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Dokumentenidentifikation DE102005057276B3 12.07.2007
Titel Absorberrohr
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Kuckelkorn, Thomas, Dr., 92637 Weiden, DE;
Benz, Nikolaus, Dr., 92637 Weiden, DE
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 25.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005057276
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/04(2006.01)A, F, I, 20051125, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Absorberrohr 1 für solarthermische Anwendungen beschrieben, das ein Zentralrohr 2 und ein das Zentralrohr 2 umgebendes Hüllrohr 3 aus Glas unter Ausbildung eines Ringraums 4 zwischen Zentralrohr 2 und Hüllrohr 3 aufweist. Der Ringraum 4 enthält mindestens ein Edelgas, dessen Partialdruck 3-200 mbar beträgt. Gemäß einer Alternative ist im Ringraum 4 mindestens ein gasdicht verschlossener, mit mindestens einem Edelgas befüllter Behälter 10 angeordnet, wobei das Edelgas aus dem Behälter 10 in den Ringraum 4 einleitbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Absorberrohr für solarthermische Anwendungen gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Absorberrohre für Parabolrinnenkollektoren werden zur Nutzung solarer Strahlungsenergie eingesetzt. Die solare Strahlungsenergie wird durch einen nachgeführten Spiegel auf ein Absorberrohr konzentriert und in Wärme umgewandelt. Die Wärme wird durch ein Wärmeträgermedium abgeführt und direkt als Prozesswärme oder zur Umwandlung in elektrische Energie eingesetzt.

Solche Absorberrohre bestehen aus einem beschichteten Zentralrohr und einem Glashüllrohr. Der Ringraum zwischen den Rohren wird evakuiert. Im Betrieb wird durch das Zentralrohr eine Wärmeträgerflüssigkeit, insbesondere ein Öl gepumpt, das freien Wasserstoff enthält.

Ein solches Absorberrohr ist beispielsweise aus der DE 102 31 467 B4 bekannt. An den freien Enden des Hüllrohres ist jeweils ein Glasmetallübergangselement angeordnet. Das Zentralrohr und das Glasmetallübergangselement sind mittels mindestens einer Dehnungsausgleichseinrichtung in Längsrichtung relativ zueinander verschiebbar miteinander verbunden.

Die DE 198 21 137 B4 zeigt ein Absorberrohr für solarthermische Anwendungen mit einem Zentralrohr und einem das Zentralrohr umgebenden Hüllrohr aus Glas unter Ausbildung eines Ringraums zwischen Zentralrohr und Hüllrohr, wobei vorgesehen ist, dass der Ringraum mindestens ein Edelgas enthält, dessen Partialdruck 3 bis 200 mbar beträgt.

Zur solaren Stromerzeugung ist ein Arbeitstemperaturbereich des Absorberrohrs zwischen 300°C und 400°C erforderlich.

Durch Alterung der Wärmeträgerflüssigkeit entsteht freier Wasserstoff, der in der Wärmeträgerflüssigkeit gelöst ist. Dieser Wasserstoff gelangt durch Permeation durch das Zentralrohr in den evakuierten Ringraum zwischen Zentralrohr und Glashüllrohr. Die Permeationsrate steigt mit zunehmender Betriebstemperatur, die bei 300°C bis 400°C liegt, an, wodurch auch der Druck im Ringraum ansteigt. Dieser Druckanstieg führt zu erhöhten Wärmeverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad des Absorberrohres.

Um das Vakuum im Ringspalt aufrecht zu erhalten sind entsprechende Maßnahmen notwendig. Eine Maßnahme, den Wasserstoff im Ringraum zu eliminieren, besteht darin, ihn durch geeignete Materialien zu binden.

