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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bei
reduziertem Druck arbeitenden oder
vakuumkocherartigen Verdampfer und insbesondere auf einen Verdampfer
mit einem Vakuum-Kochbehälter und einem
Kondensorbehälter, die voneinander abgetrennt angeordnet sind
mit Mitteln zum Sammeln von nicht kondensierbaren
Gasen, damit sich die Wärmetauscherwirkung nicht
verschlechtert. Ein derartiger Verdampfer ist vor allem
bei der Umwandlung von Erdgas aus dem flüssigen
Zustand in den gasförmigen Zustand verwendbar.
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Verdampfer für verflüssigtes Erdgas (LNG) sind als
Verdampfer der Bauart mit offenem Gestell aufgebaut,
bei dem Meereswasser als Heizmittel mit einer
Anordnung von vertikalen Wärmeübertragungsrohren in
Kontakt gebracht wird, um sie auf die Temperatur
anzuheben, bei welcher LNG von der flüssigen Phase in die
gasförmige Phase übergeht. Ein anderer Typ eines
Verdampfers für LNG ist in Patent Abstract of JAPAN Vol
5, No. 62 (C-S2) (734), JP-S6-15801 beschrieben.
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Ein weiterer Typ eines Verdampfers verwendet einen
Brenner als Heizquelle. Ein Wärmetauscher ist in
einen Wasserbehälter eingetaucht. Der Brenner bildet
eine Wärmequelle mit Hochtemperaturverbrennung
unterhalb des Wärmetauschers. Als dazwischengeschaltetes
Heizmedium wird Wasser verwendet, um die Temperatur
des LNG anzuheben. LNG wird dann zu Erdgas (NG)
verdampft.
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Dieser Typ eines Verdampfers jedoch leidet oft an
einer fehlerhaften Funktion des Brenners oder der
Brenner versagt beim Entzünden des Brennstoffs, wenn
er im Wasserbehälter angeordnet ist. Der
Wärmetauscher ist so konstruiert, daß er an stürmisch
zirkulierendes Wasser angepaßt ist. Dies führt jedoch zu
Komplikationen und zu einem Anwachsen der
Produktionskosten. Ein weiteres Problem besteht darin, daß
zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der
Wasserbewegung ein großes Gebläse und ein großer Motor
erforderlich sind.
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Ein Vakuumkocher verwendet auch mittels eines
Brenners erzeugte Wärme (s.japanische
Patentveröffentlichung JP-51114505, japanische offengelegte
Patentveröffentlichung Nr. 245003/87 und japanische
Patentveröffentlichung JP-58205039).
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Ein typischer Vakuumkocher ist in Fig.3 dargestellt
und besitzt einen Vakuumbehälter 1, in dem Wasser 2
als Heizmedium enthalten ist, ein Brennerrohr 4, das
vom unteren Teil des Vakuumbehälters 1 ausgeht und
derart angepaßt ist, daß es Wärme von einem Brenner 3
auf das Wasser 2 überträgt, sowie ein
Wärmeübertragungsrohr 5, welches in den oberen Teil des
Vakuumbehälters 1 hineinragt. Das Wasser 2 wird unter Vakuum
gekocht und verdampft. Die Wärmeübertragung von
kondensiertem Dampf wird verwendet, um die Temperatur
des durch das Wärmetauscherrohr 5 strömenden Fluids
anzuheben. Der Vakuumkocher kann in verschiedener
Weise ausgebildet sein, beispielsweise als mit heißem
Wasser versorgter Boiler oder als Erhitzer.
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Wenn ein solcher Vakuumkocher zusammen mit einem
durch ein Fluid niedriger Temperatur oder LNG nicht
kondensierbaren Gas verwendet wird, hat dies eine
wesentliche Abnahme in der Brauchbarkeit des Kochers
zur Folge.
