PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10326027B4 15.02.2007
Titel Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums sowie Dampfkraftwerk und Latentwärmespeicher
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Steinmann, Wolf-Dieter, Dr., 71034 Böblingen, DE
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 02.06.2003
DE-Aktenzeichen 10326027
Offenlegungstag 30.12.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2007
IPC-Hauptklasse F22B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F28D 20/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F22G 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums, umfassend einen Verdampferabschnitt und einen Überhitzerabschnitt, in welchem dampfförmiges Wärmeträgermedium überhitzbar ist, wobei dem Überhitzerabschnitt ein Latentwärmespeicher vorgeschaltet ist, durch den Wärmeträgermedium führbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner einen Latentwärmespeicher zur Anordnung vor einem Überhitzerabschnitt und/oder in einem Überhitzerabschnitt einer solchen Anlage.

Aus der US 2,933,885 ist ein wärmeabsorbierendes Akkumulatorsystem bekannt, welches einen isolierten Wärmeakkumulator aufweist. Ein wärmeakkumulierendes festes Medium ist innerhalb des Akkumulators angeordnet.

Aus der DE 41 21 460 C2 ist ein Wärmespeichersystem bekannt, welches eine Wärmequelle und einen Wärmespeicher umfasst. Der Wärmespeicher weist einen das Wärmetransportmedium kondensiert in Form eines Flüssigkeitsbades speichernden Ruths-Speicher auf. Ferner ist eine Dampfkraftmaschine als Wärmesenke vorgesehen, wobei eine Wärmeübertragung mittels eines Wärmetransportmediums erfolgt. Die Dampfkraftmaschine ist mit überkritischem Dampf des Wärmetransportmediums betrieben.

Aus der DE 39 32 988 C2 ist eine Wärmespeichereinheit bekannt, die einen Behälter mit Öffnungen zum Durchleiten eines fluiden Wärmeträgermediums und einen innerhalb des Behälters angeordneten Wärmespeicherkörper aufweist. Der Wärmespeicherkörper umfasst mindestens einen porösen keramischen Formkörper, in den ein Latentwärmespeichermaterial eingebracht ist. Er ist von dem fluiden Wärmeträgermedium durchströmbar.

Aus der DE 196 18 684 A1 ist ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie bekannt, bei dem durch Wärmezufuhr geschmolzenes und heißes Speichermaterial unter Ausnutzung der gespeicherten sensiblen Wärme auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Danach kann die Erstarrungsenthatie im flüssigen Zustand über einen beliebig langen Zeitraum ohne Wärmeverluste gespeichert werden. Erst bei Energiebedarf erfolgt die Aktivierung des Speichermaterials, die zur Kristallisation und damit Freisetzung der thermischen Energie führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich auf einfache Weise thermische Energie speichern lässt.

Diese Aufgabe wird bei der Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Latentwärmespeicher als Trennvorrichtung für das dampfförmige Wärmeträgermedium und das flüssige Wärmeträgermedium ausgebildet ist und dass mindestens ein Durchströmungsrohr des Latentwärmespeichers, durch das das Wärmeträgermedium strömt, so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich in ihm eine Zweiphasenströmung ausbilden kann, wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr mit seiner Rohrachse bezogen auf die Schwerkraftrichtung im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist und der Massenstrom an Wärmeträgermedium durch das mindestens eine Durchströmungsrohr so eingestellt ist, dass sich aufgrund Schwerkraftwirkung eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden kann.

Ein Latentwärmespeicher ist mit einem Phasenwechselmedium versehen, welches beispielsweise einen Phasenwechsel von fest in flüssig bzw. flüssig in fest durchführt. Um einen Phasenwechsel von fest in flüssig durchführen zu können, muß thermische Energie aufgebracht werden. Bei der Kondensation von der flüssigen Phase in die feste Phase wird diese thermische Energie (latente Wärme) wieder freigesetzt. Im Gegensatz zu sensibler Wärme, bei der bei einer Temperaturerhöhung auch die gespeicherte Wärmemenge erhöht wird, erfolgt die Speicherung latenter Wärme auf einem konstanten Temperaturniveau.

Bei einem Verdampfungs-Überhitzungs-Prozeß wird ausgehend von einem flüssigen Wärmeträgermedium ein überhitzter Dampf erzeugt. In einem Zwischenstadium liegt ein Zweiphasengemisch vor. Das Phasenwechselmedium des Latentwärmespeichers kann Energie bei konstanter Temperatur aufnehmen, das heißt der Temperaturverlauf kann dem Temperaturverlauf des verdampften Wärmeträgermediums folgen.

Dadurch, daß erfindungsgemäß ein Latentwärmespeicher dem Überhitzerabschnitt vorgeschaltet ist, läßt sich der Druckverlust in der Anordnung minimieren. Grundsätzlich muß der Druck des Wärmeträgermediums beim Beladen höher liegen als beim Entladen, da beim Beladen die Kondensationstemperatur über dem Schmelzpunkt des Phasenwechselmediums liegen muß, während beim Entladen die Siedetemperatur des Wärmeträgermediums unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums liegt. Der Druck in dem Speicherabschnitt des Latentwärmespeichers, in dem das Schmelzen des Phasenwechselmediums erfolgt, ist gegenüber dem Eintrittsdruck des Wärmeträgermediums nur um den Druckverlust im Verdampferabschnitt reduziert.

