DE3042557C2 - Wärmetauscher, insbesondere für Sonnenkraftwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher wie er

im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist

Derartige Wärmetauscher dienen der Übertragung von Wärme aus Wärmestrahlung oder aus einem Verbrennungsprozeß an ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeträgermedium, welches die aufgenommene Wär me zur weiteren Verwendung, beispielsweise zum Antrieb einer Turbine, weitertransportiert Zur Verbesserung des thermodynamischen Prozeßwirkungsgrades werden möglichst hohe Temperaturen des Wärmeträgermediums am Ausgang des Wärmetauschers in der Größenordnung zwischen 1200 und 1600 K angestrebt, jedoch ergeben sich dabei erhebliche Materialprobleme. In Sonnenkraftwerken sind in der Regel Wärmetauscher vorgesehen, in denen die Temperaturen des Wärmeträgermediums 1000 K nicht überschreiten. Bei einem solchen Wärmetauscher lassen sich metallische Werkstoffe für die Konstruktion des Wärmetauschers einsetzen. Bei Steigerung der Temperatur des Wärmeträgermediums sind jedoch diese metallischen Werkstoffe nicht mehr zur Konstruktion des Wärmetauschers geeignet

Ein geeignetes Material für den Aufbau von Hochtemperaturwärmetauschern wäre Keramik. Dies ist auch bereits in Einzelfällen vorgeschlagen worden (pE-Gbm 19 96 600, DE-AS 12 02 426). Jedoch ergibt

sich hier die Schwierigkeit, daß keramische Werkstoffe in herkömmlichen Konstruktionen stark auf Zug beansprucht werden, so daß eine sehr geringe Zuverlässigkeit der Keramikstruktur zu erwarten ist Keramische Werkstoffe sind bekanntlich auf Zug nur wenig belastbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß ein keramischer Werkstoff so eingesetzt wird, daß dieser nicht oder nur gering auf Zug beansprucht wird und daß die Außenwand des Wärmetauschers so abgeschirmt wird, daß herkömmliche Materialien eingesetzt werden können, die auf Zug beansprucht werden können. Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmale gelöst. Dieser erfindungsgemäße Aufbau, bei dem kerami-

scher Werkstoff an der Innenseite des im Querschnitt ringförmigen Wärmetauschers vorgesehen ist, gewährleistet, daß der keramische Werkstoff vorwiegend auf Druck belastet wird. Die schichtweise Anordnung des Wärmeträgermedien-Leitungssystems sichert eine einwandfreie Abschirmung des auf hoher Temperatur befindlichen Innenraums des Wärmetauschers gegenüber der Außenwand, so daß an der Außenwand herkömmliche Mittel zur Aufnahme von Zugbelastungen angeordnet sein können, beispielsweise Bandagen aus Stahl oder aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest der der Wärmequelle zugewandte Teil der Wandung aus - keramischen Hohlblocksteinen aufgebaut ist, deren Hohlräume mit den Hohlräumen benachbarter Hohlblocksteine unter Ausbildung durchgehender Strömungskanäle ausgerichtet sind.

Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere bei . Wärmetauschern mit großen Abmessungen einmal einen besonders einfachen Aufbau des der Wärmequelle zugewandten Bereichs der Wandung, zum anderen erhält man auf einfachste Weise Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium, die im wesentlichen parallel zur Innenwand des Wärmetauschers verlaufen und somit die durch die Innenwand übertragene Wärme optimal aufnehmen können.

Vorteilhaft ist es, wenn die Hohlblocksteine in radialer Richtung mehrere voneinander getrennte Hohlräume aufweisen, so daß insgesamt mehrere Strömungskanäle in unterschiedlichem Abstand vrn der Wärmequelle ausgebildet sind. Dadurch wird die Stabilität des aus Hohiblocksteinen bestehenden Bereichs der Wandung erhöht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß an dem der Wärmequelle zugewandten, massiven Wandteil der Wandung aus keramischem Material als Versteifung radial nach außen abstehende Rippen angeformt sind. Zur Vergrößerung der Wärmetauscherfläche und zur Vergleichmäßigung der Wandungstemperaturen umgeben diese den massiven Wandteil vorzugsweise schraubenförmig.

