem oberen Dampfabschnitt auftritt.at the low heat flow the flow becomes the cryogenic Liquid is subjected to the maximum heat flux occurring in the upper vapor section.
Vie eich für den einschlägigen Fachmann ergibt, hängt die Grüße dee Abschnittes der Heizschlange 46, die in der flüssigen Heiziaediumnenge untergetaucht sein soll, von einer Reihe von Faktoren ab. Dazu zählt z.B. die jeweilige Art der kryogenen Flüssigkeit, die verdampft und überhitzt werden soll, die Ein- und Auslaßtenperatur und der Druck der kryogenen Flüssigkeit.What is the result of the relevant expert depends the greetings of the section of the heating coil 46, which is said to be submerged in the liquid heating medium, on a number of factors. This includes, for example, the type of cryogenic liquid that evaporates and to be superheated, the inlet and outlet temperatures and the pressure of the cryogenic liquid.
»renn nach Inbetriebnahme der Anlage eine Lampfschleierbildung auftritt, kann zusätzliche Flüssigkeit in den Behälter 20 eingeführt werden, so dal,- der Flüssigkeitsstand ateigt und ein !Teil der Heizrohre 52 in der Itührlage 64 von Flüssigkeit beaeckt wird, ladurch wird der Wärmefluß in die kryogene Flüssigkeit beim Verdampfen herabgesetzt und die Dampfschleierbildung wieder unterbunden. Bei Bedarf kann der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen lleizmediums bO auch bis zu dem Punkt abgesenkt werden, an dem eine Dampfschieierbildung auftritt, und von diesem aus wieder leicht angehoben werden, so daß man dadurch naxinale Wärmeflüsee ohne Dampfschleierbildung erhält.»After the system has been put into operation, a vapor curtain develops occurs, additional liquid can be introduced into the container 20, so that - the liquid level ateigt and a! part of the heating tubes 52 in the heating position 64 is exposed to liquid, thereby the flow of heat into the cryogenic liquid during evaporation reduced and the formation of vapor haze stopped again. If necessary, the liquid level of the liquid brining medium bO also lowered to the point at which vapor film formation occurs, and from this point can be raised again slightly, so that there are naxinal heat fluxes without the formation of a vapor curtain receives.
Vor der Anwendung des erfindungsgemäj;en Verfahrene ist der Linsatz von V/asser ale flüssiges Heizmedium zur Verdampfung und Überhitzung von kryogenen Flüssigkeiten deshalb vermieden worden, v/eil die Gefahr besteht, daß das Wasser gefriert, wenn die Ileizquelle ausfällt. Da die zuBefore using the method according to the invention The use of V / water ale liquid heating medium for the evaporation and overheating of cryogenic liquids been avoided because there is a risk that the water will freeze if the icing source fails. Because the too
2 0 9 8 3 3/0618 bad ORIQiNAt2 0 9 8 3 3/0618 bad ORIQiNAt
verdampfende und überhitzende kryogene Flüssigkeit in aen Verdampfer mit einer sehr niedrigen Temperatur eintritt, nimmt das flüssige Heizmedium sehr rasch die Temperatur der kryogenen Flüssigkeit an, wenn keine Wärme zugeführt wird. Verwendet man '//asser als Heizmedium, so bildet sich Eis, was zu einer erheblichen Beschädigung des Verdampfers 10 führen kann. Uni dieses Problem zu bewältigen, ist vorgesehen, das Wasser aus dem Behälter 20 zu entleeren, wenn dessen Temperatur unter einen bestimmten Yfert absinkt. Aus Pig. 1 ergibt sich, daß beispielsweise ein Temperatursteuergerät 90 an dem Behälter 20 vorgesehen werden kann, so daß die Temperatur der Flüssigkeit 80 im Behälter 20 kontinuierlich überwacht wird. Bas Temperatursteuergerät 90 steht mit einem Brenngas-üchließventil 92, das in der Brennstoffleitung 44 liegt, und einem Y/asserentleerungsventil 94 in Verbindung, das in einer Leitung 96 am Boden des Behälters 20 angeordnet ist. Das Temperatursteuergerät 90 wird auf eine Temperatur gerade überhalb des Gefrierpunktes des Heizmediums eingestellt, so daß der Verdampfer 10 automatisch abgeschaltet wird, wenn aus irgend einem Grund nicht kontinuierlich Wärme eingespeist wird. Das heißt, in diesem Fall schließt das Brenngae-Abschaltventil 92 und das flüssige Heizmedium wird aus dem Behälter 20 entleert, da das Steuerventil 94 geöffnet wird. Eine Beschädigung des Verdampfers 10 auf Grund einer Eisbildung und der Eisdehnung wird dadurch verhindert.evaporating and superheating cryogenic liquid in When the evaporator enters at a very low temperature, the liquid heating medium takes its temperature very quickly of the cryogenic liquid when no heat is applied will. If water is used as a heating medium, ice forms, which leads to considerable damage to the Evaporator 10 can lead. Uni to cope with this problem, it is provided to empty the water from the container 20 when its temperature is below a certain Yfert is sinking. From Pig. 1 it follows that, for example a temperature controller 90 can be provided on the container 20 so that the temperature of the liquid 80 in the container 20 is continuously monitored. Bas Temperature control unit 90 is equipped with a fuel gas shut-off valve 92, which is in the fuel line 44, and a drain valve 94 in connection, which is shown in a line 96 is arranged at the bottom of the container 20. The temperature controller 90 is set to a temperature set just above the freezing point of the heating medium, so that the evaporator 10 is automatically switched off if, for whatever reason, heat is not fed in continuously. That is, in this one Case closes the Brenngae shut-off valve 92 and the liquid heating medium is emptied from the container 20 as the control valve 94 is opened. Damage of the evaporator 10 due to ice formation and the ice expansion is prevented.
Zusätzlich zu der Uberwaohungsmaßnahme, das Wasser aus dem Behälter 20 zu entfernen, können die Schrauben 30 und 36, die die Deckelplatten 28 und 34 mit den Behälter-In addition to the surveillance measure, the water out To remove the container 20, the screws 30 and 36 that secure the cover plates 28 and 34 to the container
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enden verbinden, so ausgelegt werden, daß sie bei einer vorbestimmten .belastung brechen. Wenn dann die Heizmed4.umiuenge öü den Gefrierpunkt erreicht und eich in Richtung auf die Iieckelplatten 28 und 34 auszudehnen beginnt, dann können die Schrauben 30 und 36 brechen, wodurch sich die Deckelplatten 28 und 34 unter Vermeidung eines weiteren Schadens nach außen verschieben können.Connect ends, designed so that they break at a predetermined .load. If then the Heizmed4.umiuenge reached the freezing point and calibrated in the direction of the Iieckelplatten 28 and 34 to expand begins, then the screws 30 and 36 can break, whereby the cover plates 28 and 34 are avoided of further damage to the outside.
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