Dadurch lässt sich die Druckerhöhung, mit der das Wärmeträgermedium eingekoppelt wird, minimieren. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Druckniveau wenig gesteigert werden muss und deshalb die Anlage nicht für einen höheren Druck ausgelegt werden muss, was wiederum die Investitionskosten verringert.

Der Latentwärmespeicher ist als Trennvorrichtung für dampfförmiges Wärmeträgermedium und flüssiges Wärmeträgermedium ausgebildet. Dadurch lässt sich ein thermischer Speicher und ein Abscheider in die gleiche Vorrichtung integrieren, so dass ein kosteneffektiver Aufbau und ein kosteneffektiver Betrieb ermöglicht wird.

Ein Durchströmungsrohr des Latentwärmespeichers, durch das Wärmeträgermedium strömt, ist so angeordnet und ausgebildet, dass sich in ihm eine Zweiphasenströmung ausbilden kann. Wenn sich eine Zweiphasenströmung ausbildet, dann kann eine Phasentrennung erfolgen, das heißt der Latentwärmespeicher kann als Abscheider für die flüssige Phase wirken.

Das Durchströmungsrohr ist mit seiner Rohrachse bezogen auf die Schwerkraftrichtung im wesentlichen horizontal. Weiterhin günstig ist es, wenn der Massenstrom an Wärmeträgermedium durch das Durchströmungsrohr so eingestellt ist, dass sich aufgrund Schwerkraftwirkung eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden kann. Es kann dadurch auf einfache Weise eine Phasentrennung erfolgen, indem entsprechend die Dampfphase ausgekoppelt wird und in den Überhitzerabschnitt eingekoppelt wird und die flüssige Phase in den Verdampferabschnitt zurückgeführt wird.

Günstig ist es, wenn der Latentwärmespeicher mit einem Eingang eines Überhitzers des Überhitzerabschnitts verbunden ist. Dadurch wird vermieden, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums auf Siedetemperatur abgesenkt werden muss.

Es ist günstig, wenn der Latentwärmespeicher mit einem Ausgang eines Verdampfers des Verdampferabschnitts verbunden ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher mit einem Ausgang des Verdampferabschnitts verbunden ist, wobei es aber auch grundsätzlich möglich ist, dass ein Latentwärmespeicher einem letzten Verdampfer des Verdampferabschnitts vorgeschaltet ist und beispielsweise zwischen zwei benachbarten Verdampfern des Verdampferabschnitts sitzt.

In einem Beladungsvorgang nimmt ein Phasenwechselmedium im Latentwärmespeicher Wärme aus dem Wärmeträgermedium auf und in einem Entladungsvorgang gibt ein Phasenwechselmedium im Latentwärmespeicher Wärme an das Wärmeträgermedium ab.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Latentwärmespeicher so ausgebildet ist, dass sensible Wärme speicherbar ist. Bei Verdampfungsprozessen wird für Vorwärmung und Überhitzung mehr sensible Wärme benötigt, als üblicherweise von dem Phasenwechselmedium eines Latentwärmespeichers aufgenommen werden kann. Über entsprechende Ausbildung des Latentwärmespeichers insbesondere mit einem Speichermaterial für sensible Wärme wird gewährleistet, daß auch die entsprechende sensible Energie für Vorwärmung und Überhitzung bereitgestellt werden kann. Es wird also eine zusätzliche Kapazität für Wärme, nämlich sensible Wärme, bereitgestellt.

Insbesondere wird dann abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium von dem Latentwärmespeicher zu einem Eingang des Verdampferabschnitts zurückgeführt. Mit diesem Wärmeträgermedium läßt sich beispielsweise eine Vorwärmung für in den Verdampferabschnitt eingekoppeltes Wärmeträgermedium erreichen.

Vorzugsweise weist der Latentwärmespeicher mindestens ein Durchströmungsrohr für Wärmeträgermedium auf, welches eingangsseitig an den Verdampferabschnitt gekoppelt ist und ausgangsseitig an den Überhitzerabschnitt gekoppelt ist. Durch dieses Durchströmungsrohr läßt sich Wärmeträgermedium dem Latentwärmespeicher durchführen, um so den Latentwärmespeicher zu beladen bzw. zu entladen.

Eine erhöhte Kapazität für die Speicherung sensibler Energie lässt sich erreichen, wenn das mindestens eine Durchströmungsrohr von einem Speichermaterial für sensible Wärme umgeben ist. Bei dem Speichermaterial handelt es sich beispielsweise um Beton, in das ein oder mehrere Durchströmungsrohre eingebettet sind.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem mindestens einen Durchströmungsrohr ein Phasenwechselmedium angeordnet ist, an welchem zur Wärmeaufnahme aus dem Wärmeträgermedium und zur Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium beiströmbar ist. Dadurch läßt sich eine Speicherung latenter Wärme erreichen.

