EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
SCHULZE, Tobias (Breslauer Str. 57, Erlangen, 91058, DE)
BRÜCKNER, Jan (Habernhofer Weg 30, Uttenreuth, 91080, DE)
EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
SCHULZE, Tobias (Breslauer Str. 57, Erlangen, 91058, DE)
| Patentansprüche 1. Solarthermischer Absorber (4), insbesondere für ein So- larturm-Kraftwerk (1), umfassend eine Durchlaufverdampfer- heizfläche (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10), wobei bei wenigstens einem Verdampferrohr (10) mindestens ein Einsatz (22) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils im Rohrinnenraum (18) angeordnet ist. 2. Solarthermischer Absorber (4) nach Anspruch 1, wobei sich der Einsatz (22) im Verdampferrohr (10) in Form eines mehrgängigen Gewindes schraubenförmig an der Rohrinnenwand (26, 36) entlang windet. 3. Solarthermischer Absorber (4) nach Anspruch 2, bei dem der Steigungswinkel des Einsatzes (22) gegenüber einer senk¬ recht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70° beträgt. 4. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einsatz (22) ein Draht (24) ist. 5. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einsatz (22) einen oder mehrere Blechrahmen (25) mit einer Anzahl großflächiger Ausnehmungen (27) um- fasst, und wobei der Einsatz (22) in Längsrichtung verdrillt ist und mit seinen Längskanten (30) zumindest teilweise an der Rohrinnenwand (36) anliegt. 6. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Einsätzen (22), die in jeweils getrennten Verdampferrohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz (22) mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist. 7. Solarturmkraftwerk (1) mit einem solarthermischen Absorber (4), wobei der Absorber (4) eine Durchlaufverdampferheizflä- che (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10) umfasst, wobei in wenigstens einem Verdampferrohr (10) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens einen Einsatz (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist. 8. Solarturmkraftwerk (1) nach Anspruch 7, bei dem der solarthermische Absorber (4) strömungsmediumsei- tig in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinenanlage geschaltet ist. |
Solarthermischer Absorber zur Direktverdampfung, insbesondere in einem Solarturm-Kraftwerk
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend eine Durchlaufverdampferheizfläche mit Verdampferrohren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturmkraftwerk mit einem solarthermischen Absorber.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Genera ¬ tionen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhal ¬ tigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkol- lektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solar- Turm Kraftwerken dar. Ein solarthermisches Kraftwerk mit So- lar-Turm und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, dem Solar-Turm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die ihr Licht auf ei ¬ nen in dem Turm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer oder mehreren Durchlaufverdampfer- heizflächen, in denen die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird nach gegebenenfalls weiterer Überhitzung anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zugeführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt.
In einem Solarturm-Kraftwerk ist die eingebrachte Sonnenenergie durch die Größe des Heliostatenfeldes begrenzt. Ein Teil der Einstrahlung wird vom Absorber reflektiert und ist für den thermodynamischen Kraftwerkprozess verloren. Diese Verluste wachsen mit der Größe der Heizfläche. Deshalb sind bei gegebener thermischer Leistung kompakte Absorber mit möglichst kleiner Heizfläche anzustreben. Dies führt durch die Konzentrierung der eingestrahlten Sonnenenergie auf kleine Flächen zu sehr hohen Wärmestromdichten, im Allgemeinen höheren Wärmestromdichten als in fossil befeuerten thermischen Kraftwerken. Deshalb ist bei dem Konzept der Direktverdampfung in einem Solarturm-Kraftwerk die Kühlung der Absorberheizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten auszule ¬ gen .
Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanis ¬ men bestimmt.
Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.
Besondere Bedeutung kommt bei dem Konzept der Direktverdampfung der Verbesserung des Betriebsverhaltens und Betriebssi ¬ cherheit des in den Solarturm integrierten Absorbers zu, der eine Verdampferheizfläche aufweist, in der die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen.
