DE102013102561A1 - Device for receiving a volume flow of a medium and method for realizing a volume flow of a medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums, einen Wärmetauscher, ein solarthermisches Kraftwerk sowie ein Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. Es ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, wenigstens eine den Volumenstrom zumindest einseitig begrenzende Wandfläche umfasst, wobei die Wandfläche konvexe Formelemente aufweist.The invention relates to a device for receiving a volume flow of a medium, a heat exchanger, a solar thermal power plant and a method for realizing a volume flow of a medium and a method for generating electrical energy. It is provided that the device for receiving a volume flow of a medium, which in the solidified state forms an ion crystal structure, comprises at least one wall surface which delimits the volume flow at least on one side, the wall surface having convex shaped elements.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums, einen Wärmetauscher, ein solarthermisches Kraftwerk sowie ein Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. The present invention relates to a device for receiving a volume flow of a medium, a heat exchanger, a solar thermal power plant and a method for realizing a volume flow of a medium and a method for generating electrical energy.
Kristallbildende Wärmeträgermedien wie z.B. Salzschmelzen, zeigen eine weit höhere Temperaturbeständigkeit als organische Wärmeträgermedien. Beim Transport solcher kristallbildenden Wärmeträgermedien in Rohrleitungen kann es jedoch auf Grund der hohen Erstarrungstemperatur dieser Wärmeträgermedien insbesondere bei Abkühlung zur Bildung von festen Kristallen in den Rohrleitungen kommen, die gegebenenfalls einen vollständigen Rohrverschluss bewirken. Der Grund dafür ist bei Temperaturrückgang die Bildung von Kristallkeimen, die sich vermehrt an den Rohrinnenwänden absetzen und letztlich eine zusammenhängende Schicht ausbilden, die den Wärmedurchgang stark senkt. Gewöhnliche Glattrohre in Wärmeübertragern haben dabei keinen hemmenden Einfluss auf dieses Phänomen. Im Wesentlichen unabhängig von der Rauheit kann es entlang der Rohrwände zur Absetzung der festen Kristalle kommen. Crystal-forming heat transfer media such as e.g. Salt melts, show a much higher temperature resistance than organic heat transfer media. When transporting such crystal-forming heat transfer media in pipelines, however, due to the high solidification temperature of these heat transfer media, particularly during cooling, formation of solid crystals may occur in the pipelines, which may cause a complete pipe closure. The reason for this is the formation of crystal nuclei in the event of temperature decrease, which increasingly settle on the inner walls of the pipe and ultimately form a coherent layer which greatly reduces the heat transfer. Ordinary smooth tubes in heat exchangers have no inhibiting effect on this phenomenon. Substantially irrespective of the roughness, deposition of the solid crystals may occur along the walls of the tubes.
Bei Wärmeaufnahme und damit verbundener Verflüssigung des kristallbildenden Mediums bilden sich zunächst nur an den Rohrinnenwänden Strömungen aus, während in der Mittelachse des Rohres weiter eine kristalline Struktur vorhanden ist. Demzufolge steht ein nur geringes Volumen des Mediums zur Realisierung des Volumenstromes sowie zur Wärmeaufnahme zur Verfügung. Upon absorption of heat and the associated liquefaction of the crystal-forming medium, at first flows are formed only at the inner walls of the pipe, while a crystalline structure is still present in the center axis of the pipe. As a result, only a small volume of the medium is available for realizing the volume flow and for absorbing heat.
In
Um ein Erstarren von Salzschmelzen in den jeweiligen Prozessläufen zu verhindern, werden die Tanks für die Salzschmelzen derart positioniert, dass eine Selbstentleerung (Schwerkraftrücklauf) der Schmelze gewährleistet ist. Die Verflüssigung der Salzschmelze erfolgt im Salztank mittels eines Tauchsieders. In order to prevent solidification of molten salts in the respective process runs, the tanks for the salt melts are positioned in such a way that a self-emptying (gravity return) of the melt is ensured. The liquefaction of the molten salt takes place in the salt tank by means of an immersion heater.