Um eine hohe Kontaktfläche zur Wärmeaufnahme durch das Phasenwechselmedium und zur Wärmeabgabe aus dem Phasenwechselmedium bereitzustellen, ist in dem mindestens einen Durchströmungsrohr vorzugsweise eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen angeordnet, welche mit einem Phasenwechselmedium versehen sind. Das Wärmeträgermedium kann dann an den Latentwärmespeicherelementen vorbeiströmen, so daß über den Seitenbereich der Latentwärmespeicherelemente Wärme aufgenommen bzw. abgegeben werden kann.

Insbesondere erstrecken sich die Latentwärmespeicherelemente in einer Längsrichtung des mindestens einen Durchströmungsrohrs. Dadurch wird eine hohe Kontaktfläche bereitgestellt, wobei die Latentwärmespeicherelemente die Ausbildung einer Zweiphasenströmung möglichst wenig stören.

Vorzugsweise sind die Latentwärmespeicherelemente parallel ausgerichtet, so daß das entsprechende Durchströmungsrohr auch eine große freie Querschnittsfläche aufweist.

In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls günstig, wenn die Latentwärmespeicherelemente in dem mindestens einen Durchströmungsrohr so angeordnet sind, daß an ihnen jeweils Wärmeträgermedium über den gesamten Querschnittumfang vorbeiströmbar ist. Dadurch wird eine hohe Kontaktfäche zur Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe bereitgestellt.

Um eine Phasentrennung zwischen Dampfphase und flüssiger Phase in dem Durchströmungsrohr auf einfache Weise zu erreichen, ist vorteilhafterweise ein bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberer Bereich des mindestens einen Durchströmungsrohrs, wenn dieses horizontal ausgerichtet ist, frei von Latentwärmespeicherelementen. In diesem oberen Bereich befindet sich dann die Dampfphase, die dem Überhitzerabschnitt zugeführt wird.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Durchströmungsrohren vorgesehen ist, welche parallel ausgerichtet sind.

Zwischen den Durchströmungsrohren ist vorzugsweise Speichermaterial für sensible Wärme angeordnet. Es läßt sich dann eine zusätzliche Kapazität für die Wärmespeicherung, nämlich für sensible Wärme, erreichen. Weiterhin werden die Durchströmungsrohre in dem Latentwärmespeicher fixiert. Es werden auch Konvektionsströme zwischen den Durchströmungsrohren verhindert.

Es kann ein Latentwärmespeicher im Überhitzerabschnitt angeordnet sein, um auch hier eine Wärmespeicherung und eine Wärmeabgabe erreichen zu können.

Vorteilhafterweise ist der Latentwärmespeicher im Überhitzerabschnitt an den Latentwärmespeicher gekoppelt, welcher dem Überhitzerabschnitt vorgeschaltet ist. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß der Latentwärmespeicher, welcher dem Überhitzerabschnitt vorgeschaltet ist, Durchströmungsrohre aufweist und der Latentwärmespeicher im Überhitzerabschnitt weitere Durchströmungsrohre aufweist, wobei die Gesamtzahl der Strömungsrohre vorzugsweise kompakt angeordnet ist und die den beiden Latentwärmespeichern zugeordneten Durchströmungsrohre parallel ausgerichtet angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Anlage ist grundsätzlich für alle Verdampfungs- und Überhitzungsprozesse einsetzbar, wie sie beispielsweise auch bei Kühlprozessen auftreten. Ein wichtiger Einsatzzweck einer solchen Anlage liegt in der Gewinnung elektrischer Energie aus thermischer Energie mittels Dampfturbinen. Dampf kann dabei solarthermisch erzeugt werden. In diesem Fall umfaßt der Verdampferabschnitt Solarkollektoren, beispielsweise (Parabol-) Rinnenkollektoren.

In diesem Fall weist dann auch der Überhitzerabschnitt Solarkollektoren auf.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Phasenwechselmedium des Latentwärmespeichers an eine Verdampfungstemperatur des Wärmeträgermediums angepaßt ist. Dadurch läßt sich die Druckerhöhung im System minimieren.

Die erfindungsgemäße Anlage kann in einem Dampfkraftwerk und insbesondere in einem solarthermischen Dampfkraftwerk eingesetzt werden.

In diesem Fall ist ein bevorzugtes Wärmeträgermedium Wasser.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher bereitzustellen, welcher geeignet ist zur Speicherung thermischer Energie bei Verdampfungs- und Überhitzungsprozessen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Latentwärmespeicher zur Anordnung vor einem Überhitzerabschnitt und/oder in einem Überhitzerabschnitt einer Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums gelöst, wobei mindestens ein Durchströmungsrohr für Wärmeträgermedium vorgesehen ist, in dem eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen mit einem Phasenwechselmedium angeordnet ist und das Wärmeträgermedium an den Latentwärmespeicherelementen vorbeiströmbar ist, und wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr von einem Speichermaterial für sensible Wärme umgeben ist.

Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage erwähnten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage erläutert.

Insbesondere lässt sich ein solcher Latentwärmespeicher als Trennvorrichtung für flüssiges und dampfförmiges Wärmeträgermedium einsetzen.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines solarthermischen Dampfkraftwerks, bei dem ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Verdampfung zum Einsatz kommt;

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers;

3 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches A gemäß 2; und

4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm bezüglich Verdampfung und Überhitzung des Wärmeträgermediums.

Ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk, von dem ein Ausführungsbeispiel in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Anlage zur Verdampfung und Überhitzung eines flüssigen Wärmeträgermediums.

Bei dem Wärmeträgermedium handelt es sich beispielsweise um Wasser.

Die Anlage 12 umfaßt einen Verdampferabschnitt 14 mit mindestens einem Verdampferstrang, in dem flüssiges Wärmeträgermedium verdampft wird, und einen Überhitzerabschnitt 16 mit einem Überhitzerstrang, in dem dampfförmiges Wärmeträgermedium überhitzt wird.

Ein Ausgang 18 des Überhitzerabschnitts 16 ist an eine Dampfturbine 20 gekoppelt, in welcher sich der Dampf entspannt und durch die Umwandlung von mechanischer Energie elektrischer Strom erzeugbar ist.

Von der Dampfturbine 20 führt eine Leitung 22 zu einem Wärmetauscher 24, über den sich aus der Restwärme von vor der Dampfturbine 20 abgeführtem Wärmeträgermedium Wärme gewinnen läßt. Von dem Wärmetauscher 24 führt eine Leitung 26 zu einem Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14. In der Leitung 26 ist eine Pumpe 30 angeordnet, so daß Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgermediumkreis 32 (Dampfkreis) zirkulierbar ist. In den Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14 wird flüssiges Wärmeträgermedium eingekoppelt, welches vorzugsweise vorgewärmt ist.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die primäre Wärmequelle zur Verdampfung und Überhitzung des Wärmeträgermediums Solarenergie. Insbesondere wird das Wärmeträgermedium direkt verdampft.

Dazu umfaßt der Verdampferabschnitt Verdampfer 34, welche als Solarkollektoren ausgebildet sind. In diesen Verdampfern 34 wird das Wärmeträgermedium durch Absorberrohre geführt, in welchen das Wärmeträgermedium mit Solarstrahlung beaufschlagt ist, um so Wärme aufzunehmen.

Die Verdampfer 34 sind insbesondere als Rinnenkollektoren ausgebildet, wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Rinnenkollektoren hintereinandergeschaltet angeordnet sind. Es kann auch vorgesehen sein, daß parallele Verdampferstränge vorgesehen sind (in der Zeichnung nicht gezeigt).

Der Überhitzerabschnitt umfaßt seriell angeordnete Überhitzer 36, wobei insbesondere eine Mehrzahl von Überhitzer vorgesehen ist. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein erster Überhitzer 36a und ein zweiter Überhitzer 36b vorgesehen.

Bei den Überhitzern 36a und 36b handelt es sich wiederum um Solarkollektoren wie beispielsweise Rinnenkollektoren, durch die das (dampfförmige) Wärmeträgermedium, welches von dem Verdampferabschnitt 14 geliefert wird, in Absorberrohren geführt wird und das Wärmeträgermedium Wärme über Solarstrahlungsenergie aufnimmt.

Der Überhitzerabschnitt 16 weist einen Eingang 38 auf, über den dampfförmiges Wärmeträgermedium von dem Verdampferabschnitt 14 her eingekoppelt wird. Diesem Eingang 38 ist erfindungsgemäß ein Latentwärmespeicher 40 vorgeschaltet, mittels dem sich thermische Energie in dem Dampfkraftwerk 10 speichern läßt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Latentwärmespeicher 40 an einen Ausgang 42 des Verdampferabschnitts 14 gekoppelt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß der Latentwärmespeicher 40 im Verdampferabschnitt 14 angeordnet ist, so daß der Ausgang 42 des Verdampferabschnitt 14 direkt an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 gekoppelt ist. In diesem Fall (in der Zeichnung nicht gezeigt) ist der Latentwärmespeicher 40 dann zwischen benachbarten Verdampfern 34a, 34b angeordnet.

Wie unten noch näher erläutert, ist der Latentwärmespeicher 40 erfindungsgemäß als Trennvorrichtung 44 (als Abscheider) für Wärmeträgermedium ausgebildet, über die sich die dampfförmige Phase und die flüssige Phase des Wärmeträgermediums trennen lassen. Die Dampfphase wird dem Überhitzerabschnitt 16 zugeführt. Flüssiges Wärmeträgermedium wird von der Trennvorrichtung 44 über eine Leitung 46 zu dem Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14 zurückgeführt, so daß das flüssige Wärmeträgermedium wiederum den Verdampferabschnitt 14 durchlaufen kann. Dadurch ist sichergestellt, daß der Dampfturbine 20 nur dampfförmiges Wärmeträgermedium zugeführt wird mit einem minimierten Flüssigkeitsanteil.

In der Leitung 46 ist eine Pumpe 48 zum Rücktransport des flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet.

Bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem der Latentwärmespeicher 40 in dem Verdampferabschnitt 14 angeordnet ist, ist vorzugsweise eine separate Trennvorrichtung zwischen dem Verdampferabschnitt 14 und dem Überhitzerabschnitt 16 vorgesehen, um flüssiges Wärmeträgermedium abscheiden zu können (in der Zeichnung nicht gezeigt).