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Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist das
Wärmeübertragungsrohr 5 an die LNG-Zuführungsleitung 6
angeschlossen und der Vakuumkocher arbeitet als LNG-
Verdampfer. Nicht kondensierbare Gase können zu einer
Abnahme im Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zwischen
dem Dampf und dem LNG führen. Insbesondere, wenn ein
erheblicher Anteil von Gas auf der Oberfläche des
Wärmeübertragungsrohres 5 kondensiert ist, wird auf
seiner Oberfläche Eis Produziert, welches den
Wärmeübergang zwischen dem Dampf und dem LNG
verschlechtert. Das LNG kann nicht vollständig verdampft werden
und aus dem Verdampfer wird in nachteiliger Weise ein
Gemisch aus Gasen und einer Flüssigkeit niedriger
Temperatur abgegeben.
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Aus diesem Grunde ist eine Vakuumpumpe 7
erforderlich, um nicht kondensierbares Gas aus dem
vakuumkocherartigen Verdampfer abzuführen.
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Entsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen vakuumkocherartigen Verdampfer
zu schaffen, der mit einer Vakuumpumpe
zusammenarbeitet, um nicht kondensierbares Gas in wirksamer Weise
abzuführen und eine Bindung von nicht kondensierbarem
Gas an die Oberfläche eines Wärmetauscherrohres zu
verhindern, die ansonsten die Brauchbarkeit des
Verdampfers verhindern würde.
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Entsprechend sieht die Erfindung einen
vakuumkocherartigen Verdampfer vor mit einem abgedichteten
Vakuum-Kochbehälter, der einen unteren Abschnitt
aufweist, in dem Wasser enthalten ist, sowie einen
oberen Abschnitt, durch den eine Dampfkammer abgegrenzt
ist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß
abgetrennt vom Behälter ein abgedichteter
Vakuum-Kondensorbehälter vorhanden ist, in dem eine Anzahl
Wärmeübertragungsrohre angeordnet sind, durch welche
verflüssigtes Erdgas strömt, und daß Heizungsmittel zur
Beheizung des Vakuum-Kochbehälters vorhanden sind,
sowie eine Leitung zur Zuführung von Dampf von dem
besagten Kochbehälter zu dem besagten
Kondensorbehälter und eine Kondensatrückführungsleitung zur
Rückführung von Kondensat von dem besagten
Kondensorbehälter zu dem besagten Vakuum-Kochbehälter und ein
Sammelmittel zur Abführung von nicht kondensierbarem
Gas aus dem besagten Verdampfer und bei dem das
besagte Sammelmittel die Form eines Wärmetauschers
besitzt, der im Kondensatrückführungsleitungssystem
angeordnet und an das Auffangen von nicht
kondensierbarem Gas angepaßt ist.
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Um die Aufgabe entsprechend einem bevorzugten Aspekt
der Erfindung weiterzulösen, weist das Sammelmittel
der ersten Ausführungsform einen Aufhänger für nicht
kondensierbares Gas auf, der in dem besagten
Kondensorbehälter
angeordnet und an das Auffangen von nicht
kondensierbarem Gas angepaßt ist. Der Aufhänger für
nicht kondensierbares Gas besitzt eine Mehrzahl von
Wärmeübertragungsrohren, die aus den restlichen
Wärmeübertragungsrohren herausragen.
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Um die Aufgabe zu lösen, besitzen die Heizmittel
vorzugsweise einen Brenner.
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In dem vakuumkocherartigen Tieftemperatur- oder LNG-
Verdampfer der vorliegenden Erfindung sind der
Vakuumkochbehälter und der Kondensorbehälter voneinander
getrennt und durch einen Leitungsabschnitt miteinander
verbunden. Weiterhin erstreckt sich die
Kondensatrückführungsleitung zwischen dem Kondensorbehälter und dem
unteren Abschnitt des Kochbehälters, und ein weiterer
Wärmetauscher ist in der Kondensatrückführungsleitung
vorgesehen zum Auffangen von nicht kondensierbarem
Gas. Als Alternative können einige der
Wärmetauscherrohre aus dem Rest der Rohre herausragen. Aus der
Dampfleitung wird den Wärmetauscherrohren Dampf
zugeführt, und die herausragenden U-förmig gestalteten
Wärmetauscherrohre wirken in der Weise, daß sie im
Dampf enthaltenes nicht kondensierbares Gas auffangen.
