Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere auf einen Wärmetauscher, der instationär mit Druck beaufschlagt wer- den kann. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Kondensieren und zum Verdampfen eines Strömungsmittels in einem Wärmetauscher.

In der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Wärmetauschern für eine Vielzahl von Medien bzw. Stoffen bekannt, wobei Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom übertragen wird. Üblicherweise weist ein Wärmetauscher einen Wärmetauschermantel auf, welcher einen Innenraum umschließt, der in wenigstens zwei Teilbereiche aufgeteilt ist. Ein Teilbereich des Innenraums wird von einem ersten Strömungsmittel durchflössen, während der andere Teilbereich von dem zweiten Strömungsmittel durchflössen wird. Die Medien sind durch einen oder mehrere Trennwände getrennt, die vorteilhafterweise eine gute Wärmeleitung und eine große Oberfläche aufweisen. Eine weit verbreitete Bauformen ist ein Rohrbündelwärmetauscher, bei dem das erste Strömungsmittel durch mehrere Rohre, d.h. ein Rohrbündel, geleitet wird, die innerhalb des Wärmetauschermantels angeordnet sind. Das zweite Strömungsmittel befindet sich im Inneren des Wärmetauschermantels und umgibt das Rohrbündel. Eine weitere weit verbreitete Bauart ist ein Platten- Wärmetauscher. Zahlreiche parallele Platten mit leichter Wölbung bilden aneinander angrenzende Räume für die Aufnahme der ersten und zweiten Medien. Die Räume sind flach und grenzen abwechselnd aneinander. Die Räume zwischen den parallelen Platten werden abwechselnd vom ersten und vom zweiten Strömungsmittel durchflössen. Die unterschiedlichen Medien können beispielsweise beide gasförmig sein, beide flüssig sein oder ein Strömungsmittel kann gasförmig und das andere Strömungsmittel flüssig sein. Wärmetauscher können in einem stationären oder in einem instationären Betrieb eingesetzt werden. Bei einem stationären Betrieb fließen das erste und das zweite Strömungsmittel kontinuierlich durch den Wärmetauscher. In einem dynamischen bzw. instationären Prozess wird der Wärmetauscher konti- nuierlich von einem Strömungsmittel durchströmt, während das andere Strömungsmittel nur phasenweise in den Wärmetauscher eingebracht wird. Beispielsweise wird ein erstes kaltes Strömungsmittel phasenweise in den Wärmetauscher eingebracht, welcher andauernd von einem zweiten warmen Strömungsmittel durchströmt wird, welches Wärme abgibt. Wenn das erste Strömungsmittel phasenweise in den Wärmetauscher eingegeben wird, so wird es phasenweise erwärmt oder verdampft; und zwar abhängig vom Temperaturniveau und vom Druck. Alternativ kann der Wärmetauscher kontinuierlich von einem ersten kalten Strömungsmittel durchströmt werden, während ein zweites warmes Strömungsmittel nur phasenweise in den Wärmetauscher eingebracht wird. Das zweite Strömungsmittel wird dann abhängig von der Temperatur und vom Druck der beiden Medien gekühlt und/oder kondensiert.

Wärmetauscher des Standes der Technik finden zumeist in stationären Prozessen Anwendung. Bei einem stationären Prozess wird ein Wärmetauscher konstant von beiden Medien durchströmt, d.h. sowohl von einem Wärme abgebenden Strömungsmittel als auch von einem Wärme aufnehmenden Strömungsmittel. Wärmetauscher für instationäre Prozesse sind weniger weit verbreitet. Zumeist sind Wärmetauscher, die für einen stationären Prozess ausgelegt sind, nicht geeignet, stark schwankenden Druckbelastungen innerhalb des Wärmetauschers zu widerstehen.

Weiterhin kann es beim Einleiten eines ersten Strömungsmittels in einen vorgeheizten Wärmetauscher zu Verdampfungen des eingeleiteten ersten Strömungsmittels kommen. Dabei können sich Dampfbarrieren zwischen dem eingeleiteten ersten Strömungsmittel und den aufgeheizten Trennwänden bilden, beispielsweise an der Außen- oder Innenflächen der Rohre in einem Rohrbündelwärmetauscher. Die Dampfbarrieren können bei starker Dampf- entwicklung eine rasche Wärmeübertragung verhindern und auch das weitere Einbringen des eingeleiteten ersten Strömungsmittels verhindern.

Der Zustandsänderungen eines Strömungsmittels können auf unterschiedli- che Art stattfinden, wie beispielsweise isentrop, adiabatisch, isotherm oder isochor. In manchen Einsatzgebieten ist eine spezielle Zustandsänderung erwünscht, wie zum Beispiel ein isothermer Phasenwechsel. Mit herkömmlichen Wärmetauschern kann nicht immer die gewünschte Art der Zustandsänderung erreicht werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher vorzusehen, der in einem instationären Prozess einen schnellen Wechsel des Aggregatzustandes des eingeleiteten ersten Strömungsmittels ermöglicht. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.