Um ein Erstarren der Salzschmelzen in den Leitungen zu verhindern, sind bei solchen Prozessen alle Salzschmelze-führenden Leitungen mit einer Beheizung ausgestattet, die ein Erstarren der Flüssigkeit in den Leitungen verhindern soll. Neben den gerätetechnischen Aufwand fällt ein relativ hoher Energiebedarf zum Betrieb der Heizungen an. In order to prevent solidification of the molten salts in the lines, in such processes, all molten salt-carrying lines are equipped with a heater which is intended to prevent solidification of the liquid in the lines. In addition to the equipment expense, a relatively high energy requirement for the operation of the heaters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, sowie ein Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes dieses Mediums zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, wartungsarmer und kostengünstiger Weise das Medium transportiert und/oder ein Wärmeaustausch zwischen dem Medium und einem Umgebungsmedium realisiert werden kann. The invention is based on the object, a device for receiving a volume flow of a medium which forms an ionic crystal structure in the solidified state, and to provide a method for realizing a volume flow of this medium with which in a simple, low-maintenance and cost-effective manner, the medium transported and / or a heat exchange between the medium and a surrounding medium can be realized.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums nach Anspruch 1, durch den Wärmetauscher nach Anspruch 4, sowie durch das Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums sind in den Unteransprüchen 9 bis 11 angegeben. Außerdem wird gemäß Anspruch 5 ein solarthermisches Kraftwerk zur Verfügung gestellt, welches ebenfalls die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes nutzt, und gemäß Anspruch 12 ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt. This object is achieved by the device according to the invention for receiving a volume flow of a medium according to
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eines Mediums, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, umfasst wenigstens eine den Volumenstrom zumindest einseitig begrenzende Wandfläche, wobei an oder in dieser Wandfläche konvexe Formelemente angeordnet sind. D. h., dass sich die konvexen Formelemente in das Medium hinein erstrecken. Dieses Medium, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, ist zum Beispiel eine Salzschmelze, eine Organo-Metallverbindung, eine Schmelze von organischen Verbindungen oder eine Metalloxid-Schmelze. Der Volumenstrom der Schmelze wird unmittelbar durch die Wandfläche der erfindungsgemäßen Einrichtung und somit auch durch die dort angeordneten konvexen Formelemente begrenzt. The device according to the invention for receiving a volume flow of a medium which forms an ionic crystal structure in the solidified state comprises at least one wall surface bounding the volume flow at least on one side, wherein convex shaped elements are arranged on or in this wall surface. That is, the convex shape elements extend into the medium. This medium, which forms an ionic crystal structure in the solidified state, is, for example, a molten salt, an organometallic compound, a melt of organic compounds or a metal oxide melt. The volume flow of the melt is limited directly by the wall surface of the device according to the invention and thus also by the convex form elements arranged there.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes einen Strömungspfad formt, wobei noch eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Medium und der Wandfläche vorhanden, jedoch dünn ausgeführt sind, und ebenfalls die Form der Wandfläche und deren konvexen Formelemente aufweisen. Alternatively, it can be provided that the device according to the invention for receiving a volume flow forms a flow path, wherein one or more intermediate layers between the medium and the wall surface present, but are made thin, and also have the shape of the wall surface and its convex shape elements.
Die konvexen Formelemente sind dabei vorzugsweise in einer Struktur angeordnet. Sie haben mehrere positive Effekte auf das kristallbildende Medium. Zum einen führen sie zu einer größeren Wärmeaufnahme, bedingt durch Konvektion auf Grund der vergrößerten Oberfläche der Wandfläche. Zum anderen hemmen sie das Absetzverhalten von festen Kristallen auf Grund von im Medium-Volumenstrom entstehenden Verwirbelungen bzw. Turbulenzen. Dies bewirkt, dass trotz Kristallisierungen der Querschnitt der Einrichtung länger frei bleibt. Eine weitere positive Eigenschaft ist eine verbesserte Wärmeübertragung, bedingt durch die Turbulenzen im Medium, so dass deren einzelne, unterschiedlich warmen Schichten verwirbelt werden und es demzufolge zu einer hervorragenden Durchmischung im Medium kommt, so dass Wärme zwischen den Teilchen des Mediums optimal geleitet und demzufolge verteilt werden kann. Auch dadurch wird einer partiellen Abkühlung sowie einer Partikel-Ablagerung vorgebeugt. The convex shape elements are preferably arranged in a structure. They have several positive effects on the crystal-forming medium. First, they lead to a greater heat absorption, due to convection due to the increased surface area of the wall surface. On the other hand, they inhibit the settling behavior of solid crystals due to swirling or turbulence arising in the medium volume flow. This causes that despite crystallization of the cross-section of the device remains free longer. Another positive feature is an improved heat transfer, due to the turbulence in the medium, so that their individual, differently warm layers are swirled and there is therefore an excellent mixing in the medium, so that heat is optimally conducted between the particles of the medium and thus distributed can be. This also prevents partial cooling and particle deposition.
