[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Modulbauweise für Anlagen, in denen
große Last- und/oder Temperaturschwankungen auftreten, insbesondere Solarkraftwerke.
[0002] Aus
DE 29510720 U1 der Anmelderin ist ein Wärmetauscher bekannt, der sich insbesondere als Kühlluftkühler
für Gasturbinen bestens bewährt hat. Dieser weist Rohre zur Trennung des wärmeabgebenden
Mediums und des wärmeaufnehmenden Mediums auf. Die Rohre sind mäanderförmig verlaufend
zwischen einem Einlaß-Sammelrohr und einem Auslaß-Sammelrohr angeordnet und werden
von einem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt. Das wärmeabgebende Medium umströmt
diese mäanderförmig verlaufenden Rohre.
[0003] Mit Hilfe des aus
DE 29510720 U1 bekannten Wärmetauschers können die aufgrund der häufigen Last- und Temperaturwechsel
auftretenden Belastungen mechanischer und thermischer Art erfolgreich gemindert werden.
Ferner erlaubt die mäanderartige Formgebung der Rohrbündel ein "Downsizing" des Wärmetauschers
bei gleichbleibender Leistung. Trotz der aufgeführten Vorteile besteht weiterhin Bedarf
an noch kompakteren und noch effizienteren Wärmetauschern, die flexibel, aber trotzdem
kostengünstig hergestellt werden können. Wärmetauscher für Solarkraftwerke, insbesondere
Parabolrinnenkraftwerke, müssen außerdem schnellere Anfahrgeschwindigkeiten mit hohen
Temperaturgradienten aufweisen.
[0004] Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den aus
DE 29510720 U1 bekannten Wärmetauscher weiter zu verbessern und einen Wärmetauscher anzugeben, welcher
eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht, so dass noch weniger Platzbedarf für den
Wärmetauscher erforderlich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, neben der Senkung
der Produktionskosten eine flexible Bauweise zu ermöglichen.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Anspruch.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
[0006] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist modular aufgebaut. Die Wärmetauschermodule,
welche mindestens ein Vorwärmer-, mindestens ein Verdampfer- und mindestens ein Überhitzermodul
sind, werden in einem gemeinsamen Außenmantel angeordnet, in welchem ein wärmeabgebendes
Medium die Wärmetauschermodule mit den mäanderförmig verlaufenden Rohrbündeln umströmt:
Der Wärmetauscher vereint also mindestens drei verschiedene Apparate in einem. Der
Wärmeaustausch erfolgt nach dem Gegen- bzw. Kreuzstromprinzip. Die mäanderförmigen
Rohre werden von einem wärmeaufnehmenden Medium, beispielsweise Wasser, durchströmt.
Durch die mäanderförmige Anordnung der Rohrbündel wird die Baugröße des Wärmetauschers
verringert, die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden zum wärmeaufnehmenden Medium
verbessert und ferner die Thermoelastizität des Aufbaus erhöht.
[0007] Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass durch die Anordnung der
einzelnen Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Außenmantel die Baugröße des Wärmetauschers
bei gleicher oder gar erhöhter Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers deutlich verringert
wird. Ein weiterer Vorteil der modularen Bauweise besteht in der Möglichkeit der flexiblen
Anpassung einzelner Wärmetauschermodule je nach den Anforderungen. So können beispielsweise
je nach Bedarf einzelne Module hinzugefügt werden oder nur einzelne Module beispielsweise
durch Änderung der Rohrbündellängen modifiziert werden. Dadurch entfällt der Aufwand
für eine umfangreiche Gesamtauslegung des Wärmetauschers. Außerdem können Produktionskosten
gesenkt werden, da anstelle der kostenintensiven Einzelanfertigung von Wärmetauscherkomponenten
Gleichteile bzw. gleiche Module verwendet werden können. Durch die Einsparung von
zusätzlichen Rohrverbindungen zwischen den Einzelmodulen und durch die kompakte Bauweise
werden nicht nur Materialkosten gesenkt sondern auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers
erhöht, da der Wärmeverlust an die Umgebung dank der Abnahme der Oberfläche, welche
mit der Umgebung in Kontakt steht, effektiv verringert wird.