Einerseits wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmetauscher mit einem Wärmetauschermantel, der einen Innenraum zur Aufnahme eines ersten Strö- mungsmittels umschließt, und mit einer Vielzahl von Strömungsmitteldichten Durchlässen für ein zweites Strömungsmittel, welche durch den Innenraum des Wärmetauschermantels verlaufen, wobei der Wärmetauschermantel einen Flüssigkeitsaufnahmebereich zur Aufnahme von flüssigem ersten Strömungsmittel und einen Gasaufnahmebereich zur Aufnahme von gasförmigem ersten Strömungsmittel aufweist. Der Querschnitt des Wärmetauschermantels verjüngt sich vom Flüssigkeitsaufnahmebereich zum Gasaufnahmebereich, so dass der Flüssigkeitsaufnahmebereich ein größeres Volumen hat als der Gasaufnahmebereich. So kann ein Verdampfer geschaffen werden, der in einem instationären Prozess einen schnellen Wechsel des Aggregatzustan- des des eingeleiteten ersten Strömungsmittels von flüssig nach gasförmig ermöglicht. Andererseits wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmetauscher mit einem Wärmetauschermantel, der einen Innenraum zur Aufnahme eines ersten Strömungsmittels umschließt, und mit einer Vielzahl von strömungsmitteldich- ten Durchlässen für ein zweites Strömungsmittel, welche durch den Innen- räum des Wärmetauschermantels verlaufen, wobei der Wärmetauschermantel einen Flüssigkeitsaufnahmebereich zur Aufnahme von flüssigem ersten Strömungsmittel und einen Gasaufnahmebereich zur Aufnahme von gasförmigem ersten Strömungsmittel aufweist. Der Querschnitt des Wärmetauschermantels verjüngt sich vom Gasaufnahmebereich zum Flüssigkeitsauf- nahmebereich, so dass der Gasaufnahmebereich ein größeres Volumen hat als der Flüssigkeitsaufnahmebereich. So kann ein Verflüssiger geschaffen werden, der in einem instationären Prozess einen schnellen Wechsel des Aggregatzustandes des eingeleiteten ersten Strömungsmittels von gasförmig nach flüssig ermöglicht.

Der Flüssigkeitsaufnahmebereich ist beim Betrieb des Wärmetauschers in Richtung der Schwerkraft vorzugsweise unter dem Gasaufnahmebereich gelegen, so dass der flüssige Anteil des ersten Strömungsmittels je nach Ausführung des Wärmetauschers als Verdampfer oder als Verflüssiger entweder schneller verdampft werden kann oder besser gesammelt werden kann.

Der Querschnitt des Wärmetauschermantels kann sich linear, kurvenförmig oder stufenförmig verjüngen. So wird eine kompakte Bauform des Wärmetauschers möglich, die sich an die umliegenden Bauteile anpassen kann.

Vorteilhafterweise weist der Wärmetauschermantel Strömungsmitteldichte Durchlässe für das zweite Strömungsmittel auf. Die Durchlässe können wahlweise zur Isolierung, zum Beheizen oder zum Kühlen des Wärmetauschermantels dienen.

Eine Ausführung des Wärmetauschers weist einen ersten Einlass zum Einleiten des ersten Strömungsmittels auf, welcher im Bereich des Gasaufnahmebereiches in den Innenraum mündet. Je nach Ausführung des Wärmetau- schers als Verdampfer oder als Verflüssiger kann entweder flüssiges Strömungsmittel schneller verdampft werden, oder gasförmiges Strömungsmittel kann besser kondensiert werden. Bei einem Wärmetauscher in der Ausführung zum Kondensieren kann in vorteilhafter Weise ein erster Auslass zum Ausleiten des ersten Strömungsmittels vorgesehen sein, welcher im Bereich des Flüssigkeitsaufnahmebereichs in den Innenraum mündet. So kann flüssiges erstes Strömungsmittel leicht abgeleitet werden.

Bei einem Wärmetauscher in der Ausführung zum Verdampfen kann in vorteilhafter Weise ein erster Auslass zum Ausleiten des ersten Strömungsmittels aufweist, welcher im Bereich des Gasaufnahmebereichs in den Innenraum mündet. So kann gasförmiges erstes Strömungsmittel leicht abgeleitet werden.

Vorzugsweise weist der Wärmetauschermantel wenigstens einen ersten Mantelteil (Kopfteil) auf, der einen zweiten Einlass oder einen zweiten Auslass für das zweite Strömungsmittel aufweist, und einen zweiten Mantelteif (Mittelteil), in dem die Durchlässe derart angeordnet sind, dass sie sich zum ersten Mantelteil hin öffnen. So kann der Wärmetauscher leicht repariert und montiert werden.

