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Die
Erfindung betrifft eine solarthermische Verdampfungsvorrichtung,
umfassend eine Solareinrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgermediums und
eine Abscheidereinrichtung zum Trennen von dampfförmigem
Wärmeträgermedium von flüssigem Wärmeträgermedium.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Nutzung von solarthermisch
erzeugtem Dampf.
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In
dem Artikel "Conceptual design of a 5 MWe Direct
Steam Generation System" von E. Zarza et al., 2004, Proceedings
of the 12th Solar Paces International Symposium, Ramos, C., and
Huacuz, J., eds., SolarPACES, Oaxaca ist eine konzeptuelle Ausbildung
einer solarthermischen Anlage, welche Direktverdampfung nutzt, beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Verdampfungsvorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einfach ausgebildet
ist und einen minimierten Regelungsaufwand erfordert.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten solarthermischen Verdampfungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass eine Wärmeübertragungseinrichtung
vorgesehen ist, welche an die Abscheidereinrichtung gekoppelt ist,
wobei die Wärmeübertragungseinrichtung mit einem
Eingang mit einem Dampf-Ausgang der Abscheidereinrichtung verbunden
ist, ein Flüssigkeits-Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung
in fluidwirksamer Verbindung mit der Abscheidereinrichtung oder
der Solareinrichtung steht, und der Flüssigkeits-Ausgang der
Wärmeübertragungseinrichtung auf einem höheren
geodätischen Niveau liegt als ein höchster möglicher
Flüssigkeitspegel der Abscheidereinrichtung oder eine Einkopplungsstelle
in die Solareinrichtung.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich
eine Art von geschlossenem Kreislauf ausbilden. Der Wärmeübertragungseinrichtung
wird einphasiges dampfförmiges Wärmeträgermedium
unabhängig von solaren Einstrahlungsbedingungen bereitgestellt.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, den Massenstrom
bzw. Volumenstrom an dampfförmigem Wärmeträgermedium,
welches der Wärmeübertragungseinrichtung bereitgestellt
wird, einzustellen (bzw. zu messen).
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Es
ist eine genaue Leistungsregelung über den von der Wärmeübertragungseinrichtung
zurückgeführten Massenstrom an flüssigem
Wärmeträgermedium und/oder über Regelung
eines Flüssigkeitspegels in der Wärmeübertragungseinrichtung möglich.
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Die
Vorrichtung lässt sich kostengünstig realisieren,
da beispielsweise keine Drei-Wege-Ventile erforderlich sind.
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Es
ist kein gesonderter Regelungskreis notwendig, sondern es lässt
sich eine Selbstregelung des Systems realisieren. Dadurch lassen
sich auch Regelungsrückkopplungen weitgehend vermeiden.
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Durch
den Flüssigkeits-Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung
auf höherem geodätischen Niveau ist die Rückströmung
an flüssigem Wärmeträgermedium zu der
Abscheidereinrichtung bzw. direkt in die Solareinrichtung automatisch
erreicht. Es sind keine zusätzlichen leistungsaufnehmenden
Elemente wie beispielsweise eine Pumpe notwendig.
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Wenn
flüssiges Wärmeträgermedium direkt in
die Abscheidereinrichtung eingekoppelt wird, dann lässt
sich ein Stabilisierungseffekt realisieren. Steigt beispielsweise
der Druck in der Abscheidereinrichtung an, dann erhöht
sich die Temperaturdifferenz in der Wärmeübertragungseinrichtung.
Dadurch steigt auch der Strom an flüssigem Wärmeträgermedium, welcher
in die Abscheider einrichtung eintritt. Dies bewirkt, dass der Druck
wegen der Kühlwirkung des eintretenden flüssigen
Wärmeträgermediums sinkt.
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Günstig
ist es, wenn ein geodätischer Höhenunterschied
zwischen dem Flüssigkeits-Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung
und der Abscheidereinrichtung oder der Einkopplungsstelle in die
Solareinrichtung so gewählt ist, dass Flüssigkeit, welche
aus der Wärmeübertragungseinrichtung austritt,
ohne zusätzliche Leistungszuführung in die Abscheidereinrichtung
oder in die Solareinrichtung strömt. Es sind dadurch keine
zusätzlichen Elemente wie beispielsweise Pumpen notwendig.