[0008] Durch die Parallelschaltung mehrerer Verdampfermodule mittels einer Dampftrommel
wird die Flexibiltät und die Effizienz weiter gesteigert. Zudem kann schnelleres Anfahren
mit höheren Temperaturgradienten erreicht werden, was bei wechselnden Last- und Temperaturbedingungen
von beispielsweise Solarkraftwerken von enormer Bedeutung ist. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsvariante der Erfindung sind die Rohre, durch die das wärmeaufnehmende Medium
vom Austrittssammler des jeweiligen Verdampfermoduls zur Dampftrommel strömt, so miteinander
verbunden, dass sie nur einen einzigen gemeinsamen Eintritt in die Dampftrommel aufweisen.
Dadurch werden weiterhin Materialkosten und auch der Wärmeverlust an die Umgebung
verringert.
[0009] Ebenso können gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die
Rohre, durch die das wärmeaufnehmende Medium von der Dampftrommel zum Eintrittssammler
des jeweiligen Verdampfermoduls strömt, so miteinander verbunden sein, dass sie einen
einzigen gemeinsamen Austritt aus der Dampftrommel aufweisen.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann der Wärmetauscher
entweder horizontal oder vertikal aufgestellt werden. Die vertikale Aufstellung erlaubt
eine noch bessere Flächennutzung. Dabei können mehrere der erfindungsgemäßen Wärmetauscher
nebeneinander parallel auf einer relativ kleinen Fläche betrieben werden. Bei insbesondere
Solarkraftanlagen sind die Platzverhältnisse ungünstig, da die Parabolrinnenkollektoren
sehr viel Platz einnehmen. Die platzsparende Bauweise der erfindungsgemäßen Wärmetauscher
erlaubt eine fast ortsungebundene Aufstellung, so dass die Strömungswege der aufgeheizten
Medien zum Wärmetauscher zweckmäßiger Weise verkürzt werden können. Die Temperaturen
des wärmeabgebenden Mediums bei Eintritt in den Wärmetauscher sind höher, so dass
die Wärmeausbeute besser wird.
[0011] Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Wärmetauschermodul
bei horizontaler Aufstellung eine Anzahl von horizontalen Rohrlagen aufweist, wobei
jede Rohrlage aus einer gleichen Anzahl von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen
so angeordnet sind, dass die Rohre der einzelnen Rohrlagen in vertikaler Richtung
genau übereinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden
Mediums in den vertikal benachbarten, quer zur Mittelachse des Außenmantels angeordneten
Rohrabschnitten entgegengesetzt sind. Die Ausführung der Rohrbündel in einzelnen Rohrlagen
ermöglicht eine extrem kompakte Bauweise. Dadurch dass die Rohre vertikal genau übereinanderliegen;
können herkömmliche Abstandhalter zwischen den Rohren verwendet werden. Die entgegengesetzte
Strömung in den vertikal benachbarten Rohrabschnitten, die quer zur Mittelachse des
Außenmantels angeordnet sind, begünstigt die symmetrische Temperaturverteilung im
Wärmetauscher in Bezug auf die Mittelachse. Entsprechendes gilt auch bei der vertikalen
Aufstellung des Wärmetauschers. In diesem Fall liegen dann die Rohrlagen gegenüber
der horizontalen Aufstellung um 90° verdreht, vertikal nebeneinander, wobei zweckmäßigerweise
das Vorwärmermodul im gemeinsamen Außenmantel am tiefsten ist.
[0012] Vorzugsweise weisen die Ein- und Austrittssammler einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Dabei sind die Rohre einer Rohrlage auf einer Umfangsebene des jeweiligen Ein-
und Austrittssammlers voneinander um einen gleichen Winkel versetzt mit dem jeweiligen
Ein- und Austrittssammler verbunden. Auf diese Weise wird das Herstellungsverfahren
erleichtert, da genug Platz für Schweißarbeiten, spanende Fertigung oder sonstige
Arbeiten an den Sammlern geboten wird.
