Wärmetauscher zur Dampferzeugung für ein solarthermisches Kraftwerk

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk, mit einem Mantel (10) zur Aufnahme eines mantelseitigen Fluids und mit innerhalb des Mantels (10) verlaufenden Rohren (20) für ein rohrseitiges Fluid, wobei die Wärme über die Rohre (20) von dem rohrseitigen Fluid auf das mantelseitige Fluid übertragen wird und wobei das mantelseitige Fluid Wasser und das rohrseitige Fluid ein Thermo-Öl oder Salz ist. Mit Hilfe der Erfindung lassen sich die Anfahrgradienten und Wechsellastgradienten steigern, dies führt zu einer höheren Kraftwerksverfügbarkeit. Ferner lässt sich eine höhere Betriebssicherheit erreichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk.

[0002] Faktoren, wie beispielsweise stärkeres Umweltbewusstsein in der Wirtschaft und Politik, Verteuerung und Verknappung der fossilen Brennstoffe, haben in den letzten Jahrzehnten zu einem Umdenken im Bereich der Stromerzeugung geführt. Neue Technologien haben zur verstärkten Nutzung der regenerativen Wind- und Solarenergie geführt. Insbesondere solarthermische Anlagen mit Parabolrinnen-Kollektoren haben sich inzwischen großtechnisch durchgesetzt, so dass bereits Anlagen in den USA und Europa in Betrieb genommen worden sind und weitere Großanlagen demnächst noch hinzukommen werden.

[0003] In solarthermischen Kraftwerken mit Parabolrinnen-Kollektoren wird das Sonnenlicht mittels parabolförmiger Spiegel auf die Absorberrohre gebündelt, so dass das in den Absorberrohren befindliche Thermo-Öl auf eine Temperatur von circa 400 °C erhitzt wird. Mit Hilfe von Wärmetauschern wird dem Thermo-Öl thermische Energie entzogen und auf Wasser zwecks Verdampfung übertragen, so dass der dadurch erzeugte Wasserdampf in einem angeschlossenen Dampfkraftwerk auf herkömmliche Weise eine Turbine zur Stromproduktion antreibt. Herkömmlich kommen Wärmetauscher mit U-Rohr-Bündeln zur Dampferzeugung zum Einsatz, bei denen die Abtrennung des dampfförmigen Wassers von der flüssigen Phase in einem Mantelbereich oberhalb des Rohrbündels erfolgt, der konstruktiv durch eine Erweiterung des Manteldurchmessers geschaffen wird.

[0004] Es hat sich gezeigt, dass bei solarthermischen Kraftwerken und ihrer charakteristischen zyklischen Betriebsweise eine Dampfabtrennung im selben Mantel mittels Erweiterung des Manteldurchmessers von Nachteil ist. Der erweiterte Manteldurchmesser erfordert eine Vergrößerung der Mantelwanddicken, welche sich nachteilig auf die Thermoelastizität der Wärmetauscher auswirkt, das heißt die maximal zulässigen Temperaturgradienten während des Anfahr- und Wechsellastbetriebes des Kraftwerkes reduziert und demzufolge die Kraftwerksverfügbarkeit bei erhöhtem Materialermüdungsrisiko verringert.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung für ein solarthermisches Kraftwerk anzugeben, welcher die erwähnten Nachteile im Stand der Technik reduziert oder überwindet.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

[0007] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk umfasst einen Mantel zur Aufnahme eines mantelseitigen Fluids und Rohre, die innerhalb des Mantels verlaufen, für ein rohrseitiges Fluid. Die Wärme wird über die Rohre von dem rohrseitigen Fluid auf das mantelseitige Fluid übertragen, wobei das rohrseitige Fluid ein Thermo-Öl oder Salz und das mantelseitige Fluid Wasser ist.

