Vermeidung statischer Instabilitäten in Zwangdurchlauf- Dampferzeugern durch kombinierte Gleich- und Gegenstromschal- tung

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 Verdampfung 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 ein solarthermischer Dampferzeuger vorgeschlagen, insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage, durch den ein Wärmeträgermedium in einer ersten Richtung führbar ist, wobei Wärmetauscherrohre in einem ersten Abschnitt im Wesentlichen in einer Gegenstromrichtung zur ersten Richtung und in einem zweiten Abschnitt im Wesentlichen in einer

Gleichstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet sind. Aufgrund ihrer Charakteristik neigen reine Gegenstromschal- tungen zu statischer Instabilität, während reine Gleichstromschaltungen inhärent statisch stabil sind. Reine Gleichstromschaltungen sind allerdings aus Gründen der Performance und Heizflächengröße (Kosten) nur selten realisierbar. Es gilt deshalb Gleich- und Gegenstrom in geeigneter Weise zu kombinieren. Bei richtiger Wahl der Lage der Übergänge der Abschnitte im Dampferzeuger können so statische Instabilitäten sicher vermieden und gleichzeitig kostengünstige Designs rea ^¬ lisiert werden.

Vorteilhafter Weise sind demzufolge die Wärmetauscherrohre in einem dritten Abschnitt im Wesentlichen in einer Gegenstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der erste Abschnitt der Wärme ^¬ tauscherrohre ein Economizer, der zweite Abschnitt der Wärme ^¬ tauscherrohre ein Verdampfer und der dritte Abschnitt der Wärmetauscherrohre ein Überhitzer ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze.

Es ist zweckmäßig, wenn der solarthermische Dampferzeuger ge ^¬ mäß der Erfindung als Zwangsdurchlaufdampferzeuger verwendet wird . Eine solarthermische Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafter Weise einen Dampferzeuger nach der Erfindung. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die solarthermische Kraftwerksanlage Pa- rabolrinnen umfasst. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Wasser-Dampf-Kreislauf eines solarthermischen

Kraftwerks ,

Figur 2 einen Durchlaufdampferzeuger und

Figur 3 eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers mit

Gleich- und Gegenstromführung der Wärmetauscher.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau ei ^¬ nes Wasser-Dampf-Kreislaufs eines solarthermischen Kraftwerks 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerks ^¬ anlage 1 umfasst ein in Figur 1 nicht gezeigtes Solarfeld, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärmeenergie um ^¬ gewandelt wird. Das Solarfeld kann beispielsweise Parabolrin- nenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Temperaturen 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 nach dem Stand der Technik mit einem Einlass 11 für das heiße Wärme ^¬ trägermedium am oberen Ende eines druckdichten Behälters 12 und einem Auslass 13 für das abgekühlte Wärmeträgermedium 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.

Figur 3 zeigt eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers 3 gemäß der Erfindung im Schnitt, der bzgl. der Strömungsführung in drei Abschnitte 20, 21, 22 unterteilt ist. Der erste Abschnitt 20 umfasst den Speisewassereintritt 14 bis zum Be ^¬ ginn der Verdampfung (Economizer) und verläuft im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium 23. Der zweite Abschnitt 21 umfasst den Beginn der Verdampfung bis zum Ende der Verdampfung (Verdampfer) und verläuft im Gleichstrom zum Wärmeträgermedium 23. Der dritte Abschnitt 22 umfasst das Ende der Verdampfung bis zum Austritt des Frischdampfs 18 (Überhitzer) und verläuft im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium 23.

Je nach Eintrittsunterkühlung des Speisewassers 14 bzw. Über- hitzung des Frischdampfs 18 kann die Größe der Abschnitte 20 und 22 variieren. Im Extremfall können diese Abschnitte 20 und 22 auch entfallen.