Der Latentwärmespeicher 40 umfaßt, wie in 2 schematisch gezeigt, eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Durchströmungsrohren 50. Die Durchströmungsrohre 50 sind dabei eingangsseitig an den Ausgang 42 des Verdampferabschnitts 14 gekoppelt und ausgangsseitig an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16.

Vorzugsweise ist ein Verteiler 52 vorgesehen (1), welcher einen Eingang 54 aufweist, der an den Verdampferabschnitt 14 gekoppelt ist. Dieser Verteiler 52 verteilt dann das Wärmeträgermedium, welches von dem Verdampferabschnitt 14 geliefert wird, auf die einzelnen Durchströmungsrohre des Latentwärmespeichers 40.

Ferner ist ein Sammler 56 vorgesehen, welcher einen Ausgang 58 aufweist. Dieser Ausgang 58 wiederum ist an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 gekoppelt. Der Sammler 56 sammelt das dampfförmige Wärmeträgermedium, welches nach Durchströmung der Durchströmungsrohre 50 geliefert wird und stellt dieses dem Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 bereit.

Die Durchströmungsrohre 50 sind in dem Latentwärmespeicher 40 in ein Speichermaterial 60 für sensible Wärme eingebettet, das heißt, jedes Durchströmungsrohr 50 ist von einem solchen Speichermaterial 60 umgeben. Bei diesem Speichermaterial 60 kann es sich beispielsweise um Beton handeln. Es dient dazu, wie unten noch näher erläutert wird, die Speicherkapazität des Latentwärmespeichers 40 bezüglich der Speicherung von sensibler Wärme zu erhöhen. Weiterhin wird dadurch die Strukturstabilität des Latentwärmespeichers 40 erhöht und Konvektionsströmungen zwischen den Durchströmungsrohre werden verhindert.

Insbesondere ist zwischen jeweils benachbarten Durchströmungsrohren 50a, 50b Speichermaterial 60 angeordnet.

Die Durchströmungsrohre 50 weisen eine Erstreckung in einer Längsrichtung 62 auf, wobei diese Längserstreckung vorzugsweise linear ist, das heißt eine Rohrachse ist eine Gerade. Beispielsweise sind die Durchströmungsrohre 50 zylindrisch ausgebildet mit einer Rohrwand 64, welche entsprechend auf das Druckniveau des Wärmeträgermediums, welche durch das jeweilige Durchströmungsrohr 50 durchströmt, ausgelegt ist.

In den Durchströmungsrohren 50 ist eine Mehrzahl von Latentwärmespeicherelementen 66 angeordnet (3).

Die Latentwärmespeicherelemente 66 erstrecken sich in einer Längsrichtung, welche vorzugsweise parallel zu der jeweiligen Rohrachse des Durchströmungsrohrs 50 ist. Sie sind in einem Innenraum 68 des jeweiligen Durchströmungsrohrs 50 angeordnet.

Die Latentwärmespeicherelemente 66 sind mit einem Phasenwechselmedium 70 versehen, welches bei den relevanten Temperaturen einen Phasenwechsel durchführt, um latente Wärme aufnehmen zu können bzw. latente Wärme abgeben zu können. Das Phasenwechselmedium 70 ist dabei in einem beispielsweise rohrförmigen Behälter 72 eingeschlossen. Ein solcher Behälter 72hat eine Rohrachse, welche parallel zu der Rohrachse des jeweiligen Durchströmungsrohrs 50 orientiert ist. In einem Innenraum des Behälters 72 sitzt dann das Phasenwechselmedium 70.

Die Latentwärmespeicherelemente 66 sind beabstandet in dem Innenraum 68 des entsprechenden Durchströmungsrohrs 50 angeordnet, so daß Wärmeträgermedium um einen gesamten Querschnittsumfang jedes einzelnen Latentwärmespeicherelements 66 an den Latentwärmespeicherelementen 66 vorbeiströmen kann. Dadurch wird eine große (Wärme-) Kontaktfläche für das Phasenwechselmedium 70 bereitgestellt, so daß eine gute Wärmeaufnahme des Phasenwechselmediums aus dem Wärmeträgermedium bzw. eine gute Wärmeabgabe von dem Phasenwechselmedium auf das Wärmeträgermedium gewährleistet ist.

Der Latentwärmespeicher 40 ist vorzugsweise horizontal ausgerichtet angeordnet, so daß die Längsrichtung 62 parallel zur Horizontalen bezogen auf die Schwerkraftrichtung 74 ist. Dadurch kann sich, wie unten noch näher erläutert wird, eine Zweiphasenströmung in dem Durchströmungsrohr 50 ausbilden und insbesondere eine Zweiphasen-Schichtenströmung. Dadurch wiederum läßt sich dampfförmige Phase und flüssige Phase trennen.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß in einem bezogen auf die Schwerkraftrichtung 74 oberen Bereich 76 des Innenraums 68 der Durchströmungsrohre 50 keine Latentwärmespeicherelemente 66 liegen. Dieser obere Bereich 76 ist dabei ein Bereich, welcher oberhalb einer Phasengrenze 78 zwischen flüssiger Phase 80 und Dampfphase 82 des Wärmeträgermediums liegt, sofern Wärmeträgermedium in dem geeigneten Massestrom durch den Latentwärmespeicher 40 transportiert wird.