In einem direkt solar beheizten Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Verdampferrohren, die zusammen die Verdampferheizflache der Absorberrohrwand bilden, zu ei ¬ ner vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums - Wasser bzw. Wasserdampf - in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - kann gegebenenfalls vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheiz- fläche strömungsmediums-seitig vorgeschalteten Vorwärmer, üb ¬ licherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt werden.
Durch die hohen Wärmestromdichten entsteht insbesondere das Problem, dass es in den Verdampferheizflächen, genauer gesagt in den Verdampferrohren zu Siedekrisen wie Dry-out oder Filmsieden (DNB) kommt, bei denen die Benetzung der Rohrwand verloren geht und es zu einer stellenweisen Überhitzung kommen kann .
In fossil beheizten Dampferzeugern wird dieses Problem durch den Einsatz innenberippter Rohre gelöst. Durch die innenbe- rippten Rohre wird der Strömung ein Drall aufgeprägt, der bei unterkritischen Drücken zur Separation der Wasser- und Dampfphase führt. Das Wasser wird vermehrt an die Rohrinnenwand geleitet, wodurch die Wärmeübergangseigenschaften verbessert werden. Die Innenwand ist bis zu hohen Dampfgehalten benetzt und optimal gekühlt.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen so ¬ larthermischen Absorber der oben genannten Art anzugeben, dessen Betriebssicherheit und Stabilität auch bei unter ¬ schiedlichen Belastungszuständen gegenüber den herkömmlichen auf Direktverdampfung basierenden Absorbern verbessert ist. Des Weiteren soll ein verbessertes Solarturm-Kraftwerk angegeben werden.
Bezüglich des solarthermischen Absorbers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen solarthermischen Absorber umfassend eine Verdampferheizfläche mit einer Anzahl von Ver ¬ dampferrohren, wobei bei wenigstens einem Verdampferrohr zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Einsatz im Rohrinnenraum angeordnet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass insbe ¬ sondere bei Solarturmanlagen mit direkter Verdampfung die zu verzeichnenden sehr hohen Wärmestromdichten zu Kühlungsproblemen von Verdampferrohren führen können. Deshalb kommt der Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Verdampferrohre eine große Bedeutung zu, und Maßnahmen zur Verbesserung des Kühlungsverhaltens der Verdampferrohre unterstützen die Betriebssicherheit und Betriebsflexibilität unmittelbar. Die Erfindung zielt daher auf die Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung in den Verdampferrohren ab. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung insbesondere für großtechnische So- larturm-Kraftwerksanlagen der zukünftigen Generation mit sehr hohen Leistungsdichten und hohen Dampfzuständen.
Ein wichtiges Auslegungskriterium sind die Wärmeübergangs ¬ eigenschaften des solarthermischen Absorbers mit Verdampferrohren zur direkten Dampferzeugung . Ein hoher Wärmeübergang ermöglicht eine besonders effektive Beheizung des das Ver ¬ dampferrohr durchströmenden Mediums bei gleichzeitig zuverlässiger Kühlung des Verdampferrohres an sich.
Um den technischen Anforderung zu begegnen schlägt die Erfindung erstmals vor, in dem solarthermischen Absorber oder in Teilen der Absorberheizfläche des Verdampfers den Einsatz von Glattrohren mit Einbaukörpern anzuordnen, die dem zugeführten Fluid einen Drall aufprägen. Durch den Einsatz dieser Drallkörper wird die Kühlung der Verdampferrohre im Vergleich zu Glattrohren wesentlich verbessert. Die Drallkörper können dabei bei Rohrmaterialien zum Einsatz kommen, in denen aus fertigungstechnischen Gründen keine Innenberippung hergestellt werden kann.