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Bei dieser Anordnung wird nicht kondensierbares Gas
nicht länger auf den Wärmeübertragungsrohren
abgelagert. Der Wärmeaustausch kann somit so wirksam
gestaltet werden, wie er sein sollte, und die Wärme
kann ohne Verluste übertragen werden.
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Das in dem zusätzlichen Wärmetauscher des Sammlers
für nicht kondensierbares Gas abgelagerte Gas kann
zyklisch aus dem Verdampfer abgeführt werden. Während
jedes Zyklus kann die Mehrzahl der Wärmetauscherrohre
einen Wärmeaustausch bewirken, so daß der
Wärmeübergangskoeffizient aufrechterhalten und ein stabiler
Wärmetausch erreicht wird.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung
wird auf die nachfolgende Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen hingewiesen. In den
Zeichnungen zeigen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines
vakuumkocherartigen Verdampfers nach einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 eine schematische Darstellung eines
vakuumkocherartigen Verdampfers nach einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Figur 3 eine schematische Darstellung eines
üblichen Vakuumkochers.
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme
auf die Fig. 1 und 2 anhand eines Beispiels weiter
beschrieben. Fig. 1 und 2 zeigen jeweils den Aufbau
eines ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der
Erfindung. In Fig. 1 und 2 bezeichnen gleiche
Bezugsziffern gleiche Teile-und eine Serie von thermisch
leitenden Rohren oder Leitungen ist einfach als ein
Rohr oder ein Leitungsabschnitt dargestellt.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel wird im folgenden
anhand von Fig. 1 beschrieben.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, besitzt ein bei
reduziertem Druck arbeitender oder vakuumkocherartiger
Verdampfer einen Vakuum-Kochbehälter 10 und einen
Kondensorbehälter 20, der an den Kochbehälter 10
angeschlossen ist. Im Vakuum-Kochbehälter 10 ist Wasser 2
enthalten, das als Heizmedium dient. Um den Druck im
Kochbehälter auf einen vorgegebenen Pegel unterhalb
des Umgebungsdrucks abzusenken, wird aus dem Vakuum-
Kochbehälter 10 Luft abgepumpt, während ihm Wärme
zugeführt wird. Der Vakuum-Kochbehälter 10 ist
abgedichtet, wenn sein Druck unter dem Umgebungsdruck
abgesenkt ist. An die Kondensatrückführungsleitung 22
kann eine Vakuumpumpe 7 angeschlossen sein.
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Ein Brennerrohrabschnitt 12 erstreckt sich vom
unteren Abschnitt des Vakuum-Kochbehälters 10 derart, daß
von einem Brennerabschnitt 11 Wärme auf das im
unteren Abschnitt des Vakuum-Kochbehälters 10 enthaltene
Wasser übertragen wird. Der Brennerrohrabschnitt 12
besitzt eine übliche Konstruktion und kann
beispielsweise von der Bauart sein, bei der das
Verbrennungsgas im Gegenstrom geführt wird. Der Abschnitt 12 kann
aus einer Anordnung von mehreren Wasserrohren
bestehen, die in Schlangenlinien im Durchflußweg der
Verbrennungsgase angeordnet sein können.
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Ein Brennstoffsystem besitzt ein
Brennstoffsteuerventil, das mittels eines Thermometers geöffnet und
geschlossen wird, welches im oberen Abschnitt oder in
der Dampfkammer des Kochbehälters angeordnet ist. Ein
Luftsteuerventil ist ebenfalls vorgesehen, um den
Luftstrom zu steuern. Das Brennstoffsteuerventil und
das Luftsteuerventil arbeiten zusammen, um die
Betriebsbedingungen des Brennerabschnitts 11
einzustellen. Im Abschnitt 11 können eine Mehrzahl von
Brennern abgeordnet sein.