Das erfindungsgemäße Verdampfungs- und Überhitzungsverfahren funktioniert wie folgt:

Dem Verdampferabschnitt 14 wird flüssiges Wärmeträgermedium zugeführt, das zuvor vorgewärmt wurde (die entsprechende Vorwärmeinrichtung ist in 1 nicht gezeigt). In dem Verdampferabschnitt 14 erwärmt sich dann das Wärmeträgermedium weiter und verdampft; dies ist in dem Temperatur-Zeit-Diagramm gemäß 4 durch die Kurve 84 angedeutet. Im Bereich der Kurve 84 ist das Wärmeträgermedium noch flüssig.

Die gewählten Temperaturen und Drücke sind dabei so, daß eine Dampfturbine betreibbar ist. Beispielsweise liegt der Druckbereich im Bereich zwischen 30 bis 100 bar. Das Wärmeträgermedium wird bei einer Temperatur, die beispielsweise bei ca. 300 °C liegt, isotherm verdampft. Dies ist durch die Kurve 86 angedeutet. Im Bereich der Kurve 86 liegt im Verdampferabschnitt 14 Flüssigkeit und Dampf vor (Zweiphasengebiet).

In den Überhitzerabschnitt 16 wird dampfförmiges Wärmeträgermedium einphasig eingekoppelt und der Dampf wird überhitzt. Dies ist durch die Kurve 88 angedeutet. Der überhitzte Dampf wird dann der Dampfturbine 20 auf dem Druckarbeitspunkt und dem Temperaturarbeitspunkt der Dampfturbine 20 zugeführt. Beispielsweise liegt dieser Temperaturarbeitspunkt im Bereich zwischen 400 °C und 540 °C.

Das Phasenwechselmedium 70 ist so ausgewählt, daß seine Phasenwechseltemperatur an die Verdampfungstemperatur (Kurve 86) angepaßt ist.

Das Phasenwechselmedium wird so gewählt, daß die Phasenwechseltemperatur auf dem Temperaturniveau der Kurve 86 (4) liegt. Ein Latentwärmespeicher 40 ist deswegen besonders gut geeignet, da eben die Wärmeenergie bei einer konstanten Temperatur, nämlich der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmediums 70, aufgenommen wird. Der Temperaturverlauf des Phasenwechselmediums 70 folgt also im Zweiphasenbereich (im Bereich der Kurve 86 in 4) dem Temperaturverlauf des verdampften Wärmeträgermediums.

Ein Beispiel für ein geeignetes Phasenwechselmedium ist Natriumnitrat.

Das Druckniveau des Wärmeträgermediums bei Eintritt in den Verdampferabschnitt 14 ist so gewählt, daß es oberhalb des Druckarbeitspunktes der Dampfturbine 20 liegt. Beim Beladen des Latentwärmespeichers 40 muß die Siedetemperatur des Wärmeträgermediums über der Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums 70 liegen und beim Entladen muß die Siedetemperatur des Wärmeträgermediums unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums 70 liegen, so daß diese Druckerhöhung notwendig ist. Sie ist aber durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Latentwärmespeichers 40 aufgrund seiner Vorschaltung vor den Überhitzerabschnitt 16 minimierbar. In einem Bereich des Latentwärmespeichers 40, in welchem ein Schmelzen des Phasenwechselmediums 70 erfolgt, ist der Druck gegenüber dem Eintrittsdruck nur um den Druckverlust des Verdampferabschnitts 14 reduziert. Es muß kein überhitzter Dampf auf Siedetemperatur abgekühlt werden, was entsprechend hohe Druckverluste mit sich führen würde.

Das in dem Verdampferabschnitt 14 erhitzte Wärmeträgermedium wird dann durch die Durchströmungsrohre 50 des Latentwärmespeichers 40 geführt.

Die Durchströmungsrohre 50 haben einen typischen Durchmesser in der Größenordnung 100 mm. Der Massenstrom an Wärmeträgermedium, welches durch die einzelnen Durchströmungsrohre 50 strömt, ist so eingestellt, daß sich in den jeweiligen Durchströmungsrohren 50 unter Wirkung der Schwerkraft eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden kann. Durch die entsprechende Formgebung der Latentwärmespeicherelemente 66 kann noch dafür gesorgt werden, daß die Wellenbildung ("wavy flow") reduziert wird.

Es findet dann in den jeweiligen Durchströmungsrohren 50 eine Phasentrennung statt, das heißt es bildet sich die Phasengrenze 78. Die flüssige Phase kann dann am Ende der Durchströmungsrohre 50 aus dem unteren Bereich der Durchströmrohre 56 entnommen werden und über die Leitung 46 zurückgeführt werden, während die Dampfphase 82 aus dem oberen Bereich dem Überhitzerabschnitt 16 zugeführt wird.