Bei der Ausführung des Wärmetauschers mit ersten und zweiten Mantelteilen sind der erste und der zweite Mantelteil vorzugsweise an einer Schnittstelle mittels eines Flansches verbunden ¹ . Der Flansch bildet dabei eine Strebe zur Stabilisierung des Wärmetauschermantels gegen eine Verformung durch Druckdifferenzen zwischen dem Innenraum und der Umgebung des Wärmetauschers. So wird Material und Bauraum eingespart, weil keine oder kleinere zusätzliche Verstärkungsstreben vorgesehen werden müssen.

Bei einer weiteren Ausführung des Wärmetauschers mit ersten und zweiten Mantelteilen weist der Wärmetauschermantel eine Vielzahl der zweiten Man- telteilen auf, die seriell durch Flansche miteinander verbunden sind. So wird eine modulare Bauweise möglich. Beispielsweise können Wärmetauscher mit unterschiedlicher Kapazität aus nur zwei unterschiedlichen Mantelteilen zusammengebaut werden, nämlich aus zwei ersten Mantelteilen als Kopfteile und aus einer wählbaren Anzahl von zweiten Mantelteilen als Mittelteile. Weiterhin können die ersten Mantelteilen als Kopfteile für sowohl die Bauart als Verdampfer als auch für die Bauart als Kondensator verwendet werden.

Bei einer Ausführung des Wärmetauschers umgibt ein Stützmantel den Wär- metauschermantel. Dadurch wird die Druckfestigkeit des Wärmetauschers erhöht.

Bei einer Ausführung des Wärmetauschers, die als Verdampfer eingesetzt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn ein Verteilerrohr mit dem Einlass zum Einleiten des ersten Strömungsmittels verbunden ist. Das Verteilerrohr ist geeignet, eingeleitetes erstes Strömungsmittel über den Innenraum zu verteilen. So wird das erste Strömungsmittel über eine große Wärmeaustauschfläche des Innenraums verteilt, und ein schneller Phasenwechsel, also eine schnelle Verdampfung, wird erreicht.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 14.

Bei einer Ausführung ist das Verfahren zum Verdampfen eines ersten Strö- mungsmittels in einem Wärmetauscher mit einem Flüssigkeitsaufnahmebereich und einem Gasaufnahmebereich vorgesehen. Dabei hat der Flüssigkeitsaufnahmebereich ein größeres Volumen als der Gasaufnahmebereich, und das Verfahren weist folgende Schritte auf: Beheizen des Wärmetauschers durch ein zweites Strömungsmittel; Einleiten von flüssigem ersten Strömungsmittel in den Flüssigkeitsaufnahmebereich; Verdampfen des ersten Strömungsmittels im Flüssigkeitsaufnahmebereich; und Sammeln des verdampften ersten Strömungsmittels im Gasaufnahmebereich. So wird in einem instationären Prozess ein schneller Wechsel des Aggregatzustandes des eingeleiteten ersten Strömungsmittels von flüssig nach gasförmig ermöglicht.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens zum Verdampfen eines ersten Strömungsmittels fließt das flüssige erste Strömungsmittel beim Einleiten zeitweise durch den Gasaufnahmebereich, und ein erster Anteil des ersten Strömungsmittels wird beim Durchlaufen durch den Gasaufnahmebereich verdampft. So wird die Verdampfung beschleunigt und die Bildung von

Dampfblasen führt nicht zu Beeinträchtigungen.

Bei einer weiteren Ausführung ist das Verfahren zum Kondensieren eines ersten Strömungsmittels in einem Wärmetauscher mit einem Flüssigkeitsaufnahmebereich und einem Gasaufnahmebereich vorgesehen. Der Gasaufnahmebereich hat dabei ein größeres Volumen als der Flüssigkeitsaufnah- mebereich, und das Verfahren weist folgende Schritte auf: Kühlen des Wärmetauschers durch ein zweites Strömungsmittel; Einleiten von gasförmigem ersten Strömungsmittel in den Gasaufnahmebereich; Kondensieren des gasförmigen ersten Strömungsmittels im Gasaufnahmebereich; und Sammeln des kondensierten ersten Strömungsmittels im Flüssigkeitsaufnahmebereich. So wird in einem instationären Prozess ein schneller Wechsel des Aggregatzustandes des eingeleiteten ersten Strömungsmittels von gasförmig nach flüssig ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt eine Frontansicht einer Ausführung eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschers aus der Richtung der Pfeils II in Fig. 1 gesehen; Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschers entlang der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschers entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschers entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 1 ;

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 3, einer weiteren Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7a zeigt eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 3, wobei der Wärmetauscher von einem Stützmantel umgeben ist; und

Fig. 7b zeigt eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 5, wobei der in Fig. 7a gezeigte Stützmantel in einem bezüglich Fig. 7a um 90° gedrehten Schnitt zu sehen ist.

