Beschreibung

Gewickelter Wärmetauscher und Verfahren

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmetauscher und ein Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium mit Hilfe eines derartigen gewickelten Wärmetauschers.

Als Flüssigerdgas (Engl.: Liquefied Natural Gas, LNG) wird durch Abkühlung auf -161 °C bis -164 °C verflüssigtes aufbereitetes Erdgas bezeichnet. Flüssigerdgas weist nur einen Bruchteil des Volumens von gasförmigem Erdgas auf. Besonders zu Transport- und Lagerungszwecken hat Flüssigerdgas daher große Vorteile. Das Flüssigerdgas kann als Flüssigkeit in geeigneten Transportbehältern auf der Straße, der Schiene oder auf dem Wasser transportiert werden.

Zur Verflüssigung des Erdgases können gemäß betriebsinternen Erkenntnissen sogenannte Coil Wound Heat Exchanger (CWHE) oder gewickelte Wärmetauscher eingesetzt werden. Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher umfasst einen Mantel sowie ein in dem Mantel aufgenommenes Rohrbündel, durch welches das zu verflüssigende Erdgas geleitet wird. Das Rohrbündel wird beispielsweise mit Hilfe eines so genannten Ringkanalverteilers mit einer flüssigen Phase eines zweiphasigen Kältemittels beregnet.

Ein derartiger Ringkanalverteiler umfasst einen innenseitig um den Mantel umlaufenden Ringkanal und sich radial aus dem Ringkanal heraus erstreckende Verteiler, welche die flüssige Phase gleichmäßig auf das Rohrbündel verteilen. Zwischen den Verteilern werden Rohre, sogenannte Zöpfe, des Rohrbündels an dem Ringkanalverteiler vorbei nach oben zu einem Rohrboden geführt. Je höher der Ringkanal ist, desto weiter ist der Rohrboden von dem Rohrbündel beabstandet und desto länger müssen die zu dem Rohrboden geführten Rohre sein. Dies kann die Fertigung des gewickelten Wärmetauschers erschweren. Dies gilt es zu verbessern.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten gewickelten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. 2

Demgemäß wird ein gewickelter Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium vorgeschlagen. Der gewickelte Wärmetauscher umfasst einen Mantel, ein innerhalb des Mantels angeordnetes Rohrbündel, das von dem Medium durchströmbar ist, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal zum Trennen einer flüssigen Phase des Kältemittels von einer gasförmigen Phase des Kältemittels, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel, um die Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium auszutauschen, und einen Verbindungskanal, der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal herstellt, um die flüssige Phase aus dem ersten Ringkanal in den zweiten Ringkanal zu leiten, wobei der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal entlang einer Symmetrieachse des Mantels betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind.

Dadurch, dass ein erster Ringkanal und ein von dem ersten Ringkanal getrennter zweiter Ringkanal vorgesehen ist, ist es möglich, den ersten Ringkanal und den zweiten Ringkanal unterschiedlich breit auszuführen. Dies erleichtert zum einen die Fertigung und kann zum anderen zu einer Reduktion eines Aufstaus der flüssigen Phase in den Ringkanälen führen. Es kann ferner mit Hilfe des ersten Ringkanals eine Vortrennung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase des Kältemittels erzielt werden.

Der gewickelte Wärmetauscher ist insbesondere ein sogenannter Coil Wound Heat Exchanger (CWHE). Der gewickelte Wärmetauscher ist bevorzugt zum Verflüssigen von Erdgas geeignet. Das heißt, dass das Medium Erdgas sein kann. Der gewickelte Wärmetauscher kann jedoch auch zur Verflüssigung von beliebigen anderen Medien als Erdgas eingesetzt werden. Das Rohrbündel ist insbesondere mehrlagig auf ein mittig in dem Mantel angeordnetes Kernrohr aufgewickelt. Der Mantel umfasst vorzugsweise einen hohlzylinderförmigen Basisabschnitt, der rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut sein kann, einen den Basisabschnitt nach oben hin abschließenden Deckelabschnitt sowie einen den Basisabschnitt nach unten hin abschließenden Bodenabschnitt. Die Symmetrieachse kann auch als Mittelachse bezeichnet werden. Der Mantel ist insbesondere fluiddicht. 3

Das Rohrbündel umfasst eine Rohrseite und eine Mantelseite. Unter der "Rohrseite" ist vorliegend ein von Rohren des Rohrbündels umschlossener Innenraum zu verstehen, durch welchen das zu verflüssigende Medium geleitet wird. Das Medium wird somit in die Rohre des Rohrbündels eingespeist. Darunter, dass das Medium in das Rohrbündel "eingespeist" wird, ist insbesondere zu verstehen, dass das Medium in die Rohre des Rohrbündels eingeleitet wird. Rohrseitig können mehrere unterschiedliche Fraktionen oder Rohrströme durch das Rohrbündel strömen. Eine der Fraktionen kann das Medium sein. Eine andere der Fraktionen kann ein Teil des Kältemittels sein. Weitere Fraktionen können beispielsweise andere Kältemittel, Prozessmedien oder dergleichen umfassen.