Durch den Einsatz von drallerzeugenden Einbaukörpern in den Verdampferrohren erhöht sich die Betriebssicherheit eines so ¬ larthermischen Kraftwerks mit Solar-Turm. Die Kühlung der Verdampferrohre wird durch den Drallkörper deutlich verbessert, da die Innenseite des Verdampferrohres bis hin zu hohen Dampfgehalten vollständig benetzt ist. Die als "Dry-out" be ¬ kannte Siedekrise (Austrocknen des Verdampferrohres) mit deutlich reduziertem Wärmeübergang tritt erst bei hohen
Dampfgehalten auf. Trocknet die Wand erst bei hohen Dampf ¬ gehalten aus, so ist die Wasserphase fast vollständig ver ¬ dampft und über eine hohe Dampfgeschwindigkeit wird eine aus ¬ reichende Dampfkühlung sichergestellt. Durch die auf der In ¬ nenseite der Rohrwand gleichmäßige Kühlung werden die Tempe ¬ raturdifferenzen zwischen stark und weniger stark beheizten Abschnitten des Rohrumfangs minimiert. Dies führt zu niedri ¬ gen sekundären thermischen Spannungen und ebenfalls zu einer hohen Betriebssicherheit des solarthermischen Absorbers. Wei ¬ terhin ist der Wärmeübergang im Post-Dryout-Gebiet gegenüber den Verhältnissen im Glattrohr wesentlich höher. Zusätzlich kann in geneigten oder in horizontal verlaufenden Abschnitten der Verdampferheizfläche mit Drallkörpern das Auftreten einer Schichtung der Zweiphasenströmung verhindert bzw. zu deutlich niedrigeren Massenstromdichten verschoben werden.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Mehrphasenströmung innerhalb des solarthermischen Absorbers mit Direktverdampfung in einem Verdampferrohr zur Verbesserung des Wärmeüberganges einen Drall aufweisen sollte, so dass die flüssige Phase infolge der Rotation an die Innenwand des Verdampferrohres geführt wird und diese möglichst gleich ¬ mäßig benetzt. Für eine gezielte Herstellung und Aufrechter ¬ haltung einer derartigen Drallströmung sollten daher geeignete strömungsführende Elemente im Rohrinneren angeordnet sein. Wie sich herausgestellt hat, ist die Strömungsführung dann besonders günstig, wenn einerseits weder ein „Überdrallen" mit großen Druckverlusten entlang des Strömungsweges auftritt, andererseits die Drallwirkung dennoch intensiv genug ist, um die flüssige Phase des Strömungsmediums über den ge ¬ samten Rohrumfang an die Rohrinnenwand zu leiten. Bei überkritischen Drücken bewirkt die durch einen Drall bei unveränderter Massenstromdichte erhöhte Geschwindigkeit des Fluids relativ zur Wand ebenfalls eine Erhöhung des Wärme ¬ übergangs und ermöglicht durch verbesserte Kühlung größere Leistung für ein vorgegebenes Feld von Heliostaten.
Zur Vermeidung hoher Druckverluste, die zu einem hohen Eigenenergiebedarf für die Speisewasserpumpe in einem Solarturm- Kraftwerk führen, und zur Sicherstellung der Dampfabfuhr im Rohrinneren sollten die strömungsführenden Elemente im Wesentlichen in der Art eines Innenprofils an der Innenwand des Verdampferrohres angeordnet sein und den Rohrquerschnitt im Zentrum nicht oder nur geringfügig versperren. Um überdies die mit den Rippenrohren konventioneller Bauart verbundenen Fertigungslimitierungen zu umgehen, sollte das drallerzeugende Innenprofil im solarthermischen Absorber durch Rohreinbauten oder Einsätze verwirklicht werden, die unabhängig von den Verdampferrohren in der gewünschten Form hergestellt werden können und nachträglich in das Rohr eingezogen werden.
Zu diesem Zweck sind bei dem hier vorgestellten neuen Konzept Drähte oder Bänder vorgesehen, die sich nach dem Einbringen in das Verdampferrohr schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlangwinden, so dass ein wesentlicher Teil des Rohrquerschnitts (mehr als 50 %) frei bleibt und der Dampf im Rohrinneren somit akkumulieren und abströmen kann.
