Füllstandsmessung für Salzschmelzen

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor, der zur Messung eines Füllstands in einem Behälter mit einer Salzschmelze eingerichtet ist, eine Füllstandsmessvorrichtung mit einem entsprechenden Füllstandssensor und einer Steuereinheit, einen Behälter mit einer derartigen Füllstandsmessvorrichtung sowie die Verwendung eines glimmer- haltigen Materials als Isolator in einem Füllstandssensor.

Stand der Technik

Salzschmelzen eignen sich mit Temperaturen von bis zu 600 °C als Wärmeträger in unterschiedlichsten chemischen Prozessen. Im Vordergrund stehen hierbei klassische Anwendungen, bei denen auf hohem Temperaturniveau gearbeitet wird, beispielsweise in der Melamin- oder Aluminiumoxidproduktion. Zum Einsatz gelangen hier beispiels- weise Salzgemische mit einem Schmelzpunkt von etwa 142 °C.

Salzschmelzen stellen neben Flüssigmetallen die einzigen Wärmeträger für Temperaturen oberhalb von etwa 400 °C dar. Andere Wärmeträger wie Thermalöle sind in diesen Temperaturbereichen in der Regel nicht mehr einsetzbar. Salzschmelzen sind je- doch auch in geringeren Temperaturbereichen gegenüber Thermalölen vorteilhaft, da letztere einen relativ hohen Dampfdruck aufweisen und leicht entzündlich sind. Bei als Wärmeträger geeigneten Salzen handelt es sich beispielsweise um Natrium- und Kaliumnitrate. Derartige Salze besitzen eine höhere Wärmespeicherfähigkeit als Thermalöle und sind deutlich kostengünstiger.

Salzschmelzen werden auch als Wärmeträger in der Solarthermie, beispielsweise in sogenannten Parabolrinnenkraftwerken, verwendet. In derartigen Anwendungen wird Sonnenlicht durch geeignete Hohlspiegel auf ein Absorberrohr fokussiert. Durch das Absorberrohr fließt ein Wärmeträger und wird entsprechend erhitzt. Die Wärme kann beispielsweise in einem nachgeschalteten Dampferzeuger an einen Wasser-Dampf- Kreislauf abgegeben und über Dampfturbinen und Generatoren in elektrischen Strom gewandelt werden. Die Effizienz der Stromerzeugung hängt wesentlich von der maxi- malen Arbeitstemperatur des verwendeten Wärmeträgers ab. Je höher dessen Temperatur, desto besser ist die Ausnutzung der Dampfturbine.

In entsprechenden Anwendungen können Salzschmelzen auch zur Wärmespeicherung eingesetzt werden. Eine geeignete Salzschmelze kann beispielsweise tagsüber durch die Sonnenstrahlung auf bis zu 565 °C aufgeheizt werden und nachts, ähnlich wie eine Batterie, die gespeicherte Wärme wieder abgeben. Hierbei kommen beispielsweise Salzschmelzen mit einer Schmelztemperatur von 220 bis 240 °C zum Einsatz. Insbesondere in derartigen Speichersystemen, aber auch bei klassischen Anwendungen, ist die Bestimmung des Füllstands der Salzschmelze in den verwendeten Behältern erforderlich. Ein entsprechender Füllstand soll vorzugsweise automatisch überwacht werden, so dass beispielsweise ein Unterschreiten eines Minimalfüilstands einfach und zuverlässig detektiert und signalisiert werden kann. Salzschmelzen in Solar- thermieanwendungen werden beispielsweise häufig aus kalten in heiße Bereiche umgepumpt und umgekehrt, so dass sich die in den jeweiligen Behältern vorliegenden Füllstände rasch ändern können und Störungen erkannt werden müssen.