Des Weiteren bewirken die konvexen Formelemente eine Wärmeeinbringung relativ dicht am zentralen Bereich der Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes und somit eine Verteilung der Wärmeeinbringung über weite Bereiche des Querschnitts der Einrichtung, so dass nicht nur äußere Schichten des Mediums erwärmt werden, sondern auch Bereiche im zentralen Bereich des zu transportierenden Mediums. Auch damit wird einer abkühlungsbedingten Erstarrung und Kristallisation des Mediums im zentrumsnahen Bereich des Volumenstromes entgegengewirkt. Furthermore, the convexities cause heat input relatively close to the central area of the device for receiving a volumetric flow and thus distribution of heat input over wide areas of the cross-section of the device, so that not only outer layers of the medium are heated, but also areas in the central area of the medium to be transported. This also counteracts a cooling-related solidification and crystallization of the medium in the region of the volume flow close to the center.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes ein Rohr ist, an dessen Innenwandung die konvexen Formelemente angeordnet sind. Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Rohr als Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes einschränkt, sondern sie kann auch durch eine Rinne ausgeführt sein, in deren Innenwandung die konvexen Formelemente angeordnet sind. Das Rohr bzw. die Rinne können dabei derart ausgestaltet sein, dass sie an ihrer Außenseite entsprechende konkave Formelemente aufweisen, die sich an der Innenseite als die genannten konvexen Formelemente ausbilden. Derartige Strukturrohre zeigen bei der Verwendung insbesondere von Salzschmelzen als Medium den Vorteil, dass es bei Wärmeabgabe im Bereich der Grenzschichten zwischen dem Medium und dem Rohrmaterial zu Turbulenzen und Verwirbelungen kommt, wodurch ein Absetzen der Kristallkeime an der Rohrinnenwand erheblich erschwert wird und somit die Ausbildung von kristallinen Schichten verlangsamt wird. Außerdem ist bei Wärmeaufnahme des Mediums auf Grund der konvexen Formelemente dichter an der Mittelachse des Rohres ein entsprechender Wärmedurchgang vorhanden, so dass ein gegebenenfalls im erstarrten Zustand vorliegendes Medium gleichmäßiger und schneller verflüssigt werden kann, als dies in glatt ausgeführten Rohren möglich ist. In a preferred embodiment it is provided that the device for receiving a volume flow is a tube, on the inner wall of which the convex shape elements are arranged. In this case, the present invention is not limited to the tube as a means for receiving a volume flow, but it can also be carried out by a groove, in the inner wall, the convex shape elements are arranged. The tube or the channel can be designed such that they have on their outer side corresponding concave mold elements, which form on the inside as said convex mold elements. When used in particular molten salts as a medium, such structural tubes have the advantage that turbulences and turbulences occur when heat is released in the region of the boundary layers between the medium and the tube material, thereby making it very difficult to settle the crystal nuclei on the tube inner wall and thus to prevent the formation of crystalline layers is slowed down. In addition, heat absorption of the medium due to the convex mold elements closer to the central axis of the tube, a corresponding heat transfer exists, so that an optionally present in the solidified state medium can be liquefied more uniformly and faster than is possible in smooth running tubes.
In einer besonderen Ausführungsform der konvexen Formelemente ist vorgesehen, dass ein jeweiliges konvexes Formelement in seiner senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Wandfläche und durch seinen Scheitelpunkt verlaufenden Schnittebene eine Querschnittsfläche aufweist, die durch eine im Wesentlichen bogenförmige Kante sowie eine an die bogenförmige Kante angeschlossene Kante begrenzt ist, die im Wesentlichen als Tangente ausgeführt ist, wobei die als Tangente ausgeführte Kante wieder in die Oberfläche übergeht. D. h., dass diese konvexen Formelemente derart ausgestaltet sind, dass sie in einer senkrecht zur Oberfläche und durch ihren Scheitelpunkt bzw. den am Weitesten von der Oberfläche entferntem Punkt sowie in Längserstreckung verlaufende Schnittebene eine Querschnittsfläche aufweisen, die durch eine im wesentlichen bogenförmige Kante sowie durch eine an die bogenförmige Kante angeschlossene Kante begrenzt ist, die im Wesentlichen als Tangente ausgeführt ist, wobei diese als Tangente ausgeführte Kante wiederum in die Oberfläche übergeht. Vorzugsweise ist die an die bogenförmige Kante angeschlossene Kante eine Tangente am Bogen der bogenförmigen Kante. Die Übergänge von der Oberfläche der Wandfläche zur bogenförmigen Kante bzw. zur Tangenten-Kante können abgerundet sein. In a particular embodiment of the convex mold elements is provided that a respective convex mold element in its plane perpendicular to the plane of the surface of the wall surface and extending through its apex cutting plane has a cross-sectional area bounded by a substantially arcuate edge and an edge connected to the arcuate edge is substantially tangent, with the edge running as a tangent returning to the surface. That is to say that these convex shaped elements are designed in such a way that, in a section perpendicular to the surface and through its vertex or point furthest from the surface, and in the longitudinal extension, they have a cross-sectional area which extends through a substantially arcuate edge and bounded by a connected to the arcuate edge edge, which is designed substantially as a tangent, which runs as a tangent edge again merges into the surface. Preferably, the edge connected to the arcuate edge is a tangent to the arc of the arcuate edge. The transitions from the surface of the wall surface to the arcuate edge or the tangent edge may be rounded.