[0013] Weiterhin bevorzugt, sind die Rohre der benachbarten Rohrlagen so mit dem jeweiligen
Ein- und Austrittssammler verbunden, dass die Rohre der einen Rohrlage bezüglich der
Rohre der benachbarten Rohrlage um einen Winkel versetzt auf einer benachbarten Umfangsebene
des jeweiligen Ein- und Austrittssammlers angeordnet sind. Hierdurch können die Umfangsflächen
der Ein- bzw. Austrittssammler optimal ausgenutzt werden, so dass die Anordnung der
Rohrlagen kompakt gestaltet werden kann. Es bleibt immer noch genügend Platz für Schweißarbeiten,
spanende Fertigung oder sonstige Arbeiten an den Sammlern.
[0014] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Rohre der Wärmetauschermodule
in einem gemeinsamen Innengehäuse angeordnet, welcher konzentrisch innerhalb des Außenmantels
angeordnet ist und eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium
aufweist. Das Querschnittsprofil des Innengehäuses ist vorzugsweise rechteckig, so
dass die Rohbündel möglichst eng von diesem Innengehäuse umschlossen werden. Durch
die zusätzliche Umschließung der wärmeaustauschenden Komponenten wird eine weitere
Isolierung zwischen den Wärmetauschermodulen und der Umgebung geschaffen. Alternativ
kann der Raum zwischen dem Außenmantel und dem Innengehäuse als zusätzlicher Strömungskanal
für das wärmeabgebende Medium genutzt werden. Auf diese Weise wird die Verweilzeit
des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher verlängert, so dass die Wärmeübertragung
zum wärmeaufnehmenden Medium verbessert wird.
[0015] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsvariante mit Darstellung der
rohrseitigen Strömungswege bei vertikaler Aufstellung;
Fig. 2 einen Längsschnitt wie Fig. 1, allerdings mit Darstellung der mantelseitigen
Strömungswege;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsvariante bei horizontaler Aufstellung;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus Fig. 3;
Fig. 5 eine vergrößerte Detailansicht aus Fig. 8;
Fig. 6 eine Draufsicht von Fig. 5;
Fig. 7 eine vergrößerte Detailansicht aus Fig. 3;
Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 3.
[0016] Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Der Wärmetauscher 1 ist in platzsparender
Weise horizontal aufgestellt. In dem Außenmantel 70 befindet sich ein Innengehäuse
80, welches ein rechteckiges Querschnittsprofil aufweist. In dem Innengehäuse sind
die mäanderförmig verlaufenden Rohre 120 der einzelnen Wärmetauschermodule 10, 20,
30, 40, 50 angeordnet. Das wärmeaufnehmende Medium, beispielsweise Wasser, tritt über
die Rohrleitung 91 in den Eintrittssammler 11 des Vorwärmermoduls 10 ein. Nach dem
Durchströmen der Rohre 120 des Vorwärmermoduls 10 tritt es über den Austrittssammler
12 des Vorwärmermoduls 10 und über die Rohrleitung 92 in die Dampftrommel 60. Aus
der Dampftrommel 60 tritt das aufgeheizte Wasser über die Rohrleitungen 93, 94, 95
in die parallel geschalteten Verdampfermodule 20, 30, 40. Über eine gemeinsame Rückflussleitung
96 strömt das Wasser-Dampf-Gemisch aus den Verdampfermodulen 20, 30, 40 wieder in
die Dampftrommel 60. Die Dampftrommel 60 weist Mittel (hier nicht gezeigt) zur Abscheidung
des Wassers aus dem Wasser-Dampf-Gemisch, so dass der trockene Dampf zur Überhitzung
über die Rohrleitung 97 in den Eintrittssammler 51 des Überhitzermoduls 50 gelangt.
Der nun im Überhitzermodul 50 überhitzte Dampf tritt über die Rohrleitung 98 aus dem
Wärmetauscher und gelangt beispielsweise zur Stromerzeugung in die nachgeschaltete
Turbine.
[0017] Figur 2 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel aus Fig. 1, allerdings wird hier der
Strömungsweg des wärmeabgebenden Mediums genauer dargestellt. Das wärmeabgebende Medium,
welches in diesem Fall ein über die Sonnenenergie aufgeheiztes Thermoöl ist, tritt
über den Eintrittsstutzen 71 des Außenmantels 70 mit einer Temperatur von ca. 400°C
ein. Über den Kanal 73, der durch den Außenmantel 70 und das Innengehäuse 80 gebildet
wird, tritt das Thermoöl in das Innengehäuse 80 ein, in dem das Thermoöl die Rohre
120 des Überhitzermoduls 50, der drei Verdampfermodule 40, 30, 20 und des Vorwärmermoduls
10 der Reihe nach umströmt und dadurch die Wärme an Wasser abgibt. Anschließend strömt
das abgekühlte Thermoöl über den Austrittsstutzen 72 aus dem Wärmetauscher 1.