Bei den hier beschriebenen Wärmetauschern wird unter anderem der Effekt genutzt, dass ein flüssiges Medium oder Strömungsmittel der Schwerkraft folgend nach unten läuft. Die Wärmetauscher sind in den Figuren so dargestellt, dass die Schwerkraft von oben nach unten gerichtet ist. In der folgen- den Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen. Wenn im Folgenden also von den Richtungen "oben" und "unten" gesprochen wird, sind diese Richtungen in den Zeichnungen und bezüglich der Erdoberfläche gemeint. Die Ausdrücke "links", "rechts", "vorne" "hinten" und ähnliche Ausdrücke sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen.

Fig. 1 - 5 zeigen einen Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie am besten in Fig. 5 zu sehen, weist der Wärmetauscher 1 einen Wärmetauschmantel 5 auf, der einen Innenraum 6 des Wärmetauschers 1 umschließt. Der Wärmetauschermantel 5 weist ein rechtes und ein linkes Kopfstück 7 sowie einen Mittelteil 8 auf, der zwischen den ersten und zweiten Kopfstücken 7 angeordnet ist. Der Innenraum 6 des Wärmetauschers 1 ist in zwei Unterräume aufgeteilt, nämlich einen ersten Unterraum 9 für ein erstes Strömungsmittel und einen zweiten Unterraum 11 für ein zweites Strömungsmittel. Die beiden Unterräu- me 9, 11 sind durch Trennwände 13 getrennt, welche parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verlaufen und am besten in Fig. 5 zu sehen sind. Zwischen den Trennwänden 13 verläuft eine Vielzahl von Rohren 15. Die Rohre 15 können jeden beliebigen Querschnitt aufweisen, sind jedoch vorzugsweise rund. Der erste Unterraum 9 wird durch die ersten und zweiten Kopfstücke 7, die Trennwände 13 und die Innenflächen der Rohre 15 begrenzt. Der zweite Unterraum 11 des Innenraums 6 wird durch den Mittelteil 8, die Trennwände 13 und die Außenflächen der Rohre 15 begrenzt. Der zweite Unterraum 11 wird also vom ersten Unterraum 9 durch die Rohre 15 und die Trennwände 13 abgegrenzt.

Die beiden Kopfteile 7 weisen jeweils einen Flansch 17 auf, der zum Mittelteil 8 hin orientiert ist. Der Mittelteil 8 weist zwei Flansche 18 auf, die jeweils zu den Flanschen 17 der beiden Kopfteile 7 hin orientiert sind. Die Flansche 17 und die Flansche 18 sind durch eine Vielzahl von Schrauben 20 aneinander dichtend befestigt. Zwischen den Flanschen 17 und 18 sind nicht gezeigte Dichtungen angeordnet. Die Flansche 17, 18 verlaufen um den gesamten Wärmetauschermantel 5 herum. Im zusammen geschraubten Zustand der Flansche 17, 18 ergibt sich so eine Strebe umlaufend um den Wärmetauschermantel 5, welche dem Wärmetauschermantel 5 Stabilität gegen Druck- unterschiede zwischen dem Innenraum 6 und der Umgebung verleiht.

Die Kopfstücke 7 weisen jeweils einen Kopfstückanschluss 24 auf, an dem ein Kopfstückflansch 25 definiert ist, um eine in den Figuren nicht näher gezeigte Zu- oder Ableitung zu befestigen. Der Kopfstückanschluss 24 mündet in den ersten Unterraum 9. Der Mittelteil 8 weist zwei Mittelteilanschlüsse 28 auf, an denen jeweils einen Mittelteilflansch 29 definiert sind. Die Mittelteilanschlüsse 28 münden in den zweiten Unterraum 11. Durch die Mittelteilanschlüsse 28 wird im Betrieb ein erstes Strömungsmittel in den Unterraum 11 ₁ des Wärmetauschers 1 eingeleitet. Durch die Kopfstückanschlüsse 24 wird ein zweites Strömungsmittel in den Unterraum 9 des Wärmetauschers eingeleitet. Mit Hilfe der Flansche 25 und 29 können nicht näher gezeigte Leitungen zum Einleiten bzw. Ausleiten der ersten und zweiten Strömungsmittel an den Wärmetauscher 1 angeschlossen werden. Es ist vorteilhaft, wenn der Mittel- teilanschluss 28 zum Einleiten des flüssigen ersten Strömungsmittels möglichst weit oben liegt, so dass das eingeleitete erste Strömungsmittel über möglichst viele Rohre 15 fließt. Der Mittelteilanschluss 28 zum Ableiten des dampfförmigen ersten Strömüngsmittels kann an irgendeiner Stelle oberhalb des höchsten Flüssigkeitsniveaus im Betrieb in den Unterraum 1 1 münden.