Ein solches konvexes Formelement hat somit die Form eines halben sogenannten NACA-Profils oder auch eines halben Tropfenprofils. D.h., dass es sich bei diesem konvexen Formelement insgesamt um ein konvex gewölbtes Gebilde handelt, bei der die als Tangente ausgeführte Kante die bogenförmige Kante weiterführt. Dabei ist das konvexe Formelement derart in der Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes angeordnet, dass die in der Querschnittsfläche als Tangente ausgeführte Kante als erste vom Medium überströmt wird bzw. überströmbar ist und danach erst die bogenförmige Kante überströmt wird bzw. überströmbar ist. D.h., dass erst der flachere Bereich des konvexen Formelementes über- bzw. umströmt wird, so dass starke Verwirbelungen am und hinter dem konvexen Formelement entstehen, die die Ablagerungen bzw. das Absetzen von Kristallen verhindern. Such a convex mold element thus has the form of a half so-called NACA profile or even a half drop profile. That is to say that this convex shaped element as a whole is a convexly curved structure in which the edge designed as a tangent continues the arcuate edge. In this case, the convex mold element is arranged in the device for receiving a volumetric flow such that the edge executed as a tangent in the cross-sectional area is first overflowed by the medium or can be overflowed and then the arcuate edge is then overflowed or overflowed. This means that only the shallower region of the convex mold element is flowed over or around, so that strong turbulences arise on and behind the convex mold element, which prevent the deposits or the deposition of crystals.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das konvexe Formelement im wesentlichen symmetrisch gewölbt ausgeführt ist, wobei es möglicherweise im Querschnitt eine Kreis- oder Ellipsenform aufweist. In an alternative embodiment, it is provided that the convex mold element is executed substantially symmetrically curved, wherein it may have a circular or elliptical shape in cross section.
Benachbart angeordnete konvexe Formelemente können in Längserstreckungsrichtung der Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms jeweils in einer linear verlaufenden Reihe angeordnet sein, oder jeweils lateral versetzt in mehreren linear verlaufenden Reihen angeordnet sein. D. h, dass die konvexen Formelemente, die jeweils den geringsten Abstand zueinander haben, in Reihe hintereinander oder auch in Zick-Zack-Muster angeordnet sein können. Adjacent arranged convex shape elements may be arranged in the longitudinal direction of the device for receiving a volume flow in each case in a linearly extending row, or each arranged laterally offset in a plurality of linearly extending rows. That is to say that the convex shaped elements, which in each case have the smallest distance from each other, can be arranged in series one after the other or else in a zigzag pattern.
Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes eine lichte Weite W von 10 mm bis 200 mm auf. Bei einem Rohr ist die lichte Weite der Innendurchmesser. Bei einer Rinne ist die lichte Weite der maximale Abstand der Rinnenschenkel zueinander. Der Innendurchmesser des Rohres bzw. der Abstand der Rinnenschenkel zueinander kann insbesondere 10 mm bis 80 mm betragen. Preferably, the device for receiving a volume flow on a clear width W of 10 mm to 200 mm. For a tube, the inside diameter is the inside diameter. For a gutter, the clear width is the maximum distance between the gutter legs. The inner diameter of the tube or the distance of the trough legs to each other can be in particular 10 mm to 80 mm.
Dabei sollte die Höhe H eines jeweiligen konvexen Formelementes, im Bezug auf die Oberfläche, an der das konvexe Formelement angeordnet ist, zur lichten Weite W im Verhältnis von H ≤ 0,167 W stehen. Dabei ist die Höhe von der Oberfläche, an der das konvexe Formelement angeordnet ist, senkrecht dazu bis zum Scheitelpunkt des konvexen Formelementes zu messen. In this case, the height H of a respective convex mold element, with respect to the surface on which the convex mold element is arranged, to the clear width W in the ratio of H ≤ 0.167 W stand. In this case, the height of the surface on which the convex mold element is arranged to measure perpendicular thereto to the apex of the convex mold element.
Die maximale Breite eines jeweiligen konvexen Formelementes sollte zur lichten Weite W im folgenden Verhältnis stehen:
Hinsichtlich des zu bevorzugenden Abstandes A zwischen einzelnen, benachbarten konvexen Formelementen ist vorzugsweise vorgesehen, dass dieser Abstand A zur lichten Weite im Verhältnis von A = 0,125W bis 1,5W steht. In günstiger Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand A genauso groß ist wie die lichte Weite W. With regard to the preferable distance A between individual, adjacent convex shaped elements, it is preferably provided that this distance A to the clear width is in the ratio of A = 0.125W to 1.5W. In a favorable embodiment, it is provided that the distance A is the same as the clear width W.
