DE102007021565A1

DE102007021565A1 - Wärmetauscher mit optischer Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102007021565A1
Application number: DE102007021565A
Authority: DE
Inventors: Rainer FLÜGGEN; Manfred Schönberger; Jürgen Spreemann; Manfred Steinbauer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmetauscher. Die Temperatur wird entlang eines sich im Inneren des Wärmetauschers befindlichen Lichtwellenleiters über die Auswertung der optischen Signale des Lichtwellenleiters, beispielsweise mittels Ramanstreuung, bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmetauscher, welcher eine Mehrzahl von um ein Kernrohr gewickelten Rohren und einen Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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 mehrere Gruppen zusammengeführt und gebündelt aus dem Außenraum herausgeleitet. Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher wird in der Anmeldung WO2007/014617 bzw. WO2007/009640 beschrieben.
Bei einem derartigen Wärmetauscher wird die Temperatur nach dem bisherigen Stand der Technik mittels eines elektrischen Thermometers mit entsprechender Verkabelung gemessen. Einige wenige Temperaturfühler werden bei der Montage des Wärmetauschers an einigen wenigen ausgewählten Punkten an den Stegen zwischen den Rohren im Mantelraum montiert und entsprechend verkabelt. Diese Kabel werden zur Temperaturanalyse aus dem Wärmetauscher herausgeführt.
Diese Methode nach dem Stand der Technik zur Temperaturmessung in gewickelten Wärmetauschern weist einige Nachteile auf. Die elektrischen Temperaturfühler sind naturgemäß nur in der Lage, die Temperatur ihrer jeweiligen Umgebung zu erfassen. Daher kann bei einem gewickelten Wärmetauscher nach dem Stand der Technik nur eine Information über die Temperatur an wenigen ausgewählten Punkten, nämlich den Punkten im Mantelraum, die mit einem Temperaturfühler versehen wurden, gewonnen werden. Diese punktuellen Temperaturinformationen wirken sich besonders nachteilig beim Einsatz eines gewickelten Wärmetauschers in der Erdgasverflüssigung aus. Bei einer genauen Kenntnis des Verlaufes des Temperaturprofils der Erdgasfraktion während des Verflüssigungsprozesses im Wärmetauscher ließe sich die Verflüssigung selbst besser steuern und somit der Energieverbrauch im Wärmetauscher optimieren. Zusätzlich lassen sich die Temperaturfühler nur im Mantelraum montieren. Eine Einführung der Temperaturfühler und die entsprechenden Halterungen würden die Strömungsverhältnisse im Rohrraum grundlegend verändern.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derart auszugestalten, dass die Temperaturmessung an sehr vielen Punkten des Wärmetauschers ermöglicht und somit die Kenntnis des Temperaturprofils im Wärmetauscher erhöht wird.
Die vorliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass optische Signale mindestens eines, im Inneren des Wärmetauschers befindlichen, Lichtwellenleiters ausgewertet werden.
Die Auswertung der optische Signale eines Lichtwellenleiters im Wärmetauscher ermöglicht prinzipiell die Temperaturmessung an beliebig vielen Punkten des Lichtwellenleiters. Die in den Lichtwellenleiter eingesandten und zurückerhaltenen Signale sind stark temperaturabhängig und daher zur Temperaturmessung in der Umgebung des Lichtwellenleiters bestens geeignet. Zur Auswertung der optischen Signale des Lichtwellenleiters existieren mehrere Methoden, die es erlauben, die Temperatur an einem beliebigen Punkt des Lichtwellenleiters mit hoher Präzision zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Ramanstreuung entstehen. Lichtwellenleiter werden in der Regel aus dotiertem Quarzglas (amorphe Festkörperstruktur aus hauptsächlich Siliziumdioxid) gefertigt. In diesen amorphen Festkörperstrukturen werden über thermische Effekte Gitterschwingungen induziert. Diese Gitterschwingungen sind temperaturabhängig. Licht, welches auf die Moleküle im Lichtwellenleiter trifft, tritt in Wechselwirkung mit den Elektronen der Moleküle. Diese Wechselwirkung nennt man Ramanstreuung. Das zurückgestreute Licht lässt sich in drei spektrale Gruppen einteilen. Neben der Rayleigh-Streuung, welche der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes entspricht, existieren die so genannten Stokes- und die so genannten Anti-Stokes-Komponenten. Im Gegensatz zu den, zu höheren Wellenlängen verschobenen und temperaturunabhängigen, Stokes-Komponenten sind die zu kleineren Wellenlängen verschobenen Anti-Stokes-Komponenten temperaturabhängig. Das Intensitätsverhältnis zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Komponenten kann somit zur Temperaturmessung genutzt werden. Über eine Fouriertransformation dieser beiden rückgestreuten Komponenten im Vergleich mit der Fouriertransformation eines Referenzsignales erhält man die Intensitäten der beiden Komponenten über der Länge des Lichtwellenleiters. Somit kann über den Vergleich der beiden Intensitäten die Temperatur für jeden Punkt des Lichtwellenleiters ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Brillouin-Streuung des Lichtwellenleiters entstehen. In diesem Fall basiert die Temperaturmessung auf der ortsaufgelösten Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen der, in dem Lichtwellenleiter eingekoppelten, primären Lichtwelle und der, durch sie in Folge von Brillouin-Streuung, im Lichtwellenleiter induzierten und zurückgestreuten Welle, welche in ihrer Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur gegenüber der Primärwelle verringert ist. Bei gepulst eingestrahlter Primärwelle kann durch zeitaufgelöste Detektion des Signallichtes für verschiedene Frequenzdifferenzen unter Kenntnis der Pulslaufzeit die Frequenzverschiebung aufgrund der Temperaturveränderung ortsaufgelöst bestimmt werden. Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich durch die Auswertung der optischen Signale die Temperatur an jedem beliebigen Punkt des Lichtwellenleiters bestimmen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Streuung am Bragg-Gitter entstehen. Bragg-Gitter sind in den Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Bandfilter, welche in großer Zahl im Lichtwellenleiter platziert werden können. Die Mittenwellenzahl des Bandstopps ergibt sich dabei aus der Bragg-Bedingung. Die spektrale Breite des Bandstopps hängt neben der Gitterlänge und der Brechzahl von der Temperatur ab. Somit kann man bei gegebener und über den Lichtwellenleiter verschiedener Gitterlänge und Brechzahl die Temperatur an der jeweiligen Stelle des Bragg-Gitters über die Breite des Bandstopps bestimmen.
Vorteilhafterweise werden die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet, welche der Wicklung mindestens eines Rohres folgt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet, welcher der Windung mindestens einen Rohres im Rohrinnenraum folgt, und/oder die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet, welcher der Windung mindestens einen Rohres auf der Rohraußenseite folgt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, über die erwähnten Mechanismen den kompletten Temperaturverlauf der am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien zu bestimmen. Im Falle der Erdgasverflüssigung ließe sich so, sowohl der Temperaturverlauf des im Rohrinneren strömenden Erdgases als auch der Temperaturverlauf des im Mantelraum strömenden Kältefluids bestimmen.
Vorrichtungsseitig wird die vorliegende Aufgabe dahingehend gelöst, dass sich mindestens ein Lichtwellenleiter im Inneren des Wärmetauschers der eingangs erwähnten Art befindet. Durch die Positionierung eines Lichtwellenleiters im Inneren des Wärmetauschers lässt sich die Temperatur im Inneren des Wärmetauschers an beliebig vielen Punkten des Lichtwellenleiters bestimmen.
Zweckmäßigerweise befindet sich ein Lichtwellenleiter im Inneren mindestens eines gewickelten Rohres. Durch einen Lichtwellenleiter im Inneren eines gewickelten Rohres lässt sich der komplette Temperaturverlauf des in diesem Rohr strömenden Mediums bestimmen. Vorteilhafterweise befindet sich ein Lichtwellenleiter auf der Außenseite mindestens eines gewickelten Rohres. Durch einen Lichtwellenleiter auf der Außenseite eines gewickelten Rohres lässt sich der Temperaturverlauf des Mediums im Mantelraum bestimmen. Die Befestigung des Lichtwellenleiters kann dabei, beispielsweise mit Draht, an den Stegen erfolgen, an denen auch die Rohre befestigt sind.
Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung eines derartigen Wärmetauschers zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustausches zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom, bevorzugt Erdgas, und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid. Der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird dabei im indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher zur Erdgasverflüssigung oder Erdgasverdampfung eingesetzt.
Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere, die Temperatur im Inneren eines Wärmetauschers an beliebig vielen Punkten zu bestimmen. Durch die dabei gewonnene, genaue Kenntnis des Temperaturprofils im Inneren des Wärmetauschers lässt sich der Energieverbrauch minimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/014617 [0003]
- WO 2007/009640 [0003]