Wie am besten in den Figuren 1 , 3, 4 und 5 zu sehen, weist der Wärmetauschermantel 5 einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Der Wärmetauschermantel 5 weist einen Basisteil 34 auf, welcher sich in den Figuren nach oben zu einem Spitzenteil 35 hin verjüngt. Im eingebauten und betriebsbereiten Zustand des Wärmetauschers 1 ist der Basisteil 34 im Wesentlichen, d.h. mit einer Abweichung von ± 15 Grad, parallel zum Erdboden ausgerichtet. Obwohl die gezeigte im Wesentlichen dreieckige Querschnittsform bevorzug wird, könnte jedoch ebenfalls eine sich kurvenförmig oder stufenförmig verjüngende Querschnittsform eingesetzt werden. Wichtig ist, dass der Wärmetauscher 1 im unteren Bereich des Basisteils 34 eine große Querschnittsfläche aufweist und im Bereich des Spitzenteils 35 eine abnehmende Querschnittsfläche aufweist. Der untere Bereich bildet im Betrieb einen Flüssigkeitsaufnahmebereich 36, und der obere Bereich mit ab- nehmender Querschnittsfläche beim Spitzenteil 35 bildet im Betrieb einen Gasaufnahmebereich 37. Die Mittelteilanschlüsse 28 münden im Bereich des Spitzenteils 35, d.h. im Gasaufnahmebereich 37, in den zweiten Unterraum 11. In den Fig. ist zur Unterscheidung zwischen dem Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 und dem Gasaufnahmebereich 37 eine gestrichelte Trennlinie A-A eingezeichnet. Die Trennlinie A-A könnte beispielsweise einen Höchststand der Flüssigkeit im Betrieb darstellen. Der Wärmetauschermantel 5 weist weiter Strömungsmittelkanäle 38 auf, welche zum Isolieren, zum Beheizen oder zum Kühlen des Wärmetauschermantels 5 dienen können. Die Strömungsmittelkanäle 38 verlaufen zumindest in Teilen des Wärmetauschermantels 5 parallel. Es ist nicht notwendig, dass der gesamte Wärmetauschermantel 5 die Strömungsmittelkanäle 38 aufweist.

Die Strömungsmittelkanäle 38 sind bei einer Ausführungsform nicht von dem ersten oder zweiten Strömungsmittel durchströmt und sind gegenüber der Umgebung des Wärmetauschers 1 und gegenüber dem Innenraum 6 abge- schlössen. Dabei können die Strömungsmittelkanäle 38 mit einem Gas gefüllt sein, oder evakuiert sein, um eine Isolierung gegenüber der Umgebung des Wärmetauschers 1 zu bewirken.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Strömungsmittelkanäle 38 mit dem ersten Unterraum 9 verbunden. Im Betrieb werden dadurch der Unterraum 9 und die Strömungsmittelkanäle 38 mit dem zweiten Strömungsmittel gefüllt. Abhängig davon, ob das zweite Strömungsmittel ein kaltes oder ein warmes Strömungsmittel ist, wird der Wärmetauschermantel 5 im Bereich der Strömungsmittelkanäle 38 gekühlt oder beheizt.

Es wird weiter eine in den Figuren nicht gezeigte Ausführungsform in Betracht gezogen, bei der der Wärmetauscher 1 eine Vielzahl von Mittelteilen 8 aufweist. Die Mittelteile 8 sind durch die Flansche 18 in Reihe miteinander verbunden und bauen somit einen längeren Wärmetauscher 1 auf. In einem sol- chen Fall sind beispielsweise zwei Mittelteile 8 jeweils über ihren einen Flansch 18 miteinander verbunden. An den jeweiligen freien Flanschen 18 der beiden Mittelteile 8 wird jeweils zum Abschluss ein Flansch 17 eines Kopfteils 7 befestigt. Somit fließt ein in das erste Kopfteil 7 eingeleitetes zweites Strömungsmittel zuerst durch das erste Kopfteil 7, dann durch die Rohre 15 der Mittelteile 8 und schließlich in das zweite Kopfteil 7.

Im Folgenden. wird der Betrieb des Wärmetauschers 1 genauer mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschrieben. Für diese Beschreibung wird angenommen, dass das erste Strömungsmittel ein kaltes Strömungsmittel ist und das zweite Strömungsmittel ein warmes Strömungsmittel. Es wird ein Fall beschrieben, bei dem das erste Strömungsmittel im Wärmetauscher 1 verdampft werden soll. Die Energie zur Verdampfung wird durch das zweite Strömungsmittel zugeführt.

Das zweite Strömungsmittel wird kontinuierlich durch den Kopfteilanschluss 24 des in Fig. 5 links gezeigten Kopfteils 7 eingeleitet. Das zweite Strömungsmittel verteilt sich über den Innenraum des Kopfteils 7 und fließt durch die Rohre 15 des Mittelteils 8. Im Fall von mehreren hintereinander angeordneten Mittelteilen 8 fließt das zweite Strömungsmittel nacheinander durch die Rohre 15 aller hintereinander angeordneter Mittelteile 8. Beim Durchfließen der Rohre 15 heizt das zweite Strömungsmittel die Rohre 15 auf. Nach dem Austreten aus den Rohren 15 auf der rechten Seite der Fig. 5 tritt das erste Strömungsmittel in den Innenraum des rechts liegenden Kopfteils 7 ein und tritt schließlich aus dem Kopfteilanschluss 24 des rechten Kopfteils 7 aus. In einem Fall, in dem die Strömungsmittelkanäle 38 in der Wärmetauscherwand 5 vorgesehen sind, durchfließt das erste Strömungsmittel auch die .Strömungsmittelkanäle 38 und beheizt die Wärmetauscherwand 5. Das Einleiten und Ausleiten des zweiten Strömungsmittels erfolgt in diesem Fall also kontinuierlich bzw. stationär.