Weiterhin wurde erkannt, dass eine einfache, d. h. eingängige Schraubenfeder in der Regel nur einen schwachen Drall erzeugt. Die Strömung kann dabei über den an der Rohrinnenwand anliegenden Draht scheren. Aufgrund der geringeren Rotation kommt es dann zu einem früheren Auftreten der Siedekrise. Dieser Effekt könnte zwar beispielsweise durch einen größeren Drahtdurchmesser (analog einer größeren Rippenhöhe) kompensiert werden, jedoch führt dies bei einer Drahtanordnung in der Art einer einfachen Schraubfeder leicht zu einem Ansammeln oder Aufstauen der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Drahteinsatz an der angeströmten Seite bei gleichzeitigem Austrocknen der Innenwandbereiche längsseitig des Drahtes auf der Leeseite, d. h. zu einer unzureichenden Kühlung der entsprechenden Wandbereiche. Derartige Nachteile werden gemäß dem hier vorgestellten Konzept vermieden, indem eine Mehrzahl von Drähten in der Art eines mehrgängigen Gewindes jeweils schraubenförmig an der Rohrinnenwand anliegt. Bei dieser Ausführung wird auch bei moderater Drallstärke und vergleichsweise geringem Druckverlust eine gleichmäßige Be ¬ netzung der Rohrinnenwand mit flüssigem Strömungsmittel er ¬ reicht; ein Überdrallen der Strömung wird andererseits voll ¬ ständig vermieden.
Besonders vorteilhaft ist zudem, dass im Gegensatz zu Rippen ¬ rohren herkömmlicher Bauart, die durch einen Verformungspro- zess unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte aus Glatt ¬ rohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsicht ¬ lich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Profilhöhe, Gangzahl, Steigungswinkel, Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umge ¬ setzt werden, da hierzu in der Regel nur Drähte oder Metall ¬ bänder mit dem passenden Querschnittsprofil zur Verfügung gestellt und in die gewünschte Anordnung gebracht werden müs ¬ sen, z. B. durch Drillung und/oder Verbiegung.
Bei Verdampferrohren mit üblichen Dimensionen und Abmessungen ist eine Anordnung der Drähte in der Art eines zwei- oder dreigängigen Gewindes besonders zweckmäßig. Aber auch vier- bis sechsgängige Ausführungen können vorteilhaft sein; bei Verdampferrohren mit besonders großem Durchmesser sind sogar achtgängige Varianten denkbar. Vorteilhafterweise beträgt der Steigungswinkel des jeweiligen Drahtes gegenüber einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70°. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Steigungswinkel aus dem Intervall 40° bis 55°.
Für eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbar keit weist der jeweilige Draht einen runden oder einen im sentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Bei der letztgenannten Aus führungs form können insbesondere die Kanten nachbearbeitet sein, so dass sich vergleichsweise steile Flankenwin ¬ kel und scharfkantige Übergänge realisieren lassen. Die Dräh- te können je nach Durchmesser des Verdampferrohres und je nach den vorgesehenen Strömungs- und Temperaturverhältnissen im Durchmesser variieren. Im Allgemeinen ist ein Drahtdurchmesser bzw. eine mittlere Querschnittsausdehnung von 5 % bis 15 % des Innendurchmessers des Glattrohres vorteilhaft.
Vorteilhafterweise sitzt der jeweilige Draht bzw. der aus den Drähten gebildete Rohreinsatz bei der vorgesehenen Betriebstemperatur des Verdampferrohres infolge seiner Eigenspannung rutschfest im Rohrinnenraum. Das Drahtmaterial und die Eigen- Spannung sind also derart auf die geometrischen Verhältnisse abgestimmt, dass ein Kriechen oder ein Verrutschen der einzelnen Windungen gegeneinander unterbunden ist.
In einer alternativen Realisierungsform des Rohreinsatzes im solarthermischen Absorbers umfasst der drallerzeugende Ein ¬ satz im Innenraum des Verdampferrohres mindestens einen
Blechrahmen mit einer Anzahl großflächiger Ausnehmungen, wobei der Einsatz in Längsrichtung verdrillt ist, und wobei die Längskanten des jeweiligen Blechrahmens zumindest teilweise an der Rohrinnenwand anliegen.