Eine mechanische oder hydrostatische Füllstandsmessung ist aufgrund der hohen Temperaturen von 565 °C und mehr in Salzschmelzen häufig nicht möglich. Herkömmliche konduktive Messsonden eignen sich aus diesem Grund ebenfalls nur bedingt für eine Füllstandsmessung. Eine Verringerung der Temperatur zur Füllstandsmessung ist jedoch ebenfalls nicht unproblematisch, da die Salzschmelzen hierdurch teilweise erstarren können. Dies führt zu unzuverlässigen Werten.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Möglichkeit zur Füllstandsmessung für Salzschmelzen bei hoher Temperatur zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schlägt einen Füllstandssensor, der zur Messung eines Füllstands in einem Behälter mit einer Salzschmelze eingerichtet ist, eine Füllstandsmessvorrichtung mit einem entsprechenden Füllstandssensor und einer Steuereinheit, einen Behälter mit einer derartigen Füllstandsmessvorrichtung sowie die Verwendung eines glimmer- haltigen Materials als Isolator in einem Füllstandssensor mit den Merkmalen der unab- hängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Füllstandssensor ist zur Messung eines Füllstands in einem Behälter mit einer Salzschmelze eingerichtet. Er weist einen zumindest teilweise elekt- risch leitenden Messfühler und eine Befestigungsstruktur auf, mittels derer der Füllstandssensor an dem Behälter befestigbar ist. Zwischen dem Messfühler und der Be- festigungsstruktur ist wenigstens eine Isolierstruktur angeordnet. Diese weist erfindungsgemäß ein glimmerhaltiges Material auf.

Mineralien der Glimmergruppe, kurz Glimmer, sind Schichtsilikate mit der chemischen Zusammensetzung D G ₂ ,3 [T O ₁₀ ] X2. Hierbei bezeichnet D ein 12-fach koordiniertes Kation (K, Na, Ca, Ba, Rb, Cs, NH ₄ ⁺ ), G ein 6-fach koordiniertes Kation (Li, Mg, Fe ²⁺ , Mn, Zn, AI, Fe ³⁺ , Cr, V, Ti), T ein 4-fach koordiniertes Kation (Si, AI, Fe ³⁺ , B, Be) und X ein Anion (OH ^" , F ^" , CI ^" , O ^2" , S ^2" ). Glimmer sind geschichtet aufgebaut und parallel zu den Schichtpaketen spaltbar. Im Rahmen dieser Anmeldung sind insbesondere die herausragenden dielektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von Glimmern von Interesse. Der Schmelzpunkt von Muskovit, sogenanntem Hell- oder Tonglimmer, liegt beispielsweise bei 1320 °C. Im Allgemeinen sind Glimmermaterialien bei Temperaturen von 600 °C und mehr beständig.

Füllstandssensoren sind, wie bereits eingangs erwähnt, als kapazitive und/oder kon- duktive Sensoren grundsätzlich bekannt, bisher jedoch kaum zur Verwendung in Salzschmelzen geeignet. Dies rührt insbesondere daher, dass die verwendeten Materialien in der Regel nicht zur Verwendung mit den hohen Temperaturen von Salzschmelzen geeignet sind. Füllstandssensoren der erläuterten Art könnten zwar grundsätzlich mit Keramikisolatoren ausgebildet werden, die ebenfalls eine ausreichende Temperaturbe- ständigkeit aufweisen. Allerdings eignen sich auch derartige Füllstandssensoren nur bedingt zur Verwendung in Salzschmelzen, insbesondere zur Verwendung in Speichertanks in der Solarthermie, da hier aufgrund der großen Volumina der Behälter entsprechend relativ lange Messfühler eingesetzt werden müssen. Hier erweist sich Keramik jedoch als zu bruchanfällig. Die Erfindung schafft demgegenüber einen Füllstandssensor, der sowohl thermisch beständig als auch bruchsicher ausgebildet werden kann und sich daher in besonderer Weise zum Einsatz in der Solarthermie eignet. Als besonders vorteilhaft hat sich zum Einsatz in einem Füllstandssensor der zuvor erläuterten Art ein glimmerhaltiges Material erwiesen, das als muskovit- oder phlogo- pithaltiger Verbundwerkstoff ausgebildet ist.