Das erste Strömungsmittel, welches ein im Verhältnis zum zweiten Strömungsmittel kaltes Strömungsmittel ist, wird phasenweise bzw. instationär durch einen der Mittelteilanschlüsse 28 eingeleitet. Die eingeleitete Portion des ersten Strömungsmittels ist im Vergleich zu dem Volumen des zweiten Unterraums 1 relativ klein und liegt beispielsweise bei 20 % des Volumens des zweiten Unterraums 11 oder darunter. Während des Einleitens des ersten Strömungsmittels fließt das erste Strömungsmittel über die Rohre 15 des Mit- telteils 8 nach unten zum Basisteil 34.

Das erste Strömungsmittel wird durch einen der Mittelteilanschlüsse 28 in den Gasaufnahmebereich 37 am Oberteil des Wärmetauschers 1 eingebracht. Dabei nimmt das erste Strömungsmittel zunächst eine hohe Leistung (Wärmeenergie) von den oben in der Nähe des Spitzenteils 36 angeordneten Rohren 15 auf. Ein Teil der eingebrachten Portion von erstem Strömungsmittel verdampft schon an der Oberfläche der beheizten Rohre 15 im Gasaufnah- mebereich 37. Jedoch fließt durch Schwerkraft ein weiterer Teil des ersten Strömungsmittels im flüssigen Zustand nach unten in Richtung des Basisteils 34, d.h. zum Flüssigkeitsaufnahmebereich 36. Auf dem Weg nach unten fließt das erste Strömungsmittel über eine Vielzahl der kontinuierlich beheizten Rohre 15 und nimmt dabei Wärme auf. Die Rohre 15 und das hindurch gelei- tete zweite Strömungsmittel bilden eine große warme Masse, die während des Verdampfens des ersten Strömungsmittels eine im Wesentlichen konstante Temperatur aufweist. Im allgemeinen wird sich der entstehende Dampf im Unterraum 11 des Mittelteils 8 verteilen, und der Dampfdruck wird sich erhöhen, bis der Dampf bei der Temperatur des ersten Strömungsmittels gesät- tigt ist.

Wie oben erwähnt, können Dampfbarrieren den Betrieb von Rohrbündelwärmetauschern nachteilig beeinflussen. Während der Verdampfung des ersten Strömungsmittels können sich auch hier lokale Dampfbarrieren ergeben, die das Vorbeilaufen von flüssigem ersten Strömungsmittel behindern. Solche Dampfbarrieren können jedoch bei der hier beschriebenen Ausführung nie das weitere Einströmen und Verdampfen von flüssigem zweiten Strömungsmittel verhindern. Der Teil des zweiten Strömungsmittels, der nicht gleich an den oben oder mittig angeordneten Rohren 15 verdampft ist, wird sich im Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 des Wärmetauschers 1 sammeln. Im Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 ist eine Vielzahl von Rohren 15 angeordnet, die von einem großen Anteil des zweiten Strömungsmittels durchflössen werden und somit eine große Wärmekapazität zur Verfügung stellen. So kann das noch nicht verdampfte erste Strömungsmittel schnell verdampft werden. Das flüssige erste Strömungsmittel im Unterraum 11 ist schwerer als das gasförmige erste Strömungsmittel und wird sich daher durch Einwirkung der Schwerkraft im unten liegenden Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 sammeln. Der Dampf sammelt sich im darüberliegenden Gasaufnahmebereich 37. Der entstehende Dampf des ersten Strömungsmittels kann über den anderen Mittelteilanschluss 28, beispielsweise den rechten Mittelteilanschluss 28 (Fig. 4), abgeleitet werden. Sobald ein Teil des Dampfes abgeleitet wird, sinkt der Dampfdruck innerhalb des Bereichs 11 , und ein eventuell vorhandener flüssiger Anteil des ersten Strömungsmittels im unteren Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 des Wärmetauschers 1 wird kontinuierlich weiter verdampft. Sollte der flüssige Anteil des ersten Strömüngsmittels vollständig verdampft sein, sind sowohl der Flüssigkeitsaufnahmebereich 36 als auch der Gasaufnahme- bereich 37 mit Dampf gefüllt, und es erfolgt eine weitere Beheizung des im Unterraum 11 enthaltenen Dampfes.