Die Erfindung ergänzend wird eine Vorrichtung zur Ammoniakerwärmung und Harnstoffzersetzung zur Verfügung gestellt, welche eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes umfasst. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere bei der Melamin-Herstellung eingesetzt werden. Dabei dient die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms zum Transport einer kristallisierenden Harnstoff-Schmelze. The invention additionally provides a device for ammonia heating and urea decomposition, which comprises a device according to the invention for receiving a volume flow. Such a device can be used in particular in melamine production. In this case, the device according to the invention serves to receive a volume flow for transporting a crystallizing urea melt.
Es wird weiterhin eine Vorrichtung zur Aluminiumherstellung zur Verfügung gestellt, welche ebenfalls die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms aufweist, wobei diese zur Aufnahme eines Volumenstroms einer Aluminium-Schmelze dient. A device for producing aluminum is also provided, which likewise has the device according to the invention for receiving a volumetric flow, this serving to receive a volumetric flow of an aluminum melt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Wärmetauscher, umfassend mehrere erfindungsgemäße Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes zum Transport eines Mediums, die in einem Raum angeordnet sind, der von einem Fluid, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, durchströmt oder durchströmbar ist. Another aspect of the invention is a heat exchanger, comprising a plurality of inventive devices for receiving a volume flow for transporting a medium, which are arranged in a space which flows through or can be flowed through by a fluid which forms an ionic crystal structure in the solidified state.
Die Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes liegen hier vorteilhafterweise als beulstrukturierte Rohre vor. The devices for receiving a volume flow are advantageously present here as beulstrukturierte pipes.
Der Raum wird durch den Wärmetauscher bzw. durch dessen Gehäuse oder Mantel ausgebildet. The space is formed by the heat exchanger or by its housing or jacket.
Das Fluid, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, ist auch hier vorzugsweise eine mittels Sonnenenergie erwärmte Salzschmelze. The fluid, which forms an ionic crystal structure in the solidified state, is also here preferably a molten salt heated by solar energy.
Das Medium, welches mit den Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes transportiert wird, kann als Heiz- oder Kühlmittel bezeichnet werden und kann z.B. Wasser sein. The medium which is transported with the means for receiving a volume flow, can be referred to as heating or cooling means and can e.g. Be water.
Das heißt, dass im Unterschied zur Realisierung eines Volumenstroms mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes beim Wärmetauscher die Salzschmelze die Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes umströmt und nicht durchströmt. This means that in contrast to the realization of a volume flow by means of the device according to the invention for receiving a volume flow in the heat exchanger, the molten salt flows around the means for receiving a volume flow and does not flow through.
Durch den Verlauf der Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes durch den durchströmten Raum des Wärmetauschers erfolgt eine Wärmeübertragung vom Medium in den Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes auf das Fluid im Raum, durch den die Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes verlaufen, oder umgekehrt, wobei das Fluid im Raum die Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes, die vorzugsweise als Rohre ausgebildet sind, umströmt. Due to the course of the devices for receiving a volume flow through the space flowed through the heat exchanger is a heat transfer from the medium in the means for receiving a volume flow to the fluid in the room through which the means for receiving a volume flow, or vice versa, wherein the fluid Space, the means for receiving a volume flow, which are preferably designed as tubes, flows around.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein solarthermisches Kraftwerk, welches eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms zum Transport eines mittels Sonnenenergie erwärmten Mediums aufweist, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, insbesondere zum Transport einer Salzschmelze. Moreover, the present invention relates to a solar thermal power plant, which has a device according to the invention for receiving a volume flow for transporting a medium heated by solar energy, which forms an ionic crystal structure in the solidified state, in particular for transporting a molten salt.
Die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes kann dabei derart angeordnet sein, dass sie Sonnenstrahlung ausgesetzt oder aussetzbar ist. The device for receiving a volume flow can be arranged such that it is exposed or exposed to solar radiation.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms kann zum Beispiel eine Parabol-Rinne sein, in der eine mittels Sonnenergie zu erwärmende Salzschmelze geleitet wird. Alternativ kann die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms eine Rohrleitung sein, welche in der Parabol-Rinne, die als Sonnenkollektor ausgestaltet ist, verläuft. In beiden Ausgestaltungen werden Sonnenlicht-Strahlen auf das Medium in der Rinne geleitet, so dass dieses erwärmt oder auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, so dass die dadurch erzeugte Schmelze einen Wärmeübertrager zugeführt werden kann. The device according to the invention for receiving a volumetric flow can be, for example, a parabolic trough, in which a molten salt to be heated by means of solar energy is conducted. Alternatively, the device for receiving a volume flow may be a pipeline which extends in the parabolic trough, which is configured as a solar collector. In both embodiments, sunlight rays are directed to the medium in the channel, so that it is heated or maintained at a certain temperature, so that the melt produced thereby can be supplied to a heat exchanger.