Das heißt, auch das Kältemittel kann in das Rohrbündel eingespeist und rohrseitig durch das Rohrbündel geleitet werden. Es ist jedoch kein direkter Kontakt und damit auch keine Vermischung der Fraktionen in dem Rohrbündel möglich. Das Rohrbündel weist somit Rohre auf, die nur von dem Medium durchströmt werden. Weitere Rohre werden nur von dem Kältemittel durchströmt. Ferner können auch weitere Rohre vorgesehen sein, die von weiteren Fraktionen durchströmt werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Rohre können unterschiedliche Schichten des Rohrbündels bilden. Unter "mantelseitig" ist vorliegend ein Bereich außerhalb der Rohre des Rohrbündels zu verstehen. Mantelseitig strömt das Kältemittel durch das Rohrbündel hindurch.

Durch das Rohrbündel führt eine Vielzahl von Spalten oder Passagen, durch welche das Kältemittel hindurchgeleitet wird, um Wärme aus dem Rohrbündel, insbesondere aus dem Medium, zu entziehen. Bei dem Austausch der Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium wird dem Medium vorzugsweise Wärme entzogen, die das Kältemittel aufnimmt. Dabei kann das Kältemittel zumindest teilweise verdampfen. Das Kältemittel kann auch vollständig verdampfen. Nach dem mantelseitigen Umströmen oder Durchströmen des Rohrbündels kann das vollständig oder teilweise verdampfte Kältemittel aus dem Mantel abgezogen werden.

Das Kältemittel kann beispielsweise Ethan sein. Es kann jedoch auch jedes andere beliebige Kältemittel eingesetzt werden. Ein Kältemittel ist geeignet, Enthalpie von einem Kühlgut, vorliegend dem Medium, zu einer Umgebung zu transportieren. Der Unterschied zu einem Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel diesen Wärmetransport in einem Kältekreis entlang einem Temperaturgradienten durchführen kann, so dass 4 unter Aufwendung von zugeführter Energie die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Mediums, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlkreis die Enthalpie entgegen dem Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren. Durch das Entziehen von Wärme aus dem Medium wird dieses verflüssigt. Für den Fall, dass das Medium Erdgas ist, kann das verflüssigte Medium oder Erdgas als Liquified Natural Gas (LNG) bezeichnet werden.

Der erste Ringkanal kann auch als oberer Ringkanal bezeichnet werden, da dieser bezüglich einer Schwerkraftrichtung oberhalb des zweiten Ringkanals angeordnet ist. Demgemäß kann der zweite Ringkanal als unterer Ringkanal bezeichnet werden. Dass der erste Ringkanal um den Mantel "umläuft", bedeutet vorliegend, dass der erste Ringkanal vorzugsweise vollständig um die Symmetrieachse umläuft und so eine ringförmige Geometrie bildet. Dabei kann der erste Ringkanal durchgehend sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der erste Ringkanal in mehrere voneinander getrennte Ringsegmente unterteilt ist. Entsprechendes gilt für den zweiten Ringkanal. Der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal sind zwei voneinander getrennte Bauteile, die entlang der Symmetrieachse betrachtet mit einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind.

Der Verbindungskanal kann ein Rohr, ein Schacht, ein Schlauch oder dergleichen sein. Mit Hilfe des Verbindungskanals wird das flüssige Medium von dem ersten Ringkanal in den zweiten Ringkanal geleitet. Der Verbindungskanal ist ein Fallrohr oder kann als Fallrohr bezeichnet werden. Es kann eine beliebige Anzahl von Verbindungskanälen vorgesehen sein. Der Verbindungskanal kann einen kreisrunden oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.

Der zweite Ringkanal ist geeignet, die flüssige Phase des Kältemittels gleichmäßig auf das Rohrbündel zu verteilen. Hierzu kann der zweite Ringkanal später noch zu erläuternde Verteiler umfassen. Diese Verteiler sind insbesondere Teil des zweiten

Ringkanals. Ferner kann der zweite Ringkanal auch selbst Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen aufweisen, die eine gleichmäßige Beregnung des Rohrbündels mit der flüssigen Phase des Kältemittels ermöglichen. Der zweite Ringkanal kann auch als Ringkanalverteiler bezeichnet werden. 5

Der erste Ringkanal ist geeignet, die flüssige Phase des Kältemittels von der gasförmigen Phase des Kältemittels zu trennen. Die Trennung erfolgt dadurch, dass die flüssige Phase mit Hilfe des Verbindungskanals nach unten in Richtung des zweiten Ringkanals abgezogen wird und dass die gasförmige Phase des Kältemittels nach oben aus dem ersten Ringkanal austritt. Das heißt, das Kältemittel ist zweiphasig und kann die flüssige Phase und die gasförmige Phase aufweisen. Die flüssige Phase kann in die gasförmige Phase und umgekehrt übergehen. Insbesondere geht die flüssige Phase des Kältemittels bei dem Durchströmen oder Umströmen des Rohrbündels zumindest teilweise von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase über. Dabei nimmt das verdampfende Kältemittel Wärme von dem Medium auf.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der zweite Ringkanal mehrere Verteiler zum gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel, wobei die Verteiler radial auf die Symmetrieachse zu weiter in den Mantel hineinragen als der zweite Ringkanal.

