EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
BRODESSER, Joachim (Tassilostr. 15, Nürnberg, 90429, DE)
EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
| Patentansprüche 1. Solarthermischer Durchlauf erdampfer (7), umfassend eine Anzahl an Verdampferrohren (8), die mit ihren Eintrittsenden an einen Verteiler (10) und mit ihren Austrittsenden an einen Sammler (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Verdampferrohr (8) in gleicher Höhe (H) ein Druckausgleichsrohr (14) abzweigt, das mit einem Druckaus- gleichsgefäß (13) verbunden ist, so dass durch einen Teil der Druckausgleichsrohre (14) ein Teilstrom von den Verdampferrohren (8) zum Druckausgleichsgefäß (13) strömt und durch ei¬ nen anderen Teil der Druckausgleichsrohre (14) ein Teilstrom vom Druckausgleichsgefäß (13) zu den Verdampferrohren (8) strömt. 2. Solarthermischer Durchlaufverdampfer (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) so gewählt wird, dass ein mittlerer Dampfgehalt im Druckausgleichsgefäß (13) größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 80% erzielt ist . |
Solarthermischer Durchlauf erdampfer
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen DurchlaufVerdampfer mit Verdampferrohren, die mit ihren Eintrittsenden a einen Eintrittssammler und mit ihren Austrittsenden an einen Austrittssammler angeschlossen sind.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegen getreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Ener gieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Genera tionen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fres nel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solarturm Kraftwerken dar
Ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm 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 umge ¬ wandelt wird.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die ihr Licht auf ei ¬ nen in dem Turm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer Heizfläche, in der die einge ¬ strahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zu ¬ geführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die me ¬ chanische Energie in elektrische Energie wandelt. In einem solarbeheizten Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Verdampferrohren, die zusammen eine Verdampferheizflache bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - kann vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheizflache strö- mungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer, üblicherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt werden .
Bei solarbeheizten Durchlaufdampferzeugern weisen die Verdampferrohre am Austritt der Verdampferheizfläche häufig gro ¬ ße Temperaturunterschiede auf, da an die einzelnen Verdamp ¬ ferrohre des Parallelrohrsystems unterschiedlich viel Wärme übertragen wird. Die Ursachen der unterschiedlich großen übertragenen Wärmemengen liegen an den örtlich stark unterschiedlichen Wärmestromdichten des auf den Absorber einfallenden gebündelten Sonnenlichts.
Zudem ist in einem Solarturm-Kraftwerk 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 Absor- ber-heizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten aus ¬ zulegen . 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.
Bei vorliegender Zweiphasenströmung wirkt der Druckverlust der Dampfstrecke wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist destabilisierend. Der Anteil dieses Druckverlustes am Ge ¬ samtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Insta- bilität zu minimieren.
Weiterhin treten Strömungsoszi lationen in Verdampfern nur in Systemen mit mindestens zwei S römungsformen auf, wobei eine Phase inkompressibles Medium s in muss, d.h. in diesem Fall unterkühltes Wasser.
Oben beschriebene Instabilität haben in konventionellen Kraftwerken in der Vergangenhe zu Schäden geführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verdampferrohre eines solarbeheizten Durchlaufdampferzeugers so zu gestalten, dass trotz einer unterschiedlicher Wärmeaufnahme einzelner Verdampferrohre und trotz hoher Wärmestromdichten, destabili ¬ sierende Druckverluste minimiert und dadurch eine für das Ge ¬ samtsystem entstehende Instabilität vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für solarbeheizte Durch ¬ laufdampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Druckausgleichsgefäß in einer geeigneten Höhenlage der Verdampferheizfläche angeordnet ist. Der Druckausgleich wird dadurch bewirkt, dass ein Teilstrom von den Verdampferrohren über Druckausgleichsrohre zum Druckausgleichsgefäß und ein anderer Teilstrom vom Druckausgleichsgefäß über Druckaus- gleichsrohre zu den Verdampferrohren strömen. Wenn im Falle eines fehlenden Druckausgleichs die Strömung in einzelnen Rohren schwingt, so schwankt auch der Druck im Rohr perio ¬ disch. Dies wird durch einen Druckausgleich an geeigneter Position verhindert. Mit einem Druckausgleich müssten die
Schwingungen an der Stelle des Druckausgleichs phasengleich sein, d.h. es müsste eine Schwingung des Gesamtmassenstroms vorliegen. Dieser Gesamtmassenstrom ist jedoch konstant aufgeprägt und ist deswegen schwingungsfrei.
Die Position des Druckausgleichsgefäßes wird so festgelegt, dass die Strömung zwischen Verteiler und Druckausgleichsgefäß in jedem Betriebspunkt dynamisch stabil ist.