Für die Durchströmungsrohre 50 des Latentwärmespeichers 40 lassen sich verschiedene Zustände unterscheiden:

  • 1. Das Wärmeträgermedium in dem Durchströmungsrohr 50 liegt auf einer unteren Prozeßtemperatur und es findet keine Durchströmung statt. Dementsprechend ist der Latentwärmespeicher 40 auch nicht geladen.
  • 2. Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 liegt unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmediums 70. Flüssiges Wärmeträgermedium durchströmt das jeweilige Durchströmungsrohr 50. Es wird Energie in der Form von sensibler Wärme gespeichert.
  • 3. Ein Zweiphasengemisch durchströmt den Latentwärmespeicher 40. Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 liegt oberhalb der Phasenwechseltemperatur, wobei das Phasenwechselmedium 70 aufgeschmolzen wird, aber noch nicht vollständig geschmolzen ist.

    In dem Durchströmungsrohr 50 findet eine Trennung in die flüssige und dampfförmige Phase statt. Flüssiges Wärmeträgermedium läßt sich abscheiden.
  • 4. Das Phasenwechselmedium 70 ist vollständig geschmolzen, wobei man unterhalb einer maximalen Prozeßtemperatur liegt. Wärmeträgermedium tritt überhitzt in den Latentwärmespeicher 40 ein.
  • 5. Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 und dem umgebenden Speichermaterial 60 für sensible Wärme ist so, daß die maximale Prozeßtemperatur erreicht ist. Im Durchströmungsrohr 50 wird überhitzter Dampf bei Maximaltemperatur eingespeichert. Dieser eingespeicherte Dampf wird als kurzfristige Reserve genutzt. Das System ist geladen.

Die einzelnen Durchströmungsrohre 50 durchlaufen die oben genannten fünf Stadien nacheinander, wobei in dem gleichen Latentwärmespeicher 40 Durchströmungsrohre vorhanden sein können, die sich in unterschiedlichen Zuständen befinden.

Zu Beginn eines Ladungsvorgangs überwiegen die Durchströmungsrohrmodule, bei denen die unter Ziffer 1 genannten Bedingungen herrschen, während am Ende eines Beladungsvorgangs bei geladenem Latentwärmespeicher 50 die Durchströmungsrohrmodule mit den Bedingungen gemäß Ziffer 5 vorherrschen.

Bei konstanter Leistungsaufnahme bleibt die Anzahl der Durchströmungsrohre mit den Zuständen gemäß Ziffern 2, 3 und 4 im wesentlichen konstant.

Beim Entladen des Latentwärmespeichers 40 werden die genannten Schritte umgekehrt durchlaufen und es können verschiedene Zustände unterschieden werden. Zu Beginn eines Entladevorgangs ist die Anzahl der Durchströmungsrohre 50 mit den Bedingungen gemäß Ziffer 1 gering. Wärmeträgermedium wird durch Durchströmungsrohre mit den Bedingungen gemäß Ziffer 2 auf Siedetemperatur gebracht und anschließend wird das Wärmeträgermedium in Durchströmungsrohren mit den Bedingungen gemäß Ziffer 3 verdampft. Die Überhitzung erfolgt dann in Durchströmungsrohren, in denen die Bedingungen gemäß Ziffer 4 und 5 herrschen.

Beim Beladen finden, wie erwähnt, Vorgänge, die in den Zuständen gemäß den Ziffern 1 bis 5 resultieren, zeitgleich statt. Damit liegen Durchströmungsrohrmodule vor, in denen zeitgleich die genannten Bedingungen herrschen, wobei zu bestimmten Zeiten bestimmte Gruppen dominieren.

Damit die genannten unterschiedlichen Bedingungen erzielbar sind, weist der Latentwärmespeicher 40 eine Modulbauweise auf, welche durch die Anordnung der Mehrzahl von Durchströmungsrohren 50 bereitgestellt ist.

Es kann auch ein Latentwärmespeicher 90 in dem Überhitzerabschnitt 16 angeordnet sein.

Grundsätzlich ist es möglich, daß der Latentwärmespeicher 90 ein von dem Latentwärmespeicher 40 getrennter Speicher ist. Es ist jedoch auch möglich, daß die beiden Latentwärmespeicher 40 und 90 in dem gleichen Gehäuse angeordnet sind.

Der Latentwärmespeicher 40 wird dann mit Hilfe einer ersten Gruppe von Durchströmungsrohren gebildet, während der Latentwärmespeicher 90 mit Hilfe einer zweiten Gruppe von Durchströmungsrohren gebildet ist, Dieser kombinierte Latentwärmespeicher kann so konstruiert sein, wie in 2 gezeigt und in diesem Zusammenhang beschrieben. Der entsprechende Verteiler 52 und Sammler 56 ist dann so ausgebildet, daß eben auch Wärmeträgermedium aus dem Überhitzerabschnitt 16 durch entsprechende Durchströmungsrohre durchführbar ist.