Es lässt sich auf einfache Weise eine Art von geschlossenem Kreislauf
an Wärmeträgermedium zwischen der Abscheidereinrichtung
und der Wärmeübertragungseinrichtung ausbilden.
Der geodätische Höhenunterschied wird in Abhängigkeit
insbesondere von dem auftretenden Druckverlust in einem Leitungssystem eingestellt.
Der auftretende Druckverlust lässt sich messen bzw. abschätzen,
so dass der notwendige geodätische Höhenunterschied
auf einfache Weise vorgebbar ist.
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Insbesondere
wird der Höhenunterschied mindestens als Δp/(ρg)
gewählt, wobei Δp der Druckunterschied in einer
Rohrleitung zur Führung des Wärmeträgermediums
ist, ρ die Dichte des flüssigen Wärmeträgermediums
und g die Erdbeschleunigung. Dadurch ist sichergestellt, dass ohne
weitere Leistungszuführung eine Art von geschlossenem Wärmeträgermedium-Kreislauf
ausbildbar ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Wärmeträgermedium-Kreislauf
zwischen der Abscheidereinrichtung und der Wärmeübertragungseinrichtung
mit einem getrennten Dampfzweig und Flüssigkeitszweig realisiert
ist. Dadurch ergibt sich eine Art von Selbstregelung für
die Zuführung von dampfförmigem Wärmeträgermedium
zu der Wärmeübertragungseinrichtung. Es ist sichergestellt,
dass dampfförmiges Wärmeträgermedium
einphasig (d. h. zu 100% als Dampf) der Wärmeübertragungseinrichtung
zugeführt wird.
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Günstig
ist es, wenn eine Leitung zwischen dem Dampf-Ausgang der Abscheidereinrichtung
und dem Dampf-Eingang der Wärmeübertragungseinrichtung
einen Bereich aufweist, welcher gegenüber der Schwerkraftrichtung
geneigt ist. Es kann dann kondensiertes flüssiges Wärmeträgermedium
bei einem Stillstand einer Anlage in die Abscheidereinrichtung zurückströmen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Leitung zwischen
dem Dampf-Ausgang der Abscheidereinrichtung und dem Dampf-Eingang
der Wärmeübertragungseinrichtung einen Bereich
umfasst, welcher im Wesentlichen parallel zur Schwerkraftrichtung
orientiert ist. Dadurch lässt sich kondensiertes flüssiges
Wärmeträgermedium in die Abscheidereinrichtung
einrieseln.
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Günstig
ist es, wenn in einer Leitung zwischen dem Flüssigkeits-Ausgang
der Wärmeübertragungseinrichtung und einem Flüssigkeits-Eingang der
Abscheidereinrichtung oder einer Einkopplungsstelle in die Solareinrichtung
ein Ventil angeordnet ist. Es können dabei grundsätzlich
mehrere Ventile vorgesehen sein, wobei es bei der erfindungsgemäßen Lösung
ausreicht, dass genau ein Ventil vorhanden ist. Über dieses
Ventil lässt sich die Wärmeübertragungseinrichtung
zuschalten bzw. abschalten. Ferner lässt sich der Strom
an flüssigem Wärmeträgermedium, welcher
von der Wärmeübertragungseinrichtung der Abscheidereinrichtung
oder direkt der Solareinrichtung bereitgestellt wird, einstellen.
Beispielsweise ist es dadurch auch möglich, einen Flüssigkeitspegel
in der Wärmeübertragungseinrichtung einzustellen.
Dadurch lässt sich einstellen, wie groß der Anteil
an Wärmeübertragungsflächen zur Wärmeübertragung
auf ein Arbeitsmedium ist.
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Es
ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn das Ventil steuerbar und/oder
regelbar ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ventil geodätisch
unterhalb eines niedrigsten möglichen Flüssigkeitspegels
der Abscheidereinrichtung oder einer Einkopplungsstelle in die Solareinrichtung liegt.