Die Zwischenräume zwischen diesen Rippen bilden vorzugsweise die Strömungskanäle für das Wärmeträgermittel auf dem höchsten Temperaturniveau.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß sich radial außerhalb des Bereichs der Hohlblocksteine bzw. der Rippen Hohlräume in der Wandung befinden, die durch Trennwände derart in Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium unterteilt sind, daß dieses nacheinander Bereiche der Wandung durchströmt, die zunehmend näher an der Wärmequelle liegen. Diese Ausgestaltung führt zu einem Temperaturgefälle von der Innenseite zur Außenseite des Wärmetauschers. Durch den speziellen Aufbau beaufschlagt das Wärmeträgermedium die Trennwände auf beiden Seiten. Dadurch haben diese nur selbsttragende Funktion und können daher als extremer Leichtbau ausgeführt werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß die Wandung an den Stirnseiten mittels eines Deckels verschlossen ist und daß die gegenüberliegenden Deckel im Bereich der Wandungsinnenseite stark und in den weiter außen liegenden Bereichen weniger stark gegeneinander verspannt sind. Auf diese Weise bildet die Anlage des Deckels an der Innenseite der Wandung praktisch ein festes Lager, während an der Außenseite eine Relativbewegung zwischen Deckel und Wandung möglich ist, so daß unterschiedliche Temperaturausdehnungen ohne Aufbau von Spannungen realisiert werden können, s Insbesondere bei der Ausführung der Abdichtung ist dabei von Vorteil, daß im Bereich der hohen Temperaturen an der Innenseite keine Gleitdichtung vorgesehen werden muß, sondern eine feste, unverschiebliche Dichtung erfolgen kann,
ίο Insbesondere bei Wärmetauschern mit kleinen Durchmessern kann vorgesehen sein, daß ein kuppeiförmiger Deckel als Sammler für das nach dem Durchströmen der Wandung aufgeheizte Wärmeträgermedium ausgebildet ist und dazu einerseits mit den einzelnen Strömungskanälen und andererseits mit einer Abzugleitung für das Wärmeträgermedium verbunden ist.

Die vorstehend beschriebenen Lösungen eignen sich bevorzugt für ein gasförmiges Wärmträgermedium. Für gasförmige und flüssige Wärmeträgermedien ist es vorteilhaft, wenn das Leitungssystem für das Wärmeträgermedium durch ein Rohrsystem gebildet ist, welches mehrere Lagen bildet, die vom Wärmeträgermedium sukzessive von außen nach innen durchströmt werden, und wenn das Rohrsystem sich in einem Hohlraum der Wandung befindet, der mit einem Druckmittel gefüllt ist, dessen Druck ungefähr so groß ist wie der Druck des Wärmeträgermediums im Innern des Rohrsystems. Auf diese Weise werden in den Wänden des Rohrsystems keine großen Spannungen auftreten, da die Drücke im Innern und im Äußeren der Rohre sich ausgleichen. Dies ermöglicht z.B. die Verwendung von keramischem Werkstoff für dieses Rohrsystem.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung in ihrem der Wärmequelle abgewandten Bereich zur Aufnahme von Zugkräften mit einer Stahlarmierung versehen ist oder eine Schicht aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff umfaßt

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist darin zu sehen, daß die der Wärmequelle zugewandte Innenwand des Wärmetauschers eine geeignete Strukturierung zur Optimierung des Wärmeüberganges aufweisen kann, beispielsweise Vorsprüngfc, Noppen oder dergleichen. Da die innere Schicht aus keramischem Werkstoff nicht auf Zug, sondern auf Druck belastet wird, können solche Kerben etc. nicht zu einer Beschädigung der Innenwand führen. Es läßt sich also die Innenwand für die Wärmeübertragung optimal ausgestalten.

