DE10056071C2 - Dampfabscheidevorrichtung - Google Patents

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.