Dadurch ist dieses Ventil gut steuerbar bzw. regelbar.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welches einen minimierten Regelungsaufwand
erfordert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass solar erhitztes Wärmeträgermedium in eine
Abscheidertrommel geführt wird und dort flüssiges
Wärmeträgermedium von dampfförmigem Wärmeträgermedium
getrennt wird, aus der Abscheidertrommel dampfförmiges
Wärmeträgermedium einer Wärmeübertragungseinrichtung
zugeführt wird und flüssiges Wärmeträgermedium
von der Wärmeübertragungseinrichtung in die Abscheidertrommel oder
eine Solareinrichtung zurückgeführt wird, wobei ein
Flüssigkeits-Ausgang der Wärmeübertragungseinrichtung
auf ein höheres geodätischen Niveau gelegt wird
als ein höchster möglicher Flüssigkeitspegel in
der Abscheidertrommel oder als eine Einkopplungsstelle in die Solareinrichtung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen solarthermischen
Verdampfungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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Insbesondere
wird Wärmeträgermedium in einem Kreislauf zwischen
der Abscheidertrommel und der Wärmeübertragungseinrichtung
geführt, wobei einphasiges dampfförmiges Wärmeträgermedium
von der Abscheidertrommel zu der Wärmeübertragungseinrichtung
geführt wird und einphasiges flüssiges Wärmeträgermedium
in der Wärmeübertragungseinrichtung zu der Abscheidertrommel
oder einer Einkopplungsstelle in die Solareinrichtung geführt
wird. Dadurch wird sichergestellt, dass in die Wärmeübertragungseinrichtung stets
einphasiges dampfförmiges Wärmeträgermedium
eingekoppelt wird. Durch die Rückführung von flüssigem
Wärmeträgermedium in die Abscheidertrommel erhält
man eine Systemstabilisierung. Steigt beispielsweise der Druck in
der Abscheidertrommel an, dann erhöht sich die Sättigungstemperatur
des Wärmeträgermediums und die Temperaturdifferenz
in der Wärmeübertragungseinrichtung steigt. Es
kann mehr Wäre abgeführt werden. Dadurch steigt
aber auch der Kondensatstrom, d. h. der Strom an flüssigem
Wärmeträgermedium, welcher von der Wärmeübertragungseinrichtung
geliefert wird. Dadurch wiederum sinkt aufgrund der Kühlwirkung
des eintretenden flüssigen Wärmeträgermediums
in der Abscheidertrommel der Druck.
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Günstig
ist es, wenn der Strom an flüssigem Wärmeträgermedium,
welcher von der Wärmeübertragungseinrichtung der
Abscheidertrommel oder einer Einkopplungsstelle in die Solareinrichtung
zugeführt wird, über ein Ventil eingestellt wird.
Man erhält dadurch eine einfache Möglichkeit,
den Flüssigkeitspegel in der Abscheidertrommel zu steuern.
Ferner ist es möglich, auch einen Flüssigkeitspegel
in der Wärmeübertragungseinrichtung gezielt einzustellen
und dadurch beispielsweise nicht gewünschte Wärmeübertragungsflächen
durch Flutung ”auszuschalten”.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn Strom an dampfförmigem Wärmeträgermedium,
welcher von der Abscheidertrommel zu der Wärmeübertragungseinrichtung
geführt wird, eingestellt wird. Durch Steuerung bzw. Regelung
dieses Stroms kann eine Leistungsanpassung bzw. Leistungsregelung
erfolgen; der Strom kann dadurch gesteuert oder geregelt werden,
dass der Strom an flüssigem Wärmeträgermedium,
welcher von der Wärmeübertragungseinrichtung geliefert
wird, eingestellt wird. Diese Einstellung kann direkt durch Einstellung
der Menge des gebildeten Kondensats und/oder durch Beeinflussung
des Kondensatstroms erfolgen.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigt die einzige
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1 eine schematische Blockbilddarstellung
eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
solarthermischen Verdampfungsvorrichtung.