Die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes ist also direkt Sonnenstrahlung ausgesetzt oder aussetzbar, insbesondere auf Grund der Anordnung in einem Fokus-Bereich fokussierter Sonnenstrahlen. The device for receiving a volumetric flow is therefore directly exposed to or exposed to solar radiation, in particular due to the arrangement in a focus region of focused solar rays.
Vorzugsweise werden Salzschmelzen eingesetzt, deren Arbeitstemperatur zwischen 200°C und 500°C liegt. Derartige Salzschmelzen bestehen in der Regel aus einem Gemisch von Alkalinitriten, die je nach Mischung einen Schmelzpunkt von über 140°C aufweisen können. Sie sind in einem Bereich von 180°C bis 550°C drucklos flüssig. Spezielle Salze bzw. Salzschmelzen können bis zu 650°C eingesetzt werden. Dadurch lässt sich eine Wärmeübertragung bei höheren Temperaturen als zum Beispiel mit Thermalölen realisieren, wobei zudem die erwärmte Salzschmelze eine relativ geringe Viskosität, eine gute Wärmeübertragungsfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweist. Das das Medium kontaktierende Material der Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms muss entsprechend korrosionsbeständig ausgeführt sein und außerdem eine ausreichende Duktilität zur Einbringung der konvexen Formelemente aufweisen. Preferably, molten salts are used whose working temperature is between 200 ° C and 500 ° C. Such salt melts usually consist of a mixture of Alkalineitriten, which may have a melting point of about 140 ° C depending on the mixture. They are without pressure in a range of 180 ° C to 550 ° C liquid. Special salts or molten salts can be used up to 650 ° C. As a result, a heat transfer at higher temperatures than, for example, with thermal oils can be realized, wherein moreover the heated molten salt has a relatively low viscosity, a good heat transfer capacity and a high heat capacity. The medium contacting material of the device for receiving a volume flow must be carried out in accordance with corrosion resistant and also have sufficient ductility for introducing the convex mold elements.
Zur weiteren Erhöhung der Effizienz der Wärmeübertragung und/ oder zur Ermöglichung katalytischer Reaktionen kann die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes an ihrer Oberfläche wenigstens gebietsweise eine Mikrostruktur aufweisen. To further increase the efficiency of the heat transfer and / or to enable catalytic reactions, the device for receiving a volume flow on its surface at least partially have a microstructure.
Die Mikrostruktur kann auf der Seite angeordnet sein, an der die konvexen Formelemente ausgebildet sind, oder aber auch auf der Seite, an der die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes konkave Formelemente aufweist. Die konkaven Formelemente z.B. auf der Außenseite einer als Rohr ausgeführten Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes können auf der Rohr-Innenseite die konvexen Formelemente ausbilden. The microstructure may be arranged on the side on which the convex shape elements are formed, or also on the side on which the device for receiving a volumetric flow has concave form elements. The concave shaped elements e.g. on the outside of a designed as a pipe means for receiving a flow rate can form the convex shape elements on the pipe inside.
Die Mikrostruktur kann dabei auf den Formelemente und/ oder daneben aufgebracht sein. The microstructure can be applied to the mold elements and / or adjacent thereto.
Die Mikrostruktur kann aus mehreren Vorsprüngen bestehen, deren maximaler Abstand von der Oberfläche weniger als 100 μm beträgt. The microstructure may consist of a plurality of protrusions whose maximum distance from the surface is less than 100 microns.
Vorzugsweise haben die Vorsprünge die Form eines Stiftes, der sich mit seiner Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Oberfläche erstreckt. Preferably, the projections are in the form of a pin which extends with its longitudinal axis either perpendicular or at an angle between 30 ° and 90 ° to the surface.
Die Anzahl der Vorsprünge ist je Flächeneinheit in Abhängigkeit von der Dicke der stiftförmigen Vorsprünge gestaltet, wobei für eine Anzahl von 102/ cm2 bis 108/ cm2 die Dicke zwischen 100 μm und 0,2 μm liegt. The number of projections is designed per unit area depending on the thickness of the pin-shaped projections, wherein for a number of 10 2 / cm 2 to 10 8 / cm 2, the thickness is between 100 .mu.m and 0.2 .mu.m.
Die Länge der stiftförmigen Vorsprünge sollte zwischen 10 μm und 195 μm liegen. The length of the pin-shaped projections should be between 10 .mu.m and 195 .mu.m.
Die lichte Weite zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen sollte zwischen 0,6 μm und 1000 μm liegen. The clear width between the pin-shaped projections should be between 0.6 μm and 1000 μm.
Die Stiftform kann in Richtung Pilz-, Kegel- oder Nadelform variieren. The pen shape may vary in the direction of mushroom, cone or needle shape.