Es sei zusammenfassend erwähnt, dass die hier vorgestellte Ausführung des Wärmetauschers 1 insbesondere bei der Dampferzeugung Vorteile bietet. Das erste Strömungsmittel, das durch den einen Mittelteilanschluss 28 eingeleitet wird, läuft durch die Schwerkraft über eine Vielzahl der Rohre 5 und sammelt sich schließlich im Basisteil 34 bzw. Flüssigkeitsaufnahmebereich 36, der mehr Querschnittsfläche und somit mehr warme Rohre 15 hat als der obere Teil des Wärmetauschermantels 5. Gleichzeitig ist das vom verdampf- ten ersten Strömungsmittel eingenommene Volumen (Gasaufnahmebereich 37) klein, wodurch ein schneller Druckaufbau ermöglicht wird. Bei einem zylinderförmigen Aufbau des Wärmetauschermantels 5 wäre dagegen die Anzahl der Rohre, die an einem unteren Basisteil des Wärmetauschers untergebracht werden könnte, gering.

Folgend wird mit Bezug auf Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers V beschrieben, welches Vorteile bei der Kondensation eines gasförmigen ersten Strömungsmittels bietet. Der Aufbau des Wärmetauschers 1" der Fig. 6 ist im Wesentlichen gleich wie der Aufbau des Wärmetauschers 1 der Figuren 1 - 5. Daher weisen ähnliche oder entsprechende Merkmale die gleichen Bezugszeichen auf, die in Fig. 6 mit einem ' versehen sind. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede des Wärmetauschers 1' bezüglich des Wärmetauschers 1 beschrieben. Es sei bemerkt, dass Abwandlun- _Λ _

15 gen, die für den Wärmetauscher 1 beschreiben wurden, auch beim Wärmetauscher 1' angewendet werden können, z.B. die Strömungsmittelkanäle 38 und die Modulbauweise mit mehreren oder anders bemessenen Mittelteilen 8. Der Wärmetauscher V wird in umgekehrter Anordnung relativ zur Schwerkraft bzw. zur Erdoberfläche betrieben. Das heißt, der Spitzenteil 35' befindet sich in Schwerkraftrichtung unten, während der Basisteil 34' sich in Schwerkraftrichtung oben befindet. Im eingebauten und betriebsbereiten Zustand des Wärmetauschers 1 ' ist der Basisteil 34' im Wesentlichen, d.h. mit einer Ab- weichung von ± 15 Grad, parallel zum Erdboden ausgerichtet. Obwohl die gezeigte dreieckige Querschnittsform bevorzug wird, könnte jedoch ebenfalls eine sich kurvenförmig oder stufenförmig verjüngende Querschnittsform eingesetzt werden. Das kleine Volumen im unteren Bereich bildet im Betrieb einen Flüssigkeitsaufnahmebereich 36', und das große Volumen im des Sp/i- zenteils 35' bildet im Betrieb einen Gasaufnahmebereich 37". Wichtig ist, dass der Wärmetauscher 1 ' im oberen Bereich des Basisteils 34 ein großes Volumen aufweist und im Bereich des Spitzenteils 35 ein vergleichsweise geringeres Volumen aufweist. Das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmebereichs 36' ist kleiner als das Volumen des Gasaufnahmebereichs 37', da der Querschnitt des Wärmetauschermantels 5' sich nach unten verjüngt. Auch bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung befindet sich der Flüssigkeitsaufnahmebereich 36' in Schwerkraftrichtung unter dem Gasaufnahmebereich 37'.

Die Kopfteile 7' sind genauso ausgeführt, wie oben für das Ausführungsbei- spiel der Fig. 1 - 5 beschrieben, sie sind jedoch bezüglich der Schwerkraftrichtung umgekehrt eingebaut.

Der Mittelteil 8' weist bei der Ausführung der Fig. 6 ebenfalls zwei Mittelteilanschlüsse 28' auf, die in den zweiten Unterraum 1 1 münden. Der erste Mittel- teilanschluss 28 -1 mündet im Bereich des Basisteils 34, d.h. im Gasaufnahmebereich 37', in den zweiten Unterraum 1 1 . Der erste Mittelteilanschluss 28 -1 kann auch an einer weiter unten liegenden Stelle in den zweiten Unterraum 1 1 geführt werden, sofern sichergestellt ist, dass nicht im Betrieb flüssi- 1 b ges erstes Strömungsmittel in die Mündungsöffnung fließt. Der zweite Mittel- teilanschluss 28 -2 zum Ableiten von flüssigem ersten Strömungsmittel mündet im Bereich des Spitzenteils 35', d.h. im Flüssigkeitsaufnahmebereich 36', in den zweiten Unterraum 11.