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Ein
Ausführungsbeispiel einer solarthermischen Verdampfungsvorrichtung,
welches in 1 schematisch gezeigt und
dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Solareinrichtung 12.
In der Solareinrichtung 12 wird über Solarstrahlung
Wärmeträgermedium erhitzt und dabei Wärmeträgermediumdampf
erzeugt. Es wird ein Zweiphasengemisch aus dampfförmigem
Wärmeträgermedium und flüssigem Wärmeträgermedium
erzeugt.
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Bei
dem Wärmeträgermedium handelt es sich beispielsweise
um Wasser.
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Die
Solareinrichtung 12 umfasst beispielsweise ein Solarfeld
mit einer Mehrzahl von Solarkollektoren, durch die Wärmeträgermedium
transportiert wird und dabei solar erhitzt wird. Es kann auch vorgesehen
sein, dass die Solareinrichtung 12 ein Turmkollektoreinrichtung
ist, bei welcher beispielsweise eine Mehrzahl von Heliostaten Solarstrahlung
auf einen Turmreceiver konzentrieren und dort die Erhitzung des
Wärmeträgermediums stattfindet.
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Die
Solareinrichtung 12 ist an eine Abscheidereinrichtung 14 gekoppelt.
Diese weist eine Abscheidertrommel 16 auf, in welcher sich
flüssiges Wärmeträgermedium 18 und
gasförmiges Wärmeträgermedium 20 sammeln
kann. Das gasförmige Wärmeträgermedium 20 liegt
oberhalb des flüssigen Wärmeträgermediums 18,
welches einen Flüssigkeitspegel 22 aufweist.
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Die
Solareinrichtung 12 ist über eine oder mehrere
Leitungen 24 mit einem Eingang 26 der Abscheidertrommel 16 fluidwirksam
verbunden. Der Eingang 26 ist ein Eingang für
ein Mehrphasengemisch.
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An
einem bezogen auf die Schwerkraftrichtung g oberen Bereich der Abscheidertrommel 16 kann
ein Ausgang 28 für dampfförmiges Medium
an geordnet sein. Über diesen Ausgang 28 kann ein
Verbraucher 30 direkt Dampf entnehmen, um diesen direkt
nutzen zu können.
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Die
solarthermische Verdampfungsvorrichtung 10 umfasst eine
Wärmeübertragungseinrichtung 32. Ein
Verbraucher 34 kann über diese Wärmeübertragungseinrichtung 32 über
ein Arbeitsmedium Wärme nutzen.
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Die
Wärmeübertragungseinrichtung 32 umfasst
einen Dampf-Eingang 36, über welchen dampfförmiges
Wärmeträgermedium, welches von der Abscheidereinrichtung 14 geliefert
wird, einkoppelbar ist.
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Der
Dampf-Eingang 36 ist mit einem Dampf-Ausgang 38 der
Abscheidertrommel 16 fluidwirksam verbunden. Zwischen dem
Dampf-Ausgang 38 der Abscheidertrommel 16 und
dem Dampf-Eingang 36 der Wärmeübertragungseinrichtung 32 ist eine
Leitung 40 angeordnet. Der Dampf-Ausgang 38 der
Abscheidertrommel 16 ist in einem bezogen auf die Schwerkraftrichtung
oberen Bereich der Abscheidertrommel 16 angeordnet. Durch
die Leitung 40 wird einphasiges dampfförmiges
Wärmeträgermedium der Wärmeübertragungseinrichtung 32 bereitgestellt.
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Die
Leitung 40 hat einen ersten Bereich 42, welcher
fluidwirksam an den Dampf-Ausgang 38 gekoppelt ist. Dieser
erste Bereich 42 ist mindestens näherungsweise
parallel zu der Schwerkraftrichtung g orientiert, d. h. ist vertikal
orientiert. An den ersten Bereich 42 schließt
sich ein zweiter Bereich 44 an, welcher von dem ersten
Bereich 42 zu dem Dampf-Eingang 36 der Wärmeübertragungseinrichtung 32 führt.
Dieser zweite Bereich 44 ist schräg bezüglich
der Schwerkraftrichtung g und damit schräg zu dem ersten
Bereich 42 orientiert. Ein Winkel 46 zu der Schwerkraftrichtung
g ist kleiner 90°. Dadurch ist der zweite Bereich 44 gegenüber
einer horizontalen Richtung geneigt.
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An
der Leitung 40 kann eine Steuerungseinrichtung oder Regelungseinrichtung 48 angeordnet sein, über
welche der Massenstrom bzw. Volumenstrom an dampfförmigem
Wärmeträgermedium, welches der Wärmeübertragungseinrichtung 32 bereitgestellt
wird, einstellbar ist. Grundsätzlich reicht es aus, wenn
der Strom an dampfförmigem Wärmeträgermedium
gemessen wird. Die Einstellung kann alleine über ein unten
noch näher erläutertes Ventil 58 in einem
Rücklauf für flüssiges Wärmeträgermedium erfolgen.
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Die
Wärmeübertragungseinrichtung 32 hat einen
Flüssigkeits-Ausgang 50, welcher auf einem tieferen
geodätischen Niveau liegt als der Dampf-Eingang 36;
bezogen auf die Schwerkraftrichtung liegt der Flüssigkeits-Ausgang 50 unterhalb
des Dampf-Eingangs 36.
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Der
Flüssigkeits-Ausgang 50 ist über eine Leitung 52 fluidwirksam
mit einem Eingang 54 der Abscheidertrommel 16 verbunden.
Der Eingang 54 ist ein Eingang für flüssiges
Wärmeträgermedium, welches von der Wärmeübertragungseinrichtung 32 bereitgestellt
wird.
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Zwischen
dem Dampf-Eingang 36 der Wärmeübertragungseinrichtung 32 und
dem Flüssigkeits-Ausgang 50 sind in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 Wärmeübertragungselemente 56 mit entsprechenden
Wärmeübertragungsflächen angeordnet, über
welche Wärme von dem Wärmeträgermedium
auf ein Arbeitsmedium übertragbar ist. Bei der Wärmeübertragung
kondensiert dampfförmiges Wärmeträgermedium
zu flüssigem Wärmeträgermedium.
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An
der Leitung 52 ist ein Ventil 58 angeordnet, welches
insbesondere steuerbar bzw. regelbar ist. Über das Ventil 58 lässt
sich der Volumenstrom bzw. Massenstrom an flüssigem Wärmeträgermedium,
welches von der Wärmeübertragungseinrichtung 32 kommend
in die Abscheidertrommel 16 eingekoppelt wird, einstellen. Über
das Ventil 58 lässt sich auch der Flüssigkeitspegel
an flüssigem Wärmeträgermedium (Kondensat)
in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 einstellen.
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Die
Wärmeübertragungseinrichtung 32 ist gegenüber
der Abscheidertrommel 16 und damit gegenüber der
Abscheidereinrichtung 14 erhöht angeordnet. Der Flüssigkeits-Ausgang 50 der
Wärmeübertragungseinrichtung 32 liegt
auf einem höheren geodätischen Niveau als ein
höchster möglicher Flüssigkeitspegel
der Abscheidertrommel 16. In 1 ist
diese Höhe mit h eingezeichnet. Die Höhe h ist
so gewählt, dass Flüssigkeit, welche aus der Wärmeübertragungseinrichtung 32 aus
dem Flüssigkeits-Ausgang 50 austritt, ohne zusätzliche
Leistungszuführung beispielsweise über eine Pumpe
in die Abscheidertrommel 16 strömt.
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Über
den geodätischen Höhenunterschied h lassen sich
Druckverluste in den Rohrleitungen der solarthermischen Verdampfungsvorrichtung 10 ausgleichen.
Die Höhe h ist so gewählt, dass die Bedingung h ≥ Δpρ·g erfüllt ist, wobei Δp
der auftretende Druckverlust ist, ρ die Dichte des flüssigen
Wärmeträgermediums und g die Erdbeschleunigung.
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Eine
Abschätzung für den Druckverlust in einem Rohrsystem
ist: Δp = 8ρ (ṁπd² )2(λld + Σ iςi)
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Dabei
ist ṁ der Massenstrom, d ist der Innendurchmesser von Rohren
des Rohrsystems, λ ist die Rohrreibungszahl, die unter
anderem abhängig ist von der Strömung und dem
Rohrmaterial, l ist die Länge der Rohrstrecke und ςi ist die Widerstandszahl für Einbauten
wie beispielsweise Rohrbögen und Ventile.
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Auch
ein Rohrleitungssystem innerhalb der Wärmeübertragungseinrichtung 32 hat
einen Einfluss auf den Druckverlust.
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In
der Praxis liegt der Höhenunterschied h üblicherweise
in der Größenordnung von wenigen Zentimetern bis
einem Meter oder mehr.
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Das
Ventil 58 liegt geodätisch unterhalb eines niedrigsten
möglichen Flüssigkeitspegels in der Abscheidertrommel 16.
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Die
Abscheidertrommel 16 weist einen Ausgang 60 für
flüssiges Wärmeträgermedium auf. Von diesem
Ausgang 60 führt eine Leitung 62 zu der
Solareinrichtung 12. Über die Leitung 62 wird
(vorgewärmtes) flüssiges Wärmeträgermedium
zur solaren Verdampfung bereitgestellt.
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Es
ist grundsätzlich auch möglich, wie in 1 durch eine Leitung mit dem Bezugszeichen 64 angedeutet,
dass flüssiges Wärmeträgermedium unter
Umgehung der Abscheidertrommel 16 direkt in die Leitung 62 an
einer Einkopplungsstelle 63 eingekoppelt wird. Bei dieser
Ausführungsform liegt die Einkopplungsstelle 63 auf
einem niedrigeren geodätischen Niveau als der Flüssigkeits-Ausgang 50.
Es gelten die oben gemachten Abschätzungen. Insbesondere
liegt die Einkopplungsstelle 63 in der Nähe des
Ausgangs 60.
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Die
solarthermische Verdampfungsvorrichtung 10 und das erfindungsgemäße
Verfahren zur Nutzung von solarthermisch erzeugtem Dampf funktionieren
wie folgt:
Die Solareinrichtung 12 stellt ein Zweiphasengemisch
von Wärmeträgermedium bereit. In der Abscheidereinrichtung 14 erfolgt
eine Trennung in flüssiges Wärmeträgermedium 18 und
gasförmiges Wärmeträgermedium 20.
Einphasiges gasförmiges Wärmeträgermedium 20 wird
der Wärmeübertragungseinrichtung 32 bereitgestellt.
Dort nimmt ein Arbeitsmedium Wärme auf und dampfförmiges
Wärmeträgermedium kondensiert. Flüssiges
Wärmeträgermedium wird über den Flüssigkeits-Ausgang 50 in
die Abscheidertrommel 16 zurückgeführt.
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Zwischen
der Abscheidereinrichtung 14 und der Wärmeübertragungseinrichtung 32 ist
ein geschlossener oder ”quasi-geschlossener” Kreislauf 66 ausgebildet.
Dieser Kreislauf erfordert keine Pumpenergie oder dergleichen zur
Förderung des Wärmeträgermediums in dem
Kreislauf. Der Kreislauf 66 umfasst dabei einen Dampfzweig 68,
bei dem einphasiges dampfförmiges Wärmeträgermedium
der Wärmeübertragungseinrichtung 32 bereitgestellt wird.
Die Leitung 40 gehört zum Dampfzweig 68.
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Ferner
umfasst der Kreislauf 66 einen Flüssigkeitszweig 70, über
welchen flüssiges Wärmeträgermedium von
der Wärmeübertragungseinrichtung 32 in
die Abscheidertrommel 16 oder über die Einkopplungsstelle 63 direkt
in die Solareinrichtung 12 zurückgeführt
wird. Der Flüssigkeitszweig 70 umfasst die Leitung 52 und
das Ventil 58.
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Durch
diese erfindungsgemäße Lösung ist sichergestellt,
dass in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 immer
genau definierte Wärmeübergangsbedingungen herrschen.