Die Anzahl der Verteiler ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind drei Verteiler oder sechs Verteiler vorgesehen. Die Verteiler sind gleichmäßig voneinander beabstandet um die Symmetrieachse herum platziert. Die Verteiler ragen von dem zweiten Ringkanal aus radial in den Mantel hinein und decken so das Rohrbündel von oben teilweise ab. Die Verteiler sind insbesondere Teil des zweiten Ringkanals und stehen mit diesem in Fluidverbindung. Dass die Verteiler mit dem zweiten Ringkanal "in Fluidverbindung" stehen, bedeutet vorliegend insbesondere, dass die flüssige Phase des Kältemittels von dem zweiten Ringkanal in die Verteiler strömen kann. Die Verteiler weisen vorzugsweise jeweils eine Vielzahl unterseitig angeordneter Durchbrüche,

Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen auf, welche eine gleichmäßige Beregnung des Rohrbündels mit der flüssigen Phase des Kältemittels ermöglichen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verteiler gleichmäßig um die Symmetrieachse herum verteilt angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten Verteilern jeweils ein Zwischenraum vorgesehen ist.

Die Anzahl der Zwischenräume entspricht bevorzugt der Anzahl der Verteiler. Insbesondere sind die Verteiler und die Zwischenräume abwechselnd angeordnet, so 6 dass jeweils zwischen zwei Verteilern ein Zwischenraum und zwischen zwei Zwischenräumen ein Verteiler platziert ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der gewickelte Wärmetauscher ferner mehrere Verbindungskanäle, wobei jedem Verteiler ein Verbindungskanal zugeordnet ist.

Das heißt insbesondere, dass die Anzahl der Verteiler und die Anzahl der Verbindungskanäle gleich ist. Beispielsweise sind drei oder sechs Verbindungskanäle vorgesehen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform verläuft der Verbindungskanal parallel zu der Symmetrieachse. Insbesondere verläuft der Verbindungskanal entlang der Schwerkraftrichtung. Durch die Anordnung des Verbindungskanals beziehungsweise der Verbindungskanäle parallel zu der Symmetrieachse kann die kürzestmögliche Verbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal erzielt werden. Insbesondere münden die Verbindungskanäle aus einem Boden des ersten Ringkanals aus.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragen der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal radial auf die Symmetrieachse zu unterschiedlich weit in den Mantel hinein.

Insbesondere ragen der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal radial unterschiedlich weit in einen von dem Mantel umschlossenen Innenraum hinein. Der erste Ringkanal weist einen ersten Innendurchmesser auf. Der zweite Ringkanal weist einen zweiten Innendurchmesser auf. Die Innendurchmesser können unterschiedlich groß sein, so dass der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal unterschiedlich weit in den Mantel hineinragen. Alternativ können der erste Innendurchmesser des ersten Ringkanals und der zweite Innendurchmesser des zweiten Ringkanals auch gleich groß sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragt der zweite Ringkanal radial auf die Symmetrieachse zu weiter in den Mantel hinein als der erste Ringkanal. 7

Das heißt insbesondere, dass der zweite Ringkanal breiter als der erste Ringkanal ist. Dies erleichtert die Fertigung des gewickelten Wärmetauschers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Ringkanal entlang einer Schwerkraftrichtung betrachtet oberhalb des zweiten Ringkanals angeordnet.

Wie zuvor erwähnt, kann der erste Ringkanal daher auch als oberer Ringkanal und der zweite Ringkanal als unterer Ringkanal bezeichnet werden. Der zweite Ringkanal ist entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet unterhalb des ersten Ringkanals platziert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der gewickelte Wärmetauscher ferner einen Rohrboden, der mit Rohren des Rohrbündels in Fluidverbindung ist, wobei der Rohrboden entlang der Symmetrieachse betrachtet zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal angeordnet ist.

Insbesondere ist der Rohrboden entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet unterhalb des ersten Ringkanals und oberhalb des zweiten Ringkanals platziert. Es können mehrere Rohrböden vorgesehen sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Rohrböden der Anzahl der Verteiler. Es können auch doppelt so viele Rohrböden wie Verteiler vorgesehen sein. Dadurch, dass der Rohrboden zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal angeordnet ist, ist es möglich, die aus dem Rohrbündel nach oben gezogenen Rohre im Vergleich zu einem gewickelten Wärmetauscher mit nur einem Ringkanal zu verkürzen. Dies erleichtert die Herstellbarkeit des gewickelten Wärmetauschers. Die nach oben gezogenen Rohre können auch als "Zöpfe" bezeichnet werden. Es kann somit eine Reduktion der "Zopflänge" erzielt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform laufen der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils vollständig um die Symmetrieachse um.