Wärmetauscher der beschriebenen Art finden bevorzugt Verwendung bei Sonnenkraftwerken, bei denen die Sonnenstrahlung in das Innere der Wärmetauscher fokussiert wird. Es ist jedoch ohne weiteres auch möglich, Wärmetauscher dieser Art im Zusammenhang mit anderen Wärmequellen einzusetzen, beispielsweise mit Verbrennungswärmequellen oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch bei Brennkammerkonstruktionen anwenden, wobei in diesem Fall das Wärmeträgermedium die spätere Verbrennungsluft ist, die vorgewärmt wird.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt
F i g. 1 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht eines aufgebrochenen Wärmetauschers gemäß der Erfindung;
F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 des oberen Teils

• einer abgewandelten Ausführungsform eines Wärmetauschers;

F i g. 3 einen Hohlblockstein aus keramischem Werkstoff, wie er zum Aufbau der Wandung eines Wärmetauschers Verwendung finden kann;

Fig.4 eine radiale Teilschnittansicht eines ersten Ausfühningsbeispiels eines Wärmetauschers;

F i g. 5 eine schaubildliche Ansicht eines Umlenkelementes zur Verwendung in dem Wärmetauscher der Fig.4; ίο

Fig.6 eine Ansicht ähnlich Fig.4 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers;

F i g. 7 eine Teilschnittansicht eines in einer Axialebene geschnittenen Wärmetauschers gemäß F i g. 6 und ι s

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers mit schraubenförmig angeordneten Rippen.

Der grundsätzliche Aufbau eines Wärmetauschers ergibt sich aus der vereinfachten Darstellung der F i g. 1. Der im Querschnitt kreisringförmige Wärmetauscher umgibt einen zylindrischen Innenraum 1, in dem die zu übertragende Wärme bereitgestellt wird, beispielsweise durch Fokussierung von Sonnenstrahlung oder durch Einleiten heißer Brenngase etc. Der Wärmetauscher umgibt den Innenraum 1 mit einer kreiszylindrischen Wandung 2, die zumindest in dem dem Innenraum 1 zugewandten Bereich aus einem keramischen Werkstoff besteht Die dem Innenraum 1 zugewandte Innenwand 3 steht dabei unter einem radial nach innen gerichteten Druck.

Im Inneren der Wandung 2 befinden sich eine Vielzahl von Strömungskanälen 4, die in parallel zur Innenwand 3 angeordneten Schichten derart geführt sind, daß ein durch einen Einlaß 5 eingeleitetes Wärmeträgermedium diese Schichten nacheinander von außen nach innen durchläuft, bis es durch einen Auslaß 6 die am nächsten an der Innenwand 3 gelegene Schicht wieder verläßt In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einlaß 5 als Ringspalt in dem die Wandung 2 auf der Oberseite stirnseitig verschließenden Deckel 7 und der Auslaß 6 ebenfalls als Ringspalt in diesem Deckel 7 ausgebildet Der den Einlaß 5 bildende Ringspalt steht auf seiner gesamten Länge mit einem Zufuhrrohr 8 für das Wärmeträgermedium in Verbindung, der den Auslaß 6 bildende Ringspalt in gleicher Weise mit einem Sammelrohr 9. Auf diese Weise tritt das zugeführte Wärmeträgermedium durch das Zufuhrrohr 8 über den gesamten Umfang verteilt in die Strömungskanäle 4 ein und gelangt nach Durchströmen der Strömungskanäle in der Wandung 2 so ebenfalls längs des gesamten Umfanges der Wandung 2 in das ringförmige Sammelrohr 9, von dem es zur weiteren Verwendung abgeleitet wird. Der Ringspalt kann durch Stege in Einzelabschnitte unterteilt sein.

Statt das Wärmeträgermedium nach dem Durchströmen der Wandung in einem Sammelrohr 9 zu sammeln, ist es auch möglich, den Innenraum 1 an der Oberseite mit einem kuppeiförmigen, doppelwandig ausgebildeten Verschlußteil 10 zu versehen, wie dies in Fig.2 dargestellt ist Bei diesem Ausffihrungsbeispiel steht der Zwischenraum 11 zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 13 des Verschlußteils 10 einerseits mit dem als Ringspalt ausgebildeten Auslaß 6 im Deckel 7 und andererseits mit einer Abflußleitung 14 am Scheitel des kuppeiförmigen Verschlußteils 10 in Verbindung, so daß das aus der Wandung austretende Wärmeträgermedium aus allen Umfangsbereichen des Wärmetauschers der Abflußieitung 14 zugeführt wird

Die Form der Innenwand 13 wird auf Außendruckbelastung so optimiert daß minimale Zugspannungen auftreten. Die Außenwand 12 wird zu einer formschlüssig anliegenden Stützstruktur vorteilhafterweise thermisch isoliert Abstrahlverluste können durch Vorwärmen des Wärmeträgermediums und durch Wärmekontakt mit diesem herabgesetzt werden. Dies ist in F i g. 2 nicht eigens dargestellt

Anhand der Fig.3 bis 5 wird im folgenden eine detailliertere Beschreibung des Aufbaus der Wandung 2 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gegeben.

Aus der Darstellung der F i g. 4 wird deutlich, daß der Abschluß der Wandung 2 an der unteren Stirnseite mittels eines Deckels 15 erfolgt der auf einer ringförmigen Stützkonstruktion 16 aufruht Die Stützkonstruktion 16 ist dabei so breit ausgebildet, daß sie über die gesamte Breite der Wandung 2 reicht und an der äußeren Seite der Wandung über diese vorsteht Zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit ist die Stützkonstruktion 16 als verstärkte Rahmenkonstruktion ausgebildet, deren obere, im wesentlichen plane Fläche den Deckel 15 trägt

Auf dem Deckel 15 befinden sich in radialer Richtung nebeneinander zwei Reihen aus Umlenkelementen 17, 17a, von denen eines in Fig.5 in perspektivischer Ansicht dargestellt ist Zumindest die radial innen liegenden Umlenkelemente 17 bestehen aus einem keramischen Werkstoff, grundsätzlich können auch die außen liegenden Umlenkelemente aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sein.

Bis auf geringfügige Unterschiede sind die Umlenkelemente beider Reihen gleich ausgebildet Sie weisen beide senkrechte Seitenwände 18 und 19 auf, die parallel zueinander verlaufen und entweder als ebene Flächen ausgebildet sind oder derart daß sie konzentrisch zum Mittelpunkt des zylindrischen Wärmetauschers verlaufenden Kreisbogenabschnitte angepaßt sind.

Zwischen den beiden Seitenwänden befinden sich zwei Umlenkflächen 20 bzw. 21 in Form von Zylinderflächen, deren gemeinsame Achse an der Oberkante der Umlenkelemente zwischen den beiden Seitenwänden angeordnet ist Der Radius der äußeren Umlenkfläche ist etwa doppelt so groß wie der Radius der inneren Umlenkfläche. Die beiden Umlenkflächen

20 und 21 sind an quer zu den Seitenwänden 18 und 19 angeordneten Querwänden 22 und 23 und einer dazwischen liegenden Querwand 24 gehalten.

An der Unterseite sind an der äußeren Umlenkfläche

21 nach unten abstehende Stützelemente 25 angeformt die ebenso wie die Unterkanten der Seitenwände 18 und 19 auf dem unteren Deckel 15 ruhen (F i g. 4 und 5).

Die innere Seitenwand 18 des inneren Umlenkelementes 17 ist nach unten über den Deckel 15 und die darunterliegende Stützkonstruktion 16 vorgezogen, so daß sie diese Teile gegenüber dem Innenraum 1 abdeckt Die Seitenwand 18 weist in diesem Falle einen nach innen ragenden Vorsprung 26 auf (F i g. 4), mit welchem sich die Seitenwand 18 auf dem unteren Deckel 15 abstützt

Auf die Oberkanten der Umlenkelemente 17 sind auf der dem Innenraum 1 zugewandten Seite Hohlblocksteine 27 aus Keramik aufgesetzt, wie sie in Fig.3 dargestellt sind. Diese Hohlblocksteine sind im wesentlichen quaderförmig aufgebaut und weisen zwischen ihren Seitenwinden 28, 29 paarweise nebeneinander liegende, in senkrechter Richtung durchgehende öffnungen 30 auf, die durch senkrecht zueinander verlaufende Stege 31 und 32 voneinander getrennt sind.

Die Seitenwände 28 und 29 können ebenso wie die Seitenwände 18 und 19 der Umlenkelemente entweder eben sein oder kreisbogenförmig, wobei der Verlauf konzentrisch zur Achse des zylindrischen Wärmetauschers ist.

Die Hohlblocksteine 27 werden in der aus Fig.4 ersichtlichen Weise derart übereinander auf die Umlenkelemente 17 aufgesetzt, daß ihre Seitenwand 28 mit der Seitenwand 18 des inneren Umlenkelementes 17 fluchtet, während die gegenüberliegende Seitenwand 29 im wesentlichen genau über der Mitte des Umlenkelementes 17 verläuft, d. h. die Tiefe der Hohlblocksteine 27 ist halb so groß wie die Tiefe der Umlenkelemente 17. Auf diese Weise fluchtet die dem Innenraum zugewandte Kante der inneren Umlenkfläche 20 mit dem Steg 32 des darüber angeordneten Hohlblocksteines 27, so daß die Umlenkelemente zusammen mit den Hohlblocksteinen 27 zwei parallele Kanäle 33 und 34 ausbilden, die ihre Richtung innerhalb der Umlenkelemente 17 um 180° umkehren (F i g. 4). Beide Kanäle 33,34 werden aus einem gemeinsamen Kanal 36 gespeist

Nachdem sowohl die Hohlblocksteine 27 als auch die darunter angeordneten Umlenkelemente 17 aus Keramik bestehen, bilden deren Seitenwände 18 bzw. 28 gemeinsam die Innenwand 3 der Wandung 2 aus, welche den innen liegenden Kanal 33 gegenüber dem Innenraum 1 abtrennt

Die Hohlblocksteine 27 werden dabei vorzugsweise so übereinander geschichtet, daß sie in Umfangsrichtung um eine halbe Hohlblocksteinbreite gegeneinander versetzt sind, so daß das rechte Öffnungspaar eines Hohlblocksteines 27 mit dem linken Öffnungspaar des darüberliegenden Hohlblocksteines 27 ausgerichtet ist Zur dichten Verbindung werden die Steine entweder durch geeignete Ausbildung der aneinander liegenden Stirnflächen formschlüssig oder unter Verwendung eines feuerfesten Kittes dicht miteinander verbunden.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es jederzeit, einzelne Hohlblocksteine 27 auszutauschen, ohne daß die gesamte Wandstruktar dabei zerstört wird.

Oberhalb der gegenüberliegenden Seitenwand 19 des Umlenkelementes befindet sich eine Trennwand 35, die parallel zur Innenwand 3 verläuft und vorzugsweise selbsttragend ausgebildet ist Diese formt zusammen mit der gegenüberliegenden Trennwand, die durch die Seitenwände 29 der Hohlblocksteine gebildet wird, einen weiteren Kanal 36, der im wesentlichen doppelt so breit ist wie die Kanäle 33 und 34 in den Hohlblocksteinen.

In ähnlicher Weise befindet sich über dem weiter außen liegenden Umlenkelement 17a in dessen Mitte eine selbsttragende Trennwand 37 und an der äußeren Seite eine Außenwand 38, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise gleichzeitig als thermisch isolierende Schicht ausgebildet ist, d. h. aus einem thermisch isolierenden Material besteht Diese Wände bilden zwischen sich Kanäle 39 bzw. 40, wobei der Kanal 40 fiber das darunterliegende Umlenkelement mit dem Kanal 39 in Verbindung steht

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Trennwand 35 an ihrem oberen Ende mit Abstand vom Deckel 7 endet, so daß hier eine Verbindung zwischen dem Kanal 39 und dem benachbarten Kanal 36 entsteht

Während die Hohlblocksteine 27 und das innere Umlenkelement 17 in jedem Fall aus Keramik bestehen müssen, ist dies bei den Wänden 35 und 37 und bei dem hinteren Umlenkelement 17a nicht unbedingt notwendig, wenn die Temperatur in diesem Bereich so niedrig ist, daß auch andere Werkstoffe, beispielsweise Metalle, Verwendung finden können. Selbstverständlich ist aber auch hier möglich, Keramik als Werkstoff einzusetzen. Auf der Außenseite ist die Außenwand 38 von einer Schicht 41 umgeben, die geeignet ist, Zugkräfte aufzunehmen. Diese Schicht 41 kann beispielsweise aus Stahl oder aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehen. Letzterer kann beispielsweise bei der Montage dadurch aufgebracht werden, daß Fasern in

to Umfangsrichtung auf die Außenwand 38 aufgewickelt und mittels eines geeigneten Matrix-Materials zu einem Verbundwerkstoff vereinigt werden.

Um die gesamte Konstruktion zu stabilisieren, werden die beiden Deckel 7 und 15 in axialer Richtung gegeneinander verspannt. Dazu sind an der Außenseite Zuganker 42 vorgesehen, die den über die Außenwand hervorstehenden Teil der Stützkonstruktion 16 durchgreifen. In gleicher Weise durchgreifen diese Zuganker radial nach außen vorspringende Teile der oberen Deckel 7, was in der Zeichnung nicht eigens dargestellt ist

Die Stützkonstruktion einschließlich der Zuganker 42 kann gegen Wärmeeinstrahlung von außen, wie sie beispielsweise bei einer Defokussierung der Solarkol lektoren auftreten kann, durch eine thermische Isolie rung geschützt sein, welche den gesamten Wärmetauscher in der Art einer Vorhängefassade umgeben kann. Die Stützkonstruktion 16 ist vorzugsweise so geformt, daß sie im unverspannten Zustand nur im Bereich des Vorsprungs 26 anliegt, im übrigen Bereich jedoch einen Abstand vom unteren Deckel 15 einnimmt. Erst durch das Spannen des Zugankers 42 wird die Stützkonstruktion an der Außenseite gegen die Unterkante der Wandung gespannt, so daß insgesamt die Spannung zwischen oberem und unterem Deckel im Bereich der Innenwand 3 wesentlich größer ist als im Bereich der Außenwand 38. Dies führt dazu, daß im Bereich der Innenwand eine feste Lagerung der Stützkonstruktion gegeben ist, während an der Außen-

•so wand ein Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnung möglich ist

In der Konstruktion tritt ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft oder ein anderes Gas durch den Einlaß 5 in den äußeren Kanal 40 ein und gelangt von diesem über das äußere Umlenkelement 17a in den Kanal 39, von diesem in den benachbarten Kanal 36 und von diesem über das innere Umlenkelement 17 in die beiden Kanäle 33 und 34, wobei der Strom des Wärmeträgermediums durch die innere Umlenkfläche

so 20 in zwei Teilströme unterteilt wird. Nach dem Passieren der Kanäle 33 und 34 tritt das Wärmeträgermedium schließlich durch den Auslaß 6 entweder in das Sammelrohr 9 oder in den Verschlußteil 10 aus. Dabei ist wesentlich, daß durch die Anordnung der Kanäle im Inneren der Wandung 2 in radialer Richtung mehrere Schichten gebildet werden, die von dem Wärmeträgermedium nacheinander von außen nach innen durchflossen werden. Dies führt zu einem Temperaturgefälle von der Innenseite zur Außenseite, so daß die relativ wärmeempfindlichen Materialien an der Außenseite des Wärmetauschers gut geschützt sind. Im Hochtemperaturbereich an der Innenseite besteht der Wärmetauscher aus keramischem Material, das diesen hohen Temperaturen standhalten kann.

Selbstverständlich ist die Zahl der Umlenkelemente nicht auf zwei beschränkt, es können mehrere Umlenkelemente in radialer Richtung hintereinander angeordnet sein, so daß sich eine größere Anzahl von in

230242/670

9 10

radialer Richtung aufeinanderfolgenden Kanälen ergibt. sind.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist der Innenraum 1 In aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise stehen

an seiner Oberseite abgeschlossen, beispielsweise die äußeren Abschnitte 48 mit dem Einlaß 5 und die

mittels einer gewölbten, isolierenden und gut reflektie- inneren Abschnitte 51 mit dem Auslaß 6 in Verbindung,

renden Keramikplatte. Diese verhindert konvektive 5 so daß das Wärmeträgermedium das Rohrsystem von

Verluste und reflektiert auftreffende Strahlung an die außen nach innen durchfließt.

wärmetauschende Innenwand 3. Vorzugsweise ist das Rohrsystem aus Keramik

Während ein beispielhafter Aufbau der unteren aufgebaut. Damit die Keramikrohre keine großen Umlenkelemente 17, 17a anhand der Fig.4 und 5 Zugspannungen aufnehmen müssen, ist der Hohlraum

ausführlich beschrieben worden ist, versteht es sich, daß io 44 mit einem Druckmedium gefüllt, beispielsweise mit

auch die oberen Umlenkelemente ähnlich aufgebaut Luft oder einem Inertgas, dessen Druck ungefähr so

werden können. Selbstverständlich ist dabei dafür Sorge groß ist wie der Druck des Wärmeträgermediums im

zu tragen, daß die ringspaltförmigen Ein- und Auslässe Inneren des Rohrsystems. Dies gewährleistet, daß die

in der Deckelkonstruktion vorgesehen werden. Rohre des Rohrsystems vorzugsweise auf Druck

In den Fig.6 und 7 ist ein weiteres bevorzugtes 15 beansprucht werden, eine dem keramischen Material Ausfuhrungsbeispiel eines Wärmetauschers dargestellt. adäquate mechanische Belastung. Wesentliche Teile entsprechen denen der bisher Auch in dieser Konstruktion ist durch die lagenweise

beschriebenen Ausführungsbeispiele; entsprechende Anordnung der Rohre dafür Sorge getragen, daß die

Teile tragen daher gleiche Bezugszeichen. Temperatur von der Innenseite zur Außenseite hin

Die Wandung 2 wird auf der Innenseite durch eine 20 stetig abfällt, so daß an der Außenseite temperaturempdurchgehende Innenwand 3 aus Keramik begrenzt, die findlichere Werkstoffe eingesetzt werden können, mit einem Vorsprung 43 auf dem unteren Deckel 15 insbesondere zur Aufnahme der Zugspannungen. Auch aufruht, ebenso wie im vorhergehend beschriebenen hier wird dies insbesondere durch die Schicht 41 Beispiel die Seitenwand 18 mittels des Vorsprungs 26 erreicht, welche aus Stahl oder einem Faserverbundauf dem unteren Deckel 15. Der untere Deckel 15 ruht 25 werkstoff besteht, wie dies oben beschrieben wurde, ebenfalls auf einer Stützkonstruktion 16 auf, die in Bei einem weiteren in F i g. 8 dargestellten Ausfühgleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen rungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß eine kerami-Ausführungsbeispiel über einen Zuganker 42 mit dem in sehe Innenwand 3, die ähnlich aufgebaut ist wie die der Zeichnung nicht dargestellten oberen Deckel Innenwand 3 der F i g. 6, auf ihrer Innenseite radial nach verspannt ist Auf der Außenseite wird die Wandung 2 in 30 außen abstehende Rippen 53 trägt, die entweder gleicher Weise durch eine Außenwand 38 und eine senkrecht oder vorzugsweise schraubenlinienförmig thermisch isolierende Schicht 41 begrenzt. verlaufen. Die Zwischenräume 54 zwischen diesen

Die Innenwand 3 auf der einen Seite und die Rippen 53 bilden dann ebenfalls Strömungskanäle für Außenwand 38 auf der isolierenden Schicht 41 auf der das Wärmeträgermedium aus, wobei an den freien

anderen Seite begrenzen einen an den Stirnseiten durch 35 Enden 55 der Rippen Trennwände 56 anliegen, die

die Deckel 7 und 15 begrenzten Hohlraum 44, der bei ähnlich ausgebildet sind wie die Trennwände 35 oder 37

diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise gasdicht im Ausführungsbeispiel der F i g. 4. Die Innenwand mit

abgeschlossen ist. den angeformten Rippen und die anschließende

Im Inneren dieses Hohlraumes befinden sich auf dem Trennwand wirken dabei ähnlich wie die aufeinander Deckel 15 Stützelemente mit im Querschnitt halbkreis- 40 gestapelten Hohlblocksteine im Ausführungsbeispiel förmigen Füßen 45, die an ihrer Oberseite senkrecht der F i g. 4. In radialer Richtung weiter außen kann der nach oben abstehende Stützstege 46 tragen. Diese Teile Aufbau dann so gewählt werden wie im Ausführungsbestehen zumindest auf der inneren Seite der Wandung beispiel der F i g. 4.

vorzugsweise aus Keramik, können aber entsprechend Als keramischer Werkstoff kann vorteilhaft SiC

den jeweiligen Temperaturen auch aus anderen 45 S13N4 oder Si/SiC (infiltriert) Verwendung finden.

Werkstoffen aufgebaut sein. jedoch sind selbstverständlich auch andere hochtempe- Die Füße 45 tragen mittels ihrer Stützstege 46 ein raturbeständige keramische Werkstoffe möglich. Rohrsystem 47 im Inneren des Hohlraumes 44, welches Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 6 und 7 können

derart ausgebildet ist, daß die Rohre über einen großen insbesondere im radial außen liegenden Bereich die

Teil der Länge in einer Radialebene verlaufen und von 50 Rohre des Rohrsystems auch aus Metall oder einem

einer Radialebene in die andere übertreten. Mit anderen anderen Werkstoff bestehen, sofern die Temperaturen

Worten bildet das Rohrsystem Abschnitte 48,49,50 und in diesem Bereich dies zulassen. Im radial inneren

51, die im wesentlichen in verschiedenen Radialebenen Bereich bestehen die Rohre dagegen vorzugsweise aus

verlaufen und über Krümmer 52 miteinander verbunden Keramik,

sind, von denen in F i g. 6 nur die unteren dargestellt 55

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher, insbesondere für Sonnenkraftwerke, mit einer eine Wärmequelle umgebenden Wandung und einem Leitungssystem für ein wärmeabführendes Wärmeträgermedium, wobei die die Wärmequelle umgebende Wandung im wesentlichen Kreiszylinderform hat und zumindest auf der der Wärmequelle zugewandten Seite aus einem keramischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff unter einer nach innen gerichteten Druckbelastung steht, und daß das Wärmeträgermedium in der Wandung (2) von außen nach innen in mehreren, nacheinander durchflossenen Lagen geführt ist

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der der Wärmequelle zugewandte Teil der Wandung (2) aus keramischen Hohlblocksteinen (27) aufgebaut ist, deren öffnungen (30) mit den öffnungen (30) benachbarter Hohlblocksteine (27) unter Ausbildung durchgehender Strömungskanäle (33,34) ausgerichtet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlblocksteine (27) in radialer Richtung mehrere voneinander getrennte öffnungen (30) aufweisen, so daß insgesamt mehrere Strömungskanäle (33, 34) in unterschiedlichem Abstand von der Wärmequelle ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Wärmequelle zugewandten, massiven Wandteil (3) der Wandung

(2) als Versteifung radial nach außen abstehende Rippen (53) angeformt sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (53) die Innenwand

(3) schraubenförmig umgeben.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (54) zwischen den Rippen (53) die Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium b^:lden.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich radial außerhalb des Bereichs der Hohlblocksteine (27) bzw. der Rippen (53) Hohlräume in der Wandung (2) befinden, die durch Trennwände (35, 37) derart in Strömungskanäle (36,39,40) für das Wärmeträgermedium unterteilt sind, daß dieses nacheinander Bereiche der Wandung (2) durchströmt, die zunehmend an der Wärmequelle liegen.

8. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (2) an den Stirnseiten mittels eines Deckels (7, 15) verschlossen ist und daß die gegenüberliegenden Deckel (7, 15) im Bereich der Wandungsinnenseite stark und in den weiter außen liegenden Bereichen weniger stark gegeneinander verspannt sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein kuppeiförmiger Verschlußteil (10) als Sammler für das nach dem Durchströmen der Wandung (2) aufgeheizte Wärmeträgermittel ausgebildet ist und dazu einerseits mit den einzelnen Strömungskanälen (33, 34) und andererseits mit einer Abflußleitung (14) für das Wärmeträgermittel verbunden ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem für das Wärmeträgermittel durch ein Rohrsystem (47)

gebildet ist, welches mehrere Lagen bildet, die vom Wärmeträgermittel sukzessive von außen nach innen durchströmt werden, und daß das Rohrsystem (47) sich in einem Hohlraum (44) der Wandung (2) befindet, der mit einem Druckmittel gefüllt ist, dessen Druck ungefähr so groß ist wie der Druck des Wärmeträgermittels im Innern des Rohrsystems (47).

11. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (2) in ihrem der Wärmequelle abgewandten Bereich zur Aufnahme von Zugkräften mit einer Stahlarmierung versehen ist

12. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (2) in ihrem der Wärmequelle abgewandten Bereich zur Aufnahme von Zugkräften eine Schicht (41) aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff umfaßt.