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Der Kondensorbehälter 20 ist vom Vakuum-Kochbehälter
abgetrennt und mit dem oberen Abschnitt oder der
Dampfkammer des Vakuum-Kochbehälters 10 durch einen
Dampf leitungsabschnitt 21 verbunden, der aus einer
Anordnung von Dampfrohren bestehen kann. Der untere
Abschnitt des Kondensorbehälters 20 ist mit dem
unteren Abschnitt des Vakuum-Kochbehälters 10 über ein
Kondensatrückführungsleitungssystem 22 verbunden.
Somit wird der Druck im Kondensorbehälter 20 ebenso wie
im Vakuum-Kochbehälter 10 auf einem Pegel unterhalb
des Umgebungsdrucks gehalten. Der Kondensorbehälter
20 besitzt außerdem einen
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24, durch welchen das zu erwärmende LNG
strömt.
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Der Rohrabschnitt 24 ist aus einer Mehrzahl von
schlangenförmigen oder U-förmigen Rohren identischer
Größe, die parallel zueinander angeordnet sind,
zusammengesetzt. Der Wärmeübergangsrohrabschnitt 24 ist
an die LNG-Zuführungsleitung 6 über ein Steuerventil
angeschlossen. Das LNG im Rohrabschnitt 24 wird durch
Dampferwärmt, der in den Kondensorbehälter 20 über
den Leitungsabschnitt 21 eingeleitet wird und wird zu
Erdgas (NG) verdampft.
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Das Kondensatrückführungsleitungssystem 21 besitzt
einen Sammler für nicht kondensierbares Gas in Form
eines Wärmetauschers 23, um den Wärmetausch zwischen
Dampf und einem Kühlmittel zu bewirken.
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Mit dieser Anordnung wird Wärme vom Brennerabschnitt
11 auf den Brennerrohrabschnitt 12 übertragen zum
Kochen von Wasser bei einem Druck unterhalb des
Umgebungsdrucks. Das Wasser wird dann verdampft und der
so erzeugte Dampf wird durch den
Dampfleitungsabschnitt 21 in den Kondensorbehälter 20 eingeleitet.
Bei der Kondensation des Dampfes wird die auftretende
Wärme auf den Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24
übertragen zum Anheben der Temperatur des LNG in der
flüssigen Phase. Der Wärmeaustausch hat zur Folge,
daß der Dampf kondensiert wird. Das Kondensat oder
Wasser wird durch das
Kondensatrückführungsleitungssytem 22 zum Vakuum-Kochbehälter 10 zurückgeführt.
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Der Sammler für nicht kondensierbares Gas oder der
Wärmetauscher 23 ist in der
Kondensatrückführungsleitung 22 angeordnet, um das nicht kondensierbare Gas
aufzufangen. Somit wird verhindert, daß im Laufe des
Wärmeaustauschs nicht kondensierbares Gas im Dampf
auf den Wärmetauscherrohrabschnitt 24 abgelagert
wird.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind
der Vakuum-Kochbehälter 10 und der Kondensorbehälter
20 voneinander abgetrennt und über den
Dampfleitungsabschnitt 21 miteinander verbunden. Die
Kondensatrückführungsleitung 22 erstreckt sich zwischen dem
Vakuum-Kochbehälter 10 und dem Kondensorbehälter 20
und ist mit dem Sammler für nicht kondensierbares Gas
oder Wärmetauscher 23 versehen. Das nicht
kondensierbare Gas kann in dem Sammler 23 für nicht
kondensierbares Gas aufgefangen werden, um die Ablagerung von
nicht kondensierbaren Gas auf dem
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24 zu vermeiden. Somit kann der
Wärmeaustausch so wirksam ausgestaltet werden, wie er sein
sollte, um den Wärmeübergang zwischen dem Dampf und
dem LNG in den Rohren sicherzustellen.
