DE102010028681A1 - Solarthermischer Zwangdurchlauf-Dampferzeuger mit innenberippten Rohren - Google Patents

Solarthermischer Zwangdurchlauf-Dampferzeuger mit innenberippten Rohren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger (5), umfassend einen Behälter (15) mit einem Einlass (13) und einem Auslass (14) zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter (15) angeordnete Wärmetauscherrohre (18), durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, wobei die Wärmetauscherrohre (18) zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen (21) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage.
  • Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt.
  • In einer Ausführungsform dieses solarthermischen Kraftwerks wird das Wärmeträgermedium in den Parabolrinnenkollektoren aufgeheizt. Das heiße Wärmeträgermedium gibt seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
  • Derartige Dampferzeuger können als Zwangdurchlaufdampferzeuger mit vertikalem oder horizontalem Kanal für das Wärmeträgermedium ausgeführt werden.
  • Grundsätzlich ist bei Dampferzeugern dieser Art die Möglichkeit der Entmischung der Zweiphasenströmung in den Verdampferrohren gegeben. Insbesondere bei niedrigen Teillasten kann dies zu Schichten-, Wellen- oder Pfropfenströmung führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten solarthermischen Dampferzeuger bzw. die entsprechende solarthermische Kraftwerksanlage weiterzuentwickeln, so dass die Entmischung der Zweiphasenströmung in den Verdampferrohren vermieden wird.
  • Erfindungsgemäß wird die auf den solarthermischen Dampferzeuger gerichtete Aufgabe gelöst durch einen solarthermischen Dampferzeuger, umfassend einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter angeordnete Wärmetauscherrohre, durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, wobei die Wärmetauscherrohre zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen aufweisen.
  • Durch den Einsatz von innenberippten Rohren erhöht sich die Betriebssicherheit des Dampferzeugers.
  • Vorteilhafter Weise bilden die Rippen ein Gewinde. Diese Ausführungsform der Innenberippung der Rohre prägt einer Zweiphasenströmung einen Drall auf. Aufgrund der daraus resultierenden Fliehkräfte wird die Phase mit der höheren Dichte (Wasser) an die Rohrwand gedrückt, während sich der Dampf vorzugsweise im Strömungskern befindet.
  • Auf diese Weise kann die oben beschriebene Entmischung bis hin zu sehr niedrigen Teillasten (Massenstromdichten) sicher vermieden werden.
  • Zweckmäßiger Weise sind die Wärmetauscherrohre zwischen einem Eintrittsammler und einem Austrittssammler angeordnet.
  • Vorzugsweise sind die Rippen insbesondere in einem Bereich einer einsetzenden Verdampfung angeordnet, da sich das Problem der Entmischung vor allem hier stellt.
  • Vorteilhafter Weise sind die Wärmetauscherrohre in einem Strömungskanal für das Wärmeträgermedium angeordnet. Anderenfalls würde das Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters und nicht durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl. Der große Vorteil von Thermoöl gegenüber beispielsweise Wasser ist der wesentlich höhere Siedepunkt. So kann eine Temperatur von über 300°C erreicht werden, ohne dass Probleme mit Dampfzuständen und erhöhten Drucken eine Rolle spielen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze. Mit flüssigen Salzen lässt sich bei Temperaturen deutlich über 100°C Wärme transportieren, ohne dass dabei das Röhrensystem unter Druck steht, wie dies bei Wasserdampf der Fall wäre.
  • Vorteilhafter Weise wird der solarthermische Dampferzeuger als Zwangsdurchlaufdampferzeuger verwendet bzw. ausgeführt. Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrucke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.
  • Vorteilhafter Weise umfasst eine solarthermische Kraftwerksanlage einen erfinderischen solarthermischen Dampferzeuger.
  • Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die solarthermische Kraftwerksanlage Parabolrinnen umfasst. Die Parabolrinnentechnik ist die zurzeit kostengünstigste Variante für Sonnenkollektorflächen.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
  • 1 eine solarthermische Kraftwerksanlage,
  • 2 einen solarthermischen Dampferzeuger und
  • 3 ein Wärmetauscherrohr mit Innenberippung.
  • Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer solarthermischen Kraftwerksanlage 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerksanlage 1 umfasst ein Solarfeld 2, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Solarfeld 2 kann beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Temperaturen von 300–400°C erreicht werden können. Über die Rohrleitung 3 wird das Wärmeträgermedium mittels einer Thermoölpumpe 4 zum solarthermischen Dampferzeuger 5 transportiert, in dem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, erwärmt, verdampft und der erzeugte Dampf überhitzt wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird zurück in das Solarfeld 2 gepumpt, so dass sich ein geschlossener Wärmeträgermedium-Kreislauf 6 ergibt.
  • Der überhitzte Dampf wird im sogenannten konventionellen Teil des solarthermischen Kraftwerks 1 über eine Frischdampfleitung 7 in eine Dampfturbine 8 als Arbeitsmedium eingeleitet. Die Dampfturbine 8 treibt einen Generator 9 an. In der Dampfturbine 8 wird das Arbeitsmedium entspannt und anschließend in einem Kondensator 10 verflüssigt. Eine Speisewasserpumpe 11 pumpt das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zurück zum solarthermischen Dampferzeuger 5 womit der Kreislauf 12 des Arbeitsmediums geschlossen ist.
  • 2 zeigt einen solarthermischen Dampferzeuger 5 mit einem Einlass 13 für das heiße Wärmeträgermedium am oberen Ende eines druckdichten Behälters 15 und einem Auslass 14 für das abgekühlte Wärmeträgermedium am unteren Ende des Behälters 15.
  • Speisewasser 16 wird dem solarthermischen Dampferzeuger 5 an seinem unteren Ende zugeführt und über einen Eintrittssammler 17 auf Wärmetauscherrohre 18 verteilt, die im Behälter 15 angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre 18 sind so ausgebildet, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Damit das heiße Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes nicht an der Gesamtheit der Wärmetauscherrohre 18 vorbei und hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters 15 sondern durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömt, wird das Wärmeträgermedium in einem Strömungskanal 25 durch den Behälter 15 des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 5 geführt. Der Strömungskanal 25 erweitert sich an seinem oberen Ende vom Einlass 13 her und ist unten offen. Der Behälter 15 ist im Betrieb innerhalb und außerhalb des Strömungskanals 25 mit dem Wärmetauschermedium gefüllt.
  • Beim Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 18 wird das Speisewasser erwärmt, verdampft und überhitzt, so dass am Ende der Wärmetauscherrohre 18 überhitzter Dampf 20 in einem Austrittssammler 19 gesammelt und der Dampfturbine 8 zugeführt werden kann.
  • 3 zeigt ein Wärmetauscherrohr 18 mit Innenberippung 21 im Schnitt während des Betriebs im Bereich der einsetzenden Verdampfung. Wasser strömt von rechts durch das Wärmetauscherrohr 18 und verdampft, wobei der Dampfanteil in Strömungsrichtung zunimmt. Die Innenberippung 21 des Dampferzeugerrohrs 18 prägt dem Wasser auch im Bereich der Zweiphasenströmung einen Drall 23 auf. Aufgrund der daraus resultierenden Fliehkräfte wird die Phase mit der höheren Dichte, d. h. das Wasser, an die Rohrwand 24 gedrückt, während sich der Dampf hauptsächlich im Strömungskern 22 befindet.

Claims (10)

  1. Solarthermischer Dampferzeuger (5), umfassend einen Behälter (15) mit einem Einlass (13) und einem Auslass (14) zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter (15) angeordnete Wärmetauscherrohre (18), durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (18) zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen (21) aufweisen.
  2. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach Anspruch 1, wobei die Rippen (21) ein Gewinde bilden.
  3. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wärmetauscherrohre (18) zwischen einem Eintrittsammler (17) und einem Austrittssammler (19) angeordnet sind.
  4. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (21) insbesondere in einem Bereich einer einsetzenden Verdampfung angeordnet sind.
  5. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscherrohre (18) in einem Strömungskanal (25) für das Wärmeträgermedium angeordnet sind.
  6. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist.
  7. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze ist.
  8. Verwendung des solarthermischen Dampferzeugers (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Zwangdurchlaufdampferzeuger.
  9. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) umfassend einen Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 9 umfassend Parabolrinnen.
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