Claims

Verfahren zur Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmetauscher, welcher eine Mehrzahl von um ein Kernrohr gewickelten Rohren und einen Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass optische Signale mindestens eines, im Inneren des Wärmetauschers befindlichen, Lichtwellenleiters ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Ramanstreuung entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Brillouin-Streuung des Lichtwellenleiters entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Streuung am Bragg-Gitter entstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet werden, wobei der Lichtwellenleiter der Wicklung mindestens eines Rohres folgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet werden, welcher der Windung mindestens einen Rohres im Rohrinnenraum folgt, und/oder die optischen Signale von mindestens einem Lichtwellenleiter ausgewertet werden, welcher der Windung mindestens einen Rohres auf der Rohraußenseite im Mantelraum folgt.
Gewickelter Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von um ein Kernrohr gewickelten Rohren und einem Mantel, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Lichtwellenleiter im Inneren des Wärmetauschers befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Lichtwellenleiter im Inneren mindestens eines gewickelten Rohres befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Lichtwellenleiter auf der Außenseite mindestens eines gewickelten Rohres im Mantelraum befindet.
Anwendung des Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Durchführung eines indirekten Wärmeaustauschs zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigem Strom, bevorzugt Erdgas, und mindestens einem Wärme- oder Kältefluid.
Anwendung des Wärmetauschers gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenwasserstoffhaltige Strom bei dem indirekten Wärmeaustausch verflüssigt, abgekühlt, angewärmt und/oder verdampft wird.