Das heißt, dass der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils einen Umfangswinkel von 360° aufweisen. Wie zuvor erwähnt, ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal in mehrere voneinander getrennte Ringkanalsegmente unterteilt sind. 8

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal jeweils in Richtung eines Deckelabschnitts des Mantels offen.

Insbesondere sind der erste Ringkanal und/oder der zweite Ringkanal nach oben hin offen. Dies ermöglicht es der gasförmigen Phase des Kältemittels, nach oben aus dem jeweiligen Ringkanal auszutreten.

Ferner wird ein Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Medium mit Hilfe eines derartigen gewickelten Wärmetauschers vorgeschlagen. Der Wärmetauscher umfasst dabei einen Mantel, ein innerhalb des Mantels angeordnetes Rohrbündel, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden ersten Ringkanal, einen innerhalb des Mantels angeordneten und um diesen umlaufenden zweiten Ringkanal, und einen Verbindungskanal, der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ringkanal und dem zweiten Ringkanal herstellt, wobei der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal entlang einer Symmetrieachse des Mantels betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Durchströmen des Rohrbündels mit dem Medium, b) Trennen einer flüssigen Phase des Kältemittels von einer gasförmigen Phase des Kältemittels mit Hilfe des ersten Ringkanals, c) Leiten der flüssigen Phase in den zweiten Ringkanal mit Hilfe des Verbindungskanals, und d) gleichmäßiges Verteilen der flüssigen Phase auf das Rohrbündel mit Hilfe des zweiten Ringkanals, um die Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Medium auszutauschen.

Die Schritte a) bis d) können gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere wird während des Schritts d) mit Hilfe des Kältemittels Wärme aus dem Medium entzogen. Dabei kann das Kältemittel zumindest teilweise verdampfen und in die gasförmige Phase übergehen. Das Medium kann dabei verflüssigt oder zumindest abgekühlt werden. Das Rohrbündel wird insbesondere rohrseitig mit dem Medium durchströmt. Die flüssige Phase wird insbesondere mantelseitig auf das Rohrbündel verteilt.

Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Schritt d) die flüssige Phase mit Hilfe mehrerer Verteiler des zweiten Ringkanals gleichmäßig auf das Rohrbündel verteilt. 9

Die Anzahl der Verteiler ist grundsätzlich beliebig. Durch das Vorsehen mehrerer Verteiler kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der flüssigen Phase erzielt werden. Die Verteiler sind bevorzugt Teil des zweiten Ringkanals. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem Schritt d) die flüssige Phase in dem zweiten Ringkanal derart aufgestaut, dass der Verbindungskanal unterhalb eines Flüssigkeitsstands der flüssigen Phase in dem zweiten Ringkanal in diesen einmündet.

Insbesondere ist eine Unterkante des Verbindungskanals unterhalb des Flüssigkeitsstands angeordnet. Der Verbindungskanal ist somit in die flüssige Phase eingetaucht oder abgetaucht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem Schritt b) die flüssige Phase entlang einer Schwerkraftrichtung betrachtet mit Hilfe des Verbindungskanals nach unten aus dem ersten Ringkanal abgezogen, wobei die gasförmige Phase entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet nach oben aus dem ersten Ringkanal austritt.

Die gasförmige Phase kann an dem Deckelabschnitt aus dem Mantel abgezogen werden. Die aus dem Rohrbündel nach unten austretende flüssige Phase des Kältemittels, die nicht verdampft ist, kann ebenfalls aus dem Mantel abgezogen werden.

Die für den vorgeschlagenen gewickelten Wärmetauscher beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend und umgekehrt.

"Ein" ist vorliegend nicht zwangsweise als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine genaue Beschränkung auf genau die entsprechende Anzahl von Elementen verwirklicht sein muss. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich.

Weitere mögliche Implementierungen des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im 10

Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens hinzufügen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des gewickelten Wärmetauschers und/oder des Verfahrens. Im Weiteren werden der gewickelte Wärmetauscher und/oder das Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines gewickelten Wärmetauschers;

Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des gewickelten Wärmetauschers gemäß der Schnittlinie ll-ll der Fig. 1 ; und

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einen Medium mit Hilfe des gewickelten Wärmetauschers gemäß Fig. 1.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines gewickelten Wärmetauschers 1 (Engl.: Coil Wound Heat Exchanger, CWHE). Die Fig.

2 zeigt eine schematische Schnittansicht des gewickelten Wärmetauschers 1. Nachfolgend wird auf die Fig. 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen.

Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher 1 kann zur Verflüssigung von Erdgas (Engl.: Liquefied Natural Gas, LNG) eingesetzt werden. Es können jedoch auch andere Gase verflüssigt werden. Der gewickelte Wärmetauscher 1 wird nachfolgend lediglich als Wärmetauscher bezeichnet. 11

Der Wärmetauscher 1 umfasst einen Mantel 2. Der Mantel 2 ist aus einem zylinderförmigen Basisabschnitt 3, einem domförmig gewölbten Deckelabschnitt 4 und einem nicht gezeigten domförmig gewölbten Bodenabschnitt aufgebaut. Bezüglich einer Schwerkraftrichtung g ist der Deckelabschnitt 4 oberhalb des Bodenabschnitts platziert. Beispielsweise sind der Basisabschnitt 3, der Deckelabschnitt 4 und der Bodenabschnitt miteinander verlötet, verschweißt, verschraubt oder vernietet.

Der Mantel 2 ist fluiddicht. Der Mantel 2 umschließt einen Innenraum 5. Der Mantel 2 kann aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Stahllegierung gefertigt sein. Der Mantel 2 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder

Symmetrieachse 6 aufgebaut. "Im Wesentlichen" heißt dabei, dass der Mantel 2 nicht zwingend einen kreisrunden Querschnitt aufweisen muss. Der Mantel 2 kann im Querschnitt auch leicht oval oder elliptisch sein. Der Mantel 2 ist aufrecht oder vertikal platziert. Das heißt, dass die Symmetrieachse 6 parallel zu der Schwerkraftrichtung g verläuft.

Dem Wärmetauscher 1 ist ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oderx- Richtung x, einer Hochrichtung oder y-Richtung y und einer Tiefenrichtung oder z- Richtung z zugeordnet. Die Richtungen x, y, z sind senkrecht zueinander orientiert. Die z-Richtung z ist parallel zu der Schwerkraftrichtung g und parallel zu der Symmetrieachse 6 orientiert.

An dem Basisabschnitt 3 ist ein Einlassstutzen 7 vorgesehen, der senkrecht zu der Symmetrieachse 6 orientiert ist. Über den Einlasstutzen 7 kann dem Wärmetauscher 1 ein Kältemittel K, beispielsweise Ethan, zugeführt werden. Das Kältemittel K kann zweiphasig sein, so dass dieses eine flüssige Phase KL und eine gasförmige Phase KG aufweist. Es können mehrere Einlassstutzen 7 vorgesehen sein.

Das Kältemittel K ist in den Fig. 1 und 2 mit Hilfe von Blockpfeilen dargestellt. Dabei stehen Blockpfeile mit schräger Schraffur für einen zweiphasigen Zustand des

Kältemittels K. Horizontal schraffierte Blockpfeile stehen für die gasförmige Phase KG des Kältemittels K. Unschraffierte Blockpfeile stehen für die flüssige Phase KL des Kältemittels K. 12

Uber den Einlasstutzen 7 ist das Kältemittel K in einen oberen oder ersten Ringkanal 8 einspeisbar. Der erste Ringkanal 8 kann im Querschnitt rechteckförmig sein. Der erste Ringkanal 8 ist innerhalb des Mantels 2 angeordnet. Der erste Ringkanal 8 läuft vollständig um die Symmetrieachse 6 um, so dass der erste Ringkanal 8 eine geschlossene ringförmige Geometrie aufweist. Grundsätzlich kann der erste Ringkanal 8 jedoch auch in mehrere Ringsegmente unterteilt sein. Der erste Ringkanal 8 weist einen Innendurchmesser d8 auf.

Der erste Ringkanal 8 ist nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 offen, so dass die gasförmige Phase KG nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung g aus dem ersten Ringkanal 8 austreten kann. Die gasförmige Phase KG kann beispielsweise mit Hilfe eines an dem Deckelabschnitt 4 vorgesehenen Abzugsstutzens aus dem Mantel 2 abgezogen werden. Alternativ kann die gasförmige Phase KG zusammen mit der flüssigen Phase KL nach unten abgezogen werden. Der erste Ringkanal 8 ragt radial, das heißt in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu, in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein.

In dem ersten Ringkanal 8 stellt sich ein Flüssigkeitsstand 9 der flüssigen Phase KL ein. Der erste Ringkanal 8 dient der Trennung der gasförmigen Phase KG von der flüssigen Phase KL. Die Trennung erfolgt dadurch, dass die gasförmige Phase KG, wie zuvor erwähnt, nach oben aus dem ersten Ringkanal 8 entweichen kann und dass die flüssige Phase KL mit Hilfe eines Verbindungskanals 10 nach unten, das heißt in der Schwerkraftrichtung g, aus dem ersten Ringkanal 8 abgezogen wird. Der Verbindungskanal 10 verläuft parallel zu der Schwerkraftrichtung g beziehungsweise parallel zu der Symmetrieachse 6. Der Verbindungskanal 10 kann ein Schacht, ein Rohr oder dergleichen sein. Vorzugsweise sind mehrere Verbindungskanäle 10 bis 12 vorgesehen. Die Anzahl der Verbindungskanäle 10 bis 12 ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind drei oder sechs Verbindungskanäle 10 bis 12 vorgesehen. Die Verbindungskanäle 10 bis 12 sind gleichmäßig um die

Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet. Nachfolgend wird jedoch auf nur einen Verbindungskanal 10 eingegangen.