Verbundwerkstoffe weisen sogenannte Verstärkungsmaterialien auf, die beispielsweise mit Kunstharzen imprägniert und anschließend unter Hitze und Druck ausgehärtet werden. Als Verstärkungsmaterialien in der derartigen Verbundwerkstoffen sind beispielsweise Zellulosepapier, Glimmerpapier, Gewebe wie Baumwolle, Glas, Carbon, Synthesefasern und/oder Glasrriatten bekannt. Wie erläutert, ist im Rahmen der Erfindung insbesondere der Einsatz von Glimmermaterialien vorteilhaft. Als Harze können bei- spielsweise Polyester-, Epoxid-, Phenol-, Polyimid-, Silikon-, Melamin-, Vinylester-, und/oder Cyanatesterharze verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung kann insbesondere Silikon verwendet werden. Durch die Auswahl geeigneter Verstärkungsmaterialien und/oder Harze können Materialien mit den jeweils gewünschten mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften geschaffen werden. Entsprechende Verbundwerkstoffe können in unterschiedlicher Form und Größe, entweder als Rohoder Fertigteile, hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Muskovit oder Phlogopit, weil derartige Materialien besonders gute Wärmebeständigkeits- und Isolationseigenschaften aufwei- sen. Ein unter der Marke Pamitherm ^® vertriebenes Verbundmaterial mit einer Silikonmatrix und einem Muskovit-Verstärkungsmaterial in Form eines Glimmerpapiers ist beispielsweise von 450 bis 800 °C temperaturbeständig und in Form von Tafeln mit einer Dicke bis zu 60 mm erhältlich. Ein erfindungsgemäßer Füllstandssensor umfasst vorteilhafterweise eine Isolierstruktur, die wenigstens einen Bereich des Messfühlers zumindest teilweise koaxial umschließt. Hierdurch kann ein entsprechender Bereich eines Messfühlers von umgebenden Strukturen isoliert werden, wodurch Fehlmessungen vermieden werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung in Salzschmelzen. Ein erfindungsgemäßer Füllstandssensor weist vorteilhafterweise einen Messfühler auf, der als verschließbares Rohr ausgebildet ist, das mit einem Fluid gefüllt und/oder teilweise evakuiert werden kann. Hierdurch ergibt sich eine Gewichtsersparnis. Ein entsprechender Füllstandssensor ist vorteilhafterweise als konduktiver Füllstandssensor ausgebildet. Auch eine entsprechende Herstellung kapazitiver Füllstandssensoren ist prinzipiell möglich. Ein erläuterter Füllstandssensor kann auch wahlweise als kapazitiver oder konduktiver Füllstandssensor betrieben werden, indem er durch eine entsprechende Steuereinheit in jeweils geeigneter Weise angesteuert wird. Ein kon- duktiver Füllstandssensor kann sehr einfach ausgebildet sein und als sogenannter "Level Switch" betrieben werden. Taucht ein derartiger konduktiver Füllstandssensor in eine leitende Flüssigkeit ein, wird ein Signal ausgegeben.

Eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung weist wenigstens einen zuvor er- läuterten Füllstandssensor sowie eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, zwischen dem wenigstens einen Füllstandssensor und dem Behälter eine Spannung anzulegen und/oder einen Strom zu erfassen. Beispielsweise kann eine derartige Füllstandsmessvorrichtung mit zwei Füllstandssensoren ausgebildet sein, die unterschiedlicher Höhe angeordnet sind und/oder deren Messfühler unterschiedliche Längen auf- weisen. Hierdurch kann z.B. ein Minimal- und Maximalfüllstand erfasst werden.

Ein erfindungsgemäßer Behälter ist zur Aufnahme einer Salzschmelze eingerichtet und weist eine Füllstandsmessvorrichtung wie zuvor erläutert auf. Ein derartiger Behälter profitiert daher von den zuvor erläuterten Vorteilen.

Dies gilt insbesondere dann, wenn ein entsprechender Behälter als Speicherbehälter einer Solarthermieanlage ausgebildet ist und daher mit Salzschmelze gefüllt werden kann, die die zuvor erläuterten Temperaturen erreicht. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die Verwendung eines glimmerhaltigen Materials in einer entsprechenden Isolierstruktur in einem Füllstandssensor, für die daher ebenfalls Schutz begehrt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt einen Füllstandssensor gemäß einer besonders bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.

Figur 2 zeigt einen Behälter gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.