[0008] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann der Durchmesser des Mantels deutlich verringert werden. Der Einsatz von Sammlern anstelle von Rohrscheiben reduziert die mechanisch erforderlich Wanddicken sogar noch weiter. Dadurch lassen sich die maximal zulässigen Temperaturgradienten während des Anfahr- und Wechsellastbetriebes erheblich steigern, was zu einer größeren Thermoelastizität und Verfügbarkeit des Kraftwerks führt. Die erhöhte thermische Elastizität steigert darüber hinaus die Betriebssicherheit, da das Risiko der Materialermüdung und Thermorisse deutlich verringert wird.

[0009] Vorzugsweise umfasst der Wärmetauscher einen Fluideintrittskanal, welcher sich an eine Eintrittsöffnung für das mantelseitige Fluid anschließt und zumindest einen Teil der Rohre in der Weise umgibt, dass der Fluideintrittskanal als eine Vorwärmerstrecke und/oder ein Strömungsrichter für das in den Mantel eintretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung durchläuft das in den Wärmetauschermantel eintretende kalte Wasser zunächst diesen Fluideintrittskanal, bevor es sich mit dem bereits erwärmten Wasser bzw. Wasser-Dampf-Gemisch im Wärmetauscher vermischt. Hierdurch wird in gewisser Weise eine integrierte Vorwärmestrecke gebildet, was sich thermodynamisch und strömungstechnisch als günstig erweist. Des Weiteren dient der Fluideintrittskanal als Strömungsrichter.

[0010] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgibt der Fluideintrittskanal circa 1/8 der Oberflächen der Rohre. Der Fluideintrittskanal ist vorzugsweise kastenförmig aufgebaut und umschließt einen Teil der wärmeabgebenden Rohroberflächen. Der Fluideintrittskanal kann auch zylinderförmig ausgeführt sein. Dabei beträgt das Verhältnis der vom Fluideintrittskanal umschlossenen Rohroberfläche zur gesamten Rohroberfläche im Wärmetauscher 1/8. Je nach Anwendungsfall kann dieser Wert angepasst werden.

[0011] Weiterhin bevorzugt umfasst der Wärmetauscher einen Fluidaustrittskanal, welcher im Bereich einer Austrittsöffnung für das mantelseitige Fluid in der Weise angeordnet ist, dass der Fluidaustrittskanal als ein Strömungsrichter und/oder Wasserabscheider für das aus dem Mantel austretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist. Hierdurch wird für eine gerichtete Strömung des aus dem Wärmetauscher austretenden Dampfes gesorgt. Ferner kann der Fluidaustrittskanal Elemente umfassen, die einer besseren Wasser- bzw. Tropfenabscheidung dienen.

[0012] Vorzugsweise sind die Rohre im Wärmetauschermantel als ein U-Rohr-Bündel ausgebildet. Hierdurch wird in kompakter Weise eine große Oberfläche zur Wärmeübertragung bzw. Dampferzeugung und eine möglichst lange Verweilzeit des wärmeabgebenden Thermo-Öls im Wärmetauscher zur Verfügung gestellt. Die Rohre können auch mäanderförmig gebogen verlaufen. Die Dimension und Anordnung des Rohrbündels können dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend optimal ausgelegt werden.

[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine Dampftrommel auf, welche oberhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und durch Steig- und Fallleitungen an den Wärmetauscher gekoppelt ist. Der im Wärmetauscher gebildete Dampf gelangt über Steigleitungen zur Dampftrommel, von der er zur weiteren Verwendung bzw. Überhitzung entnommen wird. Über Fallleitungen kann das Kondensat aus der Dampftrommel abgeführt und zum Wärmetauscher zurückgeführt werden. Die Anordnung der Dampftrommel oberhalb des Wärmetauschers erlaubt einen Naturumlauf. Je nach Anwendungsfall kann auch ein Zwangsumlauf mittels einer Pumpe in Frage kommen.