Weiterhin ist es gerade bei einem vergleichsweise langen, sich über die gesamte Höhe des solarthermischen Absorbers erstreckenden Verdampferrohres wünschenswert, entlang seiner Längsausdehnung je nach Ort unterschiedliche Führungsprofile im Rohrinneren vorzusehen, die der räumlichen Entwicklung bzw. Variation sowohl des Dampfanteils als auch des Behei ¬ zungsprofils Rechnung tragen. Ein derartiges Konzept lässt sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, dass eine Mehr- zahl von Einsätzen in das Verdampferrohr eingebracht ist, die in jeweils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist. Da sich ferner herausgestellt hat, dass der Drall nach einmaliger Generie ¬ rung auch bei einer Zweiphasenströmung mindestens über eine Strömungsstrecke von fünf Rohrdurchmessern erhalten bleibt, ist keine vollständige, lückenlose Bestückung des Rohres not wendig. Vielmehr können die Einsätze durch Zwischenräume von einander beabstandet in das Verdampferrohr eingebaut sein.
Die Drallerzeugung wird anders als bei den geschlossenen Twisted Tapes von den randnahen Abschnitten, d. h., den die Ausnehmungen umrandenden oder einfassenden Randstegen bewirkt, die sich jeweils schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlang winden und dabei eine den Rippen herkömmlicher Rippenrohre ähnliche Gestalt und ähnliche Funktion haben. Die mit dem „Überdrallen" zusammenhängenden negativen Effekte herkömmlicher Twisted Tapes werden vermieden. Stattdessen wird auch bei moderater Drallstärke und bei vergleichsweise geringem Druckverlust eine gleichmäßige Benetzung der Rohrin nenwand mit flüssigem Strömungsmittel erreicht. Eventuell vorhandene endseitige Querstege und die Querstege, die gege ¬ benenfalls zwischen jeweils zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Ausnehmungen vorgesehen sind, haben ledig lieh eine Stützfunktion für den Rohreinsatz und stören die Drallströmung im Zentrum des Verdampferrohres nur unwesent ¬ lich.
Besonders vorteilhaft ist bei dem neuen Konzept, dass im Ge ¬ gensatz zu den Rippenrohren, die unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte durch einen Verformungsprozess aus Glatt ¬ rohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsicht ¬ lich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Windungszahl, Breite der Randstege (entsprechend der Rippenhöhe bei Rippenrohren), Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umgesetzt wer ¬ den, da hierzu in der Regel nur ein bzw. mehrere geeignet ausgestanzte oder ausgeschnittene Bleche oder Metallbänder bereitgestellt und unter Verdrillung in ein vergleichsweise einfach zu fertigendes Glattrohr eingebracht werden müssen.
Eine mögliche Alternative zu den Drallkörpern sind innenbe- rippte Rohre, die mit Aufpreis gegenüber einem Glattrohr großtechnisch hergestellt werden. Nach heutigem Kenntnisstand sind diese innenberippten Rohre aber nur für Materialien mit einem Chromgehalt <5% großtechnisch herstellbar. Ist durch die hohe Beheizung in dem Absorber eines Solar-Turms oder durch auftretende Materialspannungen der Einsatz von höherwertigen Materialien erforderlich, so kann durch die Drallkörper in Form eines drallerzeugenden Einsatzes die Kühlung der Verdampferrohre des solarthermischen Absorbers sicherge ¬ stellt werden.
Bezüglich des verbesserten Solarturm-Kraftwerks wird die Auf ¬ gabe gelöst durch ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Absorber gemäß der Erfindung. Dabei ist in dem Solarturm-Kraftwerk der solarthermische Absorber strömungsme- diumseitig in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinen- anlage geschaltet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt
FIG 1 Solarturm-Kraftwerk,
FIG 2 einen solarthermischen Absorber mit Verdampferrohren
FIG 3 eine geschnittene Ansicht eines Verdampferrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbil ¬ denden Einsatz, FIG 4 eine geschnittene Ansicht eines Verdampferrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbil ¬ denden Einsatz, der aus einem einzigen verdrillten Blechrahmen besteht,
Gleiche Teile sind allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen .
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Receiver 3 angeordnet ist. Der Receiver 3 umfasst einen solarthermischen Absorber 4, beispielsweise in Form einer Absorberrohrwand 5 konventioneller Bauart (siehe FIG 2) . Ein Heliostatenfeld 6 mit einer Anzahl von Heliosta- ten 7 ist am Boden um den Solarturm 2 konzentrisch herum platziert. Das Heliostatenfeld 6 mit den Heliostaten 7 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung I s ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 7 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung I s von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung I c auf den Receiver 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, den Heliostaten 7, auf die Spitze des Solarturms 2 konzentriert. In der Turmspitze befindet sich ein so- larthermischer Absorber 4, beispielsweise eine Absorberrohrwand 5, die die Strahlung in Wärme umwandelt und die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser in den Rohrbündeln abgibt. Das Wasser wird hierdurch direkt verdampft. Der im Absorber durch Direktverdampfung erzeugte Dampf kann als Frischdampf einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zugeführt werden.
In FIG 2 ist ein solarthermischer Absorber 4 umfassend eine Absorberrohrwand 5 dargestellt, wie sie beispielsweise in Ausführung als Absorberrohrwand 5 in den Receiver 3 des So- larturmkraftwerks 1 der FIG 1 integriert ist. Konzentrierte Solarstrahlung I c trifft fokussiert auf eine Vielzahl von Wärmeübertragenden Rohren, die so genannten Verdampferrohre 10. Die Verdampferrohre 10 sind eingangsseitig am Verdampfer ¬ eintritt 8 mit einem Verteiler 9 strömungstechnisch verbunden. Am Verdampferaustritt 11 sind die Verdampferrohre 10 mit einem Sammler 12 verbunden. In einer Durchlaufverdampferheiz- fläche 13 ist ein Heizbereich H gebildet, der mit intensiver konzentrierter Solarstrahlung I c direkt beaufschlagbar ist. Im Heizbereich H sind eine Vielzahl von Verdampferrohren 10 in paralleler Verschaltung angeordnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine vertikal ausgerichtete Verrohrung. Es ist aber auch möglich, dass die Verdampferrohre 10 des solar ¬ thermischen Absorbers 4 horizontal ausgerichtet, um einen Neigungswinkel geneigt, oder spiralförmig gewickelt sind.
Im Betrieb der solar beheizten Absorberrohrwand 5 werden die Verdampferrohre 10 im Heizbereich H durch die konzentrierte Solarstrahlung I c sehr stark aufgeheizt, wobei die Verdampferrohre 10 die Wärme an ein Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, in den Verdampferrohren 10 abgeben. Das Strömungsmedium wird dabei in den Verdampferrohren 10 durch die konzent- rierte Solarstrahlung I c direkt verdampft. Das verdampfte
Wasser verlässt als Nutzdampf den Verdampferaustritt 11 und kann gegebenenfalls nach weiterer Überhitzung in einer nicht dargestellten Überhitzerheizfläche in einem nicht näher dargestellten konventionellen Kraftwerksteil als Arbeitsmedium zur Entspannung in einer Dampfturbine benutzt werden. Am Verdampfereintritt 8 tritt kaltes Strömungsmedium, insbesondere kaltes Wasser, in den Verteiler 9 ein und wird auf die Vielzahl der Verdampferrohre 10 verteilt. Im Betrieb des solar ¬ thermischen Absorbers 4 ist es besonders kritisch in Abhän- gigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassen- strom durch die Absorberheizfläche, respektive die Absorber ¬ rohrwand 5, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Absorberaustritt, respektive am Verdampferaustritt 11 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 6 zu gewährleisten. Das am Verdampferaustritt 