In alternativer Ausgestaltung besteht die Mikrostruktur aus einer porösen Schicht, wobei die Poren eine Tiefe von weniger als 200 μm aufweisen. Auch hier ist vorgesehen, dass die Poren im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sind, wobei sich die Hohlzylinder mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Oberfläche erstrecken. In an alternative embodiment, the microstructure consists of a porous layer, wherein the pores have a depth of less than 200 microns. Again, it is provided that the pores are formed substantially hollow cylindrical, with the hollow cylinder extending with its longitudinal axis either perpendicular or at an angle between 30 ° and 90 ° to the surface.
Die Anzahl der Poren ist je Flächeneinheit in Abhängigkeit von der lichten Weite der Poren gestaltet, wobei für eine Anzahl von 102/ cm2 bis 108/ cm2 die lichte Weite zwischen 100 μm und 0,2 μm liegt. The number of pores per unit area is designed as a function of the clear width of the pores, wherein for a number of 10 2 / cm 2 to 10 8 / cm 2, the clear width is between 100 .mu.m and 0.2 .mu.m.
Die Länge der Poren sollte zwischen 10 μm und 195 μm liegen. The length of the pores should be between 10 μm and 195 μm.
Der Abstand zwischen den Poren sollte zwischen 0,6 μm und 1000 μm liegen. The distance between the pores should be between 0.6 μm and 1000 μm.
Die poröse Schicht ist vorzugsweise aus einem Material aus der Gruppe der Zeolithe hergestellt. The porous layer is preferably made of a material from the group of zeolites.
Die Mikrostruktur dient in dieser Ausgestaltung als sogenannte „schwarze Falle“, also als eine Einrichtung, mit der effizient Energie der Sonnenstrahlung absorbiert und in die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes als Wärme eingetragen werden kann, von der die Wärme auf das Medium bzw. die Salzschmelze übertragbar ist, so dass die Viskosität des Mediums bzw. der Salzschmelze und/ oder die Kristallisierungsneigung gering gehalten wird. In this embodiment, the microstructure serves as a so-called "black trap", ie as a device with which energy of the solar radiation can be efficiently absorbed and introduced into the device for receiving a volume flow as heat, from which the heat is transferred to the medium or molten salt is transferable, so that the viscosity of the medium or the molten salt and / or the crystallization tendency is kept low.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftwerks ist die, dass das Kraftwerk einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher aufweist. Dabei können einzelne Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, bis in den Wärmetauscher führen und dort einen Bestandteil des Wärmetauschers ausbilden. Another embodiment of the power plant according to the invention is that the power plant has a heat exchanger according to the invention. In this case, individual facilities for receiving a volume flow, which are exposed to solar radiation, lead into the heat exchanger and form there a part of the heat exchanger.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt ist ein Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums, welches im erstarrten Zustand eine Ionenkristallstruktur ausbildet, bei dem eine Schmelze des Mediums, insbesondere eine Salzschmelze, durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes geleitet wird. Das heißt, dass ein Transport des Mediums realisiert wird, und zwar durch eine Einrichtung, die wenigstens eine den Volumenstrom zumindest einseitig begrenzende Wandfläche aufweist, wobei an oder in dieser Wandfläche konvexe Formelemente angeordnet sind, die sich in das Medium erstrecken. A further aspect of the invention is a method for realizing a volume flow of a medium which, in the solidified state, forms an ionic crystal structure in which a melt of the medium, in particular a molten salt, is passed through a device according to the invention for receiving a volume flow. This means that a transport of the medium is realized, by a device which has at least one wall surface bounding the volume flow at least on one side, wherein convex shaped elements which extend into the medium are arranged on or in this wall surface.
Vorzugsweise weist die Schmelze des Mediums eine Temperatur von 150°C bis 650°C, insbesondere eine Temperatur von 180°C bis 550°C auf. Preferably, the melt of the medium has a temperature of 150 ° C to 650 ° C, in particular a temperature of 180 ° C to 550 ° C.