Der Verbindungskanal 10 leitet die flüssige Phase KL aus dem ersten Ringkanal 8 in einen unteren oder zweiten Ringkanal 13. Entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet ist 13 der zweite Ringkanal 13 von dem ersten Ringkanal 8 beabstandet angeordnet. Entlang der Schwerkraftrichtung g betrachtet ist der erste Ringkanal 8 oberhalb des zweiten Ringkanals 13 beziehungsweise der zweite Ringkanal 13 unterhalb des ersten Ringkanals 8 platziert.

Der zweite Ringkanal 13 kann, wie der erste Ringkanal 8, im Querschnitt rechteckförmig sein. Der zweite Ringkanal 13 ist innerhalb des Mantels 2 angeordnet. Der zweite Ringkanal 13 läuft vollständig um die Symmetrieachse 6 um, so dass der zweite Ringkanal 13 eine geschlossene ringförmige Geometrie aufweist. Grundsätzlich kann der zweite Ringkanal 13 jedoch auch in mehrere Ringsegmente unterteilt sein. Der zweite Ringkanal 13 weist einen Innendurchmesser d13 auf. Der Innendurchmesser d13 kann kleiner als der Innendurchmesser d8 sein. Alternativ können die Innendurchmesser d8, d13 auch gleich groß sein. Ferner kann der Innendurchmesser d8 auch kleiner als der Innendurchmesser d13 sein.

Der zweite Ringkanal 13 ist nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 offen, so dass die gasförmige Phase KG nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung g aus dem zweiten Ringkanal 13 austreten kann. Der zweite Ringkanal 13 ragt radial, das heißt in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu, in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein. Dabei ragt der zweite Ringkanal 13 bevorzugt weiter in den Mantel 2 hinein als der erste Ringkanal 8.

In dem zweiten Ringkanal 13 stellt sich ein Flüssigkeitsstand 14 der flüssigen Phase KL ein. Der Verbindungskanal 10 ist in die flüssige Phase eingetaucht, so dass eine Unterkante des Verbindungskanals 10 entlang der Schwerkraftrichtung g betrachtet unterhalb des Flüssigkeitsstands 14 platziert ist. Der zweite Ringkanal 13 dient dem gleichmäßigen Verteilen der flüssigen Phase KL auf mehrere Verteiler 15 bis 17. Die Verteiler 15 bis 17 sind Teil des zweiten Ringkanals 13. Die Anzahl der Verteiler 15 bis 17 ist beliebig. Beispielsweise sind drei oder sechs

Verteiler 15 bis 17 vorgesehen. Bevorzugt entspricht die Anzahl der Verteiler 15 bis 17 der Anzahl der Verbindungskanäle 10 bis 12. Jedem Verteiler 15 bis 17 kann ein Verbindungskanal 10 bis 12 zugeordnet sein. Die Verteiler 15 bis 17 sind gleichmäßig um die Symmetrieachse 6 beziehungsweise um einen Umfang des Mantels 2 herum verteilt angeordnet. 14

Die Verteiler 15 bis 17 können als Ringsegmente ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Unter einem "Ringsegment" ist vorliegend ein Abschnitt eines Rings zu verstehen. Die Verteiler 15 bis 17 sind abwechselnd mit Zwischenräumen 18 bis 20 angeordnet. Das heißt, dass zwischen zwei benachbarten Verteilern 15 bis 17 jeweils ein Zwischenraum 18 bis 20 und zwischen zwei Zwischenräumen 18 bis 20 jeweils ein Verteiler 15 bis 17 angeordnet wird. Im Folgenden wird auf nur einen Verteiler 15 eingegangen. Der Verteiler 15 weist radial in Richtung auf die Symmetrieachse 6 zu weiter in den Mantel 2, insbesondere in den Innenraum 5, hinein als der zweite Ringkanal 13. Der Verteiler 15 ist in Fluidverbindung mit dem zweiten Ringkanal 13. In "Fluidverbindung" heißt vorliegend insbesondere, dass die flüssige Phase KL aus dem zweiten Ringkanal 13 in den Verteiler 15 strömen kann. Hierzu kann beispielsweise in einem Boden des zweiten Ringkanals 13 ein Durchbruch, eine Öffnung oder dergleichen vorgesehen sein.