Ausführungsform(en) der Erfindung In Figur 1 ist ein Füllstandssensor gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Längsschnitt gezeigt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Füllstandssensor 1 weist einen langgestreckten Messfühler 11 auf, der in der Figur verkürzt dargestellt ist. Der Messfühler 11 kann beispielsweise als verschließbares Rohr mit einer Rohrwand 111 und einem mit einem Fluid befüll- baren und/oder evakuierbaren Innenraum 112 ausgebildet und mittels eines Verschlusses 113 verschließbar sein. Als Material für den Messfühler 1 kann beispielsweise Edelstahl verwendet werden. Der Messfühler 11 kann mit einer hier nicht näher erläuterten Befestigungsstruktur 2 verbunden sein, die ebenfalls aus Edelstahl hergestellt sein kann. Die Befestigungsstruktur 12 weist beispielsweise Befestigungsschrau- ben 121 , eine Abdeckkappe 122 und/oder einen Stopper 123 auf.

Zwischen dem Messfühler 11 und der Befestigungsstruktur 13 sind mehrere schraffiert gezeichnete Isolierstrukturen 131 , 132, 133 angeordnet. Die Isolierstrukturen 131 , 132 und/oder 133 können aus einem glimmerhaltigen Material hergestellt sein. Zumindest eine Isolierstruktur 131 kann dabei den Messfühler 1 in einem, hier verkürzt dargestellten Bereich koaxial umgeben. Hierdurch wird eine sichere Isolierung gewährleistet, so dass nur die Spitze des Messfühlers 11 mit einer Salzschmelze in Kontakt kommt.

In Figur 2 ist ein Behälter 2 dargestellt, der mit einer mit 10 bezeichneten Füllstands- messvorrichtung ausgestattet ist. Der Behälter 2 ist zur Aufnahme einer Salzschmelze 21 eingerichtet. Die Salzschmelze 21 kann, wie in der Figur 2 durch gestrichelte Linien veranschaulicht, in unterschiedlicher Höhe in dem Behälter anstehen. Die Füllstände 211 und 212 entsprechen dabei beispielsweise einem Minimal- und einem Maximalfüllstand. Beim Überschreiten eines Minimalfüllstands 211 taucht ein Messfühler 1 1 eines ersten Füllstandssensors 1 L in die Salzschmelze 21 ein. Ein Messfühler 11 eines zweiten Füllstandssensors H kontaktiert die Salzschmelze zunächst noch nicht. Bei Überschreiten eines Maximalfüllstands 212 taucht auch der Messfühler 1 des zweiten Füllstandssensors 1 H in die Salzschmelze 21 ein. Eine Steuereinheit 14 ist dazu ausgebildet, über entsprechende Leitungen 141 , 142 und 143 jeweils eine Spannung zwischen dem ersten Füllstandssensor 1 L und dem Behälter 2 bzw. dem zweiten Füllstandssensor 1 H und dem Behälter 2 anzulegen sowie entsprechende Ströme zu erfassen. Bei Unterschreiten eines Minimalfüllstands 211 kann hierbei kein Strom erfasst werden, da die Stromkreise zwischen den Füllstandssensoren 1 H und 1 L sowie den Behälter 2 unterbrochen sind. Die Steuereinrichtung 14 kann dazu ausgebildet sein, in diesem Fall ein Unterfüllungssignal auszugeben. Zwischen dem Minimalfüllstand 21 1 und dem Maximalfüllstand 212 ist ein Stromkreis zwischen dem ersten Füllstandssensor 1 L und dem Behälter 2 geschlossen. Die Steuereinheit 14 kann in diesem Fall einen Normalbetrieb signalisieren.

Überschreitet der Füllstand der Salzschmelze 21 den Maximalfüllstand 212, kann ein Stromfluss sowohl zwischen dem ersten Füllstandssensor 1 L als auch dem zweiten Füllstandssensor 1 H und dem Behälter 2 detektiert werden. Die Steuereinheit 14 kann in diesem Fall ein Überfüllungssignal ausgeben. Bezugszeichenliste

1, 1L, 1H Füllstandssensor 10 Füllstandsmessvorrichtung

11 Messfühler

12 Befestigungsstruktur 14 Steuereinrichtung 111 Wandung

2 Innenraum

113 Verschluss

121 Verschraubung

122 Schutzkappe

123 Stopper

131, 132, 133 Isolierstruktur 141, 142, 143 Leitungen

2 Behälter

21 Salzschmelze

211 Minimalfüllstand

212 Maximalfüllstand