Zum Erhalt des Vakuums wird hierzu Getter-Material im Ringraum eingesetzt, das das Wasserstoffgas bindet, das durch das Zentralrohr in den Ringraum eindringt. Ist die Kapazität des Getters erschöpft, so steigt der Druck im Ringspalt so lange an, bis der Ringspalt im Gleichgewicht mit dem Partialdruck des freien aus dem Wärmeträgermedium stammenden Wasserstoffs ist. Der Gleichgewichtsdruck des Wassersstoffs im Ringraum beträgt bei bekannten Absorberrohren zwischen 0,3 mbar und 3 mbar. Durch den Wasserstoff entsteht erhöhte Wärmeleitung im Ringspalt. Die Wärmeverluste sind wegen der im Vergleich zu Luft ca. 5-fach höheren Wärmeleitung deutlich höher als bei nicht evakuierten Absorberrohren.

Aus der WO 2004/063640 A1 ist eine Getteranordnung bekannt, bei der eine Getterschiene im Ringraum zwischen Zentralrohr und Hüllrohr angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass sich die Schiene in einem Bereich befindet, der direkter Strahlung ausgesetzt sein kann. Insbesondere Strahlen die vom Spiegel kommend das Zentralrohr verfehlen oder nur streifend treffen und zu einem hohen Anteil reflektiert werden, können zur Erwärmung der Getterschiene führen. Da die Getterschiene im Vakuum thermisch nahezu getrennt von Zentralrohr und Hüllrohr ist, kann die Temperatur der Schiene und damit des Getters einstrahlungsbedingt stark schwanken. Da Gettermaterialien bei vorgegebenem Beladungsgrad einen temperaturabhängigen Gleichgewichtsdruck (Gleichgewicht zwischen Gasdesorption und Adsorption) aufweisen, führen Temperaturschwankungen des Getters zu unerwünschten Druckschwankungen. Nach dem Verbrauch des Gettermaterials steigt die Temperatur des Hüllrohres stark an und das Absorberrohr wird unbrauchbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Absorberrohr bereitzustellen, das geringere Wärmeverluste aufweist als herkömmliche Absorberrohre.

Die Aufgabe wird durch ein Absorberrohr gelöst, bei dem im Ringraum mindestens ein gasdicht verschlossener, mit mindestens einem Edelgas befüllter Behälter angeordnet ist, wobei das Edelgas aus dem Behälter in den Ringraum einleitbar ist.

Ein solches Absorberrohr hat den Vorteil, dass das Edelgas erst dann in den Ringraum eingeleitet werden kann, wenn es tatsächlich benötigt wird.

Dies gilt beispielsweise für Absorberrohre, die zusätzlich mit Gettermaterial bestückt sind. Wenn das Gettermaterial verbraucht ist, kann das Edelgas aus dem Behälter entlassen werden, um die Wärmeleitung im Ringraum wieder auf einen entsprechend geringen Wert zu reduzieren. Dadurch kann das Absorberrohr über die Getterlebensdauer hinaus mit geringfügig erhöhten Wärmeverlussten weiterbetrieben werden. Das Öffnen des Behälters kann auch dann sinnvoll sein, wenn durch Betriebsstörungen eine beschleunigte Alterung des Wärmeträgers verursacht wurde und damit verbunden ein erhöhter Wasserstoffdruck und ein vorzeitiger Verbrauch des Gettermaterials entstanden ist.

Es hat sich gezeigt, dass ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch zwar nicht die Eindiffusion des Wasserstoffs aus dem Zentralrohr stoppen kann, dass aber die schädliche Wärmeleitung im Ringraum deutlich reduziert werden kann, wenn die Wärmeleitung durch die Anwesenheit des Edelgases bzw. des Edelgasgemisches dominiert wird. Dies ist der Fall, wenn das Edelgas einen Partialdruck von 3-200 mbar aufweist, da der Wasserstoffgleichgewichtsdruck unter 5 mbar liegt.

Durch die Anwesenheit von Edelgas im Ringraum wird der Beitrag des Wasserstoffs am Gaswärmeleitungsvorgang reduziert. Gleichzeitig entstehen Wärmeverluste durch das die Wärmeleitung dominierende Edelgas, die jedoch deutlich geringer sind als die Wärmeverluste durch reinen Wasserstoff.

Bevorzugte Werte des Partialdruckes des Edelgases sind 10-100 mbar, insbesondere 10-75 mbar.

Bevorzugte Edelgase sind Xenon und Krypton.

Bei der Wahl des Partialdruckes des Edelgases ist vorzugsweise darauf zu achten, dass sich ein möglichst großes molares Mischungsverhältnis von Edelgas zu Wasserstoff einstellt.

Vorzugsweise ist der Partialdruck des Edelgases derart auf den Wasserstoffgleichgewichtsdruck eingestellt, dass das molare Mischungsverhältnis von Edelgas zu Wasserstoff ≥ 5 beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis von ≥ 8, insbesondere ≥ 10.

Um einen Eingriff von außen in den Ringraum zu vermeiden, um den Behälter zu öffnen, ist vorgesehen, dass der Behälter mindestens eine Auslassöffnung aufweist, die mit einem Verschlussmaterial verschlossen ist, dass unter Wärmeeinwirkung die Auslassöffnung freigibt.

Vorzugsweise besteht das Verschlussmaterial aus einem metallischen Lot mit einem Schmelzpunkt über 500°C.

Um die erforderliche Wärme zur Verflüssigung des Verschlussmaterials zur Verfügung stellen zu können, ist mindestens der Bereich der Auslassöffnung des Behälters induktiv beheizbar.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Auslassöffnung dem Hüllrohr gegenüberliegt. Dies bedeutet, dass die Auslassöffnung nach außen weist.

Gemäß einer Ausführungsform besteht der Behälter mindestens teilweise aus einem elektrisch leitenden Material.

Die induktive Beheizung ist über eine dem Behälter gegenüberliegende, an der Außenseite des Hüllrohrs anbringbare elektrische Spule möglich.

Diese Spule kann fest installiert sein oder es ist möglich, mit einer mobilen Einrichtung, die an das Hüllrohr gehalten wird, das Öffnen des Behälters bzw. der Auslassöffnung des Behälters zu bewerkstelligen.

Bei größeren Anlagen mit einer Vielzahl von Absorberrohren können z.B. durch die Temperaturmessung der Hüllrohre die Absorberrohre ausgewählt werden, deren Edelgasbehälter geöffnet werden sollen. Das Wartungspersonal kann nach den Temperaturmessungen mittels einer mobilen Induktionsheizeinrichtung die Behälter der betreffenden Absorberrohre beheizen, um das Edelgas im Ringraum freizusetzen.

Vorzugsweise ist der Behälter ein Hohlzylinder. Die Zylinderachse des Hohlzylinders steht vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Absorberrohrs.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auslassöffnung an einem Auslassstutzen des Behälters vorgesehen. Der Behälter selbst muss daher keine besondere Formgestaltung aufweisen, um die induktive Beheizung zu ermöglichen.

Die Auslassöffnung ist am Ende des Auslassstutzens vorgesehen. Um die Beheizung zu ermöglichen und um von der Bauweise unabhängig zu sein, ist ein Metallring vorgesehen, der auf der Auslassöffnung befestigt ist. Die induktive Beheizung des Rings führt zu Erwärmungen, so dass das Verschlussmaterial aufschmilzt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Ring derart positioniert ist, dass er unter Wärmeeinwirkung die Auslassöffnung freigibt. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Positionierung auf der Auslassöffnung erfolgen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Ring z.B. von der Auslassöffnung abfällt.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 einen Ausschnitt aus einem Absorberrohr,

2 einen Abschnitt eines Absorberrohres mit einem mit Edelgas gefüllten Behälter im Schnitt und

3 eine weitere Ausführungsform eines Absorberrohres mit einem mit Edelgas gefüllten Behälter im Schnitt.

In der 1 ist ein Abschnitt eines Absorberrohres 1 schematisch dargestellt, das ein zentrales aus Metall bestehendes Zentralrohr 2 aufweist, das an der Außenseite mit einer (nicht dargestellten) Beschichtung versehen ist. Dieses Zentralrohr 2 wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit 5 durchströmt, die bei Alterung Wasserstoff freigibt, der durch das Zentralrohr 2 diffundieren kann.

Ferner besitzt das Absorberrohr 1 ein das Zentralrohr 2 umgebendes Hüllrohr 3 aus Glas, wobei ein Ringraum 4 gebildet wird. Der aus dem Zentralrohr 2 austretende freie Wasserstoff gelangt in den Ringraum 4, der in der Regel evakuiert ist. Durch das Eindringen des Wasserstoffs wird eine Wärmeleitung bewirkt, die zu Wärmeverlusten führt. Die Absorberrohre sind in diesem Fall nicht mehr einsetzbar.

Um dies zu verhindern, ist gemäß der 2, die lediglich einen Abschnitt des Ringraums 4 zwischen dem Zentralrohr 2 und dem Hüllrohr 3 darstellt, ein Behälter 10 angeordnet, der als Hohlzylinder 11 ausgebildet ist. Dieser Behälter 10 ist mittels einer Halterung 15 auf dem Zentralrohr 2 befestigt. Die Zylinderachse 12 ist senkrecht zur Längsachse 6 (siehe 1) ausgerichtet. Diese ringförmige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der gesamte Behälter mittels einer an der Außenseite des Hüllrohres 3 anbringbaren elektrischen Spule (nicht dargestellt) induktiv beheizbar ist. Der Behälter 10 besteht zu diesem Zweck aus einem elektrisch leitenden Material.

An der dem Hüllrohr 3 zugewandten Oberseite des Behälters 10 ist ein Auslassöffnung 20 vorgesehen, die mit einem Verschlussmaterial 21, insbesondere einem Lot, verschlossen ist. Durch die induktive Beheizung schmilzt das Verschlussmaterial 21 auf, so dass die Auslassöffnung freigegeben wird und das im Inneren des Behälters 10 befindliche Edelgas aus dem Behälter in den Ringraum 4 entweichen kann.

In der 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der Behälter eine quaderförmige Gestalt aufweist. Der Behälter 10 besitzt einen Auslassstutzen 13, der in Richtung Hüllrohr 3 abgewinkelt ist. Dementsprechend liegt die Auslassöffnung 20 dem Hüllrohr 3 benachbart. Die Auslassöffnung 20 ist ebenfalls mit einem Verschlussmaterial 21 verschlosssen, das unter Wärmeeinwirkung aufschmilzt und somit die Auslassöffnung freigibt.

Um die Erwärmung des Verschlussmaterials 21 bewerkstelligen zu können, ist auf der Auslassöffnung 20 eine metallische Ringscheibe 14 befestigt, die durch eine außerhalb des Absorberrohres 1 angeordnete elektrische Spule 30 induktiv beheizbar ist. Der Ring 14 erwärmt sich, und bewirkt dadurch ein Aufschmelzen des Verschlussmaterials 21. Dadurch löst sich der Ring 14 und fällt aufgrund der außermittigen Anordnung auf der Auslassöffnung 20 nach unten. Damit wird die Auslassöffnung 20 vollständig freigegeben und das Edelgas kann aus dem Behälter 10 entweichen.

Beispiel:

Ein Absorberrohr 1 besteht aus einem Zentralrohr 2 mit 70 mm Durchmesser und einem Glashüllrohr 3 mit 125 mm Durchmesser. Die Beschichtung (nicht dargestellt) des Zentralrohres hat bei 400° C einen thermischen Emissionsgrad von 14%.