11 zur Verfügung stehende Wasser-/Dampfgemisch kann bei entsprechender Über- hitzung als Frischdampf mit einer Frischdampftemperatur der nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden. FIG 3 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berohrung der Absorberrohrwand 5 des solarther ¬ mischen Absorbers 4 eingesetzten Verdampferrohres 10. In den Rohrinnenraum 18 eines Glattrohres 20 ist ein Einsatz 22 eingebracht, der zur Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildet. Der Einsatz 22 umfasst im Ausführungsbeispiel drei Drähte 24, die sich in der Art eines dreigängigen Gewindes mit konstantem Steigungs ¬ winkel (und damit mit konstanter Ganghöhe) an der Rohrinnen ¬ wand 26 entlangwinden. Infolge ihrer Eigenspannung liegen die Drähte 24 fest an der Rohrinnenwand 26 an. Zusätzlich sind die Drähte 24 jeweils an mehreren Stellen, insbesondere in der Nähe ihrer beiden Enden, durch Punktschweißung an der Rohrinnenwand 26 fixiert. Die Drähte 24 bestehen im Ausführungsbeispiel wie auch die
Rohrinnenwand 26 des sie aufnehmenden Glattrohres 20 aus ei ¬ nem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit hohem Chromanteil. Daneben existieren natürlich auch noch andere geeignete Materialien, die dem Fachmann geläufig sind, z. B. 13CrMo44. Neben der Anzahl der Drähte 24 (Gangzahl der Schraubenfeder) und dem Steigungswinkel ist das Querschnittsprofil der Drähte 24 ein wichtiges Auslegungskriterium. Insbesondere können aufgrund der vom Glattrohr 20 separaten Fertigung des jeweiligen Drahtes 24 dessen Höhe und Breite sowie der Flankenwin- kel gegenüber der Rohrinnenwand 26 und die Schärfe der Kanten beliebig vorgegeben werden. In erster Näherung werden in der Regel die geometrischen Parameter ähnlich wie bei den Rippen konventioneller Rippenrohre gewählt. Darüber hinaus kann aber auch noch eine ortsabhängige Anpassung und Optimierung erfol- gen, die auf den Verlauf des Beheizungsprofils entlang der Durchlaufverdampferheizfläche H des solarthermischen Absor ¬ bers 4 Rücksicht nimmt. FIG 4 zeigt m einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berührung der Absorberrohrwand 5 des solarther- mischen Absorbers 4 eingesetzten Verdampferrohres 10. In den Rohrinnenraum 18 eines Glattrohres 20 ist ein Einsatz 22 eingebracht, der zur Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildet. Der Einsatz 22 umfasst im Ausführungsbeispiel einen in Längsrichtung, d. h. um die Rohrachse verdrillten Blechrahmen 25, der eine Mehrzahl großflächiger Ausnehmungen 27 aufweist.
Der Blechrahmen 25 ist um seine Längsachse verdrillt und in diesem vorgespannten Zustand in ein als Verdampferrohr 10 vorgesehenes Glattrohr 20 eingebracht. Der Blechrahmen 25 be ¬ steht wie auch die Rohrwand 38 des ihn aufnehmenden Glattrohres 20 aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit hohem Chromanteil. Natürlich können auch andere geeignete Ma ¬ terialien, die dem Fachmann geläufig sind, zum Einsatz kommen. Aufgrund der vom Glattrohr 20 separaten Fertigung des Blechrahmens 25 können insbesondere die Höhe und Breite sowie der Steigungswinkel der von den Längskanten 30 gebildeten Schraubenlinien beliebig vorgegeben werden. In erster Näherung werden in der Regel die geometrischen Parameter ähnlich wie bei den Rippen konventioneller Rippenrohre gewählt. Darüber hinaus kann aber auch noch eine ortsabhängige Anpassung und Optimierung erfolgen, die auf den Verlauf des Beheizungs ¬ profils entlang der Durchlaufverdampferheizfläche 13 des so ¬ larthermischen Absorbers 4 Rücksicht nimmt.
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