Nach oben, das heißt in Richtung des Deckelabschnitts 4 ist der Verteiler 15 geschlossen. Nach unten, das heißt dem Deckelabschnitt 4 abgewandt, kann die flüssige Phase KL aus dem Verteiler 15 austreten. Hierzu weist der Verteiler 15 unterseitig eine Vielzahl an Auslassöffnungen, Durchbrüchen, Bohrungen oder dergleichen auf, mit deren Hilfe die flüssige Phase KL gleichmäßig verteilt werden kann. Der Wärmetauscher 1 umfasst ferner ein innerhalb des Mantels 2 angeordnetes Rohrbündel 21 , das mit Hilfe der Verteiler 15 bis 17 mit der flüssigen Phase KL beregnet wird. Dabei wird die flüssige Phase KL insbesondere mit Hilfe eines Fallfilms verdampft. Das Rohrbündel 21 ist auf ein Kernrohr 22, das mittig in dem Mantel 2 platziert ist, aufgewickelt. Das Rohrbündel 21 umfasst eine Vielzahl von Rohren, die mehrlagig auf das Kernrohr 22 aufgewickelt sind. Das Rohrbündel 21 umfasst Schlitze oder Spalte, so dass die flüssige Phase KL mantelseitig durch das Rohrbündel 21 hindurchströmen kann. Unter "mantelseitig" ist vorliegend ein Bereich außerhalb der Rohre des Rohrbündels 21 zu verstehen. Das Rohrbündel 21 füllt einen zwischen dem Kernrohr 22 und dem Mantel 2 vorgesehenen Ringspalt 23 vollständig aus. 15

Es können rohrseitig mehrere unterschiedliche Fraktionen oder Rohrströme durch das Rohrbündel 21 geführt werden. Eine der Fraktionen kann ein zu verflüssigendes Medium, beispielsweise Erdgas, sein. Eine andere der Fraktionen kann die flüssige Phase KL des Kältemittel K sein. Weitere Fraktionen können beispielsweise andere Kältemittel, Prozessmedien oder dergleichen umfassen. Das heißt, auch das Kältemittel K kann in das Rohrbündel 21 eingespeist und rohrseitig durch das Rohrbündel 21 geleitet werden. Es ist jedoch kein direkter Kontakt und damit auch keine Vermischung der Fraktionen in dem Rohrbündel 21 möglich. Das Rohrbündel 21 weist somit Rohre auf, die nur von dem Medium durchströmt werden. Weitere Rohre werden nur von dem Kältemittel K durchströmt. Ferner können auch weitere Rohre vorgesehen sein, die von weiteren Fraktionen durchströmt werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Rohre können unterschiedliche Schichten des Rohrbündels 21 bilden. Unter der "Rohrseite" ist vorliegend ein von den Rohren des Rohrbündels 21 umschlossener Innenraum zu verstehen, durch welchen das zu verflüssigende Medium, das Kältemittel K und/oder andere Fraktionen geleitet werden.

Aus dem Rohrbündel 21 sind einzelne Rohre 24 bis 26 durch die Zwischenräume 18 bis 20 nach oben in Richtung des Deckelabschnitts 4 gezogen. Die Rohre 24 bis 26 verlaufen parallel zu der Symmetrieachse 6. Die Rohre 24 bis 26 können auch als "Zöpfe" bezeichnet werden. Die Rohre 24 bis 26 werden einem Rohrboden 27 zugeführt. Bevorzugt sind mehrere Rohrböden 27 bis 29 vorgesehen. Die Anzahl der Rohrböden 27 bis 29 kann der Anzahl der Verteiler 15 bis 17 entsprechen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es können auch beispielsweise doppelt so viele Rohrböden 27 bis 29 wie Verteiler 15 bis 17 vorgesehen sein.

Entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet, können die Rohrböden 27 bis 29 auf unterschiedlichen Höhen platziert sein. Das heißt, dass die Rohrböden 27 bis 29 entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet zueinander versetzt angeordnet sein können. Die Rohrböden 27 bis 29 können jedoch auch alle auf derselben Höhe angeordnet sein. Die Rohrböden 27 bis 29 können unterschiedlichen Rohrströmen oder Fraktionen des Rohrbündels 21 zugeordnet sein.

Die Rohrböden 27 bis 29 sind in den Mantel 2 eingeschweißt oder eingelötet. Die Rohrböden 27 bis 29 können auch mit Hilfe nicht gezeigter Stutzen mit dem Mantel 2 16 verbunden sein. Die Rohrböden 27 bis 29 können gleichmäßig um die Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Rohrböden 27 bis 29 können auch ungleichmäßig um die Symmetrieachse 6 herum verteilt angeordnet sein. Jedem Zwischenraum 18 bis 20 kann zumindest ein Rohrboden 27 bis 29 zugeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Nachfolgend wird auf nur einen Rohrboden 27 eingegangen.

