Vermeidung statischer und dynamischer Instabilitäten in

Zwangdurchlauf-Dampferzeugern in solarthermischen Anlagen durch Aufweitung der Heizflächenrohre

Die Erfindung bezieht sich auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger, insbesondere für solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung.

Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her- kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Ver- dampfung ausgeführt.

In einer Ausführungsform dieses solarthermischen Kraftwerks wird das Wärmeträgermedium in den Parabolrinnenkollektoren aufgeheizt. Das heiße Wärmeträgermedium gibt seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.

Der o.g. Dampferzeuger kann als Zwangdurchlaufdampferzeuger mit vertikalem oder horizontalem Kanal für das Wärmeträgermedium ausgeführt werden.

Grundsätzlich ist bei Dampferzeugern dieser Art die Möglichkeit von statischen und dynamischen Instabilitäten gegeben. Diese sind durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei solar ^¬ thermischen Dampferzeugern der oben genannten Art dynamische Instabilitäten zu vermeiden.

Dazu wird vorgeschlagen, dass bei einem solarthermischen Dampferzeuger, insbesondere für eine solarthermische Kraft ^¬ werksanlage, durch den ein Wärmeträgermedium führbar ist und der Wärmetauscherrohre umfasst, ein Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre entgegen einer Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums zunimmt.

Die erzielte Verringerung des Reibungsdruckverlustes der Zweiphasenströmung bzw. der DampfStrömung wirkt sich stabilisierend auf die Strömung aus.

Vorteilhafter Weise wird die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Rohrwandstärkenreduzierung der Wärmetauscherrohre erreicht.

Alternativ kann die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Vergrößerung eines Innenquerschnitts der Wärmetauscherrohre erreicht werden.

Zweckmäßiger Weise ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl oder eine Salzschmelze.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der solarthermischen Dampferzeuger nach der Erfindung als Zwangsdurchlauf- dampferzeuger verwendet.

Eine solarthermische Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafter Weise einen solchen Dampferzeuger.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn eine solarthermische

Kraftwerksanlage Parabolrinnen umfasst.

Der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wirkt wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist desta ^¬ bilisierend. Der relative Anteil dieses Druckverlustes am Ge ^¬ samtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Insta ^¬ bilität zu minimieren. Durch die in der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme wird der o.g. Druckverlust im Austrittsbereich des Verdampfers minimiert. Bei richtiger Wahl der Lage der Strömungsquerschnittsverhältnisse im Dampferzeuger können so statische und dynamische Instabilitäten sicher vermieden werden . Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Wasser-Dampf-Kreislauf eines solarthermisches

Kraftwerks und

Figur 2 einen Zwangsdurchlaufdampferzeuger .

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau ei ^¬ ner eines Wasser-Dampf-Kreislaufs eines solarthermischen Kraftwerks 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerksanlage 1 umfasst ein in Figur 1 nicht gezeigtes So ^¬ larfeld, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wär ^¬ meenergie umgewandelt wird. Das Solarfeld kann beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser ei ^¬ nen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Tempera ^¬ turen von 300-400 °C erreicht werden können. Über die Rohrleitung 2 wird das Wärmeträgermedium zum solarthermischen Dampferzeuger 3 transportiert, in dem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, erwärmt, verdampft und der erzeugte Dampf überhitzt wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird über die Leitung 4 zurück in das Solarfeld gepumpt.

Der überhitzte Dampf wird im sogenannten konventionellen Teil des solarthermischen Kraftwerks 1 über eine Frischdampflei ^¬ tung 5 in eine Dampfturbine 6 als Arbeitsmedium eingeleitet. Die Dampfturbine 6 treibt einen Generator 7 an . In der Dampfturbine 6 wird das Arbeitsmedium entspannt und anschließend in einem Kondensator 8 verflüssigt. Eine Speisewasserpumpe 9 pumpt das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zurück zum solarthermischen Dampferzeuger 3 womit der Wasser-Dampf-Kreislauf 10 des Arbeitsmediums geschlossen ist.

Figur 2 zeigt einen solarthermischen Dampferzeuger 3 mit einem Einlass 11 für das heiße Wärmeträgermedium 20 am oberen Ende eines druckdichten Behälters 12 und einem Auslass 13 für das abgekühlte Wärmeträgermedium 21 am unteren Ende des Behälters 12.

Speisewasser 14 wird dem solarthermischen Dampferzeuger 3 an seinem unteren Ende zugeführt und über einen Eintrittssammler 15 auf Wärmetauscherrohre 16 verteilt, die im Behälter 12 an ^¬ geordnet sind. Die Wärmetauscherrohre 16 sind so ausgebildet, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Damit das heiße Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes nicht an der Gesamtheit der Wärmetauscherrohre 16 vorbei und hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters 12 sondern durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömt, wird das Wärmeträgermedium in einem Strömungskanal 17 durch den Behälter 12 des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 3 geführt. Der Strömungskanal 17 erwei ^¬ tert sich an seinem oberen Ende vom Einlass 11 her und ist unten offen. Der Behälter 12 ist im Betrieb innerhalb und außerhalb des Strömungskanals 17 mit dem Wärmetauschermedium gefüllt .

Beim Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 16 wird das Speise ^¬ wasser erwärmt, verdampft und überhitzt, so dass am Ende der Wärmetauscherrohre 16 überhitzter Dampf 18 in einem Aus ^¬ trittssammler 19 gesammelt und der Dampfturbine 6 zugeführt werden kann.

Gemäß der Erfindung nimmt nun ein Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre 16 entgegen einer Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums 20,21 zu. Pfeil 22 zeigt die Richtung der Zunahme des Strömungsquerschnitts.