In der Ausführungsform der Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms, bei der ein jeweiliges konvexes Formelement in seiner senkrecht zur Ebene zur Oberfläche der Wandfläche und durch seinen Scheitelpunkt verlaufenden Schnittebene eine Querschnittsfläche aufweist, die durch eine im Wesentlichen bogenförmige Kante sowie eine an die bogenförmige Kante angeschlossene Kante begrenzt ist, die im Wesentlichen als Tangente ausgeführt ist, die in die Oberfläche übergeht, ist vorgesehen, dass die Schmelze das jeweilige konvexe Formelement an den im Querschnitt als Tangente ausgebildeten Bereich anströmt. D. h., dass bei Anordnung eines konvexen Formelementes in einer halben Tropfenform die Schmelze dieses konvexe Formelement von der schmalen Seite her anströmt. Dadurch werden starke Verwirbelungen und dementsprechend gute Durchmischungen der Schmelze und demzufolge eine effiziente Verhinderung der Kristall-Ablagerungen erzielt. Außerdem wird dadurch eine effiziente Wärmeleitung innerhalb des Mediums erreicht. In the embodiment of the device for receiving a volumetric flow in which a respective convex mold element in its plane perpendicular to the plane to the surface of the wall surface and extending through its apex cutting plane has a cross-sectional area through a substantially arcuate edge and an edge connected to the arcuate edge is limited, which is designed substantially as a tangent, which merges into the surface, it is provided that the melt flows against the respective convex mold element on the formed in cross-section as a tangent region. In other words, when a convex shaped element is arranged in a half drop shape, the melt flows into this convex shaped element from the narrow side. As a result, strong turbulence and accordingly good mixing of the melt and thus an efficient prevention of crystal deposits are achieved. In addition, this efficient heat conduction is achieved within the medium.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Realisierung eines Volumenstromes eines Mediums kann insbesondere in einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden, bei dem ein mittels Sonnenenergie erwärmtes Medium, welches im erstarrten Zustand einer Ionenkristallstruktur ausbildet, in einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms transportiert wird, das erwärmte Medium zur Verfügung gestellt wird und die Wärmeenergie des Mediums zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. The inventive method for realizing a volume flow of a medium can be used in particular in a method for generating electrical energy, in which a medium heated by solar energy, which forms an ionic crystal structure in the solidified state, is transported in a device according to the invention for receiving a volume flow, the heated Medium is provided and the heat energy of the medium is at least partially converted into electrical energy.
Dadurch kann das erwärmte Medium zum Beispiel einem Wärmetauscher zugeführt werden, in dem die Wärme der Schmelze zumindest anteilig auf ein weiteres Medium übertragen wird, wobei die Wärmeenergie dieses Mediums in mechanische Energie und diese wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. As a result, the heated medium can be supplied, for example, to a heat exchanger in which the heat of the melt is at least partially transferred to a further medium, wherein the heat energy of this medium is converted into mechanical energy and this in turn into electrical energy.
In der Ausgestaltung, in der Sonnenenergie in elektrische Energie umgesetzt wird, ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes beim Transport des Mediums Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. In the embodiment, in which solar energy is converted into electrical energy, it is provided that the device for receiving a volume flow during transport of the medium is exposed to solar radiation.
In der Ausgestaltung, in der ein Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie genutzt wird, ist vorgesehen, dass in einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zumindest anteilig Wärme von einem Fluid, welches den Raum des Wärmetauschers durchströmt, auf das Medium in den Einrichtungen zur Aufnahme eines Volumenstromes übertragen wird, das erwärmte Medium zur Verfügung gestellt wird und die Wärmeenergie des Mediums zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. In the embodiment, in which a heat exchanger is used for the transmission of heat energy, it is provided that in a heat exchanger according to the invention at least partially heat from a fluid which flows through the space of the heat exchanger, is transferred to the medium in the means for receiving a volume flow, the heated medium is provided and the heat energy of the medium is at least partially converted into electrical energy.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: The present invention will be explained below with reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings. It shows:
Auf die in
In dieser Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes
Die konvexen Formelemente
Die konvexen Formelemente
In
Aus einer Zusammenschau der
In
In
Insbesondere bei der dargestellten Verwendung bietet es sich an, dass auf der Außenseite der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms
D. h., dass die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstroms
Insgesamt wird somit eine Einrichtung zur Verfügung gestellt, die auf Grund der Anordnung bestimmter konvexer Formelemente
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Einrichtung zur Aufnahme eines Volumenstromes Device for receiving a volume flow
- 2 2
- Längserstreckungsrichtung Longitudinal extension
- 3 3
- Volumenstrom flow
- 4 4
- Verwirbelung turbulence
- 5 5
- Partikel particle
- 10 10
- Wandfläche wall surface
- 11 11
- Oberfläche surface
- 2020
- konvexes Formelement convex shape element
- 21 21
- Scheitelpunkt vertex
- 2222
- bogenförmige Kante arcuate edge
- 23 23
- Tangente tangent
- 24 24
- Abrundung rounding off
- W W
- lichte Weiteclear width
- HH
- Höhe height
- B B
- Breite width
- A A
- Abstand distance
- 30 30
- Sonnenstrahlung solar radiation
- 31 31
- Reflektor reflector
- 32 32
- Reflektierte Strahlung Reflected radiation
- 40 40
- Wärmetauscher heat exchangers
- 41 41
- Medium medium
- 42 42
- Fluid fluid
- 43 43
- Raum room
Claims (14)
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ERK ECKROHRKESSEL HOLDING GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ERK ECKROHRKESSEL GMBH, 12435 BERLIN, DE |