Im folgenden wird der Betrieb des in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben. Das durch die Kopfteile 7' eingeleitete zweite Strömungsmittel ist ein im vergleichsweise zum ersten Strömungsmittel kaltes Strömungsmittel. Das kalte zweite Strömungsmittel wird in diesem Fall in der gleichen Wei- se, wie oben für das warme Strömungsmittel beschrieben, in den Kopfteilan- schluss des einen Kopfteils 7' eingeleitet, durch die Rohre 15' von einem (oder mehreren in Reihe angeordneten) Mittelteilen 8' hindurchgeleitet und aus dem Kopfteilanschluss 24' des gegenüber liegenden Kopfteils 7' herausgeleitet. Auf diese Weise wird der Wärmetauscher 1' kontinuierlich bzw. stati- onär durch das zweite Strömungsmittel gekühlt.

Im Betrieb wird weiter gasförmiges erstes Strömungsmittel in den Mittelteilan- schluss 28'-1 phasenweise oder kontinuierlich eingeleitet. Der Dampf des ersten Strömungsmittels ist heiß und sammelt sich im oben gelegenen Basisteil 34' des Wärmetauschers 1 , d.h. im Gasaufnahmebereich 37'. Dort verteilt sich der Dampf und umströmt eine Vielzahl an Rohren 15', da der Basisteil 34' einen vergleichsweise größeren Querschnitt und somit Volumenanteil mit mehr Rohren 15' aufweist, als der Spitzenteil 35'. Der Dampf wird durch die kühlen Rohre 15' abgekühlt, und es bildet sich kondensiertes flüssiges erstes Strömungsmittel. Dieses flüssige erste Strömungsmittel läuft durch die Schwerkraft nach unten zum Spitzenteil 35' des Wärmetauschers 1'. Dort sammelt sich das flüssige erste Strömungsmittel (Kondensat) in der Nähe des unteren Mittelteilanschlusses 28'-2. Das flüssige erste Strömungsmittel kann dann über den unteren Mittelteilanschluss 28'-2 abgeleitet werden.

Mit Bezug auf die Fig. 7a und 7b werden Merkmale beschrieben, die bei allen zuvor beschriebenen Ausführungen des Wärmetauschers .1 , 1' eingesetzt ₁ werden können. Die Merkmale bieten insbesondere bei Verwendung des Wärmetauschers 1 , 1' als Verdampfer Vorteile.

Wie am besten in Fig. 7a zu sehen, umgibt ein Stützmantel 42 den Wärme- tauschermantel 5. Der Stützmantel 42 weist eine Stützkonstruktion 43 und einen Stützgürtel 44 auf. Die Stützkonstruktion 43 ist zwischen dem Stützgürtel 44 und der Außenwand des Wärmetauschermantels 5 angeordnet und dazu passend geformt. Bei der in den Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführung hat der Stützgürtel 44 die Form eines Rohrs, in dessen Innendurchmesser der Wärmetauschermantel 5 angeordnet werden kann. Der Innendurchmesser des Stützgürtels 44 ist also zumindest so groß, wie der Umkreis des Wärmetauschermantels 5. Die Stützkonstruktion 43 hat außen einen rohrförmigen Querschnitt und innen einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt entsprechend der dreieckigen Außenform des Wärmetauschermantels 5. Die Stützkonstruktion 43 ist steif ausgeführt und ist geeignet, eine von innen auf den Wärmetauschermantel 5 wirkende Kraft auf den Stützgürtels 44 zu übertragen. Beispielsweise kann die Stützkonstruktion 43 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder aus Metallstreben hergestellt sein. Bei der in Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführung weist die Stützkonstruktion 43 mehrere hohle Zwischenräume 46 in drei Teilbereichen 47 zwischen den Spitzen des dreieckigen Wärmetauschermantels 5 auf. Das Vorsehen der Zwischenräume 46 hat Materialersparnis und Gewichtsersparnis zur Folge. Weiterhin kann eine thermische Isolierung des Wärmetauschermantels 5 erreicht werden. Wie weiter in den Fig. 7a und 7b gezeigt, ist ein Verteilerrohr 50 mit dem Mit- telteilanschluss 28 zum Einleiten des ersten Strömungsmittels verbunden. Das Verteilerrohr 50 weist mehrere Durchlässe 51 auf, durch welche das eingeleitete erste Strömungsmittel ausfließen kann. Das Verteilerrohr 50 verläuft parallel zu den Rohren 15 und ist geeignet, um eingeleitetes erstes Strö- mungsmittel über den Innenraum 6 zu verteilen.

Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der Ausführungsbeispiele möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Er- findungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise können die Kopfstückanschlüsse 24, 24" und die Mittelteilanschlüsse 28, 28'-1 und 28 -2 an anderen Stellen angeordnet werden, falls dies für eine kompakte oder kostengünstige Gestaltung der Wärmetauscher 1 , 1' vorteilhaft ist. Bei der Anordnung der Kopfstückanschlüsse 24, 24' gibt es keine Einschränkung, sie sollten jedoch so angeordnet werden, dass dem kontinuierlich durchströmenden zweite Strömungsmittel ein möglichst geringer Strömungswiderstand entgegenwirkt.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind.