DE10056071C2 - Dampfabscheidevorrichtung - Google Patents
DampfabscheidevorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden eines dampfförmigen Anteils aus einem Flüssigkeits-Dampfgemisch eines Fluids, mit einem den dampfförmigen Anteil vom flüssigen Anteil trennenden Separator, einer Zuführleitung und einer den flüssigen Anteil vom Separator zur Zuführleitung zurückführenden Rückführleitung, in die eine Rezirkulationspumpe geschaltet ist. Um eine derartige Vorrichtung kostengünstiger herstellbar und mit einem besseren Wirkungsgrad auszugestalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Separator eine Leitungsanordnung bildet, in die die Zufuhrleitung im wesentlichen horizontal ausgerichtet einmündet und die von der Zufuhrleitung abzweigende erste und zweite Verzweigungsleitungen umfaßt, wobei die erste Verzweigungsleitung eine vertikal nach oben und die zweite Verzweigungsleitung eine vertikal nach unten gerichtete Richtungskomponente aufweisen. Die Rückführleitung schließt sich in Strömungsrichtung an die zweite Verzweigungsleitung an und die Rezirkulationspumpe ist in Abhängigkeit vom Füllstand der Rückführleitung steuerbar. Außerdem wird eine Anlage zur solaren Direktverdampfung eines Fluids vorgeschlagen mit einer derartigen Vorrichtung.
Description
Die Erfindung betrifft eine Dampfabscheidevorrichtung
zum Abscheiden eines dampfförmigen Anteils aus einem
Flüssigkeits-Dampfgemisch eines Fluids mit einem den
dampfförmigen Anteil vom flüssigen Anteil des Gemisches
trennenden Separator, einer das Flüssigkeits-
Dampfgemisch dem Separator zuführenden Zufuhrleitung
und einer den flüssigen Anteil des Gemisches vom Sepa
rator zur Zufuhrleitung zurückführenden Rückführlei
tung, in die eine Rezirkulationspumpe geschaltet ist.
Derartige Dampfabscheidevorrichtungen ermöglichen es,
aus einem Flüssigkeits-Dampfgemisch eines Fluids, bei
spielsweise eines Öls oder Wasser, einen dampfförmigen
Anteil vom flüssigen Anteil zu trennen. Der dampfförmi
ge Anteil kann hierbei einem weiteren Prozeß zugeführt
werden, während der flüssige Anteil über die Rezirkula
tionspumpe zurückgeführt werden kann. Solche Dampf
abscheidevorrichtungen kommen beispielsweise bei sola
ren Direktverdampfungsanlagen zum Einsatz, bei denen
das Fluid in einer Verdampfereinheit mittels Sonnen
strahlung erwärmt und teilweise verdampft wird, so daß
das Fluid nach Durchströmen der Verdampfereinheit in
Form eines Flüssigkeits-Dampfgemisches vorliegt. Der
Dampfanteil kann mittels der voranstehend genannten
Dampfabscheidevorrichtung vom flüssigen Anteil getrennt
und - gegebenenfalls nach Durchlaufen einer zusätzli
chen Überhitzereinheit, in welcher der Dampf weiter er
wärmt wird - einer Turbine zugeführt werden, die mit
einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Der flüssi
ge Anteil wird über die Rezirkulationspumpe zur Verdampfereinheit
zurückgeführt, so daß er anschließend
erneut mittels Sonnenstrahlung erwärmt und zumindest
teilweise verdampft werden kann. Derartige solare Di
rektverdampfungsanlagen sind beispielsweise bekannt aus
dem Artikel von M. Eck, W. D. Steinmann, D. Laing,
M. Schuischel, K. Hennecke mit dem Titel "Die solare
Direktverdampfung: Aktueller Stand und zukünftige Ten
denzen", der im Tagungsband der Jahrestagung der DGS,
Freiburg, im Jahre 2000 veröffentlicht wurde. Darüber
hinaus werden in den Druckschriften DE 197 23 543 A1
und DE 35 26 122 C2 Direktverdampfungsanlagen beschrie
ben. Eine Dampfabscheidevorrichtung ist aus der öster
reichischen Patentschrift AT 407 120 B bekannt. Darin
wird vorgeschlagen, zum Auftrennen eines strömenden
Dampf-Flüssigkeit-Gemisches einen Behälter zum Entspan
nen des Gemisches zu verwenden, bei welchem die Flüs
sigkeit am unteren Ende und der Dampf am oberen Ende
abführbar ist und bei dem die Einspeisstelle für das
strömende Gemisch im Bereich des sich im Behälter ein
stellenden Flüssigkeitspiegels angeordnet ist.
In dem voranstehend genannten Artikel von M. Eck et al.
wird zum Abtrennen des dampfförmigen Anteils vom flüs
sigen Anteil ein Separator vorgeschlagen. Dieser ist
üblicherweise in Form eines massiven Überdruckgefäßes
ausgestaltet, dem das Flüssigkeits-Dampfgemisch zuge
führt wird. Innerhalb des Druckgefäßes setzt sich der
flüssige Anteil des Gemisches im Bodenbereich des Gefä
ßes ab, so daß der dampfförmige Anteil im Bereich des
Gefäßdeckels entnommen werden kann. Zusätzlich zu sei
ner Funktion als Separator übernimmt das üblicherweise
zum Einsatz kommende Druckgefäß die Funktion eines
Flüssigkeit bereit haltenden Puffers, so daß auch bei
stark schwankenden Anteilen von Dampf und Flüssigkeit
des Flüssigkeits-Dampfgemisches sichergestellt ist, daß
lediglich der flüssige Anteil über die Rückführleitung
zur Rezirkulationspumpe gelangt, während der dampfför
mige Anteil abgeführt werden kann. Hierdurch wird ins
besondere gewährleistet, daß die Rezirkulationspumpe
nur mit Flüssigkeit, nicht aber auch mit Fluid-Dampf in
Berührung kommt, so daß Störungen der Rezirkulati
onspumpe verhindert werden können. Das üblicherweise
zum Einsatz kommende Druckgefäß muß allerdings starken
Druck- und Temperaturbelastungen standhalten und weist
deshalb eine große Wandstärke auf. Dies wiederum hat
zur Folge, daß das Druckgefäß als beträchtlicher Wärme
speicher wirkt. Dies führt zu einer Verringerung des
Wirkungsgrads der Dampfabscheidevorrichtung und hat au
ßerdem ein träges Steuerungsverhalten zur Folge. Der
Einsatz eines massiven Druckgefäßes
führt darüber hinaus zu erheblichen Herstel
lungskosten für die Dampfabscheidevorrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dampf
abscheidevorrichtung der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, daß sie kostengünstiger herstellbar ist
und einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Dampfab
scheidevorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Separator eine Leitungsanordnung ausbildet, in die
die Zufuhrleitung im wesentlichen horizontal ausgerich
tet einmündet und die eine von der Zufuhrleitung ab
zweigende erste Verzweigungsleitung zur Aufnahme eines
dampfförmigen Anteils des Gemisches und eine von der
Zufuhrleitung abzweigende zweite Verzweigungsleitung
zur Aufnahme des flüssigen Anteils des Gemisches um
faßt, wobei die erste Verzweigungsleitung eine vertikal
nach oben gerichtete Richtungskomponente und die zweite
Verzweigungsleitung eine vertikal nach unten gerichtete
Richtungskomponente aufweisen, und daß sich die Rück
führleitung in Strömungsrichtung an die zweite Verzwei
gungsleitung anschließt und die Rezirkulationspumpe in
Abhängigkeit vom Füllstand der Rückführleitung steuer
bar ist.
In die Erfindung fließt der Gedanke mit ein, daß der
dampfförmige Anteil vom flüssigen Anteil dadurch abge
schieden werden kann, daß das Flüssigkeits-Dampfgemisch
in horizontaler Richtung, oder nur geringfügig, bei
spielsweise maximal etwa 10°, vorzugsweise weniger als
cirka 8° zur Horizontalen geneigt, einer Leitungsanord
nung mit einer ersten und einer zweiten Verzweigungs
leitung zugeführt wird, wobei die erste Verzweigungs
leitung bezogen auf die Vertikale schräg oder senkrecht
nach oben ausgerichtet ist, während die zweite Verzwei
gungsleitung bezogen auf die Vertikale schräg oder
senkrecht nach unten ausgerichtet ist. Es hat sich her
ausgestellt, daß mittels einer derartigen Leitungsan
ordnung eine zuverlässige Abtrennung des dampfförmigen
vom flüssigen Fluidanteil erzielt werden kann. Die
Funktion eines Flüssigkeit bereit haltenden Puffers,
mit dessen Hilfe sichergestellt wird, daß die Rezirku
lationspumpe nur mit Flüssigkeit in Berührung kommt,
wird erfindungsgemäß von der Rückführleitung übernom
men. Hierzu wird der Füllstand der Rückführleitung
überwacht und die Rezirkulationspumpe in Abhängigkeit
vom Füllstand der Rückführleitung gesteuert. Wird der
Leitungsanordnung zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein
geringer Flüssigkeitsanteil zugeführt, so daß bei un
verändertem Betrieb der Rezirkulationspumpe die Gefahr
besteht, daß die Rückführleitung vollständig abgepumpt
wird, so kann beispielsweise vorgesehen sein, daß bei
Erreichen eines minimalen Füllstands der Rückführlei
tung die Rezirkulationspumpe ausgeschaltet wird. Im
weiteren Betrieb erhöht sich dann der Flüssigkeitsspie
gel innerhalb der Rückführleitung, und bei Erreichen
eines maximalen Füllstands der Rückführleitung kann die
Rezirkulationspumpe wieder eingeschaltet werden. Güns
tig ist es, wenn man die Förderkapazität der Rezirkula
tionspumpe in Abhängigkeit vom Füllstand der Rückführ
leitung quasi kontinuierlich regelt.
Der Einsatz der schräg oder senkrecht zur Zuführleitung
ausgerichteten ersten und zweiten Verzweigungsleitungen
in Kombination mit der Steuerbarkeit der Rezirkulati
onspumpe in Abhängigkeit vom Füllstand der Rückführlei
tung macht den Einsatz eines zusätzlichen Druckgefäßes
entbehrlich. Dies hat nicht nur eine Verringerung der
Herstellungskosten zur Folge, sondern bewirkt eine Ma
terialeinsparung und damit eine Verringerung der Wärme
kapazität der Abscheidevorrichtung, so daß diese ein
besseres Ansprechsverhalten und damit eine verbesserte
Steuerbarkeit aufweist.
Eine weitere Verbesserung des Steuerverhaltens der er
findungsgemäßen Dampfabscheidevorrichtung wird bei ei
ner bevorzugten Ausführungsform dadurch erzielt, daß
die Rückführleitung sowohl in horizontaler als auch in
vertikaler Richtung im Abstand zueinander angeordnete
Leitungsabschnitte umfaßt, an denen zumindest ein Meß
fühler positioniert ist, der ein dem Füllstand der
Rückführleitung entsprechendes Meßsignal bereitstellt.
Der Füllstand der Rückführleitung kann beispielsweise
dadurch ermittelt werden, daß der vom flüssigen Fluid
in der Rückführleitung erzielte statische Druck ermit
telt wird. Der statische Druck ist hierbei lediglich
von der Höhe der Flüssigkeitssäule, also von deren ver
tikaler Ausrichtung, abhängig, während die horizontale
Ausrichtung keinen Beitrag zum statischen Druck lie
fert. Ein verbessertes Regelverhalten der Füllstandsre
gelung der Rezirkulationspumpe kann deshalb durch eine
Verbesserung des Verhältnisses von Volumen zu Füllstandshöhe
der Rückführleitung erzielt werden. Dies
wird durch die Ausgestaltung der Rückführleitung mit in
horizontaler und in vertikaler Richtung im Abstand zu
einander angeordneten Leitungsabschnitten erzielt. Der
Meßfühler kann beispielsweise als Differenzdruckmeßfüh
ler ausgestaltet sein, mit dessen Hilfe die Differenz
der an zwei im Abstand zueinander angeordneten Lei
tungsabschnitten herrschenden Drücke erfaßt werden
kann.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Rück
führleitung stufig ausgestaltet ist. Vorzugsweise sind
zumindest im Bereich zweier Stufen Meßelemente angeord
net, die für eine Differenzdruckmessung herangezogen
werden können. Die horizontalen Abschnitte der Rück
führleitung zwischen den Meßelementen dienen hierbei
als Pufferabschnitt, der gewährleistet, daß beim Be
trieb der Rezirkulationspumpe sich die Höhe der Flüs
sigkeitssäule nur allmählich ändert und dadurch die Re
zirkulationspumpe gezielter geregelt werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist
vorgesehen, daß die Rückführleitung zumindest bereichs
weise schräg zur Vertikalen ausgerichtet ist, insbeon
dere kann vorgesehen sein, daß die Rückführleitung
praktisch auf ihrer gesamten Länge schräg zur Vertika
len geneigt ist. Dies hat nicht nur eine konstruktiv
einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dampfab
scheidevorrichtung zur Folge, sondern ermöglicht
gleichzeitig eine günstige Regelcharakteristik der
Füllstandsregelung, da sich der Füllstand der schräg
zur Vertikalen ausgerichteten Rückführleitung beim Be
trieb Rezirkulationspumpe nur allmählich ändert. Hier
bei ist es von besonderem Vorteil, wenn in der schräg
ausgerichteten Rückführleitung mehrere, vorzugsweise
gleichmäßig verteilt angeordnete Meßfühler positioniert
sind, so daß eine quasi kontinuierliche Regelung des
Füllstands der Rückführleitung erzielt werden kann, in
dem die Förderkapazität der Rezirkulationspumpe in Ab
hängigkeit von den Steuersignalen der Meßfühler gere
gelt werden kann. Von besonderem Vorteil ist der Ein
satz eines Differenzdrucksensors in der schräg ausge
richteten Rückführleitung, denn dieser ermöglicht eine
kontinuierliche Regelung der Förderkapazität der Rezir
kulationspumpe und er ist nur mit einem geringen Meß
fehler behaftet.
Um eine Verfälschung der von den Meßfühlern bereitge
stellten Meßsignale zu verhindern, ist es von Vorteil,
wenn der Rückführleitung zur Reduzierung von Turbulen
zen ein Dämpfungselement zugeordnet ist.
Besonders günstig ist es, wenn das Dämpfungselement der
Rückführleitung vorgeschaltet ist. So kann beispiels
weise vorgesehen sein, daß das Dämpfungselement an dem
der Rückführleitung zugewandten Ende der zweiten Ver
zweigungsleitung positioniert ist.
Eine besonders wirkungsvolle Abtrennung des dampfförmi
gen Anteils des Flüssigkeits-Dampfgemisches kann da
durch erzielt werden, daß die erste Verzweigungsleitung
im wesentlichen vertikal nach oben ausgerichtet ist.
Eine derartige Ausrichtung ist allerdings nicht in al
len Fällen zwingend erforderlich, es hat sich herausge
stellt, daß bereits eine schräg zur Vertikalen ausge
richtete erste Verzweigungsleitung in vielen Fällen ei
ne befriedigende Phasentrennung ermöglicht.
Bevorzugt ist die zweite Verzweigungsleitung im wesent
lichen vertikal nach unten ausgerichtet, da dies einen
verbesserten Grad der Phasentrennung bewirkt. Auch in
bezug auf die zweite Verzweigungsleitung hat sich al
lerdings gezeigt, daß bereits eine schräg nach unten
ausgerichtete zweite Verzweigungsleitung in vielen Fäl
len eine befriedigende Phasentrennung ermöglicht.
Bei einer konstruktiv besonders einfachen und kosten
günstig herstellbaren Ausführungsform ist vorgesehen,
daß die erste und zweite Verzweigungsleitung kolinear
zueinander ausgerichtet sind und in Kombination mit ei
nem Endabschnitt der Zufuhrleitung eine T-förmige Leis
tungsverzweigung ausbilden.
Zusätzlich zur Ausrichtung der ersten und zweiten Ver
zweigungsleitung relativ zur Zuführleitung kann der
Grad der Phasentrennung durch das Verhältnis der Durch
messer der beiden Verzweigungsleitungen beeinflußt wer
den. Es kann deshalb vorgesehen sein, daß die ersten
und zweiten Verzweigungsleitungen unterschiedliche
Durchmesser aufweisen.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die erste
Verzweigungsleitung einen größeren Durchmesser aufweist
als die zweite Verzweigungsleitung. Die Vergrößerung
des Durchmessers hat eine Verringerung der Strömungsge
schwindigkeit des jeweiligen Anteils, der von der Ver
zweigungsleitung aufgenommen wird, zur Folge. Wird der
Durchmesser der ersten Verzweigungsleitung vergrößert,
so sinkt dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Damp
fes, so daß der Anteil der flüssigen Phase, der vom
Dampf mitgerissen wird, verringert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß die erste Verzweigungsleitung zumindest eine Prall
wand aufweist, um die der dampfförmige Anteil herumge
führt ist. Die Prallwand ermöglicht eine zusätzliche
Verbesserung des Grades der Phasentrennung, da Flüssig
keitsteilchen, die vom Dampf mitgerissen werden, an der
Prallwand abgeschieden werden können.
Wie bereits erläutert, kann der Füllstand der Rückführ
leitung beispielsweise über eine Druckmessung bestimmt
werden. Hierzu ist es günstig, wenn die Dampfabscheide
vorrichtung eine Druckmeßeinheit umfaßt mit zwei Druck
sensoren, die im Abstand zueinander in der Rückführlei
tung positioniert sind, oder mit einem Differenzdruck
sensor zur Bestimmung einer Druckdifferenz.
Wie eingangs erläutert, kann die voranstehend beschrie
bene Dampfabscheidevorrichtung vorzugsweise bei einer
solaren Direktverdampfungsanlage zum Einsatz kommen.
Die Erfindung betrifft deshalb außerdem eine Anlage zur
solaren Direktverdampfung eines Fluids mit mindestens
einer Verdampfereinheit, die ein Verdampferrohr umfaßt,
dem ein die direkte Sonnenstrahlung auf das Verdampfer
rohr bündelndes Spiegelelement zugeordnet ist, und mit
einer Dampfabscheidevorrichtung der voranstehend erläu
terten Art. In der Verdampfereinheit kann ein Fluid,
üblicherweise Wasser, teilweise verdampft werden, und
das durch die solare Direktverdampfung erzielte Gemisch
aus Wasserdampf und flüssigem Wasser kann der voranste
hend erläuterten Dampfabscheidevorrichtung zugeführt
werden. Der abgeschiedene dampfförmige Anteil kann an
schließend zur Gewinnung von elektrischer Energie einer
mit einem Generator gekoppelten Turbine zugeführt wer
den, während das flüssige Wasser über die Rezirkula
tionspumpe der Verdampfereinheit zurückgeführt wird.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Ver
dampferrohr die Zufuhrleitung der Dampfabscheidevor
richtung ausbildet, denn dies ermöglicht eine kompakte
Ausgestaltung der Anlage zur solaren Direktverdampfung,
wobei Energieverluste minimiert werden.
Um einen verbesserten Wirkungsgrad bei der solaren
Energiegewinnung zu erzielen, ist der Verdampfereinheit
vorzugsweise eine Überhitzereinheit nachgeordnet, in
der der dampfförmige Anteil des Flüssigkeits-Dampf
gemisches zusätzlich erwärmt wird. Bei einer bevorzug
ten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage zur so
laren Direktverdampfung ist vorgesehen, daß der vom Se
parator abgetrennte dampfförmige Anteil des Flüssig
keits-Dampfgemisches über einen U-förmigen Leitungsab
schnitt der Überhitzereinheit zuführbar ist, wobei die
beiden Schenkel des U-förmigen Leitungsabschnittes
schräg oder senkrecht zur Horizontalen ausgerichtet
sind. Die vorzugsweise senkrecht zur Horizontalen aus
gerichteten Schenkel des U-förmigen Leitungsabschnittes
ermöglichen eine weitere Steigerung des Phasentren
nungsgrades, so daß praktisch keinerlei Flüssigkeit der
Überhitzereinheit zugeführt wird.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die erste Verzwei
gungsleitung des Separators einen der beiden Schenkel
des U-förmigen Leitungsabschnittes ausbildet. Dies er
möglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung der er
findungsgemäßen Anlage zur solaren Direktverdampfung,
wodurch die Herstellungskosten verringert werden und
der Wirkungsgrad der Anlage zusätzlich verbessert wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs
formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der
Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Teildarstellung einer
Anlage zur solaren Direktverdampfung;
Fig. 2 eine schematische Teildarstellung der Anla
ge zur solaren Direktverdampfung mit einer
Dampfabscheidevorrichtung gemäß einer er
sten Ausführungsform; und
Fig. 3 eine schematische Teildarstellung ähnlich
Fig. 2 mit einer Dampfabscheidevorrichtung
gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In den Fig. 1 und 2 ist schematisch eine insgesamt
mit dem Bezugszeichen 10 belegte Anlage zur solaren Di
rektverdampfung dargestellt, mit deren Hilfe ein Fluid,
im dargestellten Ausführungsbeispiel Wasser, mittels
Sonnenstrahlung teilweise verdampft und der dampfförmi
ge Anteil anschließend zusätzlich überhitzt werden
kann. Der überhitzte Wasserdampf wird dann in üblicher
Weise einer mit einem elektrischen Generator gekoppel
ten Turbine zugeführt zur elektrischen Energiegewin
nung.
Die Direktverdampfungsanlage 10 umfaßt eine Verdamp
fereinheit 12 zur teilweisen Verdampfung des Fluids so
wie eine der Verdampfereinheit 12 nachgeordnete Über
hitzereinheit 14 zur Überhitzung des Dampfanteils des
Fluids. Zur Erwärmung des Fluids bzw. von dessen
dampfförmigen Anteil weisen die Verdampfereinheit 12
und die Überhitzereinheit 14 jeweils einen Kollektor 16
bzw. 18 auf, mit dessen Hilfe die auf die Kollektoro
berfläche auftreffende Sonnenstrahlung in Richtung auf
ein Verdampferrohr 20 bzw. ein Überhitzerrohr 22 gebün
delt werden kann. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, kann
das zu verdampfende Fluid dem Verdampferrohr 20 über
eine Versorgungsleitung 24, in die eine Förderpumpe 26
geschaltet ist, zugeführt werden.
Aufgrund der auf das Verdampferrohr 20 auftreffenden
Sonnenstrahlung, die in Fig. 1 durch die Pfeile 28
symbolisiert ist, wird das von der Förderpumpe 26 be
reitgestellte Fluid teilweise verdampft. Das sich somit
innerhalb des Verdampferrohrs 20 ausbildende Flüssigkeits-Dampfgemisch
wird anschließend einem in Strö
mungsrichtung zwischen der Verdampfereinheit 12 und der
Überhitzereinheit 14 angeordneten Separator 30 zuge
führt. Dieser bildet in Kombination mit einem ihm zuge
wandten Endabschnitt des Verdampferrohrs 20 eine T-
förmige Leitungsverzweigung. Letztere umfaßt eine erste
Verzweigungsleitung 32 in Form eines vertikal nach oben
aufsteigenden Schenkels der T-förmigen Leitungsverzwei
gung 32 sowie eine zweite Verzweigungsleitung 34 in
Form eines vertikal nach unten abfallenden Schenkels
der T-förmigen Leitungsverzweigung. Das Mittelstück der
T-förmigen Leitungsverzweigung 32 wird vom Endabschnitt
des Verdampferrohrs 20 gebildet. Dieser Endabschnitt
stellt eine Zufuhrleitung 36 dar, über die das Flüssig
keits-Dampfgemisch dem Separator 30 zugeführt werden
kann. Das gesamte Verdampferrohr 20, und damit insbe
sondere auch dessen Endabschnitt in Form der Zufuhrlei
tung 36, ist im wesentlichen horizontal ausgerichtet,
d. h. es ist allenfalls um einen Winkel von weniger als
cirka 10°, vorzugsweise weniger als etwa 8°, zur Hori
zontalen geneigt, während die erste Verzweigungsleitung
32 und die zweite Verzweigungsleitung 34 senkrecht zur
Zufuhrleitung 36 ausgerichtet sind. Der dampfförmige
Anteil des Flüssigkeits-Dampfgemisches des im Verdamp
ferrohr 20 erwärmten Fluids wird von der ersten Ver
zweigungsleitung 32 aufgenommen und über einen U-
förmigen Leitungsabschnitt 38 dem Überhitzerrohr 22 zu
geführt. Der U-förmige Leitungsabschnitt 38 spannt eine
im wesentlichen vertikal ausgerichtete Ebene auf, wobei
die erste Verzweigungsleitung 32 den aufsteigenden
Schenkel des U-förmigen Leitungsabschnitts 38 ausbil
det.
Der flüssige Anteil des Flüssigkeits-Dampfgemisches
wird von der vertikal nach unten abfallenden zweiten
Verzweigungsleitung 34 aufgenommen, an die sich in
Strömungsrichtung eine Rückführleitung 40 anschließt,
über die der flüssige Anteil einer Rezirkulationspumpe
42 zugeführt wird, die den rückgeführten flüssigen An
teil anschließend wieder in die Versorgungsleitung 24
der Verdampfereinheit 12 einspeist.
Die Zufuhrleitung 36 bildet somit in Kombination mit
dem Separator 30, der Rückführleitung 40 und der Rezir
kulationspumpe 42 eine Dampfabscheidevorrichtung 44,
mit deren Hilfe der dampfförmige Anteil des Flüssig
keits-DampfGemisches abgetrennt und der flüssige Anteil
zurückgeführt werden kann.
Die Ansteuerung der Rezirkulationspumpe 42 erfolgt mit
tels einer elektrischen Regeleinheit 46, die über eine
Steuerleitung 48 elektrisch mit der Rezirkulationspumpe
42 in Verbindung steht.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfüh
rungsform ist die Rückführleitung 40 über ihre gesamte
Länge schräg zur Vertikalen geneigt und nimmt mehrere,
längs der Rückführleitung 40 gleichmäßig verteilte
Füllstandssensoren 50, 52, 54, 56, 58 auf, die jeweils
über eine Signalleitung 51, 53, 55, 57, 59 mit der Re
geleinheit 46 in elektrischer Verbindung stehen.
Die Förderkapazität der Rezirkulationspumpe 42 richtet
sich nach dem von den Füllstandssensoren 50 bis 58 er
mittelten Füllstand der Rückführleitung 40. Bei Errei
chen eines minimalen Füllstands wird die Rezirkula
tionspumpe 42 von der Regeleinheit 46 abgeschaltet,
während bei Vorliegen eines maximalen Füllstands die
Rezirkulationspumpe 42 mit maximaler Förderkapazität
betrieben wird. Um eine Verfälschung des von den Füll
standssensoren 50 bis 58 bereitgestellten Signals zu
vermindern, ist der Rückführleitung 40 in Strömungs
richtung ein Dämpfungselement 62 vorgeschaltet, das von
dem der Rückführleitung 40 zugewandten Endbereich der
zweiten Verzweigungsleitung 34 aufgenommen wird. Alter
nativ zum Einsatz der Füllstandssensoren 50 bis 58 kann
auch ein einziger Differenzdrucksensor vorgesehen sein,
mit dessen Hilfe die Druckdifferenz direkt gemessen
werden kann, die sich aus der Differenz der am Ort des
Sensors 50 und der am Ort des Sensors 58 herrschenden
statischen Drücke ergibt.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der An
lage zur solaren Direktverdampfung dargestellt, die
insgesamt mit dem Bezugszeichen 70 belegt ist. Diese
unterscheidet sich von der voranstehend unter Bezugnah
me auf die Fig. 1 und 2 erläuterten Anlage 10 da
durch, daß statt einer geneigten Rückführleitung eine
stufig ausgestaltete Rückführleitung 77 zum Einsatz
kommt, und daß für eine Zwei-Punkt-Regelung eine Regel
einheit 79 vorgesehen ist, der Meßsensoren 81, 83 zuge
ordnet sind. Ansonsten weist die Anlage 70 jedoch die
gleichen Bauteile auf, wie sie bereits unter Bezugnahme
auf die Fig. 1 und 2 bei der Anlage 10 erläutert
sind, so daß diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederho
lungen vollinhaltlich auf die voranstehenden Ausführun
gen Bezug genommen wird. Für identische Bauteile werden
dieselben Bezugszeichen verwendet wie in den Fig. 1
und 2.
Zur Abscheidung des dampfförmigen Anteils des Flüssig
keits-DampfGemisches kommt bei der Anlage 70 eine
Dampfabscheidevorrichtung 75 zum Einsatz, bei der der
flüssige Anteil des Gemisches über die stufig ausgebil
dete Rückführleitung 77 der Rezirkulationspumpe 42 zu
geführt wird. Die Regelung der Rezirkulationspumpe 42
erfolgt mittels der Regeleinheit 79, der lediglich zwei
Meßsensoren 81, 83 zugeordnet sind, die über Signallei
tungen 82 bzw. 84 mit der Regeleinheit 79 in elektri
scher Verbindung stehen, die ihrerseits über eine Steu
erleitung 85 die Rezirkulationspumpe 42 ansteuert.
Die Meßsensoren 81, 83 sind jeweils im Bereich einer
Stufe der Rückführleitung 77 angeordnet, das heißt je
weils im Bereich eines vertikalen Leitungsabschnittes
87 bzw. 89, wobei die Leitungsabschnitte 87, 89 sowohl
in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Rich
tung im Abstand zueinander angeordnet sind.
Die Ansteuerung der Rezirkulationspumpe 42 erfolgt bei
der Dampfabscheidevorrichtung 75 mittels einer 2-Punkt-
Regelung, wobei die Förderkapazität der Rezirkulations
pumpe 42 nicht kontinuierlich variiert werden kann,
vielmehr wird bei Erreichen eines minimalen Füllstands,
der durch den Leitungsabschnitt 87 und den zugeordneten
Meßsensor 81 vorgegeben ist, die Rezirkulationspumpe 42
ausgeschaltet, während sie bei Vorliegen eines maxima
len Füllstands, der durch den Leitungsabschnitt 89 und
den zugeordneten Meßsensor 83 vorgegeben ist, einge
schaltet wird.
Kommt es, beispielsweise bei Auftreten von Wolken, zu
einem starken Abfall der Intensität der auf das Ver
dampferrohr 20 auftreffenden Sonnenstrahlung und damit
zu einem Temperaturabfall und folglich zu einem starken
Anstieg des flüssigen Anteils des Flüssigkeits-
DampfGemisches, so steigt der Flüssigkeitsspiegel in
der Rückführleitung 77. Wird der durch den Leitungsab
schnitt 89 vorgegebene maximale Füllstand erreicht, so
wird die Rezirkulationspumpe 42 aufgrund eines entspre
chenden Steuersignals der Regeleinheit 79 eingeschal
tet. Da der Einschaltvorgang mit einer gewissen Verzö
gerung verbunden ist, ist dem Leitungsabschnitt 89 in
Strömungsrichtung ein oberer Pufferabschnitt 91 vorge
lagert, der horizontal ausgerichtet ist und während des
verzögerten Einschaltvorgangs der Rezirkulationspumpe
42 Flüssigkeit aufnehmen kann.
Im anschließenden Betrieb wird die in der Rückführlei
tung 77 vorliegende Flüssigkeit von der Rezirkulations
pumpe 42 abgepumpt bis der durch den Leitungsabschnitt
87 und den zugeordneten Meßsensor 81 vorgegebene mini
male Füllstand erzielt wird. Anschließend wird die Re
zirkulationspumpe 42 von der Regeleinheit 79 abgeschaltet.
Da auch dieser Abschaltvorgang mit einer gewissen
Verzögerung verbunden ist, ist dem Leitungsabschnitt 89
in Strömungsrichtung ein unterer Pufferabschnitt 93
nachgeordnet, der horizontal ausgerichtet ist und als
Flüssigkeitsreservoir dient, das während des verzöger
ten Abschaltvorgangs der Rezirkulationspumpe 42 noch
abgepumpt werden kann, ohne daß dies eine Beschädigung
der Rezirkulationspumpe 42 aufgrund fehlender Flüssig
keitszufuhr zur Folge hätte.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Dampfab
scheidevorrichtung 44 weisen die beiden Verzweigungs
leitungen 32 und 34 identische Durchmesser auf. Im Ge
gensatz hierzu kommen bei der in der Fig. 3 darge
stellten Dampfabscheidevorrichtung 75 erste und zweite
Verzweigungsleitungen 95 bzw. 97 mit unterschiedlichem
Durchmesser zum Einsatz. Der Durchmesser der den
dampfförmigen Anteil des Flüssigkeits-DampfGemisches
aufnehmenden ersten Verzweigungsleitung 95 ist größer
gewählt als der Durchmesser der zweiten Verzweigungs
leitung 97. Dies hat eine verringerte Strömungsge
schwindigkeit innerhalb der ersten Verzweigungsleitung
95 zur Folge, so daß nur ein sehr geringer Anteil der
flüssigen Phase des Flüssigkeits-DampfGemisches, das
den beiden Verzweigungsleitungen 95 und 97 über die Zu
fuhrleitung 36 zugeführt wird, mitgerissen wird. Um
auch den sehr geringen Anteil der vom Dampf mitgerisse
nen Flüssigkeit zurückzuhalten, sind in der ersten Ver
zweigungsleitung 95 Prallwände 99 angeordnet, um die
der Dampf herumgeführt wird und an denen sich die mitgerissenen
Flüssigkeitströpfchen abscheiden. Dadurch
wird der Grad der Phasentrennung zusätzlich gesteigert.
Claims (17)
1. Dampfabscheidevorrichtung zum Abscheiden eines
dampfförmigen Anteils aus einem Flüssigkeits-
Dampfgemisch eines Fluids mit einem den dampfför
migen Anteil vom flüssigen Anteil des Gemisches
trennenden Separator, einer das Flüssigkeits-
Dampfgemisch dem Separator zuführenden Zufuhrlei
tung und einer den flüssigen Anteil des Gemisches
vom Separator zur Zufuhrleitung zurückführenden
Rückführleitung, in die eine Rezirkulationspumpe
geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Separator (30) eine Leitungsanordnung ausbildet,
in die die Zufuhrleitung (36) im wesentlichen ho
rizontal ausgerichtet einmündet und die eine von
der Zufuhrleitung (36) abzweigende erste Verzwei
gungsleitung (32; 95) zur Aufnahme eines
dampfförmigen Anteils des Gemisches und eine von
der Zufuhrleitung (36) abzweigende zweite Ver
zweigungsleitung (34; 97) zur Aufnahme des flüs
sigen Anteils des Gemisches umfaßt, wobei die er
ste Verzweigungsleitung (32; 95) eine vertikal
nach oben gerichtete Richtungskomponente und die
zweite Verzweigungsleitung (34; 97) eine vertikal
nach unten gerichtete Richtungskomponente aufwei
sen, und daß sich die Rückführleitung (40; 77) in
Strömungsrichtung an die zweite Verzweigungslei
tung (34; 97) anschließt und die Rezirkula
tionspumpe (42) in Abhängigkeit vom Füllstand der
Rückführleitung (40; 77) steuerbar ist.