[0018] Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Wärmetauscher
1 hierbei horizontal aufgestellt ist.
[0019] In Figur 4, der Schnittansicht entlang der Linie B-B aus Fig. 3, ist die Modulbauweise
des Wärmetauschers 1 am besten sichtbar. Das Vorwärmermodul 10 mit dem Eintrittssammler
11 und dem Austrittssammler 12 weist mäanderförmig verlaufende Rohre 120 auf. Die
Bauweise der anderen Wärmetauschermodule, nämlich der Verdampfermodule 20, 30, 40
sowie des Überhitzermoduls 50 ist identisch. Sie unterscheiden sich lediglich in ihren
Dimensionen. Die Verdampfermodule 20, 30, 40 allerdings sind exakt gleich. Die Anzahl
der Verdampfermodule 20, 30, 40 kann nach Bedarf angepasst werden. Da exakt gleiche
Teile verwendet werden, ergeben sich hieraus Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten.
Außerdem können bei Störungen ein oder mehrere, defekte Wärmetauschermodule einfach
ausgebaut und durch neue ersetzt werden.
[0020] In Figur 5 wird ein erfindungsgemäßer Sammler vergrößert dargestellt. Es handelt
sich hierbei um den Austrittssammler 42 des dritten Verdampfermoduls 40. Im wesentlichen
unterscheiden sich die Ein- und Austrittssammler der verschiedenen Wärmetauschermodule
nur geringfügig voneinander. Auch hier werden Vorteile der Modulbauweise erkennbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante münden die Rohre 101, 102, 103, 104 einer
ersten Lage 100 in einer horizontalen Ebene um einen gleichen Winkel α versetzt in
den Sammler 42. Ebenso münden die Rohre 111, 112, 113, 114 einer zweiten Lage 110
um den gleichen Winkel α versetzt in den Sammler 42.
[0021] Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf den Sammler 42. Der Winkel α, um den ein Rohr einer
Lage vom nächsten Rohr der gleichen Lage versetzt ist, beträgt in diesem Fall jeweils
45°. Die zweite Lage 110, die zur ersten Lage 100 vertikal benachbart ist, ist auf
dem Sammler 42 gegenüber der ersten Lage 100 um genau β = 22,5° versetzt angeordnet,
so dass die Rohre 111, 112, 113, 114 der zweiten Lage 110 in Figur 6 jeweils mittig
zwischen den Rohren 101, 102, 103, 104 der ersten Lage 100 sichtbar sind. Durch diese
regelmäßig horizontal und vertikal versetzte Anordnung von Einmündungen am Sammler
42 bleibt trotz der hohen Kompaktheit immer ein genügender Abstand für Schweißarbeiten
oder weitere Fertigungsschritte.
[0022] Figur 7 zeigt die vergrößerte Detailansicht "X" aus Fig. 3. Alle Rohre der unterschiedlichen
Lagen sind so angeordnet, dass sie vertikal genau übereinanderliegen. Durch die horizontal
und vertikal genaue Ausrichtung können einfache Abstandshalter 130 gleichmäßig angeordnet
werden. Ein weiterer Vorteil bei der Anordnung der Rohre 120 in Lagen besteht darin,
dass die Strömungsrichtungen in den vertikal benachbarten Rohrabschnitten 210, die
quer zur Mittelachse 200 des Außenmantels 70 angeordnet sind, entgegengesetzt sind.
[0023] Figur 8 zeigt einen weiteren Vorteil der Erfindung. Durch die benachbarte Anordnung
der Ein- bzw. Austrittssammler 42, 51 benachbarter Wärmetauschermodule 40, 50 kann
die Gesamtlänge des Wärmetauschers 1 weiter reduziert werden. Herkömmlich wurden die
Sammler mittig auf der Mittelachse 200 des Wärmeträgers 1 angeordnet.