Da bei dieser strömungstechnischen Auslegung alle Parallelrohre bei unterschiedlicher Beheizung zwar unterschiedliche Durchsätze, jedoch annähernd gleiche Dampfgehalte (bei Nass ¬ dampf) bzw. Temperaturen (bei überhitztem Dampf) aufweisen, ist ein Durchsatz des gesamten Massenstromes durch einen Durchgangssammler nicht erforderlich. Ein Durchsatz des gesamten Massenstromes durch einen Durchgangssammler wäre sogar nachteilig, weil dabei wieder die Gefahr der Entmischung ei ¬ nes Wasser-Dampfgemisches bestünde. Es ist deshalb nur ein Druckausgleichsgefäß vorgesehen, das lediglich von einem Teil des gesamten NassdampfStromes durchströmt wird. Dieser sich einstellende Teilstrom bewirkt eine Vergleichmäßigung der Strömungsverteilung und eine dem Beheizungsprofil angepasste Strömungsverteilung in den Parallelrohren zwischen dem Eintrittssammler und den abgehenden Druckausgleichsrohren zum Druckausgleichsgefäß. Die Gefahr der Entmischung des Nass ¬ dampfes in Wasser und Dampf besteht nicht, sodass alle Ver ¬ dampferrohre am oberen Ende der Rohrwände annähernd gleiche Temperatur besitzen und Schäden wegen Wärmespannungen nicht auftreten können.
Die Höhe des Druckausgleichsgefäßes ist so zu wählen, dass unzulässige Schwingungen in den einzelnen Rohren unterbunden werden und dass die Temperaturschieflagen am Austrittssammler nicht in einen unzulässigen Bereich geraten. Vorteilhaft wird die Höhe so gewählt, dass ein mittlerer Dampfgehalt im Druck ¬ ausgleichsgefäß, bei der geringsten Last im Durchlaufbetrieb, größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 80% ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
FIG 1 ein Solarturm-Kraftwerk,
FIG 2 einen solarthermischen Durchlauf erdampfer,
FIG 3 ein einzelnes Verdampferrohr mit einem Anschluss an ein Druckausgleichsgefäß.
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Absorber 3 beispielsweise in Form einer Verdampferwandheizfläche 6 (siehe FIG 2) angeordnet ist. Ein He- liostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um den Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung I s ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heli ¬ ostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung I s von der Sonne in Form von konzentrierter
Solarstrahlung I c auf den Absorber 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, den Heliostaten 5, auf die Spitze des Solarturmes 2 konzentriert. In der Turm- spitze befindet sich ein Absorber 3, beispielsweise eine Ver ¬ dampferwandheizfläche 6, die die Strahlung I c in Wärme umwan ¬ delt und an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, abgibt, das die Wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt.
In FIG 2 ist ein solarthermischer Durchlaufverdampfer 7 dargestellt, wie er in vorteilhafter Ausführung als Verdampfer- wandheizfläche 6 in den Absorber 3 des Solarturmkraftwerks 1 der FIG 1 integriert ist. Konzentrierte Solarstrahlung I c trifft fokussiert auf eine Vielzahl von Wärmeübertragenden Rohren, die so genannten Verdampferrohre 8. Die Verdampferrohre 8 sind eingangsseitig am Verdampfereintritt 9 mit einem Verteiler 10 strömungstechnisch verbunden. Am Verdampferaustritt 11 sind die Verdampferrohre 8 mit einem Sammler 12 ver ¬ bunden. Im Betrieb des solarthermischen Durchlaufverdampfers 7 werden die Verdampferrohre 8 durch die konzentrierte Solar ¬ strahlung I c aufgeheizt, wobei die Verdampferrohre 8 die Wär ¬ me an ein Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, abgeben. Das Strömungsmedium wird dabei in den Verdampferrohren 8 durch die konzentrierte Solarstrahlung I c direkt verdampft. Das verdampfte Wasser verlässt als Nutzdampf den Verdampferaustritt 11 und kann in einem nicht näher dargestellten konventionellen Kraftwerksteil zur Entspannung in einer Dampfturbine benutzt werden. Am Verdampfereintritt 9 tritt kaltes Strömungsmedium, insbesondere kaltes Wasser, in den Verteiler 10 ein und wird auf die Vielzahl der Verdampferrohre 8 ver ¬ teilt. Im Betrieb des solarthermischen Durchlaufverdampfers 7 ist es besonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch den Absorber 3, respektive die Verdampferwandheizfläche 6, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Verdampferaustritt 11 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 4 zu gewährleisten. Das am Verdampferaustritt 11 zur Verfügung stehende Wasser-/Dampfgemisch kann bei entsprechender Überhitzung gegebenenfalls in einer weiteren nicht dargestellten Heizfläche als Frischdampf mit einer Frischdampftemperatur der nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden.
FIG 3 zeigt ein einzelnes Verdampferrohr 8 mit einem An- schluss eines Druckausgleichsrohres 14 an ein Druckaus ¬ gleichsgefäß 13. Der Anschluss des Druckausgleichsrohres be ¬ findet sich an der Stelle H, und geht mit seinem Austrittsen- de direkt in das Eintrittsende des Verdampferrohres 8 über. Das Druckausgleichsrohr 14 ist an ein Druckausgleichsgefäß 13 angeschlossen. Von jedem Verdampferrohr 8 zweigt jeweils ein Druckausgleichsrohr 14 ab.