2. Dampfabscheidevorrichtung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung
(77) sowohl in horizontaler als auch in vertika
ler Richtung im Abstand zueinander angeordnete
Leitungsabschnitte (87; 89) umfaßt, an denen zu
mindest ein Meßfühler (81; 83) positioniert ist,
der ein dem Füllstand der Rückführleitung (77)
entsprechendes Meßsignal bereitstellt.
3. Dampfabscheidevorrichtung nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung
(77) stufig ausgestaltet ist.
4. Dampfabscheidevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung
(40) zumindest bereichsweise schräg zur Vertika
len ausgerichtet ist.
5. Dampfabscheidevorrichtung nach einem der voran
stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rückführleitung (40; 77) ein Dämpfungselement
(62) zugeordnet ist.
6. Dampfabscheidevorrichtung nach Anspruch 5, da
durch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement
(62) in Strömungsrichtung der Rückführleitung
(40; 77) vorgeschaltet ist.
7. Dampfabscheidevorrichtung nach einem der voran
stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Verzweigungsleitung (32; 95) im wesent
lichen vertikal ausgerichtet ist.
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ver
zweigungsleitung (34; 97) im wesentlichen verti
kal ausgerichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und
die zweite Verzweigungsleitung (32, 34; 95, 97)
kolinear zueinander ausgerichtet sind und in Kom
bination mit einem Endabschnitt der Zufuhrleitung
(36) eine T-förmige Leitungsverzweigung ausbil
den.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und
zweiten Verzweigungsleitungen (95, 97) unter
schiedliche Durchmesser aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ver
zweigungsleitung (95) einen größeren Durchmesser
aufweist als die zweite Verzweigungsleitung (97).
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ver
zweigungsleitung (95) zumindest eine Prallwand
(99) aufweist, um die der dampfförmige Anteil
herumgeführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
zur Ermittlung des Füllstands der Rückführleitung
(40; 77) eine Druckmeßeinheit (79) umfaßt mit
zwei Drucksensoren (81, 83), die im Abstand zu
einander in der Rückführleitung (77) angeordnet
sind, oder mit einem Differenzdrucksensor zur Be
stimmung einer Druckdifferenz.
14. Anlage zur solaren Direktverdampfung eines Fluids
mit mindestens einer Verdampfereinheit (12), die
ein Verdampferrohr (20) umfaßt, dem ein direkte
Sonnenstrahlung (28) auf das Verdampferrohr (20)
bündelndes Spiegelelement (16) zugeordnet ist,
und mit einer Dampfabscheidevorrichtung (44; 75)
nach einem der voranstehenden Ansprüche.
15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verdampferrohr (20) die Zufuhrleitung
(36) der Dampfabscheidevorrichtung (44; 75) aus
bildet.
16. Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anlage (10; 70) eine Überhit
zereinheit (14) umfaßt, wobei der vom Separator
(30) abgetrennte dampfförmige Anteil des Flüssig
keits-DampfGemisches über einen U-förmigen Lei
tungsabschnitt (38) der Überhitzereinheit zuführ
bar ist und die beiden Schenkel des U-förmigen
Leitungsabschnitts (38) schräg oder senkrecht zur
Horizontalen ausgerichtet sind.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Verzweigungsleitung (32; 95) des
Separators (30) einen Schenkel des U-förmigen
Leitungsabschnitts (38) ausbildet.
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---|---|---|---|---|
DE102010040216A1 (de) * | 2010-09-03 | 2012-03-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Solarthermischer Druchlaufdampferzeuger mit einem Dampfabscheider und nachgeschaltetem Sternverteiler für Solarturm-Kraftwerke mit direkter Verdampfung |
DE102011004262A1 (de) * | 2011-02-17 | 2012-08-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Verdampfer eines solarthermischen Dampferzeugers mit T-Abscheider |
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---|---|---|---|---|
DE3526122C2 (de) * | 1985-07-22 | 1990-06-28 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe, De | |
DE19723543A1 (de) * | 1997-06-05 | 1998-12-10 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Energieerzeugungsanlage |
AT407120B (de) * | 1998-08-14 | 2000-12-27 | Novafluid Innovative Stroemung | Anlage zum auftrennen eines strömenden dampf-flüssigkeit-gemisches |
-
2000
- 2000-11-08 DE DE10056071A patent/DE10056071C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
M.Eck et al.: Die solare Direktverdampfung: Aktu- eller Stand und zukünftige Tendenzen IN: Tagungs- band der Jahrestagung der DGS, 2000, Freiburg * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10056071A1 (de) | 2002-05-29 |
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