[0014] Vorzugsweise weist die Dampftrommel einen Frischwassereinlass auf. Dadurch kann eine separate wärmetauscherseitige Eintrittsöffnung für das mantelseitige Fluid, Wasser, entfallen. Das zu erhitzende Wasser gelangt gemäß dieser Ausführungsform über den Frischwassereinlass in die Dampftrommel und weiter über die Fallleitungen in den Wärmetauscher. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1

eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2

eine Vorderansicht der ersten Ausführungsform aus Fig. 1;

Fig. 3

eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 1;

Fig. 4

eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5

eine Vorderansicht der zweiten Ausführungsform aus Fig. 4;

Fig. 6

eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus Fig. 4;

Fig. 7

eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 8

eine Vorderansicht der dritten Ausführungsform aus Fig. 7.

[0015] Figuren 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Der hier horizontal aufgestellte Wärmetauscher 1 umfasst einen Mantel 10 zur Aufnahme eines mantelseitigen Fluids, Wasser, und ist auf einer Trägerstruktur 11 aufgebaut. Innerhalb des Mantels 10 sind Rohre 20 angeordnet, deren Symmetrieachsen mittels gestrichelter Linien dargestellt sind. Es handelt sich hierbei um ein Rohrbündel mit mäanderförmig gebogenen Rohren 20. Das heiße, wärmeabgebende Fluid, Thermo-Öl, tritt mit einer Temperatur von circa 400 °C und einem Druck von circa 20 bar über den Öleinlassstutzen 21 in den Wärmetauscher 1 und wird mittels eines Verteilers 23 in die einzelnen Rohre 20 des Rohrbündels geführt. Nach dem Durchströmen der Rohre 18 verlässt das Thermo-Öl mit einer Temperatur von circa 300 °C und einem Druck von circa 16 bar über einen Sammler 24 und über einen Ölauslassstutzen 22 den Wärmetauscher 1 und wird wieder den Absorberrohren der Parabolrinnen-Kollektoren (nicht dargestellt) zugeführt.

[0016] Das zu erhitzende Wasser tritt mit einer Temperatur von circa 300 °C und einem Druck von circa 110 bar über den Wassereinlassstutzen 12 oder in den Wärmetauscher 1. Über eine Eintrittsöffnung 13 strömt das kalte Wasser zunächst in einen Fluideintrittskanal 14. Hierbei ist der Fluideintrittskanal 14 gewinkelt kastenförmig aufgebaut und weist eine rechteckige Öffnung 14' auf, so dass das Wasser nach dem Eintritt in Richtung des Pfeils 15 zwangsgeführt wird und erst nach dem Passieren der Öffnung 14' mit bereits erhitztem Wasser bzw. Wasser-Dampf-Gemisch in Kontakt tritt. Der Fluideintrittskanal 14 dient somit der Strömungsführung und der Vorwärmung des kalten Wassers. Der Fluideintrittskanal 14 schließt einen Teil der das wärmeabgebende Thermo-Öl führende Rohre 20 ein, so dass es innerhalb des Kanals 14 zu einer erzwungenen Konvektion kommt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das Verhältnis der von dem Fluideintrittskanal 14 eingeschlossenen Oberfläche der Rohre 20 zur Gesamtoberfläche der im Wärmetauscher 1 befindlichen Rohre 20 idealerweise circa 1/8 beträgt.

[0017] Durch den Wärmeübergang vom Thermo-Öl zum Wasser wird im Wärmetauscher 1 Wasserdampf gebildet, so dass dort ein Gemisch aus Wasser und Dampf vorliegt, wobei aufgrund des Dichteunterschieds der gebildete Wasserdampf in Richtung der Dampftrommel 30 aufsteigt und Wasser sich vorwiegend im Bodenbereich des Wärmetauschers 1 befindet. Über die Öffnungen 32, die sich vorzugsweise im vertikal oberen Bereich des Wärmetauschers 1 befinden, gelangt der Dampf in die Steigleitungen 31 und weiter in die Dampftrommel 30. Von dort wird der Dampf über den Anschluss 35 entnommen und weiter verwendet. Vorzugsweise ist ein weiterer Wärmetauscher (nicht dargestellt) zur Überhitzung des Dampfes angeschlossen. Über die Fallleitungen 33 und die Öffnungen 34 wird das in der Dampftrommel 30 befindliche Kondensat wieder dem Wärmetauscher 1 zugeführt. Der aus der Dampftrommel 30 entnommene Dampf weist im Mittel eine Temperatur von circa 380 °C und einen Druck von circa 108 bar auf.