Es lässt sich eine Art von selbstregelndem System bereitstellen,
welches keinen externen Regelkreis erfordert. Damit lässt sich
thermische Leistung der Wärmeübertragungseinrichtung 32 stets
bedarfsgerecht bereitstellen. Auch bei Schwankungen in den solaren
Einstrahlungsbedingungen ist eine solche bedarfsgerechte Bereitstellung
möglich. Insbesondere werden beispielsweise auch nicht
Drei-Wege-Ventile zur Dampfbereitstellung benötigt.
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Die
gleichmäßige Verteilung von dampfförmigem
Wärmeträgermedium in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 ist
passiv über die geodätische Anordnung erreicht.
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Da
kein gesonderter Regelkreis erforderlich ist, sind auch Rückkopplungen
vermieden, wie sie beispielsweise durch große Druckunterschiede
oder ein rasch wechselndes Kondensatniveau in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 entstehen
können.
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Da
der Dampf-Eingang 36 geodätisch oberhalb des höchstmöglichen
Flüssigkeitspegels 22 in der Abscheidertrommel 16 oder
der Einkopplungsstelle 63 liegt, ist eine gleichmäßige
Beaufschlagung der Wärmeübertragungseinrichtung 32 mit
dampfförmigem Wärmeträgermedium realisiert.
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Für
die Zuschaltung und Abschaltung der Wärmeübertragungseinrichtung 32 genügt
ein einziges Ventil 58, welches auf einfache Weise steuerbar bzw.
regelbar ist, wenn es geodätisch unterhalb des niedrigsten
möglichen Flüssigkeitspegels in der Abscheidertrommel 16 liegt.
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Durch
die Ausbildung der Leitung 40 mit dem ersten Bereich 42 und
dem zweiten Bereich 44 ist sichergestellt, dass bei Stillstand
sich kondensiertes flüssiges Wärmeträgermedium
in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 ansammeln
kann. In der Leitung 40 läuft Kondensat aufgrund
der Neigung sowohl im ersten Bereich 42 als auch im zweiten
Bereich 44 in Schwerkraftrichtung nach unten und kann in
die Abscheidertrommel 16 rieseln.
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Durch
den Rücklauf von flüssigem Wärmeträgermedium
in die Abscheidertrommel 16 erhält man einen Stabilisierungseffekt.
Steigt beispielsweise der Druck in der Abscheidertrommel 16 an,
dann wird aufgrund einer erhöhten Temperaturdifferenz in der
Wärmeübertragungseinrichtung mehr Kondensat gebildet.
Dadurch steigt aber auch der Strom an flüssigem Wärmeträgermedium,
welcher in die Abscheidertrommel 16 eintritt und dadurch
wiederum sinkt der Druck wegen der Kühlwirkung des eintretenden flüssigen
Wärmeträgermediums.
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Über
Schließen des Ventils 58 ist es beispielsweise
möglich, den Flüssigkeitspegel in der Wärmeübertragungseinrichtung 32 zu
erhöhen. Dadurch lässt sich die Fläche
an wirksamen Wärmeübertragungselementen 56 verringern,
um so beispielsweise eine Leistungsanpassung durchführen zu
können.
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Das
flüssige Wärmeträgermedium, welches von
dem Flüssigkeits-Ausgang 50 zu der Abscheidertrommel 16 geführt
wird, liegt in der Nähe der Sättigungslinie vor.
Dadurch sind Probleme aufgrund von Kavitation vermieden.
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Die
erfindungsgemäße solarthermische Verdampfungsvorrichtung 10 und
das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich beispielsweise
in solarthermischen Direktverdampfungsanlagen einsetzen, bei denen
die Wärme aus dem dampfförmigen Wärmeträgermedium
abgenommen werden soll. Die Wärmeabnahme kann beispielsweise
für eine Prozesswärmeanlage oder für
eine solare Kühlungsanlage vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Conceptual
design of a 5 MWe Direct Steam Generation System” von E.
Zarza et al., 2004, Proceedings of the 12th Solar Paces International Symposium,
Ramos, C., and Huacuz, J., eds., SolarPACES, Oaxaca [0003]