Der Ringraum 4 zwischen Zentralrohr 2 und Hüllrohr 3 wird evakuiert und das Zentralrohr 2 wird auf 400°C erwärmt. Durch die Wärmestrahlung erreicht das Hüllrohr bei freier Konvektion auf der Außenseite eine Temperatur von ca. 60°C. Dabei beträgt der Wärmeverlust des Zentralrohres 2, der in diesem Fall nur durch den Strahlungstransport zwischen dem Zentralrohr 2 und dem Hüllrohr 3 entsteht, pro Meter Länge des Absorberrohres ca. 400 Watt.

Wird der Ringraum 4 mit eindiffundierendem Wasserstoff mit einem Druck von 1 mbar gefüllt, so steigen die Wärmeverluste durch Gaswärmeleitung um ca. 600 W pro Meter Rohrlänge auf 1000 W pro Meter Rohrlänge an. Die Temperatur des Hüllrohes 3 erhöht sich auf ca. 200°C und die Gasfüllung im Ringraum 4 erreicht eine mittlere Temperatur von ca. 270°C. Bei dieser Temperatur beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff 0,27 W/mK.

Durch das Vorhandensein von Xenon im Ringraum 4 mit einem Partialdruck von beispielsweise 10 mbar entsteht ein Gasgemisch von Xenon und Wasserstoff im molaren Verhältnis 10:1. Die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches verringert sich von 0,27 W/mK auf 0,015 W/mK. Durch die geringere Wärmeleitfähigkeit des Gemisches sinkt die Temperatur des Hüllrohres 3 auf ca. 90°C und die mittlere Gastemperatur im Ringraum 4 auf ca. 200°C. Die Wärmeverluste durch Gaswärmeleitung sinken von 600 W pro Meter Rohrlänge auf 50 W pro Meter Rohrlänge.

1
Absorberrohr
2
Zentralrohr
3
Hüllrohr
4
Ringraum
5
Wärmeträgerflüssigkeit
6
Längsachse des Absorberohres
10
Behälter
11
Hohlzylinder
12
Zylinderachse
13
Auslassstutzen
14
Metallring
15
Halterung
20
Auslassöffnung
21
Verschlussmaterial
30
Elektrische Spule


Anspruch[de]
Absorberrohr (1) für solarthermische Anwendungen, insbesondere für Parabolrinnenkollektoren in solarthermischen Kraftwerken, mit einem Zentralrohr (2) und mit einem das Zentralrohr (2) umgebenden Hüllrohr (3) aus Glas unter Ausbildung eines Ringraums (4) zwischen Zentralrohr (2) und Hüllrohr (3), dadurch gekennzeichnet,

dass im Ringraum (4) mindestens ein gasdicht verschlossener, mit mindestens einem Edelgas befüllter Behälter (10) angeordnet ist und

dass das Edelgas aus dem Behälter (10) in den Ringraum (4) einleitbar ist.
Absorberrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) mindestens eine Auslassöffnung (20) aufweist, die mit einem Verschlussmaterial (21) verschlossen ist, das unter Wärmeeinwirkung die Auslassöffnung (20) freigibt. Absorberrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmaterial (21) aus einem metallischen Lot besteht. Absorberohr nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Bereich der Auslassöffnung (20) des Behälters (10) induktiv beheizbar ist. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (20) dem Hüllrohr (3) gegenüberliegt. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) mindestens teilweise aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend des Behälters (10) an der Außenseite des Hüllrohres (3) eine elektrische Spule (30) anbringbar ist. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) ein Hohlzylinder (11) ist. Absorberrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse (12) des Hohlzylinders (11) senkrecht zur Längsachse (6) des Absorberrohres ausgerichtet ist. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (20) an einem Auslassstutzen (13) des Behälters (10) vorgesehen ist. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Auslassöffnung (20) ein Metallring (14) angeordnet ist. Absorberrohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (14) unter Wärmeeinwirkung die Auslassöffnung (20) freigibt.






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