Der Rohrboden 27 ist über eine Zuführleitung 30 und ein Entspannungsventil 31 mit dem Einlassstutzen 7 in Fluidverbindung. Insbesondere sind über den Rohrboden 27 und die Zuführleitung 30 Rohre des Rohrbündels 21 , durch die rohrseitig das Kältemittel K geführt wird, mit dem Einlassstutzen 7 in Fluidverbindung. Das Entspannungsventil 31 ist ein sogenanntes Joule-Thomson-Ventil. Über die Zuführleitung 30 wird das durch das Rohrbündel 21 strömende Kühlmittel K zu dem Einlassstutzen 7 zurückgeführt. Dieses steht gegenüber dem Innenraum 5 des Mantels 2 unter einem höheren Druck. Das Kältemittel K wird in dem Entspannungsventil 31 entspannt und dem Einlassstutzen 7 als Zweiphasenstrom zugeführt. Bei dem Entspannen entsteht Entspannungskälte, welche das Kältemittel K abkühlt. Mit diesem "kälteren" Kältemittel K wird dann wieder das Rohrbündel 21 gekühlt. Die Rohre 24 bis 26 sind mit dem Rohrboden 27 in Fluidverbindung. Der Rohrboden 27 ist entlang der Symmetrieachse 6 betrachtet zwischen dem ersten Ringkanal 8 und dem zweiten Ringkanal 13 platziert. Insbesondere ist der Rohrboden 27 unterhalb des ersten Ringkanals 8 und oberhalb des zweiten Ringkanals 13 platziert. Hierdurch ist es im Vergleich zu einem Wärmetauscher mit nur einem Ringkanal möglich, die Länge der Rohre 24 bis 26 zu verkürzen. Dies vereinfacht die Herstellbarkeit des Wärmetauschers 1. Ferner ist es durch das Vorsehen von zwei voneinander getrennten Ringkanälen 8, 13 möglich, die Ringkanäle 8, 13 unterschiedlich breit zu gestalten. Dies vereinfacht zum einen die Fertigung und kann zum anderen zu einer Reduzierung des Aufstaus der flüssigen Phase KL in den Ringkanälen 8, 13 führen.

Die Funktionalität des Wärmetauschers 1 wird nachfolgend erläutert. Das zu verflüssigende Medium strömt rohrseitig durch das Rohrbündel 21. Das zweiphasige Kältemittel K wird über den Einlassstutzen 7 dem ersten Ringkanal 8 zugeführt. In dem 17 ersten Ringkanal 8 wird die flüssige Phase KL von der gasförmigen Phase KG getrennt, indem die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verbindungskanäle 10 bis 12 nach unten in den zweiten Ringkanal 13 abgezogen wird und die gasförmige Phase KG nach oben entweicht. Die gasförmige Phase KG kann nach oben oder nach unten abgezogen werden. Beispielsweise kann die gasförmige Phase KG zusammen mit der flüssigen Phase KL über das Rohrbündel 21 strömend nach unten abgezogen werden.

Der zweite Ringkanal 13 verteilt die flüssige Phase KL gleichmäßig auf die Verteiler 15 bis 17, welche wiederrum das Rohrbündel 21 mit der flüssigen Phase KL beregnen. Die flüssige Phase KL strömt mantelseitig durch das Rohrbündel 21 hindurch, wobei die flüssige Phase KL zumindest teilweise verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Medium entzogen. Das Medium verflüssigt sich dabei. Die verdampfte flüssige Phase KL steigt als gasförmige Phase KG nach oben und kann nach oben abgezogen werden. Alternativ kann die gasförmige Phase KG auch nach unten durch das Rohrbündel 21 abgezogen werden. Die flüssige Phase KL, die nicht verdampft, strömt unterseitig aus dem Rohrbündel 21 aus und kann nach unten abgezogen werden.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Austausch von Wärme zwischen dem Kältemittel K und dem Medium mit Hilfe des gewickelten Wärmetauschers 1. In einem Schritt S1 wird das Rohrbündel 21 mit dem Medium durchströmt. In einem Schritt S2 wird die flüssige Phase KL des Kältemittels K mit Hilfe des ersten Ringkanals 8 von der gasförmigen Phase KG getrennt. In einem Schritt S3 wird die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verbindungskanäle 10 bis 12 in den zweiten Ringkanal 13 geleitet. In einem Schritt S4 wird die flüssige Phase KL mit Hilfe der Verteiler 15 bis 17 gleichmäßig auf das Rohrbündel 21 verteilt, um die Wärme zwischen dem Kältemittel K und dem Medium auszutauschen. Die Schritte S1 bis S4 können gleichzeitig durchgeführt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. 18

Verwendete Bezuqszeichen

1 Wärmetauscher

2 Mantel

3 Basisabschnitt

4 Deckelabschnitt

5 Innenraum

6 Symmetrieachse

7 Einlasstutzen

8 Ringkanal

9 Flüssigkeitsstand

10 Verbindungskanal

11 Verbindungskanal

12 Verbindungskanal

13 Ringkanal

14 Flüssigkeitsstand

15 Verteiler

16 Verteiler

17 Verteiler

18 Zwischenraum

19 Zwischenraum

20 Zwischenraum

21 Rohrbündel

22 Kernrohr

23 Ringspalt

24 Rohr

25 Rohr

26 Rohr

27 Rohrboden

28 Rohrboden

29 Rohrboden

30 Zuführleitung

31 Entspannungsventil d8 Innendurchmesser 19 d13 Innendurchmesser g Schwerkraftrichtung

K Kältemittel

KG gasförmige Phase KL flüssige Phase

51 Schritt

52 Schritt

53 Schritt

54 Schritt x x-Richtung y y-Richtung z z-Richtung