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Das nicht kondensierbare Gas kann zyklisch aus dem
Wärmetauscher 23 abgeführt werden, während an den
Wärmeübertragungsrohren der Wärmeaustausch
stattfindet. Dies führt zu einem stabilen Wärmeaustausch.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die der
Ausführungsform nach Fig. 1 sehr ähnlich ist, wird
nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, besitzt ein
vakuumkocherartiger Verdampfer allgemein einen Vakuumbehälter 10
und einen Kondensorbehälter 20, der mit dem Vakuum-
Kochbehälter 10 verbunden ist. Im Vakuum-Kochbehälter
10 ist Wasser enthalten, das als Heizmittel dient. Um
den Druck im Kochbehälter auf einen vorgegebenen
Pegel unterhalb des Umgebungsdrucks abzusenken, wird
Luft aus dem Kochbehälter 10 abgeführt, während
diesem Wärme zugeführt wird. Der Kochbehälter 10 ist
abgedichtet, wenn sein Druck auf einen Wert unterhalb
des Umgebungsdrucks abgesenkt ist. Als Alternative
kann eine Vakuumpumpe 7 mit dem Kochbehälter 10
verbunden sein.
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Vom unteren Abschnitt des Kochbehälters 10 geht ein
Brennerrohrabschnitt 12 aus zur Übertragung von Wärme
vom Brennerabschnitt 11 auf das im unteren Abschnitt
des Kochbehälters 10 enthaltene Wasser. Der
Brennerrohrabschnitt 12 besitzt eine übliche Konstruktion
und kann von der Bauart sein, bei welcher das
Verbrennungsgas im Gegenstrom geführt ist.
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Ein Brennstoffsystem besitzt ein
Brennstoffsteuerventil, das mittels eines im oberen Abschnitt oder der
Dampfkammer des Kochbehälters angeordneten
Thermometers geöffnet und geschlossen wird. Damit werden die
Verbrennungsbedingungen im Brennerabschnitt 11
eingestellt.
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Der Kondensorbehälter 20 ist vom Vakuum-Kochbehälter
10 abgetrennt und mit dem oberen Abschnitt oder der
Dampfkammer des Kochbehälters 10 über einen
Dampfleitungsabschnitt 21 verbunden. Der untere Abschnitt
eines Sammlers 23 für nicht kondensierbares Gas ist
mit dem unteren Abschnitt des Vakuum-Kochbehälters 10
über eine Kondensatrückführungsleitung 22 verbunden.
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Somit wird der Druck des Sammlers 23 für nicht
kondensierbares Gas ebenso wie der Druck im
Vakuum-Kochbehälter 10 auf einen Pegel unterhalb des
Umgebungsdrucks gehalten. Der Kondensorbehälter 20 besitzt
außerdem einen Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24,
durch welchen das zu erwärmende LNG strömt.
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Der Abschnitt 24 ist aus einer Mehrzahl von U-förmig
ausgebildeten Rohren identischer Größe
zusammengesetzt, die parallel zueinander angeordnet sind. Der
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24 ist über ein
Steuerventil an die LNG-Zuführungsleitung 6
angeschlossen. Das LNG in den Rohren des Abschnitts 24
wird durch den in den Kondensorbehälter 20
eingeführten Dampferwärmt und dann zu Erdgas (NG) verdampft.
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Die Wärmeübertragungsleitungen 24 besitzen die Form
von U-förmig gestalteten Rohren identischer Größe,
die parallel zueinander angeordnet sind. Aber in dem
Beispiel nach Fig. 2 sind einige der Rohre 24 länger
als die anderen Rohre oder ragen über diese hinaus
zur Bildung von Sammelrohren 31 für nicht
kondensierbares Gas. Die Sammelrohre 31 für nicht
kondensierbares Gas können beispielsweise in konstanten Abständen
angeordnet sein.