[0024] Die Figuren 9 und 10 zeigen den Aufbau der einzelnen Rohrlagen 100 und 110. In den
Rohrabschnitten 210, die quer zur Mittelachse 200 des Außenmantels 70 angeordnet sind,
weist jedes Rohr bezüglich seines vertikal benachbarten Rohres bei horizontaler Aufstellung
bzw. bezüglich seines horizontal benachbarten Rohres bei vertikaler Aufstellung eine
entgegengesetzte Richtung der Rohrströmung auf.
1. Wärmetauscher (1) in Modulbauweise, insbesondere für mit großen Last- und/oder Temperaturwechseln
betriebene Anlagen, mit einem Außenmantel (70) und einer Anzahl von Wärmetauschermodulen,
wobei jedes Wärmetauschermodul, welches entweder ein Vorwärmer-(10), Verdampfer- (20,
30, 40) oder Überhitzermodul (50) ist, einen Eintrittssammler (11, 21, 31, 41, 51),
einen Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) sowie mäanderförmig verlaufende Rohre
(120), durch die das wärmeaufnehmende Medium, insbesondere Wasser, vom Eintrittssammler
(11, 21, 31, 41, 51) zum Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) strömt, aufweist, und
ferner die Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Außenmantel (70) angeordnet sind,
so dass sie vom gleichen, wärmeabgebenden Medium umströmt werden, wobei die Verdampfermodule
(20, 30, 40) über eine außerhalb des Außenmantels (70) angeordnete Dampftrommel (60)
parallel geschaltet sind.
2. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (1) horizontal oder vertikal aufstellbar ist.
3. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschermodul bei horizontaler Aufstellung eine Anzahl von horizontalen
Rohrlagen (100, 110) aufweist, wobei jede Rohrlage (100, 110) aus einer gleichen Anzahl
von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen (100, 110) so angeordnet sind, dass
die Rohre der einzelnen Rohrlagen (100, 110) in vertikaler Richtung genau übereinander
liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums
in den vertikal benachbarten, quer zur Mittelachse (200) des Außenmantels (70) angeordneten
Rohrabschnitten (210) entgegengesetzt sind.
4. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschermodul bei vertikaler Aufstellung eine Anzahl von vertikalen Rohrlagen
(100, 110) aufweist, wobei jede Rohrlage (100, 110) aus einer gleichen Anzahl von
Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen (100, 110) so angeordnet sind, dass die
Rohre der einzelnen Rohrlagen (100, 110) in horizontaler Richtung genau nebeneinander
liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums
in den horizontal benachbarten, quer zur Mittelachse (200) des Außenmantels (70) angeordneten
Rohrabschnitten (210) entgegengesetzt sind.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ein- (11, 21, 31, 41, 51) und Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen, und die Rohre (101, 102, 103, 104) einer Rohrlage (100) auf
einer Umfangsebene des jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammlers (42) voneinander
um einen gleichen Winkel (α) versetzt mit dem jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammler
(42) verbunden sind.
6. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (101, 102, 103, 104, 111, 112, 113, 114) der benachbarten Rohrlagen (100,
110) so mit dem jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammler (42) verbunden sind, dass
die Rohre (111, 112, 113, 114) der einen Rohrlage (110) bezüglich der Rohre (101,
102, 103, 104) der benachbarten Rohrlage (100) um einen Winkel (β) versetzt auf einer
benachbarten Umfangsebene des jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammlers (42) angeordnet
sind.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (120) der Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Innengehäuse (80) angeordnet
sind, welcher konzentrisch innerhalb des Außenmantels (70) angeordnet ist und eine
Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist.
8. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (96a, 96b, 96c), durch die das wärmeaufnehmende Medium vom Austrittssammler
(22, 32, 42) des jeweiligen Verdampfermoduls (20, 30, 40) zur Dampftrommel (60) strömt,
so miteinander verbunden sind, dass sie einen einzigen gemeinsamen Eintritt (96) in
die Dampftrommel (60) aufweisen.
9. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (93, 94, 95), durch die das wärmeaufnehmende Medium von der Dampftrommel
(60) zum Eintrittssammler (21, 31, 41) des jeweiligen Verdampfermoduls (20, 30, 40)
strömt, so miteinander verbunden sind, dass sie einen einzigen gemeinsamen Austritt
aus der Dampftrommel (60) aufweisen.