Anspruch[de]
Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums, umfassend einen Verdampferabschnitt (14) und einen Überhitzerabschnitt (16), in welchem ein dampfförmiges Wärmeträgermedium überhitzbar ist, wobei dem Überhitzerabschnitt (16) ein Latentwärmespeicher (40) vorgeschaltet ist, durch den das Wärmeträgermedium führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (40) als Trennvorrichtung (44) für das dampfförmige Wärmeträgermedium und das flüssige Wärmeträgermedium ausgebildet ist und dass mindestens ein Durchströmungsrohr (50) des Latentwärmespeichers (40), durch das das Wärmeträgermedium strömt, so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich in ihm eine Zweiphasenströmung ausbilden kann, wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) mit seiner Rohrachse bezogen auf die Schwerkraftrichtung (74) im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist und der Massenstrom an Wärmeträgermedium durch das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) so eingestellt ist, dass sich aufgrund Schwerkraftwirkung eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden kann. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (40) mit einem Eingang (38) eines Überhitzers (36) des Überhitzerabschnitts (16) verbunden ist. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (40) mit einem Ausgang (42) eines Verdampfers (34) des Verdampferabschnitts (14) verbunden ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (40) mit einem Ausgang (42) des Verdampferabschnitts (14) verbunden ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Beladungsvorgang ein Phasenwechselmedium (70) im Latentwärmespeicher (40) Wärme aus dem Wärmeträgermedium aufnimmt. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Entladungsvorgang ein Phasenwechselmedium (70) im Latentwärmespeicher (40) Wärme an das Wärmeträgermedium abgibt. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (40) so ausgebildet ist, dass sensible Wärme speicherbar ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium zu einem Eingang (28) des Verdampferabschnitts (14) zurückgeführt ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) für das Wärmeträgermedium eingangsseitig an den Verdampferabschnitt (14) gekoppelt ist und ausgangsseitig an den Überhitzerabschnitt (16) gekoppelt ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) von einem Speichermaterial (60) für sensible Wärme umgeben ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Durchströmungsrohr (50) ein Phasenwechselmedium (70) angeordnet ist, an welchem zur Wärmeaufnahme aus dem Wärmeträgermedium und zur Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium das Wärmeträgermedium vorbeiströmbar ist. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Durchströmungsrohr (50) eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen (66) angeordnet ist, welche mit dem Phasenwechselmedium (70) versehen sind. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherelemente (66) sich in einer Längsrichtung (62) des mindestens einen Durchströmungsrohrs (50) erstrecken. Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherelemente (66) parallel ausgerichtet angeordnet sind. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherelemente (66) in dem mindestens einen Durchströmungsrohr (50) so angeordnet sind, dass an ihnen jeweils das Wärmeträgermedium über den gesamten Querschnittumfang vorbeiströmbar ist. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein bezogen auf die Schwerkraftrichtung (74) oberer Bereich (76) des mindestens einen Durchströmungsrohrs (50), wenn dieses horizontal ausgerichtet ist, frei von Latentwärmespeicherelementen (66) ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Durchströmungsrohren (50) vorgesehen ist, welche parallel ausgerichtet sind. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Latentwärmespeicher (90) im Überhitzerabschnitt (16) angeordnet ist. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (90) im Überhitzerabschnitt (16) an den Latentwärmespeicher (40) gekoppelt ist, welcher dem Überhitzerabschnitt (16) vorgeschaltet ist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferabschnitt (14) Solarkollektoren (34) umfasst. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzerabschnitt (16) Solarkollektoren (36) aufweist. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmedium (70) des Latentwärmespeichers (40) an eine Verdampfungstemperatur des Wärmeträgermediums angepasst ist. Dampfkraftwerk, welches eine Anlage (10) zur Verdampfung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche umfasst. Dampfkraftwerk nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte solarthermische Verdampfung des Wärmeträgermediums vorgesehen ist. Dampfkraftwerk nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium Wasser ist. Latentwärmespeicher zur Anordnung vor einem Überhitzerabschnitt (16) und/oder in einem Überhitzerabschnitt (16) einer Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums, gekennzeichnet durch mindestens ein Durchströmungsrohr (50) für das Wärmeträgermedium, in dem eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen (66) mit einem Phasenwechselmedium (70) angeordnet ist, wobei das Wärmeträgermedium an den Latentwärmespeicherelementen (66) vorbeiströmbar ist, und wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) von einem Speichermaterial (70) für sensible Wärme umgeben ist. Latentwärmespeicher nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Trennvorrichtung (44) für das flüssige und das dampfförmige Wärmeträgermedium. Latentwärmespeicher nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Latentwärmespeicherelemente (66) in Längsrichtung (62) des mindestens einen Durchströmungsrohrs (50) erstrecken. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherelemente (66) parallel ausgerichtet angeordnet sind. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherelemente (66) so angeordnet sind, dass das Wärmeträgermedium über den gesamten Querschnittumfang der Latentwärmespeicherelemente (66) an den Latentwärmespeicherelementen (66) vorbeiströmbar ist. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein bezogen auf die Schwerkraftrichtung (74) oberer Bereich (76) des mindestens einen Durchströmungsrohrs (50), wenn das mindestens eine Durchströmungsrohr (50) mit seiner Rohrachse horizontal ausgerichtet ist, frei von Latentwärmespeicherelementen (66) ist. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 26 bis 31, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Durchströmungsrohren (50). Latentwärmespeicher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmungsrohre (50) parallel ausgerichtet sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com