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Der Sammler 23 für nicht kondensierbares Gas ist mit
einer getrennten Kammer verbunden, die im
Kondensorbehälter 20 abgegrenzt ist, zur Aufnahme der
Sammelrohre 31 für nicht kondensierbares Gas.
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Mit dieser Anordnung wird Wärme vom Brennerabschnitt
11 auf den Brennerrohrabschnitt 12 übertragen zum
Kochen von Wasser bei einem Druck unterhalb des
Umgebungsdrucks. Das Wasser wird dann verdampft, und der
so erzeugte Dampf wird durch die Dampfleitung 21 in
den Kondensorbehälter 20 eingeleitet. Die bei der
Dampfkondensation gebildete Wärme wird auf den
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24 übertragen zur Erhöhung
der Temperatur des LNG in der flüssigen Phase. Der
Warmeaustausch hat zur Folge, daß der Dampf
kondensiert wird. Das Kondensat oder Wasser wird durch den
Sammler 23 für nicht kondensierbares Gas hindurch und
über den Kondensatrückführungsrohrabschnitt 22 in den
Kochbehälter 10 zurückgeführt.
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Während Dampf durch die Dampfleitung 21 derart
zugeführt wird, daß er in Kontakt mit dem
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24 gerät, kann in dem Dampf
enthaltenes nicht kondensierbares Gas von den
Sainmelrohren 21 für nicht kondensierbares Gas aufgefangen
werden, die aus den restlichen Wärmeübertragungsrohren
24 herausragen. Dies verhindert die Ablagerung von
solchem nicht kondensierbarem Gas auf dem
Wärmeübertragungsrohrabschnitt 24.
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Entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung
sind der Vakuum-Kochbehälter 10 und der
Kondensorbehälter 20 voneinander abgetrennt und über den
Dampfleitungsabschnitt 21 miteinander verbunden.
Weiterhin ragt ein Teil 31 des
Wärmeübertragungsrohrabschnitts 24 im Kondensorbehälter 20 aus den restlichen
Wärmeübertragungsrohren heraus. Durch diese Anordnung
wird, wenn durch die Dampfleitung Dampf zugeführt
wird, nicht kondensierbares Gas im Dampf an den
herausragenden U-förmig ausgebildeten Rohren des
Abschnitts 31 aufgefangen. Die restlichen
Warmeübertragungsrohre 24 sind frei von nicht kondensierbarem
Gas. Der Wärmeaustausch kann somit so wirksam
ausgestaltet werden, wie er sein sollte, um den
Wärmeübergang zwischen dem Dampf und dem LNG sicherzustellen.
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Das nicht kondensierbare Gas kann zyklisch aus dem
Wärmetauscher abgeführt werden, während der
Wärmeaustausch an den Wärmeübertragungsrohren stattfindet.
Dies führt zu einem stabilen und wirksamen
Wärmeaustausch.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind
folgende:
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Bei der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung sind
der Vakuum-Kochbehälter und der Kondensorbehälter
voneinander abgetrennt. Der Dampfleitungsabschnitt 21
dient zur Zuführung von Dampf vom Kochbehälter 10 zum
Kondensorbehälter 20. Ebenso dient die
Kondensatrückführungsleitung 22 zur Rückführung von Kondensat vom
Kondensorbehälter 20 zum Vakuum-Kochbehälter 10.
Zusätzlich sind Mittel (23, 31) zur Abführung von nicht
kondensierbarem Gas aus dem Kondensorbehälter
vorgesehen. Dies führt zu einem wesentlichen Absinken des
Anteils an nicht kondensierbarem Gas, der sich
ansonsten auf den Rohren des Kondensorbehälters
ablagern könnte. Die Wärmeübertragungsrohre sind
dadurch frei von Eis und ermöglichen einen effektiven
Wärmeaustausch. Die Temperatur des Gases am Ausgang
der Rohre wird konstant.