[0018] Figuren 4 bis 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zum zuvor gezeigten ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass der Wärmetauscher 1 keinen separaten Wassereintrittsstutzen aufweist. Stattdessen wird der Wärmetauscher 1 über die Fallleitungen 33 und die Öffnungen 34 mit frischem Wasser versorgt. Dazu weist die Dampftrommel 30 einen Frischwassereinlass 36 auf. Somit können die Herstellungskosten gesenkt werden, da kein separater Wasseranschluss mehr benötigt wird. Es kann auch auf einen Fluideintrittskanal 14 verzichtet werden, da die Vorwärmung des kalten Wassers bereits in einem separaten Vorwärmer geschehen ist.

[0019] Figuren 7 und 8 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Prinzipiell ist diese Ausführungsform der ersten Ausführungsform (Fig. 1-3) ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Rohre 20' als ein U-Rohr-Bündel ausgeführt sind. Somit tritt das Thermo-Öl über den seitlichen Öleinlassstutzen 21 in Pfeilrichtung 25 über die Rohrscheibe 27 in die Rohre 20' ein, gibt Wärme an Wasser ab und verlässt den Wärmetauscher 1 in Pfeilrichtung 26 über den Ölauslassstutzen 22. Das zu verdampfende Wasser tritt über den Wassereinlassstutzen 12 in den Wärmetauschermantel 10 ein und durchströmt den Fluideintrittskanal 14, wobei die Position des Wassereinlassstutzens 12 und somit auch des Fluideintrittskanals 14 im Vergleich zur ersten Ausführungsform verändert ist. Vorzugsweise wird der Fluideintrittskanal 14 im Bereich des Austritts des Thermo-Öls positioniert.

[0020] Temperaturen und Drücke der Fluide in dem Wärmetauscher können je nach Kraftwerksstandort oder -größe variieren.

Ansprüche

1. Wärmetauscher mit einem Mantel zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk, bei dem die Abtrennung des dampfförmigen Wassers von der flüssigen Phase außerhalb des Mantels in einer separaten Dampftrommel erfolgt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mantel zur Aufnahme eines mantelseitigen Fluids ausgebildet ist und dass innerhalb des Mantels Rohre für ein rohrseitiges Fluid angeordnet sind, wobei die Wärme über die Rohre von dem rohrseitigen Fluid auf das mantelseitige Fluid übertragen wird und wobei das mantelseitige Fluid Wasser und das rohrseitige Fluid ein Thermo-Öl oder Salz ist.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher einen Fluideintrittskanal umfasst, welcher sich an eine Eintrittsöffnung für das mantelseitige Fluid anschließt und zumindest einen Teil der Rohre in der Weise umgibt, dass der Fluideintrittskanal als eine Vorwärmerstrecke und/oder ein Strömungsrichter für das in den Mantel eintretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluideintrittskanal circa 1/8 der Oberflächen der Rohre umgibt.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher einen Fluidaustrittskanal umfasst, welcher im Bereich einer Austrittsöffnung für das mantelseitige Fluid in der Weise angeordnet ist, dass der Fluidaustrittskanal als ein Strömungsrichter und/oder Wasserabscheider für das aus dem Mantel austretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das rohrseitige und mantelseitige Fluid durch U-Rohr-Bündel oder Mäander-Rohr-Bündel sowie durch eine Rohrscheibe oder Sammler voneinander getrennt sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dampftrommel oberhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und durch Steig- und Fallleitungen an den Wärmetauscher gekoppelt ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dampftrommel einen Frischwassereinlass aufweist.

Zeichnung